text: Als Allergie (seit 1905 von ‚Fremdreaktion‘, aus állos ‚fremd‘ und érgon ‚Reaktion‘) bezeichnet man eine überschießende, krankhafte Abwehrreaktion des Immunsystems auf körperfremde, aber harmlose Umweltstoffe, die dann als Allergene oder Antigene bezeichnet werden. Die allergische Reaktion richtet sich gegen von außen, beispielsweise über die Lunge, den Verdauungstrakt, die Haut, die Schleimhaut oder mit dem Blut kommende Stoffe. Dagegen werden Autoimmunreaktionen, also überschießende, krankhafte Reaktionen des Immunsystems gegen Bestandteile des eigenen Körpers, nur dann zu den Allergien gezählt, wenn sie durch von außen in den Körper gelangte Stoffe ausgelöst werden. Neben der Allergie gibt es weitere Unverträglichkeitsreaktionen (Intoleranzen), z. B. die Pseudoallergie oder die Intoleranz, die mit einem ähnlichen Krankheitsbild wie eine Allergie einhergehen. Aufgrund der ähnlichen Symptome werden diese Begriffe im allgemeinen Sprachgebrauch fälschlicherweise oft synonym verwendet. Geschichte und Begriffsentstehung Schon aus dem alten Ägypten und aus dem alten Rom sind Krankheitsbeschreibungen bekannt, die man heute als Allergie bezeichnen würde. Seine Beobachtung, dass manche Menschen Schnupfen und Atemwegsverengungen zeigen, wenn sie sich in der Nähe blühender Rosen aufhalten, bezeichnete der italienische Chirurg Leonardo Botallo 1565 als „Rosenerkältung“. Eine von der Jahreszeit abhängige Nasenerkrankung beschrieb 1819 der Londoner Arzt John Bostock. Dass Gräserpollen die auslösende Ursache für diesen „Heuschnupfen“ sind, erkannten 1870 Charles Blackley in England und unabhängig von diesem Morrill Wyman an der Harvard University. 1903 löste der Deutsche Wilhelm P. Dunbar bei Versuchspersonen Heuschnupfensymptome durch mit Pollen versetzte Salzlösungen aus. Der Begriff Allergie (griechische Übersetzung von „Anders-Reaktion“, welche auch von Robert Koch bei Anwendung von Tuberkulin beschrieben wurde) wurde 1906 von Clemens von Pirquet, einem Wiener Kinderarzt, der Erscheinungen nach Erst- und Reinjektion von Diphterieseren untersuchte, in Analogie zu Energie geprägt in der Hinsicht, dass . Pirquet definierte Allergie weit gefasst als . In dieser Definition sind sowohl verstärkte (Hyperergie), verminderte (Hypoergie) wie auch fehlende (Anergie) Reaktivitäten einbezogen. Pirquet erkannte als erster, dass Antikörper nicht nur schützende Immunantworten vermitteln, sondern auch Überempfindlichkeitsreaktionen auslösen können. Er gilt als Begründer der klinischen Allergielehre. Bereits 1902 hatten Charles Richet und Paul Portier (1866–1962) bei Hunden eine veränderte Reaktion auf eine niedrigdosierte Toxingabe beobachtet, nachdem die Versuchstiere eine Vergiftung mit diesen intravenös und hochdosiert verabreichten Toxinen überstanden hatten. Diese nach zwei bis drei Wochen aufgetretene Überempfindlichkeit, welche trotz ungefährlicher Toxindosis zum Tod der Tiere führte, nannte Richet Anaphylaxie. Der französische Physiologe Maurice Arthus konnte 1903 beobachten, dass auch nichttoxische Stoffe, nämlich „artfremde Eiweiße“, nach Vorbehandlung damit eine Überempfindlichkeit nach erneutem Einspritzen (Reinjektion) verursachen können. Im Jahr 1914 beschrieb der Pathologe Robert Rössle die allergische Entzündung. Verbreitung Allergien sind häufige Erkrankungen. Hierbei nehmen die Inhalationsallergien wie Heuschnupfen eine besonders prominente Stellung ein. In Deutschland, zu Beginn der 1990er-Jahre, gaben 9,6 % der Befragten beim Bundes-Gesundheitssurvey an, dass sie schon einmal Heuschnupfen hatten. Es gab in den alten Bundesländern einen deutlich höheren Anteil Betroffener (10,6 %) als in den neuen Bundesländern (5,8 %). Zwischen Männern und Frauen war jeweils kaum ein Unterschied zu verzeichnen. Ende der 1990er-Jahre waren beim BGS98 14,5 % der Bevölkerung (15,4 % der Frauen und 13,5 % der Männer) betroffen. Die Verbreitung war sowohl in den alten als auch in den neuen Bundesländern deutlich gewachsen. Bei den Frauen fiel diese Zunahme jeweils größer aus, sodass sich bis 1998 ein geschlechtsspezifischer Unterschied herausgebildet hatte. Weitere 10 Jahre später, beim DEGS1, der von 2008 bis 2011 durchgeführt wurde, hatten sich die Zahlen auf diesem hohen Niveau stabilisiert (14,8 % gesamt, 16,5 % der Frauen und 13,0 % der Männer). Dass sich zwischen Anfang und Ende der 1990er-Jahre nicht lediglich das Antwortverhalten der Befragten verändert hat, sondern es sich um einen tatsächlichen Anstieg der Heuschnupfenhäufigkeit handelte, konnte durch vergleichende Analysen und durch Laboruntersuchungen herausgefunden werden. Auf der Basis von allergenspezifischen IgE-Tests wurde stichprobenartig bei den Gesundheitssurveys die Sensibilisierung auf Inhalationsallergene überprüft. Im Nationalen Untersuchungssurvey 1990–1992 lag die Rate der Sensibilisierungen auf Inhalationsallergene – genau wie die Heuschnupfenprävalenz – in den alten Bundesländern (27,4 %) höher als in den neuen Bundesländern (24,1 %). Die Gesamtrate betrug 26,7 %. Bis zum Ende der 1990er Jahre kam es gemäß BGS98 zu einem deutschlandweiten Anstieg der Sensibilisierungsrate auf 31,2 %. Diese Zunahme war etwas weniger ausgeprägt als die beim selbst berichteten Heuschnupfen. Der Anstieg in West (auf 31,9 %) und Ost (auf 28,5 %) verlief ähnlich. Thesen über die Ursachen der Zunahme allergischer Erkrankungen Eine befriedigende Erklärung für die Zunahme allergischer Erkrankungen in den letzten Jahrzehnten gibt es – wie auch für die Zunahme der Autoimmunerkrankungen – bisher nicht, wohl aber einige Thesen: Hygienehypothese Einige Forscher führen den beobachteten Anstieg allergischer Erkrankungen in westlichen Industrieländern auf die sogenannte „Dreck- und Urwaldhypothese“ zurück. Diese geht von einer mangelnden Aktivierung („Unterforderung“) des Immunsystems – vor allem in der Kindheit und frühen Jugend – durch übertriebene Hygienemaßnahmen aus. Es wird vermutet, dass der Kontakt mit bestimmten Bakterien insbesondere in den ersten Lebensmonaten wichtig ist, um das Immunsystem, das während der Schwangerschaft eher Typ2-T-Helferzellen-lastig ist, wieder in Richtung einer Typ1-T-Helferzellen-Antwort zu lenken, die weniger mit allergischen Reaktionen assoziiert ist. Eine prominente Studie zum Thema ist die ALEX-Studie. Rückgang parasitärer Erkrankungen Die physiologische Funktion von IgE-Antikörpern, die bei Allergien eine wesentliche Rolle spielen, ist die Abwehr von Wurm- und anderem Parasitenbefall. Der Rückgang parasitärer Erkrankungen könnte zu einer Umlenkung des Immunsystems auf andere, harmlose Strukturen führen. Hierfür spricht das geringere Aufkommen von Allergien in Ländern mit geringeren Hygienestandards. Da in den westlichen Industrienationen Parasitenbefall so gut wie nicht mehr vorkommt, bei allergischen Reaktionen aber eine verstärkte IgE-Antikörper-Bildung vorliegt, wird geprüft, ob hier ein Zusammenhang bestehen könnte. Eine Studie an 1600 Kindern in Vietnam zeigte, dass Kinder mit intestinalem Wurmbefall im Vergleich zu Kindern ohne Wurmbefall eine um sechzig Prozent verringerte Chance einer Allergie gegen Hausstaubmilben hatten. Jedoch gibt es derzeit widersprüchliche Forschungsergebnisse, so dass diese Hypothese noch nicht abschließend beurteilt werden kann. Umweltverschmutzung Umweltfaktoren wird eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Allergien zugesprochen. Es konnte bewiesen werden, dass Kinder seltener an Allergien litten, je mehr Endotoxin im täglichen Umfeld dieser nachgewiesen werden konnte. Allergene wie das Hauptallergen der Birke, Bet v 1, können sich an Dieselrußpartikel (auch Feinstaub) anheften und so beim Einatmen unter Umständen in tiefere Lungenabschnitte gelangen. Es ist möglich, dass die Dieselrußpartikel als „Träger“ der Allergene auch eine adjuvante (unterstützende) Wirkung haben und somit eine Sensibilisierung fördern. Die Umweltverschmutzung sorgt auch bei Haselsträuchern für Stress und verändert die Eiweißbildung derart, dass die betroffenen Menschen immer heftiger darauf reagieren. Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums in München haben herausgefunden, dass sich die allergischen Reaktionen des Beifußblättrigen Traubenkrauts (Ambrosia artemisiifolia) verstärken, wenn sie mit Stickstoffdioxid in Verbindung treten. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Allergene und macht sie aggressiver. Die Pollen der Ambrosia zählen zu den stärksten Allergieauslösern. Kindliche Allergien durch Medikamente Ein Zusammenhang zwischen Allergien und Impfungen besteht nicht. Im Gegenteil war in der DDR die Durchimpfungsrate deutlich höher (nahe 100 %) und zugleich die Allergierate niedriger als in der BRD (bis 1989) und es gibt Hinweise, dass Impfungen das Allergierisiko senken können. Neu in der Diskussion sind Studien zur kindlichen Vitamin-D-Prophylaxe, zu Paracetamol und zur Antibiotikatherapie. Erhöhte Allergenexposition Diese Überlegung bezieht sich darauf, dass aufgrund einer erhöhten Allergenexposition vermehrt Sensibilisierungen stattfinden könnten. Ursachen für eine erhöhte Exposition könnten sein: die Zunahme des Pollenflugs infolge einer Stressreaktion von Bäumen auf die Erderwärmung oder Schadstoffbelastung, die Zunahme der Milbenexposition durch verbesserte Isolierung der Häuser, der vermehrte Konsum exotischer Lebensmittel wie Kiwi. Veränderungen in der kommensalen Flora Veränderungen in der kommensalen Flora könnten ebenfalls das Immunsystem beeinflussen und im Zusammenhang mit dem vermehrten Auftreten von Allergien stehen. Veränderungen in der Darmflora können durch den Einsatz von Antibiotika und durch moderne Ernährungsgewohnheiten ausgelöst werden. Die Bakterienflora der Haut könnte durch die Einführung von Windeln verändert worden sein. Es wird diskutiert, ob Probiotika einen günstigen Effekt auf die Entwicklung von Allergien haben könnten. Veränderte Lebensgewohnheiten Es gibt etliche weitere Faktoren, von denen ebenfalls vermutet wird, dass sie die Entstehung allergischer Erkrankungen begünstigen können. Dies sind Rauchen, Autoabgase, Stress, kleinere Familien, veränderte Ernährung, aber auch ein veränderter individueller Lebensstil, der sich auf die Entwicklung von Atopie und Allergien auswirken könnte, wie die kürzere Stillzeit junger Mütter und ein dadurch bedingtes höheres Allergierisiko des Kindes. Kinder von Frauen, die während der Schwangerschaft Kontakt zu Tieren, Getreide oder Heu hatten, bekommen im späteren Leben seltener allergische Atemwegs- und Hauterkrankungen. Für einen optimalen Schutz ist aber ein anhaltender Kontakt zu Nutztieren oder Getreide nötig. Ursachen allergischer Erkrankungen Die Ursachen von Allergien kann man in genetische und nicht genetische Faktoren unterteilen. Genetische Faktoren Zu den genetischen Faktoren gehören: Disposition zur überschießenden Bildung von Gesamt-IgE und allergenspezifischen IgE-Antikörpern, sowie deren Fixierung besonders an Mastzellen und basophilen Granulozyten von Haut und Schleimhäuten (Atopie). Zu den genetischen Faktoren gehört auch eine verminderte Aktivität von Regulatorischen T-Zellen, deren Aufgabe es ist, die Aktivierung des Immunsystems zu begrenzen und dadurch die Selbsttoleranz des Immunsystems zu regulieren. Die allergische Reaktionsbereitschaft ist mit den HLA-Genen assoziiert. Eindeutig belegt ist ein erhöhtes Allergierisiko für Kinder, bei denen entweder ein oder beide Elternteile Allergiker sind. Offensichtlich spielen aber mehrere genetische Faktoren zusammen, es gibt also nicht das eine „Allergie-Gen“. Es gibt eine Vielzahl von Kandidatengenen, die möglicherweise oder wahrscheinlich an der Entstehung allergischer Erkrankungen beteiligt sind. Auch scheinen unterschiedliche allergische Veranlagungen (z. B. Allergisches Asthma, Atopische Dermatitis) unterschiedlich genetisch determiniert zu sein. Nicht genetische Faktoren Gestörte Barrierefunktion der Haut Ursache einer Allergie kann auch eine gestörte Barrierefunktion und eine damit verbundene erhöhte Durchlässigkeit von Haut und Schleimhaut sein, z. B. durch bakterielle oder virale Infekte oder durch chemische Irritation. Intensive Allergenexposition Auch eine verstärkte Allergenexposition kann bei entsprechender Veranlagung zu Allergien führen. Diese Form der Allergie spielt besonders bei berufsbedingten Allergien eine Rolle. Stress Körperlicher oder psycho-sozialer Stress ist nicht Ursache einer Allergie. Stress beeinflusst aber das Immunsystem. Körperlicher und/oder psycho-sozialer Stress kann deshalb eine bestehende Allergie verstärken oder aber bei einer bestehenden Sensibilisierung Auslöser für die allergische Erkrankung sein. Auslöser Allergene Auslöser von Allergien sind Allergene. Hier reagiert das Immunsystem in überempfindlicher Weise (Sensibilisierung) auf bestimmte Allergene. Allergene sind Antigene, also Substanzen, die vom Körper als fremd erkannt werden und eine spezifische Immunantwort auslösen. Diese normale körperliche Reaktion ist bei der Allergie fehlgeleitet, sodass eigentlich harmlose Antigene zu allergieauslösenden Allergenen werden. Es gibt eine Vielzahl von Allergenen. Meistens sind Allergene Polypeptide oder Proteine. Allergene können nach unterschiedlichen Gesichtspunkten eingeteilt werden: nach der Allergenquelle (z. B. Tierallergene, siehe insbesondere Allergie gegen Katzenepithelien, Pollenallergene, Hausstaubmilbenallergene) nach der Art des Kontakts mit den Allergenen (z. B. Inhalationsallergene, Nahrungsmittelallergene) nach dem Pathomechanismus, durch den die Allergene eine allergische Reaktion auslösen (z. B. IgE-reaktive Allergene, Kontaktallergene) nach ihrer allergenen Potenz in Haupt- und Nebenallergene nach ihrer Aminosäuresequenz in bestimmte Allergengruppen (z. B. Gruppe-5-Graspollenallergene) oder in bestimmte Proteinfamilien (z. B. Lipocaline, Profiline). Allergene können vom Körper durch Inhalation, durch Ingestion, durch Hautkontakt oder durch Injektion (darunter fallen auch Insektenstiche), aufgenommen werden. Nicht immunogene Substanzen Allergien gegen Wasser und Zucker sind per Definition nicht möglich, da einer Allergie eine unangemessene Immunantwort auf ein Allergen zu Grunde liegt. Wasser und Zucker sind aber nicht immunogen und daher auch nicht „allergisierend“. Eine Erkrankung, die gelegentlich als Wasserallergie bezeichnet wird, ist die extrem seltene aquagene Urtikaria (Wassernesselsucht). Als Wasserallergie wird hin und wieder auch eine Immunantwort auf im Leitungswasser gelöste Stoffe bezeichnet. Sensibilisierung Eine Allergie setzt eine Sensibilisierung voraus. Unter Sensibilisierung versteht man den 1. Kontakt mit dem Allergen und der für dieses Allergen spezifischen Immunantwort des Körpers. Diese Sensibilisierung verursacht keine Krankheitssymptome, kann aber im Blut nachgewiesen werden. Erst bei einem erneuten Kontakt mit dem Allergen nach Abschluss der Sensibilisierungsphase (5 Tage bis mehrere Jahre) treten bei Allergikern die allergischen Krankheitssymptome auf. Prophylaxe einer Sensibilisierung Die beste Prophylaxe gegen eine Allergie ist die Vermeidung der Sensibilisierung. Das