GS

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Die Glutamin-Synthetase (GS) ist ein Enzym, das die Kondensation von Glutamat und Ammoniak zu Glutamin katalysiert und damit eine wichtige Rolle im Stickstoffmetabolismus spielt:

Glutaminsäure + ATP + NH₃ → Glutamin + ADP + Phosphat

Die Glutamin-Synthetase nutzt Ammoniak, das bei der Nitratreduktion, beim Abbau von Aminosäuren und bei der Photorespiration entsteht. Die Amidgruppe des Glutamats ist die Stickstoffquelle für Metaboliten des Glutamin-Stoffwechselwegs. Über GS können auch weitere Reaktionen ablaufen. Die Konkurrenz zwischen Ammoniumionen und Wasser, deren Bindungsaffinität sowie die Konzentration der Ammoniumionen beeinflussen die Glutaminsynthese und die Glutaminhydrolyse. Greifen Ammoniumionen das Acylphosphat-Zwischenprodukt an, wird Glutamin gebildet; greift Wasser das Zwischenprodukt an, wird Glutamat zurückgebildet. Aufgrund der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen dem Kation und der negativ geladenen Bindungstasche binden Ammoniumionen fester an GS als Wasser. Eine weitere mögliche Reaktion ist die Bildung von γ-Glutaminylhydroxamat, wenn NH₂OH anstelle von NH4⁺ an GS bindet.

Abbildung 1. Enzymstruktur der GS.

Klassifikationen

• Die Glutamin-Synthetase kann in drei Kategorien eingeteilt werden:

GSI: In Prokaryoten verbreitet.

GSII: überwiegend in Eukaryoten und Bakterien verbreitet, z. B. in Rhizobien und Actinomyceten.

GSIII: Nur in wenigen Bakterien nachgewiesen, z. B. Bacteroides fragilis und Vibrio cellulolyticus.

• In Samen, Blättern, Wurzeln, Knöllchen, Früchten und weiteren Organen höherer Pflanzen sind verschiedene GS-Isoenzyme verteilt, die in drei Typen unterteilt werden: GS1, GS2 und GSx:

GS1: zytoplasmatische bzw. zytosolische GS, kodiert durch 3–5 nukleäre Gene; hauptsächlich beteiligt am Transfer gespeicherter Stickstoffquellen während der Samenkeimung sowie am Transfer und der Wiederverwertung von Stickstoffquellen während der Blattalterung (Seneszenz).

GS2: plastidäre bzw. chloroplastidäre GS, kodiert durch ein nukleäres Gen; hauptsächlich beteiligt an der Photorespiration und am Assimilationsprozess von Ammoniak, das bei der Salpetersäurereduktion entsteht.

GSx: in der Regel in geringerer Menge vorhanden.

Wirkmechanismus

Diese Reaktion verbraucht Adenosintriphosphat und erfordert die Beteiligung von Magnesium- oder Manganionen. Glutamin kann anschließend als Ammoniakdonor dienen und unter Einwirkung der Glutamat-Synthase mit Ketoglutarat zu Glutamat reagieren. Dies ist ein wesentlicher Weg der Umwandlung von anorganischem Stickstoff in organischen Stickstoff in höheren Pflanzen. Glutamin ist eine wichtige Form der Stickstoffspeicherung in Pflanzen. Bei hoher Ammoniumionenkonzentration in Pflanzen wird Glutamin in großen Mengen synthetisiert, wodurch eine Intoxikation durch Akkumulation von Ammoniumionen verhindert werden kann. Glutamin, eine Aminosäure, wird von Zellen nicht nur zur Proteinsynthese genutzt, sondern auch zum Transport von Ammoniak. Freie Ammoniumionen sind für Organismen toxisch und dürfen im Blut nicht in zu hoher Konzentration vorliegen; einige biologische Prozesse erzeugen jedoch freie Ammoniumionen. Daher wird Glutamin zum Transport dieser Ammoniumionen verwendet. Wenn Zellen überschüssige Ammoniumionen transportieren müssen, synthetisieren sie aus Ammoniumionen und Glutaminsäure unter ATP-Verbrauch Glutamin. Diese Reaktion wird durch die Glutamin-Synthetase katalysiert. Sie verläuft in zwei Schritten: Zunächst setzt das Enzym ATP mit Glutaminsäure zu γ-Glutamylphosphat um; anschließend ersetzen Ammoniumionen das Phosphat. In der Forschung zu höheren Pflanzen wird GS häufig als ein für die pflanzliche Ammoniakassimilation notwendiges Enzym definiert. Die humane Glutamin-Synthetase wird als hGS bezeichnet.

Funktionen

GS im Gehirn ist an der metabolischen Regulation von Glutamat, der Entgiftung von Ammoniak im Gehirn, der Ammoniakaufnahme, dem Recycling von Neurotransmittern sowie der Beendigung von Neurotransmittersignalen beteiligt. Im Gehirn kommt sie hauptsächlich in Astrozyten vor. Astrozyten schützen Neuronen vor Exzitotoxizität, indem sie überschüssige Mengen an Ammoniak und Glutamat aufnehmen; in einer hyperammonämischen Umgebung (hoher Ammoniakgehalt) kommt es zu einer astroglialen Schwellung. Unterschiedliche Auffassungen wurden zur Erklärung der astroglialen Schwellung herangezogen. Eine Studie zeigte, dass eine morphologische Veränderung auftrat, wodurch die Expression von GS in der glutamatergen Region erhöht wurde oder andere adaptive Effekte hoher Glutamat- und Ammoniakspiegel reduziert wurden; eine andere Sichtweise ist, dass die Astrozytenschwellung durch die Akkumulation von Glutamin verursacht wird. Um einen Anstieg der kortikalen Glutamatspiegel und des kortikalen Wassergehalts zu verhindern, wurde in einer Studie die GS-Aktivität bei Ratten mittels MSO gehemmt.