Glutamin – einfach erklärt

Grundlagen und chemische Form

Glutamin ist eine proteinogene α-Aminosäure, also ein Baustein von Proteinen. Für den Menschen gilt sie grundsätzlich als nicht essenziell, weil der Körper sie selbst herstellen kann. Chemisch ist sie das γ-Mono-Amid der L-Glutaminsäure und besitzt die Summenformel C₅H₁₀N₂O₃ sowie eine molare Masse von 146,15 g·mol⁻¹. Ihre Abkürzungen sind Gln im Dreibuchstabencode und Q im Einbuchstabencode. In der mRNA wird Glutamin durch die Basentripletts CAG oder CAA codiert.

Glutamin besitzt ein Stereozentrum und kommt deshalb in zwei spiegelbildlichen Formen, den Enantiomeren, vor. In Proteinen findet sich ausschließlich L-Glutamin, auch (S)-Glutamin genannt. D-Glutamin beziehungsweise (R)-Glutamin kommt in Proteinen nicht vor. Das Gemisch beider Formen heißt racemisches DL-Glutamin und ist nur von geringer Bedeutung. Wird ohne Zusatz von „Glutamin“ gesprochen, ist gewöhnlich L-Glutamin gemeint.

Glutamin ist ein farb- und geruchloser, kristalliner Feststoff. Es schmilzt unter Zersetzung bei 185–186 °C. In Wasser ist es löslich: angegeben werden 35 g·l⁻¹ bei 20 °C und 100 g/l bei 40 °C. In Methanol beziehungsweise Alkoholen, Benzol und Chloroform ist es nahezu oder vollständig unlöslich. Die pKₛ-Werte betragen bei 25 °C 2,18 für die Carboxygruppe und 9,00 für die protonierte Aminogruppe. Der isoelektrische Punkt liegt bei pH 5,65.

Wie andere Aminosäuren liegt Glutamin überwiegend als Zwitterion oder „inneres Salz“ vor. Dabei wandert das Proton der Carboxygruppe zum freien Elektronenpaar des Stickstoffatoms der Aminogruppe. Das Molekül trägt dann gleichzeitig eine positive und eine negative Ladung, ist insgesamt aber ungeladen. Am isoelektrischen Punkt wandert es daher nicht im elektrischen Feld und besitzt seine geringste Wasserlöslichkeit.

Vorkommen, Bildung und Abbau

Glutamin ist ein zentraler Metabolit, also ein wichtiger Zwischen- und Ausgangsstoff des Stoffwechsels aller Lebewesen. Es kommt frei in Pflanzen, Tieren, Pilzen und Bakterien vor und macht gebunden in Proteinen durchschnittlich 3,9 % aus. Im Blutplasma bildet es mit einem Mengenanteil von 20 % den größten Teil des Pools freier Aminosäuren. Die Konzentration wird mit 400–600 µmol/l angegeben; an anderer Stelle nennt der Artikel für menschliches Blut 500–900 µmol/l.

Glutaminreiche Lebensmittel sind unter anderem Weizen mit 4080 mg/100 g, Dinkelmehl mit 5170 mg/100 g, Linsen mit 4490 mg/100 g, Mungbohnen mit 4810 mg/100 g, Sojabohnen mit 6490 mg/100 g und Erdnüsse mit 5630 mg/100 g. Käse enthält 3050–8100 mg/100 g, Rindfleisch 4130 mg/100 g, Hammelfleisch 4300 mg/100 g und Schweinefleisch 3910 mg/100 g. Darin liegt praktisch ausschließlich chemisch gebundenes L-Glutamin als Bestandteil von Proteinen vor, nicht freies L-Glutamin.

Im Körper wird L-Glutamin mithilfe des Enzyms Glutamat-Ammonium-Ligase aus L-Glutaminsäure hergestellt. Dabei wird Adenosintriphosphat (ATP), der zentrale chemische Energieträger der Zelle, verbraucht. Der Abbau zu Succinat erfolgt in drei Reaktionsschritten. Großtechnisch wird L-Glutamin durch Fermentation hergestellt.

Aufgaben im Stoffwechsel und bei Erkrankungen

L-Glutamin wirkt im Stoffwechsel als universeller Aminogruppen-Donor: Es kann Aminogruppen für den Aufbau anderer Stoffe bereitstellen. Die höchste Konzentration findet sich mit etwa 35 mmol/l in Muskelzellen, die Glutamin auch hauptsächlich synthetisieren. Glutamin fördert die Wassereinlagerung in Zellen. Bei körperlicher Belastung vergrößert es dadurch das Zellvolumen, was als anaboles, also den Aufbau und die Zellvermehrung unterstützendes Signal gilt. Dabei werden die Bildung von Proteinen und Glykogen gefördert. Außerdem dient Glutamin nicht nur der Proteinsynthese, sondern ist auch ein wichtiges Substrat für Zellen des Magen-Darm-Trakts, darunter Enterozyten und Kolonozyten, sowie für Leberzellen.

