Nukleotide sind Bausteine der Ribonukleinsäure (RNA) und Desoxyribonukleinsäure (DNA) und deshalb essentiell für Zellen, die sich in Teilung befinden. Wie auch die Polyamine stellen sie wichtige Metabolite für Zellen dar und sind in vielfältiger Weise in strukturelle, metabolische, energetische und regulatorische Funktionen eingebunden, wie z.B. als Co-Faktoren von Enzymen oder als Energieträger (RUDOLPH 1994 a).
2.3.1 Struktur der Nukleotide
Nukleotide bestehen aus einer stickstoffhaltigen heterocyklischen Purin- oder Pyrimidinbase, einer Pentose (D-Ribose oder 2´-Desoxyribose) und anorganischem Phosphat. Verbindungen, die nur aus einer Purin- oder Pyrimidinbase und einer Pentose bestehen, werden als Nukleoside bezeichnet. Nukleoside mit einem Phosphatrest werden als Mononukleotide (Nukleosidmonophosphat), solche mit zwei oder drei Phosphatresten als Nukleosiddi- bzw.
triphosphat definiert (BUDDECKE 1989). Nukleotide, die D-Ribose enthalten, dienen als Baustein der RNA. Für die Synthese der DNA werden Nukleotide mit 2´-Desoxyribose verwendet. Zu den Purinbasen gehören Adenin, Guanin, Hypoxanthin und Xanthin, während Thymin, Cytosin und Uracil den Pyrimidinbasen zugeordnet werden (RUDOLPH 1994 a).
2.3.2 Biosynthese der Nukleotide
Es bestehen zwei Möglichkeiten der Biosynthese von Nukleotiden (LELEIKO u.WALSH 1995):
- De novo Synthese, hauptsächlich aus den Vorstufen Glutamin, Glycin und Phosphoribosylpyrophosphat (PRPP).
- „Salvage pathway“, wobei entweder Nukleoside oder Basen aus bereits in der Zelle vorhanden Nukleotiden, oder aber aus Nukleotiden, die in der Nahrung enthalten sind, für
die Resynthese von Nukleinsäuren verwendet werden. Auch Purinnukleotide, die aus abgestoßenen Darmzellen freigesetzt werden, können wiederverwertet werden.
Die entstehenden Mononukleotide werden umgehend in Nukleosiddi- oder -triphosphate umgewandelt, weshalb die Nukleosidtriphosphatkonzentration höher ist als die der Mono-und Nukleosiddiphosphate (RUDOLPH 1994 a). Durch sukzessive Anlagerung kleinster Molekülgruppen, die hauptsächlich aus dem Aminosäurestoffwechsel stammen, an Ribose-5-Phosphat entsteht das Mononukleotid Inosin-5-phosphat (IMP). Über weitere Syntheseschritte (s. Abb. 4) wird Adenosin-5-phosphat (AMP) bzw. Guanosin-5-phosphat (GMP) gebildet(BUDDECKE 1989).
Abb. 4: Schema zur Purinnukleotidbiosynthese (modifiziert nach BUDDECKE 1989) Inosin-5´-phosphat (IMP)
Adenosin-5´-phosphat Guanosin-5´-phosphat (GMP) Ribose-5´-phosphat
Ursprünglich wurde angenommen, dass ein Organismus in der Lage ist, den für Wachstum und Entwicklung notwendigen Nukleotidpool durch de novo Synthese aufrecht zu erhalten (YAMAMOTO et al.1997) und somit die in der Nahrung enthaltenen Nukleotide nicht genutzt werden (RUDOLPH 1994 b). Jetzt ist bekannt, dass z.B. Leberzellen, wenn Nukleotide aus der Nahrung zur Verfügung stehen, einerseits Purin- und Pyrimidinbasen über den „salvage pathway“ wiederverwerten können, während bei einem Nukleotiddefizit in der Nahrung die de novo Synthese dieser Substanzen einsetzt (UAUY 1994). Darmepithelzellen hingegen besitzen nur eine begrenzte Fähigkeit zur de novo Synthese von Purinnukleotiden (MACKINNON u. DELLER 1973). Ebenso wie die intestinale Mukosa verfügen auch das Knochenmark, die hämatopoetischen Stammzellen und das Gehirn über eine begrenzte Kapazität zur de novo Synthese von Nukleotiden und Nukleosiden. Sie sind deshalb auf die Wiederverwertung von Nukleotiden oder Basen über den „salvage pathway“ angewiesen (YAMAMOTO et al.1997).