vollständige Vermeiden von sämtlichen Allergenen ist unmöglich. Jedoch ist in bestimmten Fällen die Vermeidung bzw. Verringerung der Belastung mit potentiellen Allergenen möglich und sinnvoll: Vermeidung von Latex Kinder, die mit offenem Rücken (Spina bifida) geboren werden, haben ein sehr hohes Risiko einer Sensibilisierung gegen Latex. Es ist daher heute klinischer Standard, diese Kinder von Geburt an vor jedem Kontakt mit Latex (beispielsweise bei Latex-OP-Handschuhen) zu schützen. Stillen Die optimale Ernährung für Neugeborene ist das ausschließliche Stillen während mindestens der ersten 4 Lebensmonate. Es gibt retrospektive Studien, die beobachtet haben, dass gestillte Kinder seltener an Allergien leiden als nicht gestillte. Hunde und Katzen Es gibt auch Studien dazu, dass Haushunde und auch Hauskatzen vor Allergien schützen können. Diese sammeln im Freien Allergene ein, die dann später zu Hause an das Kind abgegeben werden. Dessen Immunsystem wird dann dazu trainiert, die Fremdkörper zwar zu erkennen, diese aber als harmlos einzustufen. Zumindest in einer tierexperimentellen Studie an Mäusen hat dies funktioniert. Arbeitsschutz Die exogen-allergische Alveolitis ist meist eine Berufskrankheit, die durch die Inhalation von bestimmten Stäuben (z. B. Mehl bei der Bäcker-Lunge) verursacht wird. Durch entsprechende Arbeitsschutz-Maßnahmen, wie das Tragen von Feinstaubmasken oder auch die Verwendung von Abzugshauben, kann der Allergenkontakt vermindert und die Mitarbeiter somit vor einer Sensibilisierung geschützt werden. Symptome Das Risiko, an einer Allergie zu erkranken, wird durch genetisch fixierte Prädisposition, durch die aktuelle Abwehrlage der Körpergrenzflächen, durch Häufigkeit und Intensität der Allergenexposition und durch die allergene Potenz der betreffenden Substanz bestimmt. Die Symptome einer Allergie können mild bis schwerwiegend und in einigen Fällen sogar akut lebensbedrohlich sein. Expositionsbedingt kann es sein, dass die Symptome nur saisonal auftreten, etwa zur Zeit des entsprechenden Pollenflugs, oder dass die Symptome ganzjährig auftreten, wie bei einer Allergie gegen Hausstaubmilbenkot. Je nachdem, mit welchem Organ Allergene durch den Körper aufgenommen werden, entstehen bei der Allergie unterschiedliche Krankheitssymptome. Allergiker können an einer Krankheitsform leiden, aber auch an Mischformen. Organmanifestationen können Respirationstrakt, Verdauungstrakt, Herz und Kreislauf, blutbildende Organe, Haut, Nieren, Gelenke und das Nervensystem betreffen. Symptome durch Inhalationsallergene Inhalationsallergien gehören zu den Typ-1-Allergien vom Soforttyp. Inhalationsallergene werden über die Atmungsorgane aufgenommen und/oder gelangen über die Schleimhäute von Nase und Augen in den Körper. Zu den Inhalationsallergenen gehören z. B. Allergene aus Pollen, Pilzsporen, tierischen Epithelien, Federstaub, Speichel, Schweiß, Urin und Kot, Milbenkot, Insektenschüppchen, Holz- und Mehlstaub, Formaldehyd und Harzen. Inhalationsallergene lösen primär Atemwegssymptome aus, können sekundär aber auch Haut- und Darmsymptome sowie Kreislauf- und Nervenreaktionen auslösen. Typische allergische Erkrankungen durch Inhalationsallergene sind Allergische Rhinitis (Heuschnupfen), Konjunktivitis (Bindehautentzündung), Hustenreiz, bronchiale Hyperreaktivität, Asthma bronchiale. Symptome durch Ingestionsallergene Ingestionsallergene werden durch den Mund bzw. den Verdauungstrakt aufgenommen. Manche Ingestionsallergene werden erst im Laufe des Verdauungsprozesses freigesetzt und vom Körper aufgenommen. Die Symptome einer Allergie gegen Nahrungsmittel oder gegen oral aufgenommene Medikamente können deshalb innerhalb weniger Minuten oder auch erst mehrere Stunden nach der Nahrungsaufnahme/ Medikamenteneinnahme auftreten, obwohl es sich bei der Nahrungsmittelallergie um eine Typ-I-Soforttyp-Allergie handelt. Die Arzneimittelallergie kann in Form eines Arzneimittelexanthems auch als Typ-IV-Spätreaktion auftreten. Ingestionsallergene können bei entsprechend veranlagten und sensibilisierten Menschen primär Verstopfung, Brechdurchfall oder abdominale Koliken verursachen, über die Aufnahme der Allergene durch das Blut auch Haut- und/oder Atemwegssymptome. Symptome durch Kontaktallergene Kontaktallergene werden über die Haut aufgenommen. Sie überwinden die Barrierefunktion der Haut. Kontaktallergene können sowohl eine Sofortreaktion der Haut auslösen z. B. Kontakturtikaria oder auch eine Spätreaktion (Typ-IV-Spättyp-Allergie), die erst nach 12 bis 72 Stunden eintritt, z. B. das allergische Kontaktekzem. Symptome durch Injektionsallergene Injektionsallergene werden durch Injektion oder Infusion in den Körper eingebracht. Die Barrierefunktion von Haut und Schleimhaut wird dadurch umgangen. Zu den Injektionsallergenen gehören tierische Gifte (z. B. von Bienen, Wespen, Feuerameisen, Quallen, Seeanemonen, Feuerkorallen) und Medikamente (z. B. Penicillin). Zu den typischen allergischen Reaktionen durch Injektionsallergene gehören eine gesteigerte örtliche Reaktion und/oder anaphylaktische Reaktionen. Systemische Reaktionen Unabhängig davon, mit welchem Organ Allergene vom Körper aufgenommen werden, kann eine Allergie auch systemische Reaktionen verursachen, die den gesamten Körper betreffen, z. B. Urtikaria und anaphylaktische Reaktionen. Kreuzallergie Unter einer Kreuzallergie versteht man eine Sensibilisierung gegenüber biologisch oder chemisch verwandten Substanzen. Die Struktur dieser Substanzen ist teilweise identisch, so dass vom Immunsystem mehrere unterschiedliche Substanzen als Allergen erkannt werden können, obwohl eine Sensibilisierung nur gegen eine der Substanzen vorliegt. Beispielsweise können Allergiker gegen Birkenpollen auch auf Äpfel allergisch reagieren. Die allergische Reaktion kann bei der Kreuzallergie bereits beim Erstkontakt erfolgen, wenn es vorher eine Sensibilisierung mit einer ähnlichen Substanz gab. Systematik von Allergien nach Pathomechanismus Coombs und Gell haben 1963 als erste Menschen Allergien nach ihren pathophysiologischen Mechanismen in vier Typen eingeteilt, die sich überlappen können: Frühtypen Die Frühtypen (Typ-I- bis Typ-III-Allergien), genannt auch allergische Sofortreaktionen, werden durch Antikörper vermittelt (humorale Allergie). Typ-I-Allergie (Soforttyp, anaphylaktischer Typ) Die Typ-I-Allergie ist die häufigste Allergieform. Bei der Typ-I-Allergie liegt eine Fehlfunktion der Regelung der IgE-Antikörper vor. IgE-Antikörper bewirken durch mehrere Mediatoren schon in geringen Mengen eine Erweiterung der Blutgefäße und steigern deren Durchlässigkeit für weiße Blutkörperchen. T-Zellen, die normalerweise die IgE-Aktivität auf ein vernünftiges Maß einschränken, fehlen bei der Typ-I-Allergie oder sind zu wenig aktiv. Bei der Typ-I-Allergie werden durch die Vermittlung von IgE-Antikörpern Entzündungsmediatoren, z. B. Histamin, Leukotriene, Prostaglandine, Kallikrein, aus Basophilen Granulozyten und Mastzellen freigesetzt. Dadurch wird eine Entzündung von Haut, Schleimhaut oder eine systemische Entzündung hervorgerufen. Die allergische Reaktion bei der Typ-I-Allergie erfolgt innerhalb von Sekunden bis Minuten. Eventuell ist eine zweite Reaktion nach 4 bis 6 Stunden möglich (verzögerte Sofortreaktion). Diese zweite Reaktion darf nicht mit der Spättypreaktion der Typ-IV-Allergie verwechselt werden. Typische Krankheiten der Typ-I-Allergie: Allergisches Asthma allergische Bindehautentzündung Heuschnupfen Nesselsucht Angioödem Anaphylaxie (anaphylaktischer