Bilirubin-Austausch

Bilirubin ist das Endprodukt des Häm-Abbaus. Der Großteil (80–85 %) des Bilirubins wird aus Hämoglobin gebildet, nur ein kleiner Teil aus anderen Häm-haltigen Proteinen wie Cytochrom P450. Bilirubin wird in den Zellen des retikuloendothelialen Systems gebildet. Täglich werden etwa 300 mg Bilirubin gebildet.

An der Umwandlung von Häm in Bilirubin ist das mikrosomale Enzym Hämoxygenase beteiligt, das für seine Funktion Sauerstoff und NADPH benötigt. Der Porphyrinring wird selektiv an der Methangruppe in Position a gespalten. Das Kohlenstoffatom in der a-Methanbrücke wird zu Kohlenmonoxid oxidiert, und anstelle der Brücke bilden sich zwei Doppelbindungen mit von außen kommenden Sauerstoffmolekülen. Das resultierende lineare Tetrapyrrol ist strukturell IX-alpha-Biliverdin. Es wird dann durch Biliverdinreduktase, ein zytosolisches Enzym, in IX-alpha-Bilirubin umgewandelt. Lineares Tetrapyrrol dieser Struktur sollte wasserlöslich sein, während Bilirubin eine fettlösliche Substanz ist. Die Lipidlöslichkeit wird durch die Struktur von IX-alpha-Bilirubin bestimmt – das Vorhandensein von 6 stabilen intramolekularen Wasserstoffbrücken. Diese Bindungen können in einer Diazoreaktion (van den Bergh) durch Alkohol aufgebrochen werden, bei der unkonjugiertes (indirektes) Bilirubin in konjugiertes (direktes) umgewandelt wird. In vivo werden stabile Wasserstoffbrücken durch Veresterung mit Glucuronsäure aufgebrochen.

Etwa 20 % des zirkulierenden Bilirubins stammen aus anderen Quellen als dem Häm reifer Erythrozyten. Ein kleiner Anteil stammt aus unreifen Zellen der Milz und des Knochenmarks. Dieser Anteil steigt bei Hämolyse an. Der Rest wird in der Leber aus Häm-haltigen Proteinen wie Myoglobin, Cytochromen und anderen nicht näher bezeichneten Quellen gebildet. Dieser Anteil ist bei perniziöser Anämie, erythropoetischem Uroporphyrin und dem Crigler-Najjar-Syndrom erhöht.

Transport und Konjugation von Bilirubin in der Leber

Unkonjugiertes Bilirubin ist im Plasma fest an Albumin gebunden. Nur ein sehr geringer Anteil des Bilirubins ist dialysierbar, kann aber unter dem Einfluss von Substanzen, die mit Bilirubin um die Bindung an Albumin konkurrieren (z. B. Fettsäuren oder organische Anionen), ansteigen. Dies ist bei Neugeborenen von Bedeutung, da eine Reihe von Medikamenten (z. B. Sulfonamide und Salicylate) die Diffusion von Bilirubin ins Gehirn erleichtern und so zur Entwicklung eines Kernikterus beitragen können.

Die Leber sezerniert zahlreiche organische Anionen, darunter Fettsäuren, Gallensäuren und andere nicht-gallensäurehaltige Bestandteile der Galle wie Bilirubin (trotz seiner starken Bindung an Albumin). Studien haben gezeigt, dass Bilirubin in den Sinusoiden von Albumin getrennt wird und durch die wässrige Schicht auf der Hepatozytenoberfläche diffundiert. Frühere Annahmen zum Vorhandensein von Albuminrezeptoren haben sich nicht bestätigt. Bilirubin wird durch Transportproteine wie das organische Anionentransportprotein und/oder einen Flip-Flop-Mechanismus über die Plasmamembran in die Hepatozyten transportiert. Die Bilirubinaufnahme ist aufgrund des schnellen Stoffwechsels in der Leber durch Glucuronidierung und Sekretion in die Galle sowie aufgrund des Vorhandenseins zytosolischer Bindungsproteine wie Liganden (Glutathion-8-Transferase) hocheffizient.

Unkonjugiertes Bilirubin ist eine unpolare (fettlösliche) Substanz. Durch die Konjugationsreaktion wird es in eine polare (wasserlösliche) Substanz umgewandelt und kann somit in die Galle ausgeschieden werden. Diese Reaktion erfolgt mithilfe des mikrosomalen Enzyms Uridindiphosphat-Glucuronyltransferase (UDPGT), das unkonjugiertes Bilirubin in konjugiertes Mono- und Diglucuronidbilirubin umwandelt. UPGT ist eine von mehreren Isoformen des Enzyms, die für die Konjugation endogener Metaboliten, Hormone und Neurotransmitter sorgen.

