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Glutamin findet sich in größeren Mengen im zentralen Nervensystem, wo es an einer ganzen Reihe von Stoffwechselreaktionen teilnimmt. Die Hauptrolle von Glutamin im Gehirn ist die Funktion als Vorstufe für die Bildung von Neurotransmittern, z.B. der exzitatorischen Aminosäuren Glutamat und Aspartat und der inhibitorischen Aminosäure GABA. Die Neurotransmitterpools von Glutamat, Aspartat und GABA stammen zu einem erheblichen Anteil aus Glutamin. Die Glutaminaufnahme in das zentrale Nervensystem wird durch die hohe Glutaminkonzentration außerhalb erleichtert. Es gibt inzwischen auch Hinweise, dass Glutamin die Neurotransmission direkt über die NMDA-Rezeptoren beeinflusst und über die Veränderungen der Membranpolarität. Glutamin scheint auch die Bildung von Stickstoffmonoxid zu modulieren, indem es die Versorgung der Nervenzellen mit Arginin kontrolliert.