Schock) Arzneimittelallergien Jones-Mote-Reaktion Nahrungsmittelallergien Typ-II-Allergie (zytotoxischer Typ) Bei der Typ-II-Allergie kommt es zur Bildung von Immunkomplexen aus membranständigen Antigenen (z. B. Medikamenten, Blutgruppenantigenen) mit zirkulierenden IgG- oder IgM-Antikörpern. Dadurch werden das Komplementsystem oder zytotoxische Killerzellen aktiviert und es kommt zur Zytolyse (Zerstörung) körpereigener Zellen. Die allergische Reaktion bei der Typ-II-Allergie erfolgt nach 6 bis 12 Stunden. Typische Krankheiten für die Typ-II-Allergie: allergisch bedingte Hämolytische Anämie Thrombopenie Agranulozytose Transfusionszwischenfälle Goodpasture-Syndrom Typ-III-Allergie (Immunkomplextyp, Arthus-Typ) Bei der Typ-III-Allergie werden Immunkomplexe aus präzipitierenden IgG- und IgM-Antikörpern und Allergenen gebildet. Dadurch werden Komplementfaktoren aktiviert, insbesondere C3a und C5a. Diese speziellen Teile des Komplementsystems führen zur Phagozytose (aktiven Aufnahme) der Immunkomplexe durch Granulozyten unter Freisetzung gewebeschädigender Enzyme, z. B. Elastase, Kollagenase, Myeloperoxidase. Die allergische Reaktion bei der Typ-III-Allergie erfolgt nach 6 bis 12 Stunden. Typische Krankheiten für die Typ-III-Allergie: Serumkrankheit allergische Vaskulitis exogen-allergische Alveolitis Allergische bronchopulmonale Aspergillose Spättyp Der Spättyp (die Typ-IV-Allergie), genannt auch verzögerte allergische Reaktion, wird durch spezifisch sensibilisierte T-Zellen vermittelt (zellvermittelte Allergie). Typ-IV-Allergie (verzögerter Typ) Die Typ-IV-Allergie ist nach der Typ-I-Allergie die häufigste Allergieform. Bei der Typ-IV-Allergie werden Lymphokine aus spezifisch sensibilisierten T-Lymphozyten freigesetzt. Diese Lymphokine bewirken die Aktivierung bzw. Vermehrung von Makrophagen und mononukleären Zellen sowie deren Wanderung an den Ort der Allergenbelastung. Dadurch erfolgt eine lokale Infiltration und Entzündung. Die allergische Reaktion bei der Typ-IV-Allergie erfolgt nach 12 bis 72 Stunden. Typische Krankheiten der Typ-IV-Allergie: Allergisches Kontaktekzem (Kontaktallergie bei längerem Kontakt der Haut mit einem Antigen) Tuberkulinreaktion und andere Infektionsallergien (bei Gegenwart von Bakterien oder Viren) Arzneimittelexanthem Transplantatabstoßung persistierende granulomatöse Reaktion Allergietests Auch ein positiver Allergietest ist allein kein Nachweis für eine Allergie. Die Diagnose Allergie kann nur im Zusammenhang mit dem Allergietest und den klinischen Beschwerden gestellt werden. Durch den Hauttest und den Bluttest wird lediglich die Sensibilisierung gegen eine bestimmte Substanz nachgewiesen. Diese Testungen sagen wenig darüber aus, ob überhaupt Beschwerden bestehen oder über die Art oder Schwere der Beschwerden. Mit den Provokationstests werden eine Unverträglichkeit und das Beschwerdebild dieser Unverträglichkeit nachgewiesen, aber nicht, ob es sich bei dieser Unverträglichkeit tatsächlich um eine Allergie handelt. Hauttests Hauttests werden als Standarduntersuchungen vorgenommen, wenn der Verdacht besteht, dass ein Patient allergisch auf eine Substanz reagiert. Beim Hauttest werden Allergenextrakte bzw. allergenhaltiges Material auf verschiedene Weisen mit der Haut in Kontakt gebracht. Sensibilisierte Betroffene zeigen nach definierten Zeiten lokale Reaktionen vom Sofort-Typ oder Spät-Typ. An ihnen kann abgelesen werden, gegen welche Allergene oder Allergenquellen der Patient sensibilisiert ist. Dieser Test kann unter Umständen auch Hinweise auf den Schweregrad der allergischen Reaktion geben. Pricktest: Die am häufigsten angewendete Methode ist der Pricktest (auch skin prick test (SPT)), bei dem einzelne Tropfen von glyzerinisierten Allergenextrakten sowie Histamin und isotonische Kochsalzlösung (als Referenzen) auf den Unterarm oder den Rücken aufgebracht werden. Bei dem Test werden mögliche Allergene in kleinen Abständen voneinander aufgetragen. Durch die Tropfen hindurch wird mit einer Spezialnadel (Lanzette) etwa 1 mm in die Haut gestochen, damit die Allergene in die gelangen. Nach ca. 15 Minuten kann die Sofortreaktion abgelesen werden. Wenn die Haut an den betreffenden Stellen rot ist und anschwillt, dann handelt es sich um eine allergische Reaktion Prick-to-prick-Test: Beim Prick-to-prick-Test wird erst mit der Lanzette in die vermutete Allergenquelle gestochen (Früchte) und dann in die Haut des Patienten. Intrakutantest: Beim Intrakutantest werden ca. 20 Mikroliter von wässrigen Allergenextrakten mit einer Tuberkulinspritze oberflächlich in die Haut injiziert. Reibetest: Der Reibetest wird bei besonders empfindlichen Menschen angewandt. Der Arzt reibt den vermuteten Allergieauslöser an der Innenseite des Unterarms. Bei positiver Reaktion zeigen sich großflächige Rötungen oder Quaddeln. Scratchtest: Beim Scratchtest werden Allergenextrakte auf die Beugeseite des Unterarms gegeben und die Haut mit einer Lanzette 5 mm lang oberflächlich angeritzt. Dieser Test wird aber wegen seiner Ungenauigkeit selten angewendet. Epikutantest: Unter anderem bei der Kontaktdermatitis wird ein Pflastertest angewendet, der Epikutantest oder Atopie-Patch-Test. Dabei werden die vermuteten Allergene in Vaseline eingearbeitet eingesetzt. Die Allergen-Vaseline-Mischungen werden auf zirka 1,5 Zentimeter im Durchmesser große und zirka zwei Millimeter tiefe Aluminiumscheiben gebracht. Mit einem Pflaster werden diese Aluminiumkammern dann so auf die Haut am Rücken oder an den Oberarmen des Patienten geklebt, dass die Allergen-Vaseline-Mischungen auf der Haut fixiert werden. Weil Kontaktdermatitiden Spät-Typ-Reaktionen sind, muss das Pflaster zwei bis drei Tage auf der Haut bleiben, bevor ein Ergebnis abgelesen werden kann. Problematisch bei diesem Test sind die geringe Sensitivität und die schlechte Reproduzierbarkeit. Der Atopie-Patch-Test wird daher derzeit bei Nahrungsmitteln nicht mehr empfohlen. Provokationstests Bei Provokationstests wird das vermutete Allergen dem Patienten nicht über die Haut, sondern in anderer Form zugeführt. Der wesentliche Vorteil der Provokationstests liegt darin, dass eine Beschwerde-Auslösung nachgewiesen werden kann und nicht nur wie beim Bluttest mittels Nachweis von IgE-Antikörpern eine Sensibilisierung. Da bei Provokationstests unerwartet heftige Krankheitszeichen bis zum lebensbedrohlichen anaphylaktischen Schock auftreten können, sollten sie nur von einem allergologisch erfahrenen Arzt durchgeführt werden, der erforderlichenfalls auch die entsprechenden Notfallmaßnahmen durchführen kann. Rhinomanometrie Bei allergischer Rhinoconjunctivitis (Heuschnupfen) kann zur Provokation ein Allergenextrakt in die Nase gesprüht werden und anschließend die allergische Reaktion gemessen werden, indem die Schwellung der Nasenschleimhaut mittels einer sogenannten Rhinomanometrie oder der Tryptase-Spiegel im Blut gemessen wird. Lungenfunktionsprüfung Bei allergischem Asthma erfolgt die Provokation durch die Inhalation eines Allergenextrakts mit anschließender Erfassung der allergischen Reaktion mit einer Lungenfunktionsprüfung. Da Asthma meist mit einer bronchialen Hyperregibilität einhergeht, kann auch unspezifisch mit ansteigenden Konzentrationen einer Methacholin-Lösung provoziert werden (Methacholintest). Doppelblinde plazebokontrollierte orale Nahrungsmittelprovokation Bei schweren Nahrungsmittelallergien kann die double blind placebo controlled food challenge (Doppelblinde plazebokontrollierte orale Nahrungsmittelprovokation (DBPCFC)) angewendet werden. Dabei werden einer hypoallergenen