Das Glutamatsystem im Gehirn: Funktion, Bedeutung und Auswirkungen

Glutamat ist ein Begriff, der oft im Zusammenhang mit Geschmacksverstärkern in Lebensmitteln diskutiert wird. Allerdings ist Glutamat weit mehr als nur ein Zusatzstoff. Im menschlichen Gehirn spielt es eine entscheidende Rolle als Neurotransmitter. Dieser Artikel beleuchtet die vielfältigen Funktionen des Glutamatsystems im Gehirn, seine Bedeutung für verschiedene Prozesse und die potenziellen Auswirkungen von Ungleichgewichten.

Was ist Glutamat?

Glutamat ist das Salz der Glutaminsäure, einer nicht-essentiellen Aminosäure, die in allen Lebewesen vorkommt, also auch in uns Menschen. Sie wird nicht nur exogen aufgenommen, sondern der Körper selbst stellt ebenfalls Glutaminsäure her. In der Neurobiologie spielt Glutamat als Neurotransmitter im Gehirn eine entscheidende Rolle. Es ist der am häufigsten vorkommende erregende Neurotransmitter im zentralen Nervensystem (ZNS).

Exogenes vs. Endogenes Glutamat

Es ist wichtig, zwischen exogenem und endogenem Glutamat zu unterscheiden. Exogenes Glutamat wird über die Nahrung aufgenommen, während endogenes Glutamat vom Körper selbst produziert wird.

• Exogenes Glutamat: Exogenes Glutamat ist als Zusatzstoff, der den Geschmack intensivieren soll, in Lebensmitteln bekannt. Exogenes Glutamat liegt meistens in der Form von Mononatriumglutamat vor, da es chemisch stabiler ist. Es wird häufig zur Intensivierung des Geschmacks von Speisen eingesetzt. Manche beschreiben den Geschmack von Umami als pikant, würzig und wohlschmeckend. Der Geschmacksverstärker soll Speisen herzhafter machen. Gleichzeitig regt Glutamat den Appetit an. Ob Glutamat in Lebensmitteln enthalten ist, kann man an der Zutatenliste erkennen. Hersteller müssen dies nämlich aufführen. Allerdings kann es verschiedene Bezeichnungen haben, die Verbraucher nicht immer sofort als Glutamat identifizieren. Unter diesen E-Nummern wird Glutamat aufgelistet: E620 (L-Glutaminsäure), E621 (Mononatriumglutamat), E622 (Monokaliumglutamat), E623 (Calciumdiglutamat), E624 (Monoammoniumglutamat) und E625 (Magnesiumdiglutamat). Es kann aber auch sein, dass entweder Hefe oder Hefeextrakt statt Glutamat auf der Zutatenliste steht.

• Endogenes Glutamat: Als endogenes Glutamat wirkt es im Körper als Neurotransmitter.Neurotransmitter sind Botenstoffe, die als Überträger von elektrischen Signalen zwischen Nervenzellen (Neuronen) vermitteln. Das elektrische Signal am ersten Neuron mündet in chemische Signale, indem beispielsweise Glutamat in den synaptischen Spalt ausgeschüttet wird. Das wiederum bewirkt eine Umwandlung dieses chemischen Signals in ein elektrisches Signal an der zweiten Nervenzelle. Neutransmitter bewirken also eine Reizweiterleitung.

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Endogenes Glutamat kann auf zwei Wegen gebildet werden:

• Glutamat wird aus α-Ketoglutarat und Ammoniak durch die Glutamatdehydrogenase gebildet. Dabei wird NADH + H+ oxidiert:
• Glutamat wird aus Glutamin durch die Glutaminase nach Aufnahme in die Nervenendigung synthetisiert. Glutamin wurde zuvor in den Gliazellen aus Glutamat synthetisiert. Es besteht also ein Glutamat-Glutamin-Zyklus.

Funktionen von Glutamat im Gehirn

Glutamat ist fast im ganzen Gehirn wirksam und ist daher an vielen bedeutenden Funktionen beteiligt:

• Motorik
• Gedächtnis- und Lernfähigkeit
• Sinneswahrnehmungen
• Appetitregulation

Allerdings spielt Glutamat nicht nur im ZNS eine wichtige Rolle, sondern auch im peripheren Nervensystem (PNS). Beispielsweise kommt Glutamat in afferenten Neuronen vor, die Signale vom Körper zum ZNS leiten. Deshalb ist Glutamat auch essentiell bei der Schmerzsignalübertragung. Die Funktionen des Botenstoffes sind vielfältig und liegen beispielsweise in der Vermittlung von Sinneswahrnehmungen und dem Einfluss auf die Ausschüttung von Hormonen im Gehirn (Hirnanhangdrüse, Hypophyse u.a.). Somit gilt Glutamat auch als wichtig für höhere Gehirnfunktionen, die beim Lernen und der Gedächtnisleistung notwendig sind, oder für motorische Funktionen, die das Ausführen von Bewegungen durch Muskelarbeit und Koordination erst möglich machen. Gegenspieler für die Glutamat-Wirkung im Körper ist die Gamma-Aminobuttersäure, kurz GABA.

