Aminosäurenstoffwechsel der Leber

Die Leber ist der zentrale Ort des Aminosäurenstoffwechsels im Menschen und reguliert den freien Aminosäurenpool im Blut. In der Leber sind alle Enzyme enthalten, die der Aminosäurenabbau erfordert, wobei der Stoffwechsel der verzweigtkettigen Aminosäuren in der Leber nur eine geringe Rolle spielt. Die Leber kann die Kohlenstoffskelette der meisten Aminosäuren zu CO2 oxidieren. Etwa 20 Prozent der von der Leber aufgenommenen Aminosäuren werden für die Biosynthese der verschiedenen von der Leber synthetisierten Proteine verwendet.

Ungefähr ein Viertel der vom Darm resorbierten Aminosäuren gelangt in den systemischen Kreislauf. Etwa 50 Prozent der resorbierten Aminosäuren werden in der Leber z.B. für die Gluconeogenese, für die Biosynthese von Fettsäuren, für die Bildung von Purin- und Pyrimidinbasen sowie für die Bildung von Gewebshormonen und Neurotransmittern verwendet. Für die Gluconeogenese spielt die Aminosäure Alanin eine zentrale Rolle. Die Leber ist der Hauptverwerter von Alanin; das Kohlenstoffskelett wird zur Glukosebildung herangezogen und die Aminogruppe durch Harnstoffbildung entsorgt. Die Aufnahme von Aminosäuren in die Leber wird durch Glukagon und Glucocorticoide stimuliert.

Als einziges Organ verfügt die Leber über eine komplette Enzymausstattung zum Abbau von Aminosäuren. Außerdem ist die Leber das Entgiftungsorgan für Ammoniak, das beim Abbau der Aminosäuren freigesetzt wird. Die Entgiftungsprodukte sind Harnstoff und Glutamin; Harnstoff wird also energieaufwendig synthetisiert.
Für jedes Harnstoffmolekül wird das Äquivalent von vier Molekülen ATP verbraucht. Die Harnstoffbildung beginnt mit der Verknüpfung von Ammonium-Ionen und Bicarbonat zu Carbamylphosphat, wobei die Carbamylphosphat-Synthetase I (CPS-1) etwa 20 Prozent aller Proteine in der Matrix der Mitochondrien ausmacht. CPS-1 wird durch das Angebot an N-Acetyl-Glutamat aktiviert. Hohe Konzentrationen von Glutaminsäure und Arginin stimulieren die Bildung von N-Acetyl-Glutamat und damit den Harnstoffzyklus. Offensichtlich ist nicht der Ammoniakspiegel die wichtigste Regulationsgröße für die Harnstoffbildung, sondern das Aminosäurenangebot in den Leberzellen.

Die Bildung von Glutamin erfolgt in den Zellen um die Zentralvene der Leber. Durch die Bildung von Glutamin wird das Restammoniak gebunden, das nicht über den Harnstoffzyklus neutralisiert werden konnte.

 

Aminosäurenstoffwechsel des Darmes

Die Zellen des Dünndarms (Enterozyten) weisen einen sehr aktiven Aminosäurenstoffwechsel auf. Die Bedeutung des Darms im gesamten Stickstoffmetabolismus liegt darin, dass die Schleimhautzellen eine hohe Umsatzrate haben und deshalb auf eine hohe Aminosäurenzufuhr angewiesen sind. Die Schleimhautzellen werden nicht nur für die Aufnahme von Nährstoffen benötigt, sondern dienen auch als Barriere z.B. gegen bakterielle Eindringlinge. Die Versorgung der Schleimhautzellen des Magen-Darm-Trakts hat für den Stoffwechsel deshalb Vorrang vor der Aminosäurenversorgung der Muskulatur. Die Schleimhautzellen decken ihren Energiebedarf hauptsächlich durch Oxidation von Glutamin, Glutaminsäure und Asparaginsäure. Die Darmschleimhaut kann auch verzweigtkettige Aminosäuren oxidieren.

Ein gewisser Teil des von den Schleimhautzellen aufgenommenen Glutamins wird zu Citrullin verstoffwechselt, an das Blut abgegeben und  dann von der Niere zur Argininsynthese verwendet. Die Citrullinkonzentration im Blutserum korreliert deshalb sehr gut mit der Masse der Schleimhautzellen.
 