Grundnahrung nach und nach verschiedene Nahrungsmittel so zugefügt, dass weder der Patient noch der Arzt das Nahrungsmittel erkennen kann. Dabei wird die Verträglichkeit beobachtet. So kann festgestellt werden, welche Nahrungsmittel allergische Reaktionen auslösen, und es können andersherum auch Nahrungsmittel identifiziert werden, die gefahrlos konsumiert werden können. Dieses Verfahren ist allerdings sehr zeitaufwändig und kann i. d. R. nur stationär durchgeführt werden. Blutuntersuchungen IgE Antikörper In Blutproben können IgE-Antikörper gemessen werden. Zum einen kann der Gesamt-IgE-Spiegel gemessen werden, der alle freien IgE-Antikörper erfasst. Dieser Wert ermöglicht eine Aussage darüber, ob generell vermehrt IgE-Antikörper gebildet werden. Erhöhte Gesamt-IgE-Werte kommen aber nicht nur bei allergischen Erkrankungen vor, sondern auch bei Parasitenbefall und bestimmten hämatologischen Erkrankungen. Zum anderen können auch allergenspezifische IgE-Antikörper nachgewiesen werden. Hierbei werden also die IgE-Spiegel ermittelt, die sich konkret gegen eine Allergenquelle richten. Die quantitative Messung von IgE-Antikörpern im Blut korreliert jedoch nur schlecht mit dem klinischen Bild. Das heißt, die Messung von IgE-Antikörpern im Blut erlaubt eine Aussage über die Sensibilisierungen eines Allergikers, aber nur bedingt eine Einschätzung der Schwere der Symptome und gar keine Aussage über die Art der Symptome. Es kann auch sein, dass allergenspezifische IgE-Antikörper trotz Sensibilisierung nicht nachgewiesen werden können. ECP Ein weiterer Parameter, der in Blutproben gemessen werden kann, ist das eosinophile kationische Protein (ECP). ECP wird von aktivierten Eosinophilen ausgeschüttet. ECP ist ein Entzündungsparameter und wird zur Verlaufskontrolle bei allergischem Asthma oder bei atopischer Dermatitis bestimmt. Tryptase Tryptase kann ebenfalls in Blutproben nachgewiesen werden. Tryptase wird von aktivierten Mastzellen ausgeschüttet und ist ein für aktivierte Mastzellen hochspezifischer Parameter. Der Tryptase-Spiegel wird auch bestimmt zur Diagnostik beim anaphylaktischen Schock, zur postmortalen Diagnose beim Asthmatod, zur Diagnostik der Mastozytose und bei der Provokationstestung bei allergischer Rhinitis. LTT Durch einen Lymphozytentransformationstest (LTT) kann die Bestimmung sensibilisierter Lymphozyten nachgewiesen und quantifiziert werden. Dies kann bei bestimmten Typ-IV-(Spät-)Allergien sinnvoll sein. Therapie Allergenkarenz Die Allergenkarenz, d. h. die Allergenvermeidung, ist bei sensibilisierten Personen die optimale Therapie, um eine Allergie zu vermeiden, da eine Allergie nur bei einem Kontakt mit dem entsprechenden Allergen auftreten kann. Eine fortgesetzte Allergenbelastung steigert die Immunantwort auf das Allergen, während eine dauerhafte Allergenkarenz die Sensibilisierung zwar nicht aufhebt, die spezifische Immunantwort aber abschwächt. Wenn die strikte Vermeidung eines Allergens nicht möglich ist, sollte eine möglichst weitgehende Verringerung der Allergenbelastung erfolgen, da eine Allergie auch von der Intensität der Allergenbelastung abhängt. Bestimmte Produkte, wie milbendichte Matratzenbezüge bei der Hausstaubmilbenallergie oder Pollenfilter in Klimaanlagen bei der Pollenallergie, helfen, den Allergenkontakt zu reduzieren. Auch wenn bei der Tierhaarallergie ein Verzicht auf Haustiere den Allergenkontakt stark reduziert, so sind Tierhaarallergene sehr stabil, werden verschleppt und können auch an Orten wie Schulen nachgewiesen werden, an denen normalerweise keine Tiere gehalten werden. Nahrungsmittelallergene hingegen können meistens sehr gut vermieden werden. Im Jahr 1925 begründete Willem Storm van Leeuwen (1882–1933) „antiallergische Kammern“. Medikamentöse Therapie Die meisten Allergien werden mit Medikamenten behandelt, die das Auftreten von allergischen Symptomen mildern oder verhindern, aber keine Heilung von der allergischen Erkrankung bewirken können. Diese Antiallergika werden je nach Krankheitsform und Schwere der Erkrankung in unterschiedlichen Darreichungsformen (Tabletten, Nasensprays, Asthmasprays, Augentropfen, Cremes, Salben und Injektionen) und in unterschiedlichen Intervallen (bei akutem Bedarf, prophylaktisch, dauerhaft) angewendet. Eingesetzte Wirkstoffe zur Allergiebehandlung sind Antihistaminika (zum Beispiel Loratadin) Adrenalin (bei schweren Reaktionen) Glukokortikoide (zum Beispiel Prednison) Mastzellstabilisatoren (zum Beispiel Cromoglicinsäure) pflanzliche Wirkstoffe (z. B. Extrakte aus der Wurzel der Tragant) Bei Asthma β2-Sympathomimetika (zum Beispiel Salbutamol) Leukotrienrezeptor-Antagonisten (zum Beispiel Montelukast) Theophyllin, der humanisierte monoklonale Antikörper Omalizumab (Xolair) bei schwerem allergischen Asthma Schwere akute Fälle mit anaphylaktischem Schock sind lebensbedrohlich und erfordern ärztliche Notfallmaßnahmen. Antihistaminika intravenös Adrenalin intramuskulär und intravenös Glukokortikoide Infusionen zum Volumenersatz Patienten, bei denen bekannt ist, dass sie Gefahr laufen, einen anaphylaktischen Schock zu erleiden (z. B. bei Insektengiftallergien), wird ein Notfallset mit Antihistaminikum, Glukokortikoid, eventuell einem Inhalationspräparat und einem Autoinjektor mit Adrenalin verschrieben (Adrenalin-Pen), welches sie stets bei sich tragen sollten. Ausblicke Verschiedene Wirkstoffe vor allem zur Dämpfung der Immunreaktion werden derzeit auf ihre Eignung als Medikament getestet. Hyposensibilisierung Die Hyposensibilisierung, auch Spezifische Immuntherapie (SIT), ist bislang die einzige verfügbare kausale Therapie bei Typ-I-Allergien. Bei der Hyposensibilisierung wird die allergenspezifische IgE-vermittelte Reaktionsbereitschaft des Immunsystems (Allergie vom Soforttyp, Typ-I-Allergie) herabgesetzt durch regelmäßige Zufuhr des Allergens über einen längeren Zeitraum in unterschwelligen, langsam ansteigenden Konzentrationen. Das Allergen oder das modifizierte Allergen (Allergoid) werden entweder unter die Haut gespritzt (subkutane Immuntherapie (SCIT)) oder als Tropfen oder Tabletten sublingual (sublinguale Immuntherapie (SLIT)) aufgenommen. Voraussetzung für eine erfolgreiche Hyposensibilisierung ist die Bereitschaft und Fähigkeit des Allergikers, die Therapie über einen Zeitraum von drei Jahren, sowie die anschließende Erhaltungstherapie, regelmäßig durchzuführen. Die Indikation für eine Hyposensibilisierung besteht für Menschen ab 5 Jahre, wenn das verursachende Allergen nicht gemieden werden kann, die Wirkung der Hyposensibilisierung für die behandelnde Erkrankung belegt ist und ein geeigneter Allergenextrakt verfügbar ist. Die Wirksamkeit der Hyposensibilisierung ist durch mehrere Studien für Rhinokonjunktivitis bei Pollenallergie, für das allergische Asthma bronchiale, für die Hausstaubmilbenallergie, für die Schimmelpilzallergie, für die Tierhaarallergie und für die Insektengiftallergie belegt. Auch konnte durch entsprechende Studien für einige Produkte nachgewiesen werden, dass durch die Hyposensibilisierung das Asthmarisiko verringert und die Neusensibilisierung auf weitere Allergene reduziert wird. Aus diesem Grund sollte die Hyposensibilisierung bei Kindern und Jugendlichen frühzeitig erfolgen und solche Produkte gewählt werden, für die dieser Effekt nachgewiesen wurde. Prognose Nahrungsmittelallergien bei Kindern Das Immunsystem von Kindern ist noch nicht voll ausgereift. Kinder haben deshalb eine erhöhte Allergieneigung. Auch und gerade bei Kindern kann deshalb im Verlauf der Erkrankung eine Allergieform