Einleitung
Das Gehirn, obwohl nur etwa zwei Prozent unseres Körpergewichts ausmachend, verbraucht rund 20 Prozent unserer Energie. Die Leistungsfähigkeit dieses Organs hängt stark von der Zufuhr essenzieller Nährstoffe ab, insbesondere von Aminosäuren. Diese organischen Verbindungen sind nicht nur die Bausteine der Proteine, sondern auch Vorläufer von Neurotransmittern, die für die Signalübertragung im Nervensystem unerlässlich sind. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältige Rolle von Aminosäuren im Gehirn, ihre Bedeutung für verschiedene neurologische Funktionen und die potenziellen therapeutischen Anwendungen.
Orthomolekulare Medizin und Mikronährstoffe für das Nervensystem
Die orthomolekulare Medizin betrachtet die ausreichende Verfügbarkeit von Mikronährstoffen als unerlässliche Voraussetzung für intakte Stoffwechselfunktionen. Oxidativer Stress spielt eine wesentliche Rolle bei neurodegenerativen Erkrankungen. Wichtige antioxidative Wirkstoffe wie Vitamin E, Vitamin C, Selen und Cystein können hier protektiv wirken. Mikronährstoffe sind zudem gefäßprotektiv und beeinflussen die hormonelle Regulation. So kann die Ausschüttung des Wachstumshormons (STH) durch Arginin, Glycin und Glutamin stimuliert werden.
Die Rolle einzelner Aminosäuren im Nervensystem
Arginin
Arginin ist die Ausgangssubstanz für die Synthese von Stickoxid (NO), das eine zentrale Bedeutung für die Regulierung des Gefäßtonus hat. Arginin wirkt antiatherogen und präventiv gegen Cerebralsklerose. NO hat Neurotransmittereigenschaften und ist im ZNS an der Gedächtnisbildung sowie an der Regulation der Hypothalamus-Hypophyse-Nebennierenrinde-Achse beteiligt. Als diffusionsfähiges Gas benötigt NO keine Zielrezeptoren.
Cystein
Cystein ist eine schwefelhaltige Aminosäure und der wichtigste funktionelle Teil des Glutathionmoleküls. Reduziertes Glutathion (GSH) ist neben Vitamin C das bedeutendste Antioxidans im ZNS. GSH und N-Acetyl-Cystein (NAC), eine stabilerere Form von Cystein, können die Lipidperoxidation im ZNS vermindern und die Neurotoxizität von Metallionen reduzieren. Cystein senkt die Plasmaspiegel von Homocystein und Lipoprotein (a) und erhöht die HDL-Konzentration.
Glutaminsäure
Glutaminsäure ist der dominierende exzitatorische Neurotransmitter im ZNS und an der schnellen synaptischen Übertragung beteiligt. Es reguliert die Sekretion der Hypophysenhormone und ist der wichtigste Botenstoff für die Motorik. Therapeutisch kann Glutaminsäure zur Verbesserung der Hirnleistung und des Konzentrationsvermögens eingesetzt werden, außerdem bessert es Lernschwierigkeiten bei Schulkindern.
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GABA
GABA (Gamma-Aminobuttersäure) ist der wichtigste inhibitorische Neurotransmitter im ZNS. Glutaminsäure und Glutamin sind die Ausgangssubstanz für die GABA-Synthese. Da Glutamin leichter die Blut-Hirn-Schranke passiert, empfiehlt sich eine Supplementierung von Glutamin zur Erhöhung der GABA-Synthese. Die GABA-a-Rezeptoren kommen im gesamten Nervensystem vor und haben eine Bindungsstelle für Benzodiazepine.
Glycin
Glycin wirkt als inhibitorischer Neurotransmitter an den glycinergen Rezeptoren im Rückenmark und ist an der Steuerung der Willkürmotorik beteiligt. Glycin-Supplemente können Spasmen reduzieren, z.B. bei Multipler Sklerose oder Amyotropher Lateralsklerose. In einigen Untersuchungen besserten Glycin-Supplemente die Symptome schizophrener Patienten.