Auch Threonin spielt für den Darm eine wichtige Rolle, da 30 Prozent der Schleimstoffe aus Threonin bestehen. Es findet kein signifikantes Threonin-Recycling im Darm statt, so dass ein großer Teil des aufgenommenen Threonins vom Darm selbst beansprucht wird.

 

Aminosäurenstoffwechsel der Muskulatur

Der Aminosäurenstoffwechsel des Muskels hat folgende Besonderheiten: Die Skelettmuskulatur und der Herzmuskel sind die bevorzugten Orte für die Verstoffwechselung der verzweigtkettigen Aminosäuren Valin, Leucin und Isoleucin. Diese drei Aminosäuren haben auch eine regulatorische Bedeutung für den Eiweiß- und Glukosestoffwechsel des Muskels, sie stimulieren die Proteinsynthese und hemmen den Proteinabbau. Die verzweigtkettigen Aminosäuren liefern im ruhenden Muskel bis zu 20 Prozent der erforderlichen Energie. Die Oxidation der verzweigtkettigen Aminosäuren hat zwei Funktionen. Die erste ist die Bildung von ATP, die zweite ist die Synthese von Glutamin, das von der Muskulatur ans Blut abgegeben wird. Die höchste Rate der Oxidation der verzweigtkettigen Aminosäuren erfolgt bei einer Acidose, bei der ein erhöhter Glutaminbedarf für die Protonenausscheidung durch die Nieren besteht. Von der Muskulatur werden im Fastenstoffwechsel große Mengen Alanin freigesetzt und ins Blut abgegeben. Alanin ist ein wichtiges Substrat für die hepatische Glukoneogenese. Bei einem Insulinmangel kommt es im Herzmuskel und in der Skelettmuskulatur zu einer drastischen Verminderung der Proteinsynthese, die durch eine Zufuhr von Insulin wieder ausgeglichen werden kann. Alanin und Glutamin bilden zusammen etwa 50 Prozent der Aminosäurenfreisetzung durch die Skelettmuskulatur. Die Freisetzung von Aminosäuren aus der Skelettmuskulatur wird während der Nacht durch einen Abfall des Insulinspiegels und durch einen Anstieg der Glucocorticoide angeregt. Diese fördern also den Proteinabbau in der Muskulatur.

 

Aminosäurenstoffwechsel der Niere

Zur Ausscheidung von Protonen bildet die Niere Ammoniumionen; zu diesem Zweck wird Glutamin abgebaut. Das Kohlenhydratskelett von Glutamin wird als Energieträger in den Nierenzellen verwendet. Der Säuregehalt, der ausgeschieden werden muss, bestimmt darüber, wie viel Glutamin von der Niere aufgenommen und verwertet wird. Während einer metabolischen Acidose steigt die Ausscheidung von Ammoniumionen um ein Mehrfaches an und es kommt zu einem sehr starken Anstieg der Glutaminaufnahme durch die Nieren. Die Nieren haben für den Stoffwechsel die höchste Prävalenz der Glutaminverwertung zum Ausgleich einer metabolischen Acidose.

 

Aminosäurenstoffwechsel bei katabolen Stoffwechselzuständen

Solche Zustände treten nach Operationen, Verletzungen, Verbrennungen und Sepsis auf; es entsteht eine negative Stickstoffbilanz. Die Mobilisierung der Körperfett- und Proteinspeicher dient der Versorgung mit Energie und Aminosäuren für die Immunantwort und Wundheilung. Bei diesen Stoffwechselzuständen kommt es zu einer vermehrten Oxidation der verzweigtkettigen Aminosäuren und zu einer vermehrten Glutaminbildung. Das Cortisol und bestimmte Cytokine lösen diese Stoffwechselsituation aus. Die erhöhten Cortisolspiegel stimulieren dien Proteinabbau, fördern die Glutaminsynthese und erhöhen die Freisetzung der Aminosäuren aus den Muskelzellen. Die erhöhte Freisetzung von Glutamin aus der Skelettmuskulatur ist hauptsächlich für die Zellen des Immunsystems wichtig, zumindest solange keine metabolische Acidose bekämpft werden muss.

Update: 24.07.2012

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