Glutamatrezeptoren

Glutamat bindet an speziellen Glutamatrezeptoren. Diese Rezeptoren befinden sich vor allem an postsynaptischen Membranen von Neuronen. Der Glutamatrezeptor ist ein Transmembranprotein.Transmembranproteine durchqueren beide Phospholipidschichten einer Biomembran. Das Membranprotein ragt also auf beiden Seiten der Membran heraus. Glutamatrezeptoren werden in ionotrop und metabotrop eingeteilt. Wenn also Glutamat an dem Ionenkanal bindet, öffnet sich dieser und Ionen können die Membran passieren.

Ionotrope Glutamatrezeptoren

Zu den ionotropen Glutamatrezeptoren gehören NMDA-, AMPA- und Kainat-Rezeptoren.

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• NMDA-Rezeptoren: Damit NMDA-Rezeptoren ihre Ionenkanäle öffnen, müssen drei Voraussetzungen gegeben sein:

  • Glutamat bindet an den Rezeptor.
  • Glycin bindet an den Rezeptor.
  • Die postsynaptische Membran muss depolarisieren, damit Magnesium-Ionen den Kanal nicht mehr blockieren können.

NMDA-Rezeptoren nehmen bei Lernprozessen bzw. bei der Langzeitpotenzierung eine wichtige Rolle ein. Bei der Langzeitpotenzierung werden in kurzer Zeit mehrere Aktionspotentiale ausgelöst, die das Signal an Neuronen verstärken. Die Langzeitpotenzierung beeinflusst im Weiteren die synaptische Plastizität und den vermehrten Einbau von AMPA-Rezeptoren, sodass die Signale schneller weitergeleitet werden können.Die synaptische Plastizität ist die Neubildung von neuronalen Vernetzungen je nach Verwendung. Man geht davon aus, dass NMDA- und AMDA-Rezeptoren durch Langzeitpotenzierung und synaptischer Plastizität am Lernprozess im Gehirn beteiligt sind.

• AMPA- und Kainat-Rezeptoren: Hauptsächlich AMPA- und Kainat-Rezeptoren tragen zu einer schnelleren Signalweiterleitung im ZNS bei. AMPA- und Kainat-Rezeptoren werden auch oft als Nicht-NMDA-Rezeptoren zusammengefasst. Nicht-NMDA-Rezeptoren sind durchlässiger für K+ und Na+-Ionen, während NMDA-Rezeptoren für Ca2+-Ionen durchlässiger sind. Calciumionen wirken intrazellulär als second messenger und aktivieren verschiedenste Signalkaskaden. Das wirkt sich letztendlich auf die Gentranskription für die neuronale Entwicklung aus.Ein second messenger bedeutet "sekundärer Botenstoff". Sie dienen hauptsächlich der intrazellulären Signalweiterleitung, indem sie andere Moleküle aktivieren.Sind AMPA-Rezeptoren inaktiv, ist ihr Ionenkanal geschlossen. Sie werden durch Glutamat aktiviert, indem es an den Rezeptor bindet. Dadurch wird der Ionenkanal geöffnet und Kalium- und Natrium-Ionen können die postsynaptische Membran durchqueren.

Metabotrope Glutamatrezeptoren (mGluR)

Metabotrope Glutamatrezeptoren sind an G-Protein gekoppelte Rezeptoren, die eine langsame synaptische Übertragung vermitteln. G-Protein gekoppelte Rezeptoren sind solche, die sich in einer Membran befinden und im Zellinneren an ein G-Protein gekoppelt sind. Diese G-Proteine aktivieren durch Konformationsänderung des Rezeptors andere Enzyme und second messenger, um ein Signal innerhalb der Zelle weiterzuleiten.G-Proteine sind Proteine, die GTP, eine Energieform wie ATP, binden. Sie können GTP zu GDP + P umwandeln, wodurch verschiedene nachgeschaltete Prozesse in der Zelle aktiviert oder inhibiert werden. Bisher sind acht verschiedene Rezeptoren bekannt: mGluR1 - mGluR8. Sie können in drei Gruppen (I-III) eingeteilt werden.