Methionin
Methionin ist eine essentielle schwefelhaltige Aminosäure, aus der im Stoffwechsel Cystein und Taurin gebildet werden können. Die stoffwechselaktive Form von Methionin ist S-Adenosyl-Methionin (SAM), das als Methylgruppen-Überträger eine große Stoffwechselbedeutung hat. SAM ist essentiell für die Synthese von Acetylcholin, Phospholipiden, Melatonin und Adrenalin und wird für die Myelinsynthese benötigt. Eine Substitution mit SAM erhöht die Serotonin-/ Dopamin- und Phosphatidylserin-Spiegel bei depressiven Patienten. Die therapeutische Wirkung ist vergleichbar mit der trizyklischer Antidepressiva. SAM kann bei der Fibromyalgie hilfreich sein und hat sich bei der Behandlung von Depressionen bei Parkinson-Patienten als wirksam erwiesen. Methionin sollte nicht substituiert werden bei schizophrenen Psychosen und bei schweren Lebererkrankungen.
Tyrosin
Tyrosin kann bei normalen Stoffwechselverhältnissen aus Phenylalanin gebildet werden und ist Vorstufe der Neurotransmitter Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin sowie der Schilddrüsenhormone Trijodthyronin (T3) und Thyroxin (T4). Es ist auch erforderlich für die Bildung von Coenzym Q und Melanin. Phenylalanin-/ Tyrosin-Supplemente können bei Depressionen hilfreich sein und die Stresstoleranz und die kognitiven Funktionen verbessern. Eine weitere Indikation ist das prämenstruelle Syndrom. Auch bei Kindern mit Aufmerksamkeits-Defizit-Syndrom (ADS) kann eine Nahrungsergänzung mit Tyrosin Besserung bringen. Eine relative Kontraindikation für Tyrosin sind schizophrene Psychosen und die arterielle Hypertonie.
Taurin
Taurin ist ein schwefelhaltiges Aminosäurenderivat und wirkt stabilisierend auf die Membranen der Nervenzellen durch eine Interaktion mit Calcium-/ Magnesiumionen. Es verlangsamt den Einstrom von Calciumionen in die Neuronen und schützt so vor der Excitotoxizität der Glutaminsäure. Es wirkt als Agonist am GABA-Rezeptor und verstärkt die GABA-Effekte im ZNS. Daraus ergibt sich die beruhigende und krampflösende Wirkung des Taurin.
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Tryptophan
Tryptophan ist die Aminosäure mit der geringsten Konzentration im Blutplasma und in Nahrungsmitteln. Es ist die Ausgangssubstanz für die endogene Synthese des Neurotransmitters Serotonin, des Epiphysenhormons Melatonin, der Nikotinsäure (Vitamin B3) und der Picolinsäure. Die Serotonin-Synthese im ZNS ist unmittelbar abhängig vom Tryptophanangebot. Die Serotoninkonzentration im Gehirn spielt eine wichtige Rolle für die psychische Befindlichkeit. Indikationen für eine Tryptophansupplementierung sind Depressionen, Schlafstörungen und PMS.
Valin
Valin ist für die Aufrechterhaltung von Nervenfunktionen von großer Bedeutung und kann im Intermediärstoffwechsel als Vorstufe von Neurotransmittern fungieren. Es dient als Ausgangsbaustein für die Synthese von Glutamat bzw. Glutaminsäure, einem dominierenden erregenden Neurotransmitter im zentralen Nervensystem. Valin fördert die Ausschüttung von Insulin aus den Beta-Zellen des Pankreas.
Aminosäurendefizite und ihre Diagnose
Aminosäurendefizite sind, ähnlich wie Mineralstoff- und Vitaminmangel, ohne Labordiagnostik nicht erkennbar. Die Bestimmung der Aminosäuren im Blutplasma/Serum ist eine notwendige Voraussetzung für eine gezielte Therapie mit einzelnen Aminosäuren. Bei mehreren Erkrankungen treten typische Veränderungen des Plasma-Aminosäurenmusters auf. So gibt es zum Beispiel ein Cystein-Glutamin-Mangelsyndrom bei schweren neurologischen Systemerkrankungen und bei Neoplasien. Tryptophandefizite sind in Aminosäurenprofilen sehr häufig erkennbar, besonders bei Patienten, die über psychovegetative Symptome klagen.
