Neuropeptide und die Regulation des Kohlenhydratstoffwechsels im Fettkörper der Argentinischen Schabe (Blaptica dubia)

Trehalose ist der Hauptblutzucker in der Hämolymphe der meisten Insekten. Trehalose wird im Fettkörper synthetisiert, dem wichtigsten Organ des Intermediärstoffwechsels bei Insekten. Wie die Homöostase des Blutzuckers reguliert wird, ist nicht vollständig geklärt. Die Produktion von Trehalose erfordert eine grundlegende Umschaltung im Stoffwechsel des Fettkörpers, die mehrere wichtige Stoffwechselwege betrifft, so dass die Fettkörperzellen (Trophocyten) von der Speicherung und Katabolisierung von Zucker zur Mobilisierung von Reservestoffen (Glykogen, Fett, Protein) und Trehalosesynthese umschalten. Am Fettkörper und isolierten Trophocyten der Argentinischen Schabe (Blaptica dubia) wurden Stoffwechseleffekte und Elemente der Signalkette des hypertrehalosämischen Hormons Bld HrTH untersucht. Inkubation isolierter Fettkörperloben mit Bld HrTH verringerte innerhalb von 60 min den Glykogengehalt (um 13,4 %) und steigerte die Konzentration der Hexosephosphate Glucose-6-phosphat und Fructose-6-phosphat, die Substrat sowohl für die Trehalosesynthese als auch für die Glykolyse sind. Pyruvat, Glycerin-3-phosphat, Citrat und insbesondere Fructose-1,6-bisphosphat (+750 %) waren ebenfalls erhöht. Der Glykolyseaktivator/Gluconeogeneseinhibitor Fructose-2,6-bisphosphat wird durch Bld HrTH vermindert. Da Trehalosesynthese und Glykolyse um dieselben Substrate (Glucosephosphate) konkurrieren, fördert der hormoninduzierte Abfall des Glykolyseaktivators Fructose-2,6-bisphosphat die Trehalogenese.Es ist gelungen, Trophocyten zu isolieren und die Signaltransduktion von Bld HrTH an einheitlichen Zellen und auch an Einzelzellen zu studieren. Hauptziel dieser Arbeit war es, die Funktion von Ca2+ im Signalweg des Bld HrTH genauer zu untersuchen. Die isolierten Zellen reagierten auf das Neuropeptid mit einer deutlichen Steigerung der Trehalosesynthese (+133,7 %) und einer Senkung des Fructose-2,6-bisphosphat-Gehaltes (-30,2 %). Sie bieten somit ein geeignetes System zur Untersuchung der Wirkungsmechanismen von Bld HrTH auf zellulärem Niveau. Ca2+ aus dem Extrazellulärraum und aus intrazellulären Speichern spielen bei der Signaltransduktion eine Rolle. Während extrazelluläres Ca2+ insbesondere für die Senkung des Fructose-2,6-bisphosphat-Gehaltes wichtig war, wurde Ca2+ aus zellulären Speichern insbesondere für die Trehalosesynthese benötigt, wobei sich jedoch beide Wege wechselseitig beeinflussen. Erstmals konnten an isolierten Trophocyten Änderungen von Ca2+ mikrofluorometrisch an Einzelzellen studiert werden. Das hypertrehalosämische Hormon ruft einen schnellen und starken Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration ([Ca2+]i) hervor. Die Untersuchungen deuten auf einen Signalweg über IP3 und Diacylglycerin hin, entsprechend der Phosphoinositidkaskade. Eine Beteiligung des biogenen Amins Octopamin, von cAMP oder von Stickstoffmonoxid (NO) an der Signaltransduktion scheint hingegen unwahrscheinlich. Der Zuckergehalt im Medium scheint ebenfalls auf die Trehalogenese zu wirken. Bei hohen Konzentrationen von Glucose oder Trehalose wurde eine Hemmung der Trehalosesynthese beobachtet, die als Rückkopplungshemmung gedeutet werden kann. Bei Hunger wird das im Fettkörper gespeicherte Glykogen stark reduziert. Außerdem scheint die Zahl der symbiontischen Mikroorganismen in den Mycetocyten verringert.

Zuckertransport und Regulation des Hexosestoffwechsels bei Oenococcus oeni

Das Milchsäurebakterium Oenococcus oeni, welches für den biologischen Säureabbau im Wein eingesetzt wird, verstoffwechselt Hexosen über den Phosphoketolaseweg. Dabei können beträchtliche Mengen Acetat entstehen. Die Ursachen dafür wurden untersucht, insbesondere der Fructosestoffwechsel. Außerdem wurde der Hexosetransport untersucht, über den bei O. oeni noch nichts bekannt war. Die Aufnahme von Hexosen in die Zelle erfolgt mit hoher Affinität (KM=10 µM) über einen Symport mit H+, aber mit sehr niedriger spezifischer Aktivität (Vmax=9 U / g TG). Zusätzlich werden Hexosen mit ausreichender Aktivität über (vermutlich erleichterte) Diffusion in die Zelle transportiert, allerdings nur bei hohen Hexosekonzentrationen. Es wurden Gene gefunden, die für ein Hexose- Phosphotransferasesystem kodieren, welches in O. oeni keine bedeutende Rolle beim Transport spielt, aber vermutlich eine regulative Funktion hat. Zur Bildung von Essigsäure tragen verschiedene Faktoren bei: Der Ethanolweg, der in der heterofermentativen Milchsäuregärung die Reoxidation von NAD(P)H bewerkstelligt, ist durch die niedrige spezifische Aktivität der Acetaldehyddehydrogenase limitiert. Diese Limitierung wird noch verstärkt, wenn die zellulären Gehalte von Coenzym A aufgrund von Pantothensäuremangel niedrig sind. O. oeni umgeht durch Bildung von Erythrit die Limitierung, und Acetylphosphat wird nicht zu Ethanol reduziert, sondern als Acetat ausgeschieden. Bei Cofermentation von Hexosen mit externen Elektronenakzeptoren, wie Fructose, Pyruvat oder Sauerstoff, werden letztere zur Reoxidation von NAD(P)H genutzt, und als Folge wird Acetat ausgeschieden. Der Fluss von Fructose in den Phosphoketolaseweg wird durch das Enzym Phosphoglucoseisomerase verhindert, wenn dieses durch 6-Phosphogluconat gehemmt wird. Als Konsequenz wird Fructose im Mannitweg reduziert, was die Bildung von Essigsäure im Phosphoketolaseweg fördert. Bei niedrigen Wachstums- und Stoffwechselraten, z.B. bei C-Limitierung, ist der Ethanolweg nicht limitierend für den Stoffwechsel, und Hexosen werden über heterofermentative Milchsäuregärung umgesetzt, ohne daß Acetat entsteht. Pyruvat kann gleichzeitig als Elektronenakzeptor und als Energiequelle dienen: O. oeni ist in der Lage, Pyruvat mittels Disproportionierung zu Lactat und Acetat+CO2 zu fermentieren, und dabei Energie zu konservieren (0,5 ATP / Pyruvat).