durch eine andere ersetzt werden oder zu einer Allergie eine weitere hinzutreten. Bei konsequenter Meidung des auslösenden Allergens verschwindet eine Nahrungsmittelallergie mit Reifung des Immunsystems meistens bis zum 5. Lebensjahr, vor allem die Kuhmilch- und die Hühnereiallergie. Andere Nahrungsmittelallergien, z. B. die Erdnussallergie, haben allerdings nur eine geringe Besserungstendenz. Veränderte Reaktionsbereitschaft von Zellen Besonders bei chronischem Verlauf der Typ-I-Allergie erhöht sich die Reaktionsbereitschaft von Mastzellen, Monozyten, sowie von basophilen und eosinophilen Granulozyten. Dadurch können die Symptome einer bestehenden Allergie verstärkt werden und/oder neue Allergien hinzutreten. Etagenwechsel Unter einem Etagenwechsel versteht man bei der Inhalationsallergie das Übergreifen IgE-vermittelter Allergiesymptome (Typ-1-Sofort-Allergie) von den Konjunktiven (Bindehaut des Auges) auf die Nasen- und Bronchialschleimhaut oder von den oberen Atemwegen auf die unteren Atemwege, ein Heuschnupfen wird zum allergischen Asthma. Auch das Hinzutreten weiterer Inhalationsallergien und/oder das Auftreten von Kreuzallergien wird als Etagenwechsel bezeichnet. Unbehandelt führen 30–40 % aller Allergien gegen Inhalationsallergene zu einem Etagenwechsel. Pseudoallergien und Intoleranzen Es gibt Krankheiten, deren Symptome einer Allergie gleichen, die jedoch nicht immunologisch bedingt sind. Diese Krankheiten werden als Pseudoallergie oder Intoleranz bezeichnet. Bei der Pseudoallergie werden die allergieähnlichen Symptome ausgelöst, indem Mastzellen unspezifisch aktiviert werden. Wenn Mastzellen aktiviert werden und degranulieren, dann setzen sie eine Reihe von Entzündungsmediatoren (z. B. Histamin) frei. Es entsteht eine Entzündungsreaktion, die sich in allergieähnlichen Symptomen äußert. Während bei Allergien die Aktivierung der Mastzellen spezifisch erfolgt, nämlich dadurch, dass bestimmte Allergene an oberflächlich gebundene Antikörper binden können, so erfolgt die Mastzell-Aktivierung bei Pseudoallergien unspezifisch, also ohne Beteiligung der oberflächlich gebundenen Antikörper. Abzugrenzen von der Pseudoallergie und der Allergie ist die Intoleranz, die ebenfalls allergieähnliche Symptome verursachen kann. Bei der Intoleranz handelt es sich um eine Stoffwechselstörung. Der Körper kann bestimmte Substanzen nicht oder nicht ausreichend verstoffwechseln, meistens aufgrund eines Enzymdefektes. Arzt für Allergologie Die Ausbildung zum Allergologen ist eine Zusatzausbildung für Fachärzte. Dieser Facharzt ist also nur für Allergien in seinem Fachbereich zuständig. Für die Hauttestungen ist der Dermatologe mit der Zusatzausbildung Allergologie zuständig. Für die mit ähnlichen Symptomen auftretenden Pseudoallergien und Intoleranzen gibt es keine speziellen Fachärzte. Da sich beim Allergiker aber die Symptome nur in den seltensten Fällen auf ein Organ beschränken, der Kranke selbst gar nicht erkennen kann, ob seine Symptome von einer Allergie, einer Pseudoallergie oder einer Intoleranz herrühren und welche spezielle Diagnostik er benötigt, ist die Diagnose von Unverträglichkeiten oft langwierig und schwierig, da man für die Diagnose oft mehrere Ärzte aufsuchen muss. Siehe auch Allergiekarriere Pathergie Literatur Clemens von Pirquet: Allergie. In: Münchener Medizinische Wochenschrift. Band 30, 1906, S. 1457–1458 (erste Erwähnung des Begriffs „Allergie“). Björn M. Hausen, Ines K. Vieluf: Allergiepflanzen – Handbuch und Atlas. Kontaktallergene – Allergische Frühreaktionen. 2., erweiterte Auflage. Nikol Verlagsgesellschaft, Hamburg 1997, ISBN 3-933203-48-1. Claus Bachert, Bernd Kardorff: Allergische Erkrankungen in der Praxis. 2. Auflage.Uni-Med Verlag, Bremen 2001, ISBN 3-89599-505-3. Bärbel Häcker: Allergie. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin/ New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 40 f. Weblinks Einzelnachweise Immunologie


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text: Aminosäuren (AS), unüblich aber genauer auch Aminocarbonsäuren, veraltet Amidosäuren genannt, sind chemische Verbindungen mit einer Stickstoff (N) enthaltenden Aminogruppe und einer Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) enthaltenden Carbonsäuregruppe. Aminosäuren kommen in allen bekannten Lebewesen vor. Sie sind die Bausteine von Proteinen (Eiweiß) und werden frei bei der Zerlegung von Proteinen (Proteolyse). Essentielle Aminosäuren kann ein Organismus nicht selbst herstellen, sie müssen daher mit der Nahrung aufgenommen werden. Zur Klasse der Aminosäuren zählen organische Verbindungen, die zumindest eine Aminogruppe (–NH2 bzw. substituiert –NR2) und eine Carboxygruppe (–COOH) als funktionelle Gruppen enthalten, also Strukturmerkmale der Amine und der Carbonsäuren aufweisen. Chemisch lassen sie sich nach der Stellung ihrer Aminogruppe zur Carboxylgruppe unterscheiden – steht die Aminogruppe am Cα-Atom unmittelbar benachbart zur endständigen Carboxygruppe, nennt man dies α-ständig und spricht von α-Aminosäuren. Ausgewählte α-Aminosäuren sind die natürlichen Bausteine von Proteinen. Sie werden miteinander zu Ketten verknüpft, indem die Carboxygruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe der nächsten eine Peptidbindung eingeht. Die auf diese Weise zu einem Polymer verketteten Aminosäuren unterscheiden sich in ihren Seitenketten und bestimmen zusammen die Form, mit der das Polypeptid im wässrigen Milieu dann zum nativen Protein auffaltet. Diese Biosynthese von Proteinen findet in allen Zellen an den Ribosomen nach Vorgabe genetischer Information statt, die in Form von mRNA vorliegt. Die Basensequenz der mRNA codiert in Tripletts die Aminosäurensequenz, wobei jeweils ein Basentriplett ein Codon darstellt, das für eine bestimmte proteinogene Aminosäure steht. Die hiermit als Bausteine für die Bildung von Proteinen in einer bestimmten Reihenfolge angegebenen Aminosäuren formen die Proteine. Beim Menschen sind es 21 verschiedene proteinogene Aminosäuren, neben den standardmäßig 20 (kanonischen) Aminosäuren auch Selenocystein. Nach der Translation können die Seitenketten einiger im Protein eingebauter Aminosäuren noch modifiziert werden. Das Spektrum der Aminosäuren geht allerdings über diese rund zwanzig proteinogenen weit hinaus. So sind bisher über 400 nichtproteinogene natürlich vorkommende Aminosäuren bekannt, die biologische Funktionen haben. Die vergleichsweise seltenen D-Aminosäuren stellen hierbei eine spezielle Gruppe dar. Die Vielfalt der synthetisch erzeugten und die der theoretisch möglichen Aminosäuren ist noch erheblich größer. Einige Aminosäuren spielen als Neurotransmitter eine besondere Rolle, ebenso verschiedene Abbauprodukte von Aminosäuren; biogene Amine treten nicht nur als Botenstoffe im Nervensystem auf, sondern entfalten auch als Hormone und Gewebsmediatoren vielfältige physiologische Wirkungen im Organismus. Die einfachste Aminosäure, Glycin, konnte nicht nur auf der Erde, sondern auch auf Kometen, Meteoriten und in Gaswolken im interstellaren Raum nachgewiesen werden. Geschichte Die erste Aminosäure wurde 1805 im Pariser Labor von Louis-Nicolas Vauquelin und dessen Schüler Pierre Jean Robiquet aus dem Saft von Spargel (Asparagus officinalis) isoliert und danach Asparagin genannt. Als letzte der üblichen proteinaufbauenden Aminosäuren wurde das Threonin 1931 im Fibrin entdeckt sowie 1935 seiner Struktur nach geklärt von William Rose. Rose hatte durch Experimente mit verschiedenen Futtermitteln herausgefunden, dass die bis dato