background image

 

 

1

1

IMMUNOLOGISCHE WIRKUNG VON AMINOSÄUREN  

Erich Roth 

 

Chirurgische Forschungslaboratorien, Universitätsklinik für Chirurgie/AKH Wien 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Korrespondenz: 
Prof. Dr.E.Roth 
Chirurgische Universitätsklinik/AKH  
Forschungslaboratorien 
Währinger Gürtel 18-20 
1090 WIEN 
Tel: 40400-6949 
FAX: 40400-6782 

e-Mail: 

E.Roth@akh-Wien.ac.at

 

 

 

background image

 

 

2

2

Neue Forschungsergebnisse lassen erkennen, daß viele Nahrungsbestandteile neben ihrer 

Aufgabe, die Energie- und Stickstoff(Protein)homöostase des Körpers sicherzustellen, eine 

Rolle als Zellmediatoren haben. In dieser Funktion wirken Nahrungsbestandteile 

immunregulierend, haben einen Einfluß auf das Kreislaufsystem und beeinflussen 

Zellproliferation und Zelltod über eine  Änderung der Signaltransduktion. Diese Erkenntnisse 

lassen die Substratzufuhr im Bereich der klinischen Ernährung in einem neuen Licht 

erscheinen, machen aber auch den Weg für neue Produkte am Lebensmittelsektor frei, wo  

Nahrungsbestandteilen neue physiologische Funktionen (functional food) zugeschrieben 

werden.  Eine zellmodulierende Wirkung wurde bis jetzt für die Aminosäuren Glutamin, 

Arginin, Glyzin, Cystein, Taurin, Tryptophan sowie für die verzweigtkettigen Aminosäuren 

(Valin, Leuzin, Isoleuzin) postuliert. Im amerikanischen Sprachgebrauch werden diese 

Aminosäuren auch als „key- nutrients“ bezeichnet. Im folgenden sollen zellregulative 

Eigenschaften dieser Aminosäuren dargestellt werden. 

 

Arginin 

Die erste Aminosäure, die als immunregulierend beschrieben wurde, ist die Aminosäure 

Arginin. Arginin ist ein wichtiges Zwischenprodukt des Harnstoffzyklus, es ist an der 

Synthese der Polyamine beteiligt, die wiederum bei der Zellteilung, der DNA Synthese, der 

Regulation des Zellzyklus und somit auch bei der Lymphozyt enproliferation eine Rolle 

spielen. Die Gabe von Arginin erhöht das Thymusgewicht, die Lymphozytenzahl und  -

proliferation, die zytolytische Kapazität von Makrophagen und NK-Zellen und die Bildung 

von Interleukin-1 in Lymphozyten. Da Arginin außerdem der wichtigste endogene 

Ausgangsmetabolit für das Stickoxid (NO) ist und dieses eine Reihe von regulatorischen 

Fähigkeiten hat, ist verständlich, daß eine Arginingabe sowohl immunmodulierende 

Eigenschaft als auch hämodynamische Wirkungen entfaltet 

Glutamin  

Glutamin ist die am häufigsten vorkommende freie Aminosäure des Körpers.  Im 

Postaggressionszustand ist der Glutamintransport vom Skelettmuskel zum Splanchnikus und 

zu den Blutzellen vermehrt,  wobei gleichzeitig die intrazellulären Glutaminkonzentrationen 

im Skelettmuskel drastisch absinken. Glutamin hat eine Reihe von Mediatorfunktionen. Es ist 

ein essentielles Substrat für die Proliferation  aller Zellen in Zellkultur und eine wichtige 

Vorstufe für die Bildung von Purinen, Pyrimidinen und Phospholipiden. Ein Glutaminmangel 

verringert die Proliferation von Lymphozyten nach Mitogenstimulation durch eine 

Blockierung des Zellzyklus in der G

o

-G

1

 Phase. Außerdem verhindert ein Glutaminmangel 

background image

 

 

3

3

die späte Lymphozytenaktivierung. Bei Monozyten bewirkt ein Glutaminmangel eine 

Minderexpression verschiedener Oberflächenmarker und beeinträchtigt die 

Antigenpräsentation sowie die Phagozytosekapazität. Darüber hinaus ist Glutamin eine 

wichtige Vorstufe für die Synthese von Glutathion und stimuliert die Bildung von heat-shock 

Proteinen, möglicherweise über eine Regulation des Zellvolumens.  