Aminosäuren als Neurotransmitter und ihre Wirkungsweise
Die Funktionsweise der meisten Synapsen beruht auf biochemischer Signalübertragung mittels Neurotransmittern. Diese werden präsynaptisch ausgeschüttet und docken postsynaptisch an spezifische Rezeptoren anderer Neuronen an, wo sie erregend oder hemmend wirken. Jeder Neurotransmitter definiert ein System - eine spezifische Maschinerie, die für Synthese, Ausschüttung, Wirkung, Wiederaufnahme und Abbau des Transmitters zuständig ist. Schnelle Kommunikation beruht in der Regel auf den Aminosäure-Neurotransmittern Glutamat, GABA oder Glycin, die Ionenkanäle in der Zelle aktivieren. Durch ihre längerfristige, das Gesamtsystem modulierende Wirkung haben auch Amin-Transmitter wie Serotonin und Dopamin herausragende Bedeutung.
Neurotransmitter wandern in der Regel von der Synapse des sendenden Neurons über einen synaptischen Spalt zu einer postsynaptischen Membran, die auf Axon, Dendriten oder Zellkörper einer weiteren empfangenden Nervenzelle sitzen kann. Sie werden auf der Ausgangsseite, also in der Synapse, auf Vorrat gebildet und in kleinen Bläschen, den Vesikeln, gespeichert. Läuft ein Aktionspotenzial ein, entleeren sich die Vesikel in den synaptischen Spalt. An der postsynaptischen Membran passen die Transmittermoleküle zu bestimmten Rezeptor-Proteinen wie der Schlüssel ins Schloss. Dort können sie erregend oder hemmend wirken.
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Die Bedeutung von Acetylcholin, Serotonin und Dopamin
Acetylcholin, Serotonin und Dopamin sind wichtige Neurotransmitter, die in unterschiedlichen Netzwerken im Gehirn wirken und eine Vielzahl von Funktionen beeinflussen.
Acetylcholin
Acetylcholin spielt eine entscheidende Rolle im vegetativen Nervensystem sowie an der Schnittstelle zwischen motorischen Nerven und Skelettmuskulatur. Im Gehirn innerviert es von der Basis des Großhirns aus Hippocampus, Neocortex und Riechkolben. Diese Zellen gehören zu den ersten, die bei der Alzheimer-Krankheit absterben. Ein weiteres System besteht aus Zellen im Pons und im Tegmentum des Mittelhirns und wirkt vor allem in den Thalamus hinein, darüber aber auch stark ins Großhirn. Beteiligt sind die cholinergen Neuronen etwa an der Steuerung von Aufmerksamkeit und der Erregbarkeit des Gehirns während Schlaf- und Wachrhythmus.
Serotonin
Neurone, die Serotonin als Botenstoff ausschütten, beeinflussen zum Beispiel das Schmerzempfinden, Schlaf- und Wachrhythmus und den Gemütszustand. Serotoninmangel kann zu depressiven Verstimmungen, Angst und Aggressionen führen. Serotonin ist in vielen Nahrungsmitteln enthalten, kann aber nicht von der Blutbahn ins Gehirn gelangen. Vielmehr wird es dort aus der Aminosäure Tryptophan erzeugt. Allerdings lässt sich die Serotoninmenge im Gehirn über den Tryptophanspiegel beeinflussen - und dieser sich wiederum über die Ernährung.
Dopamin
Dopamin spielt als Botenstoff im Belohnungszentrum eine Rolle. Dopaminhaltige Zellen finden sich vielerorts im Zentralnervensystem, zwei dopaminerge Neuronengruppen haben aber besondere Bedeutung. Eine befindet sich in der Substantia nigra im Mittelhirn und sendet ihre Nerven ins Striatum. Dieser Pfad ist für die Steuerung willkürlicher Bewegungen wichtig: Degenerieren die dopaminergen Zellen in der Substantia nigra, löst das verhängnisvolle motorische Störungen aus - die Parkinson-Krankheit. Das zweite dopaminerge System geht ebenfalls aus dem Mittelhirn hervor, aus dem ventralen Tegmentum. Von dort reichen die Axone in bestimmte Teile des Großhirns und des limbischen Systems. Bekannt ist dieser Pfad deshalb auch als mesocorticolimbisches System. Ihm wird eine wichtige Rolle bei der Motivation zugeschrieben: Es gilt als Belohnungssystem, das bei Tier wie Mensch überlebensdienliche Verhaltensweisen verstärkt.
