Allgemeine Charakteristik der Katecholamine
Katecholamine sind eine Gruppe biogener Amine, zu denen Adrenalin, Noradrenalin und Dopamin gehören. Chemisch gesehen handelt es sich um Derivate von Tyrosin, die einen Catechol-Kern (einen Benzolring mit zwei Hydroxygruppen) und eine Aminogruppe in der Seitenkette enthalten.
Adrenalin wird vom Nebennierenmark synthetisiert und sezerniert. Die Hauptreize für die Ausschüttung – körperliche Belastung, Stress, Hypoglykämie – werden über die Aktivierung des sympathischen Nervensystems vermittelt.
Struktur von Adrenalin und Zusammenhang mit Tyrosin
Das Adrenalinmolekül kann als modifiziertes Tyrosin betrachtet werden, bei dem folgende Veränderungen stattgefunden haben:
- die Carboxylgruppe wurde abgespalten (Decarboxylierung);
- zwei Hydroxygruppen wurden eingeführt: eine an Position 3 des aromatischen Rings (Bildung der Catechol-Struktur) und eine am β-Kohlenstoffatom der Seitenkette;
- an die Aminogruppe wurde eine Methylgruppe angefügt (N-Methylierung), was Adrenalin von Noradrenalin unterscheidet.
Rezeptoren und Signalübertragungswege
Adrenalin wirkt über membranständige Adrenorezeptoren, die an G-Proteine gekoppelt sind. Man unterscheidet α- und β-Typen; für metabolische Effekte sind primär α1- und β2-Rezeptoren von Bedeutung.
Adenylatcyclase-System (β-Rezeptoren)
- die Bindung von Adrenalin an den β-Rezeptor aktiviert ein Gs-Protein;
- die α-Untereinheit des Gs-Proteins tauscht GDP gegen GTP aus und stimuliert die Adenylatcyclase;
- die Adenylatcyclase wandelt ATP in cAMP um;
- cAMP aktiviert die Proteinkinase A (PKA), welche Schlüsselenzyme des Stoffwechsels phosphoryliert.
Inositolphosphat-System (α1-Rezeptoren)
- die Aktivierung des Gq-Proteins stimuliert die Phospholipase C;
- es entstehen IP3 und DAG; IP3 bewirkt die Freisetzung von Ca²⁺ aus dem endoplasmatischen Retikulum;
- Ca²⁺ aktiviert die Proteinkinase C und bindet an Calmodulin;
- der Ca²⁺-Calmodulin-Komplex aktiviert die Phosphorylase-Kinase.
Mobilisierung von Glykogen in der Leber
Adrenalin setzt die Glykogenolyse über zwei Wege in Gang, die zu demselben Ergebnis führen – der Phosphorylierung von Enzymen des Kohlenhydratstoffwechsels.
- Über β2-Rezeptoren: PKA phosphoryliert Glykogensynthase (und überführt sie in die inaktive Form) sowie Phosphorylasekinase; die aktive Kinase phosphoryliert Glykogenphosphorylase b und wandelt sie in die aktive Form a um.
- Über α1-Rezeptoren: Die Proteinkinase C phosphoryliert ebenfalls die Glykogensynthase; der Ca²⁺-Calmodulin-Komplex aktiviert die Phosphorylase-Kinase ohne deren vorherige Phosphorylierung.
Das Ergebnis ist der Abbau von Glykogen zu Glucose-1-phosphat und weiter zu Glucose, die ins Blut abgegeben wird.
Glykogenolyse in der Skelettmuskulatur
In den Muskeln wirkt Adrenalin analog – über β2-Rezeptoren und das Adenylatcyclase-System. Die Kaskade cAMP → PKA → Phosphorylase-Kinase → Glykogenphosphorylase führt zum Abbau von Muskelglykogen. Im Gegensatz zur Leber enthalten Muskeln keine Glucose-6-phosphatase, weshalb die entstehende Glucose lokal für die Glykolyse und zur Sicherstellung der Kontraktion genutzt wird.
Aktivierung von Lipolyse und β-Oxidation
Die Steigerung der β-Oxidation von Fettsäuren in der Leber bewirkt Adrenalin indirekt – über die Mobilisierung von Fett aus dem Fettgewebe.
- In den Adipozyten wird das Adenylatcyclase-System aktiviert, der cAMP-Spiegel steigt an.
- Die PKA phosphoryliert die hormonsensitive Lipase (HSL) und überführt sie in den aktiven Zustand.
- Die HSL hydrolysiert schrittweise Triacylglycerol zu Diacylglycerol, Monoacylglycerol und schließlich zu Glycerol und drei freien Fettsäuren.
- Die Fettsäuren werden an Albumin gebunden und über den Blutkreislauf zur Leber und zu den Muskeln transportiert, wo sie unter Bildung von Acetyl-CoA und ATP der β-Oxidation unterzogen werden.
Regulation des cAMP-Spiegels: Phosphodiesterase
Der cAMP-Spiegel wird durch das Enzym Phosphodiesterase begrenzt, welches cAMP zu AMP hydrolysiert und das Signal inaktiviert. Inhibitoren der Phosphodiesterase – Koffein, Theophyllin, taurinhaltige Getränke – verhindern den Abbau von cAMP. Infolgedessen wird die Wirkung von Adrenalin verlängert: Lipolyse und Glykogenolyse werden verstärkt, was subjektiv als Energieschub wahrgenommen wird.
Schlüsselpunkte
- Adrenalin ist ein Katecholamin der Nebennieren, ein Tyrosinderivat mit einer N-methylierten Aminogruppe.
- Das Signal wird über β-Rezeptoren (Adenylatcyclase → cAMP → PKA) und α1-Rezeptoren (Phospholipase C → IP3/DAG → Ca²⁺) vermittelt.
- In Leber und Muskeln aktiviert Adrenalin die Glykogenphosphorylase und inaktiviert die Glykogensynthase, wodurch die Glykogenolyse in Gang gesetzt wird.
- Im Fettgewebe aktiviert Adrenalin über die PKA die hormonsensitive Lipase und stimuliert die Lipolyse.
- Die β-Oxidation von Fettsäuren in der Leber wird indirekt verstärkt – durch den Zufluss freier Fettsäuren aus den Adipozyten.
- Der Ca²⁺-Calmodulin-Komplex ist ein alternativer Aktivierungsweg der Phosphorylase-Kinase bei einem α1-Signal.
- Die Phosphodiesterase baut cAMP ab; ihre Inhibitoren (Koffein) verstärken und verlängern die Effekte von Adrenalin.