entdeckten 19 Aminosäuren als Zusatz nicht ausreichten. Er stellte auch die Essentialität anderer Aminosäuren fest und ermittelte je die für ein optimales Wachstum mindestens erforderliche Tagesdosis. In der Zeit zwischen 1805 und 1935 waren viele der damals bekannten Chemiker und Pharmazeuten daran beteiligt, Aminosäuren erstmals zu isolieren sowie deren Struktur aufzuklären. So gelang Emil Fischer, auf den auch die Fischer-Projektion zurückgeht, die finale Aufklärung der Struktur von Serin (1901), Lysin (1902), Valin (1906) und Cystein (1908). Auch Albrecht Kossel (1896 Histidin aus Störsperma), Richard Willstätter (1900 Prolin via Synthese) und Frederick Hopkins (1901 Tryptophan aus Casein) wurden später Nobelpreisträger. Der deutsche Chemiker Ernst Schulze isolierte drei Aminosäuren erstmals – 1877 Glutamin aus Rüben, 1881 Phenylalanin und 1886 Arginin aus Lupinen – und war an der Strukturaufklärung weiterer Aminosäuren beteiligt. Zuvor hatte Heinrich Ritthausen 1866 Glutaminsäure aus Getreideeiweiß, dem Gluten, kristallin gewonnen. Wilhelm Dittmar klärte 1872 die Struktur von Glutamin und Glutaminsäure, deren Salze Glutamate sind, auf. Bereits 1810 entdeckte William Hyde Wollaston das schwefelhaltige Cystin als „cystic oxide“ in Blasensteinen, doch erst 1884 Eugen Baumann das monomere Cystein. 1819 trennte Henri Braconnot das Glycin aus Leim ab und Joseph Louis Proust das Leucin aus Getreide. Eugen von Gorup-Besánez isolierte 1856 das Valin aus Pankreassaft. Schon 1846 hatte Justus von Liebig aus Casein erstmals das Tyrosin abtrennen können, dessen Struktur 1869 Ludwig von Barth klärte. Im Hydrolysat des Casein entdeckte Edmund Drechsel 1889 auch das Lysin und später John Howard Mueller 1922 das schwefelhaltige Methionin als 19. Aminosäure, deren Strukturformel George Barger und Philip Coine 1928 angaben. In Melasse hatte Felix Ehrlich schon 1903 als 18. das Isoleucin gefunden, ein Strukturisomer des Leucin. Friedrich Wöhler, dessen Synthesen in den 1820er Jahren das Gebiet der Biochemie eröffneten, entdeckte keine Aminosäure, doch waren drei seiner Schüler daran beteiligt, neben den erwähnten Gorup-Besánez und Schulze auch Georg Städeler (1863 Serin aus Rohseide). 18 der 20 entdeckten Aminosäuren wurden aus pflanzlichem oder tierischem Material isoliert, nur die beiden Aminosäuren Alanin (1850 Adolph Strecker) und Prolin (Willstätter) durch organische Synthese erhalten. Während die Analyse der stofflichen Zusammensetzung bis hin zur Summenformel mit den damaligen Methoden gut zu bewerkstelligen war, konnte die Strukturformel vieler Aminosäuren oftmals nur durch Teilschritte der Synthese endgültig aufgeklärt werden, was manchmal erst Jahre später gelang. Die Struktur des Asparagins und die von Asparaginsäure klärte Hermann Kolbe erst 1862 auf, 57 Jahre nach der ersten Beschreibung. Den Gattungsnamen verdanken Aminosäuren zwei funktionellen Gruppen, ihre Einzelnamen mal einem hellen Aussehen (z. B. Arginin, Leucin), einem süßen Geschmack (z. B. Glycin) oder dem Material, in dem sie gefunden wurden (z. B. Asparagin, Cystein, Serin, Tyrosin), Merkmalen der chemischen Struktur (z. B. Prolin, Valin, Isoleucin) bzw. beidem (z. B. Glutamin, Glutaminsäure) und mal auch den Edukten ihrer Synthese (z. B. Alanin). Dass Proteine als Ketten aus Aminosäuren, verbunden durch Peptidbindungen, aufgebaut sind, schlugen zuerst 1902 auf der Versammlung deutscher Naturforscher und Ärzte in Karlsbad gleichzeitig und unabhängig voneinander sowohl Emil Fischer als auch Franz Hofmeister vor (Hofmeister-Fischer-Theorie). Struktur Aminosäuren bestehen aus mindestens zwei Kohlenstoffatomen. Die instabile Carbamidsäure besitzt lediglich ein Kohlenstoffatom und ist damit keine Aminosäure, sondern ein Kohlensäureamid. Aminosäuren lassen sich in Klassen einteilen je nach dem Kohlenstoffatom, an dem sich die Aminogruppe relativ zur Carboxygruppe befindet. Sind im Molekül mehrere Aminogruppen vertreten, so bestimmt das Kohlenstoffatom, dessen Aminogruppe dem Carboxy-Kohlenstoff am nächsten steht, um welche Klasse von Aminosäuren es sich handelt. α-Aminosäuren: Die Aminogruppe der α-Aminosäuren befindet sich am zweiten Kohlenstoffatom, einschließlich des Carboxy-Kohlenstoffatoms. Die Zählung beginnt immer mit dem Carboxy-Kohlenstoff. Die IUPAC-Bezeichnung lautet daher 2-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter der α-Aminosäuren ist die proteinogene Aminosäure Glycin. Alle proteinogenen Aminosäuren sind α-Aminosäuren. Mit dem Ausdruck Aminosäuren ist oft eine bestimmte Gruppe von α-Aminosäuren gemeint, die hauptsächlich aus L-α-Aminosäuren besteht: die proteinogenen Aminosäuren. Diese sind die Bausteine sämtlicher Proteine allen Lebens auf der Erde und neben den Nukleinsäuren Grundbausteine des Lebens. β-Aminosäuren: Die Aminogruppe der β-Aminosäuren befindet sich am dritten Kohlenstoffatom (das Carboxy-Kohlenstoffatom mitgezählt). Die IUPAC-Bezeichnung lautet 3-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter ist β-Alanin. γ-Aminosäuren: Die Aminogruppe der γ-Aminosäuren befindet sich am vierten Kohlenstoffatom (das Carboxy-Kohlenstoffatom mitgezählt). Die IUPAC-Bezeichnung lautet 4-Aminocarbonsäuren. Der einfachste Vertreter ist γ-Aminobuttersäure (GABA). Die Bezeichnung weiterer Klassen der Aminosäuren ergibt sich nach dem gleichen Schema. Die Aminosäuren einer Klasse unterscheiden sich durch ihre Seitenkette R. Ist die Seitenkette R verschieden von den anderen Substituenten, die sich am Kohlenstoff mit der Amino-Gruppe befinden, so befindet sich hier ein Stereozentrum und es existieren von der entsprechenden Aminosäure zwei Enantiomere. Enthält die Seitenkette R selbst weitere Stereozentren, so ergeben sich auch Diastereomere und die Zahl möglicher Stereoisomerer nimmt entsprechend zur Anzahl der weiteren Stereozentren zu. Von Aminosäuren mit zwei verschieden substituierten Stereozentren gibt es vier Stereoisomere. Aminoacyl-Gruppe Aminoacyl-Gruppe bezeichnet die einwertige Gruppe, die aus einer Aminosäure durch Entfernen der Hydroxygruppe (–OH) aus der Carboxygruppe (–COOH) entsteht, also das univalente Radikal. Aus einer α-Aminosäure wird so eine α-Aminoacyl-Gruppe gebildet; aus der Aminosäure Tyrosin beispielsweise entsteht so die Tyrosylgruppe als eine spezielle α-Aminoacyl-Gruppe. Proteinogene Aminosäuren Als proteinogene Aminosäuren werden Aminosäuren bezeichnet, die in Lebewesen als Bausteine der Proteine während der Translation nach Vorgabe genetischer Information verwendet werden. Bei der Biosynthese von Proteinen, die an den Ribosomen einer Zelle stattfindet, werden im Zuge der Proteinbiosynthese ausgewählte Aminosäuren durch Peptidbindungen in bestimmter Reihenfolge zur Polypeptidkette eines Proteins verknüpft. Die Aminosäurensequenz des ribosomal gebildeten Peptids wird dabei vorgegeben durch die in der Basensequenz einer Nukleinsäure enthaltene genetische Information, wobei nach dem genetischen Code eine Aminosäure durch ein Basentriplett codiert wird. Die proteinogenen Aminosäuren sind stets α-Aminosäuren. Bis auf die kleinste, Glycin, sind sie chiral und treten mit besonderer räumlicher Anordnung auf. Eine Besonderheit weist die Aminosäure Prolin auf, deren Aminogruppe ein sekundäres Amin besitzt und die sich daher nicht so flexibel in eine Proteinfaltung einfügt wie andere proteinogene Aminosäuren – Prolin gilt beispielsweise als Helixbrecher bei α-helikalen Strukturen in Proteinen. Aufgrund der sekundären Aminogruppe wird Prolin auch als sekundäre Aminosäure – öfters fälschlicherweise