Essentielle und nicht-essentielle Aminosäuren
Proteinogene Aminosäuren lassen sich in essenzielle und nicht-essenzielle unterteilen. Essenzielle Aminosäuren kann der Körper nicht selbst herstellen und müssen über die Nahrung aufgenommen werden. Nicht-essenzielle Aminosäuren kann der Körper selbst herstellen.
Essentielle Aminosäuren
- Isoleucin: Muskelstoffwechsel, Immunfunktionen, Hämoglobinbildung, Energieregulierung
- Leucin: Produktion von Wachstumshormonen, Reparatur von Muskelgewebe, Wundheilung, Blutzuckerregulierung
- Lysin: Produktion von Hormonen und Energie, Kalziumaufnahme, Immunfunktion
- Methionin: Wachstum von Gewebe, Stoffwechsel, Entgiftung, Aufnahme essentieller Mineralstoffe
- Phenylalanin: Produktion von Botenstoffen des Gehirns (Dopamin, Epinephrin, Norepinephrin), Produktion von Tyrosin
- Threonin: Bestandteil von Kollagen und Elastin, Blutgerinnung, Fettstoffwechsel, Immunfunktion
- Tryptophan: Aufrechterhaltung des Stickstoffgleichgewichts, Bildung von Serotonin
- Valin: Muskelwachstum, Geweberegeneration, Energieerzeugung
Nicht-essenzielle Aminosäuren
- Alanin: Transport von Aminostickstoff im Blut, Gluconeogenese
- Asparagin: Gewinnung von Aspartat
- Asparaginsäure (Aspartat): Neurotransmitter, Herstellung weiterer Aminosäuren
- Glutaminsäure (Glutamat): Hirn-Botenstoff, Ausgangssubstrat für weitere Aminosäuren
- Glutamin: Bedeutung für Immunzellen
- Glycin: Entgiftungsreaktionen in der Leber, Aufbau von DNA und Kollagen, Bildung von Hämoglobin
- Prolin: Beitrag zu stabilem Bindegewebe
- Serin: Aktivierung oder Inaktivierung von Enzymen, Baustein von Phosphatidylserin
Sonderfälle
- Cystein und Tyrosin (semi-essenziell): Können vom Körper selbst hergestellt werden, benötigen aber essenzielle Aminosäuren.
- Histidin und Arginin (bedingt-essenziell): Eigenproduktion reicht in besonderen Situationen (z.B. Schwangerschaft) nicht aus.
Mangel und Überschuss von Aminosäuren
Ein Aminosäurenmangel liegt vor, wenn der Körper nicht genügend Aminosäuren erhält oder synthetisieren kann, um seinen Bedarf zu decken. Mögliche Ursachen sind eine unausgewogene Ernährung, verschiedene Erkrankungen und bestimmte gesundheitliche Bedingungen.
Ein Überschuss an bestimmten Aminosäuren kann verschiedene Ursachen haben, darunter Stoffwechselstörungen, Nierenfunktionsstörungen und Lebererkrankungen.
Aminosäuren und Sport
Valin, Isoleucin und Leucin (BCAAs) spielen eine besondere Rolle im Proteinstoffwechsel, insbesondere bei Sportlern. Sie sind vorwiegend am Aufbau neuer Gewebe beteiligt und sehr effektiv für eine verstärkte Proteinbiosynthese in Muskulatur und Leber. Während des Ausdauersports werden insbesondere Valin, Leucin und Isoleucin zur Energiegewinnung herangezogen. Auch Kraftsportler sollten auf eine hohe Zufuhr verzweigtkettiger Aminosäuren achten, insbesondere vor dem Training.
Klinische Relevanz: Fibromyalgie, Leberzirrhose
Ein Mangel an BCAAs könnte bei der Entstehung der Fibromyalgie eine Rolle spielen. Bei Leberzirrhose kommt es infolge eines fortschreitenden Gewebeunterganges zu einer gestörten Struktur des Lebergewebes, was den Aminosäurenstoffwechsel beeinträchtigen kann.
Ernährung und Gehirnleistung
Die Ernährung spielt eine entscheidende Rolle für die Gehirnleistung. Proteine werden im Körper in Aminosäuren zerlegt, aus denen dann körpereigene Eiweiße gebildet werden. Kohlenhydrate können als Serotonin im Kopf ankommen und depressiven Verstimmungen vorbeugen. Das Gehirn ist ein hochkomplexes Organ und benötigt die unterschiedlichsten Stoffe für unterschiedlichste Prozesse.
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