• Gruppe I: mGluR1, mGluR5
• Gruppe II: mGluR2, mGluR3
• Gruppe III: mGlu4, mGlu6, mGlu7, mGlu8

Gruppe I der mGlu-Rezeptoren stimulieren die Phospholipase C (PLC) und sind meistens an der postsynaptischen Membran lokalisiert. Wenn Glutamat an einen mGlu-Rezeptor der Gruppe I bindet, wird die alpha-Untereinheit des G-Proteins aktiviert, indem GTP zu GDP gespalten wird und gleichzeitig die alpha-Untereinheit phosphoryliert wird. Die aktivierte alpha-Untereinheit spaltet sich von der Beta/gamma-Untereinheit ab und aktiviert PLC.Gruppe II und III der mGlu-Rezeptoren inhibieren (hemmen) die Adenylatcyclase (AC) und sind hauptsächlich an präsynaptischen Membranen zu finden. Das Prinzip der Signalübertragung ist dem der Gruppe I mGlu-Rezeptoren ähnlich.

Glutamat und psychische Erkrankungen

Veränderungen des körpereigenen Glutamat-Stoffwechsels können mit psychischen Erkrankungen in Verbindung stehen. Deshalb zielen bestimmte neuere Medikamente gegen Depression auf den Glutamat-Stoffwechsel im Gehirn ab.

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Depression

Die klinische Depression ist eine ernsthafte psychische Störung, gekennzeichnet durch gedrückte Stimmung, Verlust von Freude (Anhedonie), fehlendes Interesse an alltäglichen Aktivitäten und weiteren Symptomen. Sie hat schwere Folgen wie ein erhöhtes Risiko für Suizid und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Seit etwa 50 Jahren konzentrieren sich gängige Therapien wie selektive Serotonin-Wiederaufnahmehemmer (SSRIs) und Serotonin-Noradrenalin-Wiederaufnahmehemmer (SNRIs) auf die Monoamin-Neurotransmitter. In jüngster Zeit richtet sich die Forschung verstärkt auf eine neue Behandlungsstrategie, die das Glutamat-System im Gehirn anspricht. Die positiven Effekte von Ketamin - einem Glutamat-Antagonisten - markieren hierbei einen entscheidenden Wendepunkt. Interessanterweise hängen diese Wirkungen auch mit Magnesium zusammen, das für die Regulierung von Glutamat-Rezeptoren entscheidend ist. Forschungen zeigen, dass ein Magnesiummangel NMDA-Rezeptoren überaktiviert, was zu depressionsähnlichen Symptomen, Angstzuständen und Schlafstörungen führen kann. Die Forschung eröffnet derzeit vielversprechende neue Wege zur Behandlung von Depressionen, indem sie sich vom traditionellen Ansatz der Monoamin-Hypothese wegbewegt und sich auf Glutamat-basierte Therapien konzentriert.

ADHS

Bei Kindern mit ADHS wurde ein erhöhter Glutamatspiegel und ein unveränderter GABA-Spiegel im Gehirn festgestellt. Bei ADHS-Betroffenen wurden erhöhte Anandamid-Werte (N-Arachidonoylethanolamin, AEA) aufgrund eines biochemischen Defekts des Abbaus von AEA gefunden. Dies könnte ein Ungleichgewicht zwischen exzitatorischer und inhibitorischer Neurotransmission im Striatum bewirken. Bei ADHS scheint die Erhöhung der AEA-Konzentrationen durch eine Hemmung von FAAH verursacht zu werden. Bei noch nie medikamentierten wie bei medikamentierten erwachsenen ADHS-Betroffenen fand eine Studie verringerte Glutamat- und Glutamin-Werte in den Basalganglien. Bei unbehandelten Betroffenen korrelierte der Glutamat-/Glutamin-Mangel in den Basalganglien mit der ADHS-Symptomschwere. Keine Änderungen von Glutamat oder Glutamin fanden sich im parietalen Cortex. Eine Studie berichtet von verringerten Glutamatwerten im rechten PFC bei einer Subgruppe von Kindern mit ADHS.21 Die Studie berichtet weiter von einer Entkoppelung der Exekutivfunktionen von Glutamatänderungen bei diesen Kindern im Vergleich zu Nichtbetroffenen.