Offensichtlich besitzen Nukleotide exogener Herkunft (z.B. aus der Nahrung) eine große Bedeutung für die Optimierung der Funktionsfähigkeit von Geweben, vor allem weil durch ihre Nutzung die energieaufwendige de novo Synthese oder eine Wiederverwertung über den
„salvage pathway“ eingeschränkt werden kann (CARVER 1994).
2.3.3 Abbau der Nukleotide
Urat (Salz der Harnsäure) ist das Endprodukt des Purinkatabolismus beim Menschen und höheren Primaten, während andere Säugetiere (mit Ausnahme des Dalmatiners) Urat mit Hilfe der Uricase weiter zu Allantoin abbauen. Die Bildung des Urats findet vorrangig in der Leber statt; die Ausscheidung erfolgt über die Niere durch die aktive Exkretion im Tubulussystem. Eine vermehrte Purinsynthese oder eine beeinträchtigte renale Ausscheidung kann zur Gichterkrankung führen. Hierbei treten aufgrund der schweren Löslichkeit der Harnsäure Ablagerungen von Natrium-Monouratkristallen in den Gelenken auf, die zu schmerzhaften Entzündungen führen können. Darüber hinaus kann es zur Bildung von Nierensteinen kommen (BUDDECKE 1989).
Die Endprodukte des Pyrimidinabbaues sind β-Alanin und β-Aminoisobutyrat, beide Substanzen sind gut löslich und werden leicht ausgeschieden (RUDOLPH 1994 a).
2.3.4 Vorkommen der Nukleotide
Nukleotide kommen in hoher Konzentration im menschlichen Kolostrum sowie in der Muttermilch vor und sind für die Ernährung Neugeborener notwendig (BARNESS 1994). GIL
und SANCHEZ-MEDINA (1981) bestimmten die Nukleotidgehalte in der Milch von Wiederkäuern (Kuh, Ziege, Schaf) und in menschlicher Muttermilch (GIL u. SANCHEZ -MEDINA 1982). Guanosin-5-phosphat (GMP) konnte nur in Schaf- (3,4-34,6 µmol/l) und Humanmilch (3,2-5,0 µmol/l) nachgewiesen werden, während Adenosin-5-phosphat (AMP), Cytidin-5-phosphat (CMP) und Uridin-5-phosphat (UMP) in allen Proben enthalten war. Im Vergleich zu Muttermilch anderer Spezies stellen Adenin- und Cytidinderivate den Hauptanteil des Gesamtnukleotidgehaltes in menschlicher Muttermilch dar. Höhere Nukleotidkonzentrationen im Anfangsstadium der Laktation (CARVER u. WALKER 1995) könnten ein Hinweis auf die biologische Bedeutung der Nukleotide für das Neugeborene sein.
In Tab. 1 sind Nukleotidgehalte des Kolostrums verschiedener Spezies dargestellt.
Tab. 1: Nukleotidgehalt im Kolostrum verschiedener Spezies; Angaben in µmol/l
CMP AMP GMP UMP
Humanmilch 55,1 33,4 3,3 17,7
Kuhmilch 52,5 61,8 - 390,0
Ziegenmilch 64,5 47,0 - 537,7
Schafmilch 327,5 297,3 34,6 1133,0
Quelle: GIL undSANCHEZ-MEDINA (1981 und1982)
Lebensmittel oder Nährstoffe mit zellulären Komponenten enthalten Nukleotide, die meist an Proteine gebunden vorliegen (CARVER u. WALKER 1995). Innereien, Fisch und Leguminosen
(Erbsen, Bohnen, Linsen) sind besonders purinreich (CLIFFORD u. STORY 1976; KOJIMA
1974). GMP kommt in höheren Konzentrationen in Hefeextrakten und Shiitakepilzen vor, während IMP vor allem in frischem Fisch und Fleisch enthalten ist. Früchte enthalten geringe Nukleotidkonzentrationen (KOJIMA 1974). In Tab. 2 sind Puringehalte verschiedener Lebensmittel dargestellt.
