Auslagerung der Glycolyse! Prolin im Honigbienenflug

Der Insektenflug gehört zu den energieaufwändigsten Verhaltensweisen im Tierreich. In Hymenopteren ist möglicherweise der Höhepunkt der evolutionären Entwicklung im massenspezifischen Energieoutput aller Muskelsysteme erreicht. Es ist seit langem bekannt, daß in einigen Insektenarten Prolin als Energieträger für den Flug oder die Körpererwärmung fungiert. Prolin wird dabei im Flugmuskel oxidiert, das entstehende freie Ammonium wird zu Alanin transaminiert, welches wiederum im Fettkörper zu Prolin rekonstituiert wird. Auf diese Weise wird Energie, die primär aus Kohlehydraten, Lipiden oder Aminosäuren stammt, über Prolin auf den Flugmuskel transferriert, während durch die Transaminierung die Akkumulation von Ammonium verhindert wird. In Arbeiterinnen der Honigbiene, die in der Hämolymphe zwar hohe Konzentrationen an freiem Prolin aber geringe Konzentrationen an freiem Alanin haben, wird Prolin intensiv veratmet obwohl der respiratorische Quotient bei 1 liegt, was auf Kohlehydrate als primäre Energiequelle hinweist. Einige Vorexperimente, die ich druchgeführt habe, deuten darauf hin, dass radioaktive Markierung aus injiziertem Prolin nicht auf Alanin übertragen wird, allerdings während des Fluges radioactive Markierung aus injizierter Glukose im Prolinpool aufscheint. Diese Beobachtungen führen zur Hypothese, dass in Arbeiterinnen der Honigbiene (in Drohnen und Königinnen könnte der Mechanismus anders ablaufen) Prolin während des Fluges im Flugmuskel oxidiert und parallel dazu im Fettkörper aus Kohlehydrat wieder aufgebaut wird. Die Konzentration an Prolin in der Hämolymphe ändert sich während konstanter Flugphasen nämlich nicht. Freies Ammonium, als Überbleibsel der Prolinoxidation, wird offenbar nicht über Alanin sondern in freier Form in den Fettkörper rückgeführt. Dieser Modus ergäbe ein sehr effizientes System um Acetyleinheiten aus Kohlehydraten in den Citratzyklus des Flugmuskels einzuführen und dadurch die glykolytischen Kapazitäten des Flugmuskels zu entlasten. Dies könnte für Bienen (und andere Hymenopteren) von entscheidender Bedeutung für ihre exorbitanten Flugleistungen sein, da hier die Flugmuskulatur zum allergrößten Anteil aus Mitochondrien und Myofibrillen besteht und der glycolytische Apparat am theoretischen Limit arbeiten müsste. Aus meinen Vorversuchen konnte ich grob abschätzen, daß im Flug bis zu 30% der aus Kohlehydrat stammenden Acetyleinheiten über den oben beschriebenen Weg transferriert werden könnten. In diesem Projekt sollen der Mechanismus und sein Beitrag zum Gesamtenergie-verbrauch in Arbeiterinnen, Drohnen und Königinnen der Honigbiene im Flug, in Ruhe, während der Thoraxreifung nach dem Schlüpfen und während der larvalen entwicklung untersucht werden. Um später vergleichende Untersuchungen an anderen Insektenarten durchführen zu können, wird ein standardisiertes Testprotokoll entwickelt.

Die Flugmuskelzellen von Honigbienen zeigen, bezogen auf Gewicht, den höchsten Energieumsatz aller bisher untersuchten tierischen Gewebe. Das Überleben von Honigbienen hängt auch von ihrer Fähigkeit ab Langstreckenflüge beim Sammeln von Pollen, Nektar oder Wasser durchzuführen, vom Paarungsflug der Königinnen und Drohnen aber auch beim Schwarmverhalten.Die primäre Energiequelle für die Flugenergie ist Kohlehydrat aus Nektar oder Honigtau. Der hohe Gehalt an der Aminosäure Prolin in Blut und Gewebe der Bienen aber auch die limitierten Kapazitäten für Glycolyse in den Flugmuskelzellen führten zur Vermutung, dass ein weiterer, intermediärer, Stoffwechselweg zur Versorgung des Flugmuskels mit Energie vorliegen könnte.Von der Aminosäure Prolin ist es bekannt, dass sie eine Rolle im Energiestoffwechsel mancher Insektenarten spielt. Allerdings gab es bisher noch keine Hinweise auf eine Rolle im Langstreckenflug. Glykolyse ist ein Stoffwechselweg in Zellen, bei dem Kohlehydrate so verändert werden, dass sie von den Mitochondrien aufgenommen und zur Energiebereitstellung in Form von ATP genutzt werden. Prolin hingegen kann nach geringfügigem Umbau direkt in die Mitochondrien aufgenommen werden- die Glykolyse wird sozusagen umgangen.In unseren Experimenten injizierten wir Bienen mit kleinen Mengen an Prolin welches mit radioaktivem Kohlenstoff markiert war und verfolgten den Weg dieses radioaktiven Kohlenstoffs durch die Bienen. Zur Simulation von Langstreckenflügen wurden die Bienen am Arm eines Flugkarussells fixiert. Die Bienen flogen bis zu 2 Stunden während die Flugparameter registriert wurden. Wir fanden, dass der Gehalt an radioaktivem Prolin während des Verlaufs der Flüge kontinuierlich abnahm, was bedeutet, dass Prolin veratmet wurde, also energetisch genutzt wurde. Der Gesamtgehalt an Prolin blieb hingegen weitgehend konstant. Offenbar wurde also, während das radioaktiv markierte Prolin veratmet wurde Prolin aus nicht radioaktivem Kohlehydrat, mit dem die Bienen zuvor gefüttert worden waren, kontinuierlich nachsynthetisiert.Unsere Ergebnisse zeigen, dass etwa 20% der gesamten Flugenergie aus Kohlehydrat nicht direkt über das Blut in die Glycolyse des Flugmuskels gelangen, sondern (wahrscheinlich im Fettkörper im Hinterleib der Bienen) in einem kontinuierlichen Zyklus in Prolin umsynthetisiert werden. Dieses gelangt über das Blut in den Flugmuskel wo das Prolin über wenige Zwischenschritte zu Ketoglutarat umgeformt wird. Dieses Ketoglutarat kann nun direkt, unter Umgehung der Glycolyse in den Mitochondrien weiter verwertet werden. Wir haben gezeigt, dass dieser Mechanismus sowohl bei Arbeiterinnen als auch bei Drohnen existiert.Wir schließen daraus, dass diese teilweise Auslagerung der glykolytischen Aktivität aus dem Flugmuskel in den Fettkörper ein weiteres Puzzlesteinchen zur Erklärung des hohen Energieumsatzes der Flugmuskelzellen der Honigbienen ist.