Hemmstoffe der NO-Synthese

Zu den endogenen Hemmstoffen der eNOS zählen das N^G,N^G–dimethyl-L-Arginin (asymmetrisches Dimethylarginin, ADMA), das N^G-monomethyl-L-Arginin (Monomethylarginin, L-NMMA) (Vallance et al. 1992) und das schwächer hemmende N^G,N^G´–dimethyl-L-Arginin (symmetrisches Dimethylarginin, SDMA) (Tsikas et al. 2000b).

Diese methylierten Arginin–Analoga (Abbildung 3) kommen in freier Form im Urin (Kakimoto und Akazawa 1970), im Plasma (Vallance et al. 1992), im Gewebe und in Zellen vor (Bothmer et al. 2002). Sie entstehen durch die Methylierung von Arginin-Seitenkettengruppen in Polypeptiden und Proteinen durch spezifische Protein-Arginin-Methyltransferasen (PRMT) (Rawal et al. 1995, Gary und Clarke 1998).

Durch anschließende Proteolyse werden die Methylarginine freigesetzt.

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Abbildung 3: Chemische Struktur von L-Arginin und den methylierten L-Arginin-Analoga

ADMA wird als endogener Hemmstoff der eNOS in vielen Zelltypen einschließlich der endothelialen Zellen durch PRMT synthetisiert. Eliminiert wird ADMA durch die Metabolisierung zu L-Citrullin und Dimethylamin (DMA) oder durch die Ausscheidung mit dem Urin. Die Metabolisierung zu L-Citrullin erfolgt über das Enzym Dimethylarginin-Dimethylaminohydrolase (DDAH) (Ogawa et al. 1989, MacAllister et al.

1996). Es existieren zwei Isoformen der DDAH. Die DDAH I liegt hauptsächlich im Gehirn und in der Niere vor, während die DDAH II im Herzen, der Plazenta und in der Niere exprimiert wird (Leiper et al. 1999). Auch das L-NMMA wird über die DDAH abgebaut und zwar zu Citrullin und Monomethylamin (MMA). Da sowohl die Synthese als auch die Metabolisierung von ADMA stark regulierte Prozesse sind, liegt die Schlussfolgerung nahe, dass die DDAH das Potential besitzt, den NO-Stoffwechsel über den ADMA-Spiegel zu regulieren (Leiper und Vallance 2006). Die Bestimmung der DMA-Ausscheidungsrate im Urin gibt Aufschluss über die ADMA-Metabolisierung. Allerdings ist dabei die exogene Zufuhr von DMA durch Nahrungsbestandteile wie Lecithin, Cholin und Trimethylamin sowie dessen N-Oxide zu berücksichtigen (Asatoor und Simenhoff 1965). Die individuelle DMA-Ausscheidungsrate im Urin ist somit von der Ernährung, der endogenen Produktion sowie von Metabolismus und Ausscheidung abhängig. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine erhöhte ADMA-Konzentration zu einer verminderten NO-Synthese und einem erhöhten Gefäßwiderstand führen kann. In klinischen Studien konnten erhöhte ADMA-Werte bei Patienten mit PAVK (Böger et al. 1997), chronischer Niereninsuffizienz (Vallance et al.

1992), Hypertonie (Surdacki et al. 1999) und Hypercholesterinämie (Böger et al. 1998) festgestellt werden. Miyazaki et al. (1999) konnten eine Korrelation zwischen den Risikofaktoren Alter, Blutdruck, Glucosetoleranz, Intima-/Mediadicke der Carotis und der ADMA-Konzentration im Plasma aufzeigen. Sie assoziierten daraufhin eine erhöhte ADMA-Konzentration im Plasma mit einem erhöhten Atheroskleroserisiko. Achan et al.

(2003) konnten in einer doppelblinden, placebokontrollierten, randomisierten Studie mit gesunden Probanden, denen ADMA intravenös injiziert wurde, eine negative Auswirkung auf die Herzleistung aufzeigen. Durch die niedrig dosierte ADMA-Injektion wurden eine sofortige Senkung der Herzfrequenz sowie eine Senkung des Herzminutenvolumens und eine Erhöhung des Blutdrucks und des vaskulären Widerstandes beobachtet. Auch in Studien zur Erfassung des Effektes einer ADMA-Infusion auf die zerebrale (Kielstein et al. 2006) und pulmonale (Kielstein et al. 2005) Durchblutung, konnten vergleichbare negative Auswirkungen beobachtet werden. Ähnliche vasokonstriktorische Effekte konnten auch für L-NMMA nachgewiesen werden (Haynes et al. 1993). Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass der Akkumulation von ADMA eine wichtige Rolle bei der Pathogenese der Atherosklerose zukommt. 2001 wurde ADMA von Valkonen et al. als potentieller Marker für die endotheliale Dysfunktion und als Risikofaktor für die Atherosklerose definiert.

