GS

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

Glutaminsäure + ATP + NH₃ → Glutamin + ADP + Phosphat

Glutamin-Synthetase verwendet Ammoniak, das durch Nitratreduktion, Aminosäureabbau und Photorespiration produziert wird. Die Amidgruppe von Glutamat ist die Stickstoffquelle für die Metaboliten des Glutaminwegs. Andere Reaktionen können durch GS stattfinden. Der Wettbewerb zwischen Ammoniumionen und Wasser, ihre Bindungsaffinität und die Konzentration der Ammoniumionen beeinflussen die Synthese von Glutamin und die Hydrolyse von Glutamin. Wenn Ammoniumionen das Acylphosphat-Intermediat angreifen, wird Glutamin gebildet; wenn Wasser das Intermediat angreift, wird Glutamin wiedergebildet. Aufgrund der elektrostatischen Kraft zwischen dem Kation und der negativ geladenen Tasche binden Ammoniumionen fester an GS als Wasser. Eine weitere mögliche Reaktion ist die Produktion von γ-Glutaminylhydroxamat, nachdem NH₂OH mit GS anstelle von NH4⁺ kombiniert wird.

Abbildung 1. Enzymstruktur von GS.

Klassifikationen

• Glutamin-Synthetase kann in drei Kategorien unterteilt werden:

GSI: Verbreitet in Prokaryoten.

GSII: hauptsächlich in Eukaryoten und Bakterien verbreitet, wie Rhizobien und Actinobacterien.

GSIII: Nur in wenigen Bakterien gefunden, wie Bacteroides fragilis und Vibrio cellulolyticus.

• Es gibt eine Vielzahl von GS-Isoenzymen, die in den Samen, Blättern, Wurzeln, Knötchen, Früchten und anderen Organen höherer Pflanzen verteilt sind, die in drei Typen unterteilt werden: GS1, GS2 und GSx:

GS1: Zytoplasmatische GS oder zytosolische GS, kodiert durch 3-5 nukleare Gene; sie ist hauptsächlich an der Übertragung von gespeicherten Stickstoffquellen während der Samenkeimung und der Übertragung und Wiederverwendung von Stickstoffquellen während der Blattalterung beteiligt.

GS2: Plastidische GS oder Chloroplasten-GS, kodiert durch ein nukleares Gen; hauptsächlich an der Photorespiration und dem Assimilationsprozess von Ammoniak, das durch Nitratreduktion produziert wird, beteiligt.

GSx: normalerweise weniger Inhalt.

Wirkungsprinzip

Diese Reaktion verbraucht Adenosintriphosphat und erfordert die Teilnahme von Magnesium- oder Manganionen. Glutamin kann weiter als Ammoniakdonor verwendet werden und mit Ketoglutarat reagieren, um Glutamat durch die Wirkung von Glutamat-Synthetase zu produzieren. Dies ist ein wichtiger Weg für die Umwandlung von anorganischem Stickstoff in organischen Stickstoff in höheren Pflanzen. Glutamin ist eine wichtige Form der Stickstoffspeicherung in Pflanzen. Wenn die Konzentration von Ammoniumionen in Pflanzen hoch ist, wird Glutamin in großen Mengen synthetisiert, was eine Vergiftung durch die Ansammlung von Ammoniumionen verhindern kann. Glutamin, eine Aminosäure, wird nicht nur von Zellen zur Synthese von Proteinen verwendet, sondern auch zum Transport von Ammoniak. Freie Ammoniumionen sind für Organismen giftig und dürfen im Blut nicht zu hoch sein, aber einige biologische Prozesse produzieren freie Ammoniumionen; daher wird Glutamin verwendet, um diese Ammoniumionen zu transportieren. Wenn Zellen überschüssige Ammoniumionen transportieren müssen, verwenden sie Ammoniumionen und Glutaminsäure, um Glutamin zu synthetisieren und ATP zu verbrauchen. Diese Reaktion wird von Glutamin-Synthetase katalysiert. Diese Reaktion wird in zwei Schritte unterteilt. Das Enzym reagiert zuerst ATP mit Glutaminsäure, um γ-Glutamylphosphat zu produzieren; dann kommen Ammoniumionen, um das Phosphat zu ersetzen. In der Forschung zu höheren Pflanzen wird GS oft als ein Enzym definiert, das für die Ammoniakassimilation in Pflanzen notwendig ist. Die menschliche Glutamin-Synthetase wird als hGS bezeichnet.

Funktionen

GS im Gehirn ist an der metabolischen Regulation von Glutamat, der Entgiftung von Gehirnammoniak, der Absorption von Ammoniak, dem Recycling von Neurotransmittern und der Beendigung von Neurotransmittersignalen beteiligt. Das Gehirn existiert hauptsächlich in Astrozyten. Astrozyten schützen Neuronen vor Exzitotoxizität, indem sie übermäßige Mengen an Ammoniak und Glutamat aufnehmen; in einer hyperammonämischen Umgebung (hoher Ammoniakgehalt) tritt eine Astroglia-Schwellung auf. Unterschiedliche Meinungen haben das Problem der Astroglia-Schwellung gelöst. Eine Studie zeigte, dass eine morphologische Veränderung auftrat, wodurch die Expression von GS im glutamatergischen Bereich erhöht oder andere adaptive Effekte hoher Glutamat- und Ammoniakspiegel verringert wurden; eine andere Ansicht ist, dass die Schwellung der Astrozyten durch die Ansammlung von Glutamin verursacht wird. Um zu verhindern, dass die Glutamatspiegel im Kortex und der Wassergehalt im Kortex ansteigen, wurde eine Studie durchgeführt, um die GS-Aktivität bei Ratten durch die Verwendung von MSO zu verhindern.