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Biochemie und Pathobiochemie: Glutamat- und Glutamin-Stoffwechsel



Allgemeines

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L-Glutamat (L-Glutaminsäure) ist eine nicht-essentielle, proteinogene Aminosäure mit einer sauren, hydrophilen Carboxylgruppe-tragenden Seitenkette. Die α-Aminosäure Glutamat bzw. die zugehörige α-Ketosäure α-Ketoglutarat hat im Stoffwechsel eine herausragende Rolle als Stickstoff-Sammel- und Verteilungsstelle. Glutamat und das davon abgeleitete biogene Amin γ-Aminobuttersäure (GABA) wirken weiterhin im ZNS als Neurotransmitter.

L-Glutamin ist eine nicht-essentielle, proteinogene Aminosäure mit einer hydrophilen Säureamidgruppe-tragenden Seitenkette. Sie dient ebenfalls als Vehikel für Aminogruppen.

Glutamat und Glutamin

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⇓ Subst. ⇑ Co. Enzym EC EG Erkr.
  α-Ketoglutarat
NH3, NAD(P)H/H+

H2O, NAD(P)+

  NAD(P)H/H+, NH3

NAD(P)+, H2O

Glutamat-Dehydrogenase (GLDH) 1.4.1.3 Ox GLUD1-Def. (Hyperinsulinismus- Hyperammonämie-S. (HHS))
  L-Glutamat (α-Aminoglutarat)
NH3, ATP

ADP, Pi

1.  2.

NH3

H2O

1) Glutamin- Synthetase
6.3.1.2 Lig GLNS-Def.
2) Glutaminase 3.5.1.2 Hyd
  L-Glutamin


α-Ketoglutarat reagiert mit Ammoniak oder einer Aminogruppe zu Glutamat. Dies ist die wichtigste reversible Reaktion, über die der Stickstoff fixiert wird, der in verschiedenen Stoffwechselreaktionen, v.a. aber beim Abbau von Aminosäuren und deren Derivaten, frei wird. Durch Aufnahme einer weiteren Stickstoffgruppe entsteht aus Glutamat - unter ATP-Verbrauch - Glutamin. Glutamat verteilt den Stickstoff nun weiter, z.B. auf Pyruvat (Alanin-Biosynthese) und Oxalacetat (Aspartat-Biosynthese). Die entsprechenden Enzymaktivitäten (GOT, GPT, GLDH) sind besonders in der Leber ausgeprägt, da hier auch größtenteils die Harnstoffsynthese stattfindet.

Glutamat, Glutamin und Aspartat schleusen den Stickstoff nun in weitere Stoffwechselwege ein, entweder durch Übertragung der Aminogruppe oder komplexere chemische Reaktionen. Dazu gehören z.B.:

Glutamin ist unter den Aminosäuren diejenige mit der höchste Plasmakonzentration. Neben Alanin ist Glutamin für den Stickstoff-Transport über den Blutweg verantwortlich. Glutamin kann so z.B. Ammoniak vom Gehirn über den Blutweg Richtung Niere transportieren. In der Niere kann Glutamin durch die mitochondriale Glutaminase-Reaktion Ammoniak freisetzen, das zusammen mit einem Proton (d.h. Säure) ausgeschieden wird. Dadurch wird im Harnstoffzyklus Bicarbonat eingespart (pH-Regulation).

Der Abbau von Glutamin und Glutamat liefert wieder α-Ketoglutarat, das nach Umwandlung in Oxalacetat (Citratzyklus) für die Gluconeogenese genutzt werden kann. Glutamin ist das bevorzugte Substrat für die Gluconeogenese in der Niere.

Weitere Informationen zu den einzelnen Aminosäuren findet man auf deren Unterseiten.

Glutamat spielt eine wichtige Rolle als exzitatorischer Neurotransmitter im ZNS (und in der Nahrungsmittelindustrie als Geschmacksverstärker, Geschmacksrichtung Umami). Die Decarboxylierung von Glutamat führt zum biogenen Amin γ-Aminobuttersäure (GABA), ein ebenfalls wichtiger aber inhibitorischer Neurotransmitter im Gehirn:

γ-Aminobuttersäure

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⇓ Subst. ( ⇑ ) Co. Enzym EC EG Erkr.
  L-Glutamat (α-Aminoglutarat)


CO2

  Pyridoxal- phosphat Glutamat-Decarboxylase 4.1.1.15 Ly GAD1-Def. (spastic cerebral palsy)
  γ-Aminobuttersäure (GABA)
α-Ketoglutarat

L-Glutamat

  α-Ketoglutarat

L-Glutamat

GABA-Transaminase (ABAT) 2.6.1.19 Tr ABAT-Def.
  Succinat-Semialdehyd
H2O, NAD+

NADH/H+

  Succinat-Semialdehyd- Dehydrogenase 1.2.1.24 Ox SSADH-Def.
  Succinat

GABA wird zu Succinat abgebaut, das mit CoA-SH aktiviert und wieder in den Citratzyklus eingeschleust werden kann.

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Allgemeine Hintergrundfarbe für Substrate Hintergrundfarbe Reaktionspfeile „Schlüsselenzyme“
Energiereiche Phosphate Reduktionsäquivalente CO2 / HCO3− C1-Reste Stickstoff

Abk.: Tr.: Transkriptionelle Regulation, Tl.: Regulation der Translation, Lok.: Regulation über die Enzymlokalisation, Kov.: Regulation durch kovalente Modifikation, All.: Allosterische Regulation, Koop.: Kooperativer Effekt, Co.: Cofaktoren, EC: Enzymklassifikation, EG: Enzymgruppe (Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase, Isomerase, Ligase), Erkr.: Assoziierte Erkrankungen.



 

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