Ein weiterer Risikofaktor der Atherosklerose, der in den NO-Stoffwechsel eingreifen könnte, ist das Homocystein. Homocystein entsteht durch den Abbau von Methionin. Es liegt nur zu einem sehr geringen Prozentsatz frei im Plasma vor. 70 - 85 % des Homocysteins sind proteingebunden, vorzugsweise an Albumin (Kang et al. 1992). Das so genannte Gesamthomocystein setzt sich aus Homocystein, Homocystin, Cystin-Homocystein und anderen Disulfiden zusammen. Der individuelle Homocystein-Spiegel wird sowohl von genetischen als auch von ernährungstechnischen Faktoren beeinflusst. Für den Abbau von Homocystein stehen verschiedene Stoffwechselwege zur Verfügung. Über das Enzym Methioninsynthase wird Homocystein durch Methylierung zu Methionin zurückverwandelt.

Wichtige Co-Faktoren für diesen Prozess sind Methylcobalamin (Vitamin B₁₂) und Folsäure.

Ein weiterer Metabolisierungsweg für Homocystein ist der Cystein-Stoffwechsel. Die Cystathionin-β-Synthase baut Homocystein in Gegenwart der Aminosäure Serin zu Cystathionin ab. Für diesen Schritt wird Pydridoxalphosphat (Vitamin B₆) benötigt (Loscalzo 1996). Somit kommen den B-Vitaminen und der Folsäure elementare Schlüsselfunktionen im Homocystein-Metabolismus zu. Erste Berichte über einen möglichen Zusammenhang zwischen Hyperhomocysteinämie und Atherosklerose wurden von Gibson et al. (1964) und McCully (1969) publiziert. Untersuchungen konnten zeigen, dass vermutlich mehrere Mechanismen für die Schädigung des Endothels durch Homocystein verantwortlich sind. Zu ihnen zählt die Oxidation von Homocystein zu Homocystin, zu gemischten Disulfiden und Homocysteinthiolacton, welche von der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezien (ROS) begleitet ist. Zu den so gebildeten ROS zählen das Superoxidanion und das

Wasserstoffperoxid. Eine weitere mögliche pathologische Rolle spielt Homocystein in Bezug auf erhöhten oxidativen Stress durch die Hemmung der Glutathionperoxidase. Die Glutathionperoxidase ist als endogenes Antioxidants für die Inaktivierung von Wasserstoffperoxid mitverantwortlich. Durch Hemmung der Glutathionperoxidase kommt es somit zu einem Anstieg der Wasserstoffperoxid-Konzentration. Ein Anstieg der gebildeten ROS würde sich wiederum negativ auf die Endothelfunktion, den NO- und den Lipidstoffwechsel auswirken. Es könnten sowohl eine direkte Endothelschädigung als auch eine erhöhte Lipidperoxidation die Folge sein. Auf den NO-Stoffwechsel könnte sich die erhöhte ROS-Konzentration durch eine erhöhte Reaktionsrate mit freiem NO auswirken.

Durch diese Faktoren wäre die Entstehung und Weiterentwicklung der endothelialen Dysfunktion begünstigt (Upchurch et al. 1997). Durch die verschiedenen Eingriffe des Homocysteins in die endotheliale Funktion scheint die Einstufung von Homocystein als Risikofaktor für die Atherosklerose gerechtfertigt zu sein. Studien konnten zeigen, dass eine Nahrungsergänzung mit den Vitaminen B6, B12 und Folsäure den Homocystein-Spiegel um 30 % senken kann. Der Folsäure wird dabei das größte Potential zugeschrieben (Homocysteine Lowering Trialists’ Collaboration 1998). Neuere Studie deuten allerdings auf eine mögliche negative Wirkung der Folsäure- und B-Vitamin-Therapie in Bezug auf kardiovaskuläre Ereignisse hin (Lange et al. 2004, Bonaa et al. 2006, Lonn et al. 2006). Somit bleibt die therapeutische Signifikanz der Senkung des Homocystein-Spiegels durch Folsäure (und B-Vitamine) unbelegt.