Glutamat und Rauchen

Eine Forschungsgruppe aus der Schweiz hat untersucht, ob sich auch bei Raucherinnen und Rauchern Veränderungen im Glutamat-System des Gehirns nachweisen lassen. Dazu haben Studienleiter Gregor Hasler und sein Team 14 aktuelle und 14 ehemalige Raucherinnen und Raucher sowie 14 Personen, die nie geraucht haben, mittels Positronen-Emissionstomographie (PET) „durchleuchtet“. Bei PET-Aufnahmen kann mit Hilfe von radioaktiv markierten Substanzen, die an bestimmten Rezeptoren binden, die Rezeptor-Dichte im Gehirn bildlich dargestellt werden. Dies erlaubt Rückschlüsse über die Verteilung von Neurotransmittern in bestimmten Hirnarealen.Die Studie ergab, dass die Rezeptordichte für Glutamat bei Raucherinnen und Rauchern im gesamten Gehirn im Durchschnitt um 20 Prozent verringert war, mit Ausnahme des Hirnstamms. In einzelnen Hirnregionen wie dem unteren Frontallappen und den Basal-Ganglien war Glutamat um bis zu 30 Prozent reduziert. Auch die Ex-Raucherinnen und Ex-Raucher, die im Durchschnitt 25 Wochen abstinent waren, zeigten eine Reduktion dieses Proteins um 10 bis 20 Prozent.„Diese Veränderung des Glutamat-Systems bei Rauchern ist im Ausmaß und in der Verteilung weit größer, als man bisher angenommen hat“, erläutert Gregor Hasler. Besonders unerwartet sei, dass die Erholung des Glutamat-Systems offenbar sehr lange dauere. „Es ist wahrscheinlich, dass diese sehr langsame Normalisierung zu der sehr hohen Rückfallrate bei Ex-Rauchern beiträgt.“Zudem konnte ein Zusammenhang zwischen dem frühen Einstieg in das Rauchen und dem Ausmaß der Reduzierung gefunden werden. Allerdings sei noch unklar, ob die Nikotin-Abhängigkeit eher Ursache oder Folge der verringerten Rezeptordichte ist. Die Erkenntnisse könnten aber bei der Entwicklung von neuen Medikamenten helfen.

Glutamat und geistige Anstrengung

Wer stundenlang sitzt und viel nachdenkt, fühlt sich oft ebenfalls erschöpft. Warum das so ist, haben sich Forscherinnen und Forscher in Frankreich gefragt. Mit erstaunlichem Ergebnis: Der Grund, warum sich viele oft erschöpft fühlen, muss keine Einbildung sein. Bei starker geistiger Anstrengung entstehen im präfrontalen Kortex des Gehirns Giftstoffe unter anderem Glutamate. "Einflussreiche Theorien besagen, dass Müdigkeit eine Art Illusion ist, die das Gehirn erzeugt, um uns dazu zu bringen, mit dem, was wir gerade tun, aufzuhören, um uns einer angenehmeren Aktivität zuzuwenden", erklärt Mathias Pessiglione von der Universität Pitié-Salpêtrière in Paris. "Unsere Ergebnisse zeigen jedoch, dass kognitive Arbeit zu einer echten funktionellen Veränderung führt - der Akkumulation schädlicher Substanzen. Müdigkeit ist so tatsächlich ein Signal, das uns veranlassen soll, die die Arbeit zu unterbrechen. Um dies nachzuweisen, verwendeten sie die Magnetresonanzspektroskopie (MRS), um die Gehirnchemie im Laufe eines Arbeitstages zu überwachen. Das Ergebnis: Bei intensiver kognitiver Arbeit über mehrere Stunden hinweg sammeln sich potenziell toxische Nebenprodukte im präfrontalen Kortex des Gehirns an. Das verändert die Kontrolle über Entscheidungen. In der arbeitsbelasteten Gruppe entdeckten die Forschenden auch höhere Glutamatwerte in den Synapsen des präfrontalen Kortex. Die Wissenschaftler sehen in den Ergebnissen ihrer Studie eine gute Möglichkeit Burnouts zu erkennen und zu verhindern. "Die Überwachung der präfrontalen Stoffwechselprodukte kann dazu beitragen, schwere geistige Ermüdung zu erkennen", erklärten sie. In künftigen Studien wollen die Wissenschaftler herausfinden, warum der präfrontale Kortex besonders anfällig für Glutamat-Ansammlungen und Müdigkeit zu sein scheint.