Nach Operationen, schweren Verletzungen, Verbrennungen und bei Infektionen treten hyperkatabole und hypermetabole Zustände auf: Abbau- und Stoffwechselprozesse sind stark gesteigert. Dabei sinkt der Glutamingehalt in Blut und Muskulatur deutlich, ohne dass der Körper die Synthese entsprechend erhöht. Nach Trauma oder Infektion nimmt das freie Glutamin in der Muskulatur typischerweise um etwa 50 % ab. Dies wurde unabhängig von der Ernährung unter anderem nach geplanten Operationen, Polytraumen und Verbrennungen sowie bei Infektionen und Pankreatitis beobachtet. Daraus entstand die These, Glutamin könne bei schweren Erkrankungen „bedingt essenziell“ sein, also in solchen Situationen nicht mehr ausreichend selbst gebildet werden.

Die daraus abgeleitete Annahme, eine zusätzliche Glutamingabe verbessere die Behandlung Schwerkranker, wurde jedoch nicht bestätigt. In einer internationalen, multizentrischen, randomisierten Doppelblindstudie mit über 1200 mechanisch beatmeten Intensivpatienten mit Multiorganversagen erhielten die Behandelten Glutamin sowohl enteral über den Verdauungstrakt als auch parenteral unter Umgehung des Verdauungstrakts. Nach 28 Tagen lag die Sterblichkeit bei 32,4 %, gegenüber 27,2 % unter Placebo; der adjustierte Risikofaktor betrug 1,09. Auch nach sechs Monaten war die Sterblichkeit unter Glutamin signifikant höher. Organversagen und Infektionsrate wurden dagegen nicht beeinflusst. Der Artikel bewertet eine Glutamin-Substitution in der Intensivmedizin deshalb als überholt; in einem Kommentar wurde sogar von „Glutamintoxizität“ gesprochen. Möglicherweise ist der niedrige Glutaminspiegel bei Schwerkranken nicht nur ein Mangel, sondern ein günstiger Anpassungsmechanismus.

Rolle im Nervensystem und bei Tumorzellen

Im zentralen Nervensystem ist Glutamin eng mit Glutaminsäure beziehungsweise ihrer ionisierten Form Glutamat verbunden. Glutamat wirkt an glutamatergen Synapsen als exzitatorischer, also erregender Neurotransmitter. Nach seiner Ausschüttung in den synaptischen Spalt wird ein Teil davon von benachbarten Gliazellen aufgenommen. Dort wird Glutamat in Glutamin umgewandelt. Das ist wichtig, weil Glutamin die postsynaptische Membran nicht erregt und deshalb sicher zu den präsynaptischen Nervenzellen zurücktransportiert werden kann. In diesen Neuronen wird es wieder in Glutamat umgewandelt.

In Zellkulturen benötigen viele Tumorzellen Glutamin in großem Überschuss. Während die Konzentration im menschlichen Blut mit 500–900 µmol/l angegeben wird, arbeitet man in Zellkulturen meist mit 2000–4000 µmol/l. Viele Tumorzellarten nehmen wesentlich mehr Glutamin auf und verstoffwechseln es stärker als normale Körperzellen. Die Gründe dafür werden wissenschaftlich diskutiert. Als mögliche Ursache der erhöhten Aufnahme und Abhängigkeit schlagen verschiedene Autoren eine verstärkte Expression des Onkogens myc vor. Onkogene sind Gene, deren erhöhte oder veränderte Aktivität die Tumorentwicklung fördern kann. Wegen dieser Abhängigkeit wurden und werden Glutaminanaloga wie DON, Azaserin und Acivicin zur Behandlung verschiedener solider Tumoren getestet.

Polyglutamin in Proteinen

Manche wichtigen Proteine enthalten Polyglutamin-Einheiten. Das sind längere Abschnitte, in denen viele Glutaminbausteine unmittelbar hintereinander verknüpft sind. Beispiele sind das FOXP2-Protein und Huntingtin. Beim Huntingtin kann eine autosomal-dominante Mutation die Polyglutamin-Einheit verlängern und dadurch Chorea Huntington auslösen. Autosomal-dominant bedeutet, dass eine veränderte Genkopie auf einem nicht geschlechtsbestimmenden Chromosom für das Auftreten der Krankheit ausreicht.