 

Glyzin 

Glyzin ist eine nicht-essentielle Aminosäure und Bestandteil vieler parenteraler 

Ernährungslösungen. Die in letzter Zeit durchgeführten experimentellen Untersuchungen 

ergaben, daß Glyzin zellprotektive sowie antiinflammatorische und antineoplastische 

Eigenschaften hat. Glyzin hält während einer Hypoxie die Integrität der Zellmembranen 

aufrecht und verringert dadurch die Freisetzung von intrazellulären Enzymen. Es bewirkt die 

Hemmung vo n Kalzium-abhängigen, nichtlysosomalen Proteasen und schützt über einen 

Glyzin abhängigen Chlorid-Kanal vor Leber- und Lungenschädigungen. Nach LPS-Gabe in 

einem Rattenmodell konnte durch Glyzin die Mortalität gesenkt werden. Glyzin reduzierte 

durch Absenken des zytosolischen Kalziumspiegel die Synthese und Freisetzung 

inflammatorischer Zytokine und Eicosanoide in den Kupfferzellen der Leber.  

 

 

Cystein   

Cystein wird in der Leber aus Methionin gebildet und kann durch Kondensation zweier 

Moleküle zu Cystin  oxidiert werden. Eine Cysteinzufuhr beeinflußt die Glutathionsynthese. 

Eine Bedeutung für die Cysteinaufnahme der Makrophagen scheint im extrazellulären 

Verhältnis von Glutamin zu Cystein zu liegen, da beide Aminosäuren dasselbe 

Transportsystem verwenden.  

 

Taurin 

Die Aminosäure Taurin wirkt immunstimulierend. Der wichtigste Wirkungsmechanismus 

scheint hier ein Schutz gegen Sauerstoffradikale zu sein, wobei durch Taurin eine 

Stabilisierung der Zellmembran erreicht wird.  

 

AMINOSÄUREN – EINFLUSS AUF DEN RADIKALMETABOLISMUS UND DAS 

ZELLULÄRE REDOXPOTENTIAL 

 

background image

 

 

4

4

 Wenn man das Wirkungsspektrum der Aminosäuren in Bezug auf nicht nutritive Effekte 

vergleicht, so fällt auf, daß viele der zellmodulierenden Effekte auf eine Interaktion mit dem 

Sauerstoffradikalmetabolismus abzielen. Aus diesem Grund sei im folgenden dieser Aspekt 

näher beleuchtet. Die erhöhte Produktion von Sauerstoffradikalen und deren Metaboliten 

(H

2

O

2

, O

2

.-

.

OH, ROO

.

) wirkt aufgrund von deren aggressiven Oxidationsverhalten 

zelltoxisch. Durch erhöhte Lipidperoxidation an Membranen oder durch gesteigerte Oxidation 

an Membranproteinen und Enzymen kommt es zu einer gestörten Membranpermeabilität, die 

vom Funktionsverlust der Zelle bis hin zum Zelltod führen kann. Antioxidantien schützen vor 

oxidativen Eingriffen und verhindern somit Sauerstoffradikal- induzierte Zellschäden. Unter 

physiologischen Bedingungen stehen Oxidantien und Antioxidantien in einem 

homöostatischen Gleichgewicht. Ist die Balance aufgrund der gesteigerten 

Sauerstoffradikalbildung zugunsten der Oxidantien hin verschoben, spricht man von 

oxidativem Stress. 

Seit geraumer Zeit wird den reaktiven Sauerstoffmetaboliten als ”second messengers” in der 

Signaltransduktion wachsende Aufmerksamkeit gewidmet. Dabei scheinen diese Metaboliten 

einen modulierenden Einfluss auf die Transkription von Genen zu haben, deren Produkte bei 

der Immunantwort, Proliferation und Differenzierung von Zellen als Reaktion pathologischer 

Veränderungen eine wichtige Rolle spielen.  