Die Rolle von GABA

Der Gegenspieler von Glutamat ist GABA (γ-Aminobuttersäure) und ist ebenfalls ein Neurotransmitter. GABA hemmt die Glutamatrezeptoren, indem es an diesen bindet. Im Gegensatz zu Glutamat ist GABA das biogene Amin der Glutaminsäure und wirkt inhibierend. Bindet GABA an GABA-Rezeptoren, wird die Freisetzung von Glutamat in den synaptischen Spalt gehemmt. Normalerweise sollten GABA und Glutamin im Gleichgewicht sein, damit es nicht zur Übererregung der Nervenzellen kommt. Liegt ein Mangel vor, so kann es zu Bluthochdruck, chronischen Schmerzen oder auch Schizophrenie kommen. Glycin ist im Hirnstamm und dem Rückenmark der mengenmäßig überwiegende Neurotransmitter und hat sowohl inhibitorische als auch exzitatorische Funktionen.

Glutamat in Lebensmitteln: Mythos und Wahrheit

Eine eher unrühmliche Bekanntheit erlangte das Glutamat als umstrittener Zusatz in verarbeiteten Lebensmitteln, wo es als Geschmacksverstärker eingesetzt wird. Beispiele für natürlich glutamathaltige Lebensmittel sind Parmesan, Tomaten und Soja.

Die Glutamat-Angst

Der Glaube, dass exogenes Glutamat Krebs, Parkinson oder Alzheimer auslöst, konnte bisher nicht wissenschaftlich bewiesen werden. Dass exogenes Glutamat die Blut-Hirn-Schranke nicht überwinden kann, bestärkt die These, dass es nicht schädlich ist, glutamathaltige Lebensmittel zu essen. Daher gibt es bei gesunden Menschen keinen Grund zur Sorge, dass exogenes Glutamat Hirnschäden auslösen könnte. Allgemein gilt: Glutamat in Maßen konsumieren ist nicht schädlich.

Der Ursprung der Glutamat Angst kommt eigentlich 1968 in einem Leserbrief in einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift. Es ist sogar bis heute noch unklar, ob dieser Leserbrief nur ein Scherz gewesen sein sollte. In diesem Leserbrief beschrieb ein japanisch-amerikanischer Arzt, dass er nach dem Besuch in einem chinesischen Restaurant unter Kribbeln, Taubheit, allgemeiner Müdigkeit und Herzklopfen litt. Er verdächtige Glutamat als Übeltäter. Er vermutete, dass diese Symptome durch glutamatreiches Essen ausgelöst werden könnten.Durch diese Geschichte wird klar, dass das noch lange kein wissenschaftlicher Beweis vorlag, dass Glutamat schädlich wäre. Der besagte Forscher fragte seine Kollegen lediglich, ob sie nicht Lust hätten, mit ihm daran zu forschen. Es folgten Tierversuche, deren Ergebnisse aber wenig verlässlich sind. Durch einen Zeitungsartikel über das "Chinese Restaurant Syndrome", wie sich der ursprüngliche Leserbrief nannte, wurde in der Bevölkerung Verwirrung gestiftet. Bald breitete sich die Angst vor Glutamat über die ganze Welt aus.

Glutamat-Allergie oder Pseudoallergie?

Aus dem "Chinese Restaurant Syndrome" ist ebenfalls die Idee einer Glutamat Allergie entstanden. Die Symptome, die diese Allergie hervorrufen sollen, sind unter anderem Kopfschmerzen, Hautrötungen und Magen-Darm-Beschwerden. Da Allergietests allerdings keine Immunreaktionen auf Glutamat nachweisen können, gilt es nicht als Allergie, sondern als sogenannte Pseudoallergie.Pseudoallergien sind keine echten Allergien, sondern nur scheinbare Allergien. Sie verursachen keine Freisetzung von Antikörpern des Typs IgE. Bei einer echten Allergie wären die IgE-Antikörper im Blut nachweisbar. Antikörper sind Eiweißstrukturen des Immunsystems und werden bei Allergien vom Körper als Reaktion auf ein sogenanntes Antigen gebildet. Das Antigen stellt den Erreger oder im Falle einer Allergie einen vermeintlichen Erreger dar. Antikörper können an das Antigen binden und markieren so den Antikörper-Antigen-Komplex für Fresszellen.Auch wenn die Symptome, denen einer echten Allergie ähneln, sind Pseudoallergien in der Regel nicht so gefährlich wie Allergien. Symptome von Pseudoallergien können beispielsweise Nesselsucht, asthmatische Atembeschweren oder Magen-Darm-Beschwerden sein.Strittig ist immer noch, ob Glutamat überhaupt der Auslöser für diese Symptome ist. Wissenschaftliche Beweise gibt es auch hierfür nicht. Somit kann auch an der Existenz einer Glutamat Allergie gezweifelt werden.

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