Das UDPHT-Gen des Bilirubins befindet sich auf dem zweiten Chromosomenpaar. Die Struktur des Gens ist komplex. In allen UDPHT-Isoformen sind die Exons 2–5 am 3'-Ende der Gen-DNA konstante Bestandteile. Für die Genexpression ist die Beteiligung eines der ersten Exons notwendig. So sind für die Bildung der Bilirubin-UDFHT-Isoenzyme 1*1 und 1*2 die Exons 1A bzw. 1D notwendig. Isoenzym 1*1 ist an der Konjugation fast des gesamten Bilirubins beteiligt, Isoenzym 1*2 hingegen fast oder gar nicht. Andere Exons (IF und 1G) kodieren Phenol-UDFHT-Isoformen. Somit bestimmt die Wahl einer der Sequenzen von Exon 1 die Substratspezifität und die Eigenschaften der Enzyme.

Die weitere Expression von UDFGT 1*1 hängt auch von einer Promotorregion am 5'-Ende ab, die mit jedem der ersten Exons assoziiert ist. Die Promotorregion enthält die Sequenz TATAA.

Details der Genstruktur sind wichtig für das Verständnis der Pathogenese der unkonjugierten Hyperbilirubinämie (Gilbert- und Crigler-Najjar-Syndrom), bei der die für die Konjugation verantwortlichen Enzyme in der Leber reduziert oder gar nicht vorhanden sind.

Die Aktivität von UDFGT bleibt bei hepatozellulärer Gelbsucht auf einem ausreichenden Niveau und nimmt bei Cholestase sogar zu. Bei Neugeborenen ist die Aktivität von UDFGT gering.

Beim Menschen liegt Bilirubin in der Galle hauptsächlich als Diglucuronid vor. Die Umwandlung von Bilirubin in Monoglucuronid und Diglucuronid erfolgt im selben mikrosomalen Glucuronyltransferasesystem. Bei einer Bilirubinüberladung, beispielsweise während der Hämolyse, wird überwiegend Monoglucuronid gebildet. Bei abnehmender Bilirubinzufuhr oder Aktivierung des Enzyms steigt der Diglucuronidgehalt an.

Am wichtigsten ist die Konjugation mit Glucuronsäure, aber eine kleine Menge Bilirubin ist mit Sulfaten, Xylose und Glucose konjugiert; diese Prozesse werden bei Cholestase verstärkt.

In den Spätstadien einer cholestatischen oder hepatozellulären Gelbsucht lässt sich trotz des hohen Plasmabilirubingehalts kein Bilirubin im Urin nachweisen. Grund hierfür ist offenbar die Bildung von monokonjugiertem Bilirubin Typ III, das kovalent an Albumin gebunden ist. Es wird in den Glomeruli nicht gefiltert und erscheint daher nicht im Urin. Dies mindert die praktische Bedeutung der Tests zur Bestimmung des Bilirubingehalts im Urin.

Die Bilirubinausscheidung in die Tubuli erfolgt über eine Familie ATP-abhängiger multispezifischer organischer Anionentransportproteine. Die Geschwindigkeit des Bilirubintransports vom Plasma in die Galle wird durch die Ausscheidung der Bilirubinglucuronide bestimmt.

Gallensäuren werden durch ein anderes Transportprotein in die Galle transportiert. Die unterschiedlichen Transportmechanismen von Bilirubin und Gallensäuren lassen sich am Beispiel des Dubin-Johnson-Syndroms veranschaulichen, bei dem die Ausscheidung von konjugiertem Bilirubin beeinträchtigt ist, die normale Ausscheidung von Gallensäuren jedoch erhalten bleibt. Der Großteil des konjugierten Bilirubins in der Galle befindet sich in gemischten Mizellen, die Cholesterin, Phospholipide und Gallensäuren enthalten. Die Bedeutung des Golgi-Apparats und der Mikrofilamente des Hepatozyten-Zytoskeletts für den intrazellulären Transport von konjugiertem Bilirubin ist noch nicht geklärt.

Bilirubindiglucuronid, das in der Galle vorkommt, ist wasserlöslich (polares Molekül) und wird daher im Dünndarm nicht resorbiert. Im Dickdarm wird konjugiertes Bilirubin durch bakterielle β-Glucuronidasen zu Urobilinogenen hydrolysiert. Bei bakterieller Cholangitis wird ein Teil des Bilirubindiglucuronids in den Gallengängen hydrolysiert, was zur Ausfällung von Bilirubin führt. Dieser Prozess kann für die Bildung von Bilirubin-Gallensteinen wichtig sein.

Urobilinogen, ein unpolares Molekül, wird im Dünndarm gut und in geringen Mengen im Dickdarm resorbiert. Eine geringe Menge des normalerweise resorbierten Urobilinogens wird über Leber und Nieren wieder ausgeschieden (enterohepatischer Kreislauf). Bei eingeschränkter Leberzellfunktion ist die hepatische Wiederausscheidung von Urobilinogen beeinträchtigt und die renale Ausscheidung erhöht. Dieser Mechanismus erklärt die Urobilinogenurie bei alkoholbedingter Lebererkrankung, Fieber, Herzinsuffizienz und im Frühstadium einer Virushepatitis.