Der nukleäre Transkriptionsfaktor kappa  B (NF-

κB) ist ein Heterodimer, bestehend aus den 

Proteinuntereinheiten p50 und p65. Im inaktiven Zustand liegt NF-

κB gebunden an seinem 

inhibierenden Proteinkomplex I-

κB im Cytosol vor. Zur Aktivierung von NF-κB wird I-κ

vom p50/p65 Komplex proteolytisch durch  das 26-S Proteasom abgebaut und NF-

κ

freigesetzt. Anschließend gelangt NF-

κB in den Zellkern, wo es an die DNA bindet und die 

Transkription aktiviert. Auf diese Weise werden Gene exprimiert, welche für die Bildung von 

proinflammatorischen Zytokinen (TNF-

α

, Interleukine), induzierbare 

Stickstoffmonoxidsynthase (iNOS) und Adhäsionsmoleküle kodieren.  

Versuche an Zellinien haben gezeigt, daß Wasserstoffperoxid (H

2

O

2

) und Lipidperoxide 

(LOOH) NF-

κB aktivierten. Im Gegensatz dazu blockierten Substanzen, welche die Bildung 

bzw. Reaktion dieser prooxidativen Substanzen verhindern (Antioxidantien wie Katalase, 

Vitamin E, N-Acetylcystein, Glutathion ), die NF-

κB Aktivierung. Da während der 

Inflammation eine erhöhte Sauerstoffradikalproduktion auftritt (NADPH-oxidase, 

Myeloperoxidase), könnte der gezielte Einsatz von Substanzen (Drug Targeting), welche die 

Zelle vor oxidativen Prozessen schützen, einen inhibierenden Effekt auf die Produktion von 

proinflammatorischen Substanzen haben.  

background image

 

 

5

5

In diesem Zusammenhang kommt den  Antioxidantien eine antiinflammatorische Eigenschaft 

zu. Der Mechanismus, der dahinter steckt, ist noch nicht erforscht. Versuchsmodelle weisen 

eher darauf hin, daß es unter oxidativem Stress zur Aktivierung von redox-sensitiven 

Proteinkinasen kommt, die I-

κB phosphorylieren und Signalinduktion auf das 26S-Proteasom 

haben. Ob die Antioxidantien direkten Einfluss auf die I-

κB Phosporylierung haben, oder ob 

sie durch das Abfangen von reaktiven Sauerstoffmetaboliten den oxidativen Stress verhindern 

und damit die redox-sensitven Proteinkinasen blockieren, ist derzeit Gegenstand intensiver 

Forschung. Auf jeden Fall eröffnet die Steuerung der Signaltransduktion hinsichtlich NF-

κB-

Aktivierung durch gezielten Einsatz von Antioxidantien (Vitamin E, C, N-Acetylcystein, 

Glutathion) und Aminosäuren (z.B.: Glutamin, Glyzin und Cystein, als Bausteine für 

Glutathionbiosynthese) neue Perspektiven in deren Anwendungspektrum.  

Aminosäuren, Fettsäuremetabolite, aber auch Zwischenprodukte des Glucosestoffwechsels 

sind im Radikalmetabolismus wesentlich involviert. Arginin fungiert nicht nur als Substrat für 

Stickstoffmonoxid (NO), es verhindert auch die Generierung von Superoxidradikalen (O

2

.-

mittels konstitutiver NO-Synthase. Für Taurin ist eine Radikalscavengerfunktion beschrieben,  

und Pyruvat, ein Metabolit des Glucosestoffwechsels, reagiert mit H

2

O

2

 und schützt so vor 

oxidativen Schädigungen. Als Bausteine für die Glutathionbiosynthese (GSH) spielen die 

Aminosäuren Glutamin, Glyzin und Cystein eine wichtige Rolle. GSH ist seit langem in 

seiner Funktion als Antioxidans (Eliminierung von H

2

O

2

 und Lipidperoxiden) bekannt. Mit 

dem zellulären Glutathionmetabolismus werden aber noch eine Reihe von anderen 

Zellaktivitäten in Verbindung gebracht: Stimulierung der Zellproliferation; Einfluss auf die 

Aktivität des Ubiquitin-Proteasomen 

-Stoffwechselweges und Veränderung des 

Apoptoseverhaltens der Zellen. Ausserdem beeinflusst das intrazelluläre Verhältnis von 

reduziertem zu oxidiertem Glutathion (GSH/GSSG) den Redoxzustand der Zelle, welcher bei 

der Redox-Regulation von NF-

κB eine wesentliche Rolle spielt. Ein erniedrigter 

intrazellulärer GSH-Spiegel führt zur Aktivierung von NF-

κB während ein hoher Glutathion- 

Spiegel die NF-

κB-Aktivierung blockiert.  