Tab. 2: Puringehalte verschiedener Lebensmittel; Angaben in mg/100 g Frischsubstanz Puringehalt
2.3.5 Nukleotide und ihre Effekte auf Zellen und Gewebe
Verschiedene Studien über die Effekte einer exogenen Nukleotidzufuhr sind in der Literatur beschrieben, wobei sowohl Untersuchungen in vivo (vorrangig an Ratten) als auch in vitro durchgeführt wurden:
Untersuchungen in vivo:
Ein Nukleotiddefizit in der Nahrung verminderte die spezifische Aktivität von Enzymen der Bürstensaummembran (Alkalische Phosphatase, Leucinaminopeptidase, Maltase, Laktase und Saccharase) von Ratten (ORTEGA et al. 1995). Die Autoren leiten daraus einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Nukleotidzufuhr aus der Nahrung und der Ausreifung des Dünndarmepithels ab.
Die Wirkung einer ausschließlich parenteralen Ernährung sowie einer parenteralen Nukleotid-und Nukleosidzufuhr auf die Enzymaktivitäten der Darmenterozyten wurden von IIJIMA et al.
(1995) an Ratten untersucht, und zwar nach einer Resektion von 80 % des gesamten Dünndarmes. Während sich die Enzymaktivitäten der Bürstensaummembran nicht signifikant veränderten, stieg die intestinale Zellturnover-Rate und die mukosale Atrophie wurde abgeschwächt. Für die nachhaltige Beeinflussung der mukosalen Funktion scheint die intraluminale Präsenz der Nukleotide von großer Bedeutung zu sein.
BUENO et al. (1994) berichten über die positiven Wirkungen einer mit AMP, GMP, IMP, CMP und UMP angereicherten Diät auf intestinale Reparationsprozesse nach chronischer Diarrhoe. Während bei Ratten, die eine nukleotidarme Diät erhielten, histologisch eine Reduktion des Mikrovillisaumes der Enterozyten nachzuweisen war und signifikante intraepitheliale Lymphozyteninfiltrationen am Intestinum auftraten, konnten diese Veränderungen der intestinalen Struktur bei der Nukleotidgruppe weitgehend verhindert werden. Jedoch scheint der Nutzen der Purin- oder Pyrimidinnukleotide von ihrer Dosis und vom Grad einer bereits bestehenden Schädigung des Darmes abhängig zu sein. Die Aufnahme von Nukleotiden bzw. Nukleosiden mit der Nahrung und deren Wirkung am Darm ist nicht
grundsätzlich von Vorteil. Durch 3-Nitrobenzolsulfonsäure induzierte Schäden der Kolonschleimhaut waren bei den Tieren, die eine nukleotid- und nukleosidfreie Diät erhielten, deutlich geringer (ADJEI et al. 1996). Dieses Ergebnis führte die Autoren zu der Hypothese, dass eine zu hohe Nukleotid- bzw. Nukleosidzufuhr zu Überempfindlichkeitsreaktionen führen kann, die deren ansonsten positive Wirkung verhindert.
Neuere Studien zeigen, dass die Nukleotidversorgung eines Organismus dessen Immunstatus beeinflussen kann. Durch die Anreicherung von menschlicher Milch oder Säuglingsnahrung mit Nukleotiden kam es bei den untersuchten Säuglingen zu einer signifikant höheren Antikörperbildung nach Immunisierung gegen Haemophilus influenca im Untersuchungszeitraum vom 6. bis 12. Lebensmonat (PICKERING et al.1998).
Untersuchungen in vitro:
Studien von HE et al. (1993) an einer humanen Darmkrebszellinie (CaCo-2) und an IEC-6 (Kryptenzellinie von Ratten) hinsichtlich der Wirkung einer exogenen Nukleotidzufuhr auf die Proliferation und Differenzierung dieser Zellen zeigten, dass ein signifikanter Anstieg der Zellproliferation und –differenzierung zu verzeichnen war. Als Differenzierungsmarker dienten hierbei die Enzymaktivitäten der alkalischen Phosphatase und der Saccharase. Dabei wurde deutlich, dass Enterozyten auf die exogene Zufuhr von Nukleotiden angewiesen sind, um ihr Funktionspotential optimal ausschöpfen zu können (SANDERSON u. HE 1994). Im Gegensatz dazu unterscheiden TANAKA et al. (1995) zwischen der Wirkungsweise der einzelnen Nukleotide. Sie vertreten die These, dass AMP vermehrt die Differenzierung von Darmepithelzellen fördert, während andere Nukleotide hauptsächlich die Proliferation der Kryptenzellen verstärken.
2.4 Analytik der Amine mittels