Tierexperimentelle Studien haben ergeben, daß die Zufuhr von Glutamin 

(Glutamindipeptiden) die Lebertoxizität des 5-FU über eine Anhebung des hepatischen 

Glutathionspiegels verringert. Eigene Untersuchungen zeigten, daß eine enterale 

Glutaminzufuhr den GSH-Spiegel der Darmmucosa und der Milz signifikant anhebt. GSH 

scheint auch ganz wesentlich das Apoptoseverhalten der Zellen zu beeinflussen. Ein erhöhter 

GSH-Spiegel korreliert mit einer erhöhten Konzentration an intrazellulärem bcl-2, einem 

antiapoptotisch wirksamen Protein. Ausserdem spielt der GSH -Gehalt bei der Karzinogenese, 

background image

 

 

6

6

der Angiogenese von Tumorzellen und als Mutationsschutz des Repairenzyms p53 eine 

wichtige Rolle.  

background image

 

 

7

7

 

REFERENZEN 

 

1.  Frayn, KN. Metabolic regulation and human perspective. Portland Press. 

London;1996 

2. Bilzer M, Lauterburg BH. Glutathione metabolism in activated human neutrophils: 

stimulation of glutathione synthesis and consumption of glutathione by reactive 

oxygen species. Eur J Clin Invest 1991;21:316 

3. Calder PC. Glutamine and the immune system. Clin Nutr 1994;13:2 - 8 

4. Dröge W, Kinscherf R, Mihm S, Galter D, Roth S, Gmünder H et al. Thiols and the 

immune system. Effect of N-acetylcysteine on T cell system in human subjects. 

Methods Enzymol 1995;251:255-70. 

5. Hall JC. Glycine. JPEN 1998;22:393 - 8. 

6. Meyer M, Schreck R and Baeuerle PA. H

2

O

2

 and antioxidants have opposite 

effects on activation of NF-

κB and AP-1 in intact cells: AP-1 as secondary 

antioxidant-responsive factor. The EMBO Journal 1993;12:2005 - 2015.  

7. Razenberger M, Spittler A, Roth E. Zytoprotektive und immunomodulierende 

Eigenschaften von Glyzin. Akt Ernähr Med 1998;23:269 - 74. 

8. Roth E, Spittler A, Oehler R. Glutamin: Wirkungen auf das Immunsystem, auf 

Eiweißhaushalt und Darmfunktionen. Wien Klin Wochenschr 1996;108/21:669 - 76. 

9. Roth E, Manhart N, Punz A. Antioxidative Abwehrmechanismen während 

systemischer Inflammation. Intensivmed 1998;35:95 - 105. 

- 22. 

11. Spittler A, Manhart N, Roth E. Immunologie und Ernährung (Immunonutrition). In: 

Biesalski HK, Fürst P, Kasper H, Kluthe R, Pölert W, Puchstein C, Stähelin HB, 

editors. Ernährungsmedizin. 2nd ed. Stuttgart-New York: Georg Thieme Verlag; 

1999. p. 313 - 31. 

12. Spittler A, Reissner CM, Oehler R, Gornikiewicz A, Grünberger T, Manhart N, 

Roth E. Immunomodulatory effects of glycine on LPS-treated monocytes: reduced 

TNF-

α

 production and accelerated IL -10 expression. FASEB J 1999;13:563 - 71. 

13. Shaw JP, Chou IN. Elevation of intracellular glutathione content associated with 

mitogenic stimulation of quiescent fibroblasts. J Cell Physiol 1987; 129:193-8.  

background image

 

 

8

8