bzw. veraltet auch als Iminosäure – bezeichnet. Von den spiegelbildlich verschiedenen Enantiomeren sind jeweils nur die L-Aminosäuren proteinogen (zur D / L-Nomenklatur siehe Fischer-Projektion; in Fällen wie Hydroxyprolin gibt es weitere Stereoisomere). Die molekularen Komponenten des zum Aufbau der Proteine notwendigen zellulären Apparats – neben Ribosomen noch tRNAs und diese mit Aminosäuren beladende Aminoacyl-tRNA-Synthetasen – sind selber auch chiral und erkennen allein die L-Variante. Dennoch kommen in Lebewesen vereinzelt auch D-Aminosäuren vor. Diese werden jedoch unabhängig von proteinogenen Stoffwechselwegen synthetisiert und dienen nicht dem ribosomalen Aufbau von Proteinen. So wird zum Beispiel D-Alanin in Peptidoglycane der bakteriellen Zellwand eingebaut oder D-Valin in bakterielle Cyclo-Depsipeptide wie Valinomycin. Verschiedene Arten von Archaeen, Bakterien, Pilzen und Nacktkiemern verfügen über nichtribosomale Peptidsynthetasen genannte Multienzymkomplexe, mit denen solche (nichtproteinogenen) Aminosäuren in ein nichtribosomales Peptid eingebaut werden können. Kanonische Aminosäuren Für 20 der proteinogenen Aminosäuren finden sich Codons in der (am häufigsten gebrauchten) Standardversion des genetischen Codes. Diese werden daher als Standardaminosäuren oder auch kanonische Aminosäuren bezeichnet. In Aminosäuresequenzen werden die Aminosäuren meist mit einem Namenskürzel im Dreibuchstabencode angegeben oder im Einbuchstabencode durch ein Symbol dargestellt. Neben den oben angegebenen Codes werden zusätzliche Zeichen als Platzhalter benutzt, wenn aus der Proteinsequenzierung oder Röntgenstrukturanalyse nicht auf die genaue Aminosäure geschlossen werden kann. Nichtkanonische Aminosäuren Zu den natürlich vorkommenden Aminosäuren gehören außer den kanonischen die übrigen als nichtkanonische Aminosäuren bezeichneten Aminosäuren, wozu proteinogene und nicht-proteinogene zählen. Hierbei lassen sich mehrere Gruppen unterscheiden: Zur ersten Gruppe gehören jene proteinogenen Aminosäuren, die durch eine Recodierung des genetischen Materials in Proteine eingebaut werden. Die 21. und die 22. proteinogene Aminosäure gehören hierzu: Selenocystein (bei Eukaryoten und manchen Bakterien und Archaeen) und Pyrrolysin (bei manchen Bakterien und Archaeen). Für beide Aminosäuren wurden spezifische tRNAs – tRNASec bzw. tRNAPyl – gefunden, die während der Translation einen Einbau am Ribosom möglich machen. Deren Anticodon paart, abhängig von Strukturelementen im Kontext der mRNA (siehe Secis), mit dem Codon UGA bzw. UAG; im Standardcode stellen diese ein Stopcodon dar. Doch nicht alle Organismen verwenden die nichtkanonischen proteinogenen Aminosäuren dieser Gruppe. {| class="wikitable" |- class="hintergrundfarbe6" ! Aminosäure ! Abk. ! Symbol |- style="text-align:center;" | Pyrrolysin | Pyl | O |- style="text-align:center;" | Selenocystein | Sec | U |} Das übliche Startcodon AUG codiert für die Aminosäure Methionin. Bakterien verfügen neben der tRNAMet über eine besondere tRNAfMet, die ebenfalls mit Methionin beladen wird und als Initiator-tRNA dient. Die an tRNAifMet gebundene Aminosäure aber wird in Bakterien am N-Terminus formyliert zu N-Formylmethionin (fMet), noch bevor sie bei der Initiation am Ribosom zur ersten Aminosäure einer Peptidkette werden kann. Dieses Aminosäurederivat Formylmethionin wird daher gelegentlich auch als (23.) proteinogene Aminosäure gezählt. Auch Mitochondrien und Chloroplasten nutzen fMet initial. Dagegen wird es im Cytosol eukaryotischer Zellen und in Archaeen nicht bei der Translation verwendet. Eine zweite Gruppe bilden die im engen Sinn nicht proteinogenen Aminosäuren, die aus kanonischen Aminosäuren entstehen, wenn der Aminosäurerest R nach dem Einbau in Proteine verändert wird, d. h. durch eine der vielfältigen posttranslationale Modifikationen. So kann Prolin zu Hydroxyprolin, Serin zu O-Phosphoserin, Tyrosin zu O-Phosphotyrosin und Glutamat zu γ-Carboxyglutamat umgewandelt werden. Eine wichtige Änderung des Aminosäurerestes stellt auch die Glykosylierung dar: Hier werden Kohlenhydratreste auf die Aminosäurereste übertragen, wodurch Glykoproteine entstehen. Als dritte Gruppe lassen sich die strenggenommen nicht proteinogenen Aminosäuren fassen, die der Organismus nicht von den kanonischen Aminosäuren unterscheiden kann und die er so anstelle dieser in Proteine unspezifisch einbaut. Dazu gehört Selenomethionin, das anstelle des Methionins eingebaut werden kann, oder das Canavanin, das der Organismus nicht vom Arginin unterscheiden kann oder auch die Azetidin-2-carbonsäure, die als giftiges Prolin-Analogon wirkt. Viele der Aminosäuren dieser Gruppe sind toxisch, da sie oft zu einer Fehlfaltung des Proteins führen, wodurch die Form und somit die Funktionsfähigkeit des Proteins beeinträchtigt werden kann. So ist Azetidin-2-carbonsäure ein toxischer Bestandteil des Maiglöckchens, wobei sich das Maiglöckchen selber mit einer hochspezifischen Prolyl-tRNA-Synthetase vor dem unkontrollierten Einbau dieser Aminosäure in ihre Proteine schützt. Der Mensch nutzt neben den 20 kanonischen auch Selenocystein als proteinogene Aminosäure. Von den 20 kanonischen Aminosäuren werden 12 vom menschlichen Organismus beziehungsweise durch im menschlichen Verdauungstrakt lebende Mikroorganismen synthetisiert. Die restlichen 8 Aminosäuren sind für den Menschen essentiell, das heißt, er muss sie über die Nahrung aufnehmen. Der Einbau künstlicher, nahezu beliebig gebauter Aminosäuren im Zuge eines Proteindesigns ist unter anderem über die Ersetzung des Liganden in der entsprechenden Aminoacyl-tRNA-Synthetase möglich. Diese Verfahren sind teilweise so weit fortgeschritten, dass damit gezielt bestimmte Proteine eine Markierung erhalten können, die beispielsweise das Protein nach Behandlung mit spezifischen Reagenzien zur Fluoreszenz anregen (Beispiel: Einbau von Norbornen-Aminosäure via Pyrrolysyl-tRNA-Synthetase/Codon CUA). Damit ist eine genaue Lokalisierung des Proteins auch ohne Produktion und Reaktion mit Antikörpern möglich. Biochemische Bedeutung Aminosäuren als Bausteine von Proteinen L-Aminosäuren sind in der Biochemie von großer Bedeutung, da sie die Bausteine von Peptiden und Proteinen (Eiweißen) sind. Bisher sind über zwanzig sogenannte proteinogene Aminosäuren bekannt. Dies sind zunächst jene 20 L-α-Aminosäuren, die als Standard-Aminosäuren durch Codons von je drei Nukleinbasen in der DNA nach dem Standard-Code codiert werden. Zu diesen kanonisch genannten Aminosäuren sind inzwischen zwei weitere hinzugekommen, Selenocystein und Pyrrolysin. Beide nicht-kanonischen sind ebenfalls α-Aminosäuren, bezogen auf die endständige Carboxygruppe ist die Aminogruppe am unmittelbar benachbarten Kohlenstoffatom gebunden (Cα). Darüber hinaus gibt es noch weitere Aminosäuren, die als Bestandteil von Proteinen oder Peptiden auftreten, jedoch nicht codiert werden. Aminosäureketten mit einer Kettenlänge unter zirka 100 Aminosäuren werden meist als Peptide bezeichnet, bei den größeren ribosomal gebildeten spricht man von Makropeptiden oder Proteinen. Die einzelnen Aminosäuren sind dabei innerhalb der Kette je über Peptidbindungen (Säureamid) verknüpft. Ein automatisiertes Verfahren zur Synthese von Peptiden liefert die Merrifield-Synthese. In Form von Nahrung aufgenommene Proteine werden bei der Verdauung in L-Aminosäuren zerlegt. In der Leber werden sie weiter verwertet. Entweder werden sie zur Proteinbiosynthese verwendet oder abgebaut (siehe auch: Aminosäureindex). Die wichtigsten Mechanismen des Aminosäurenabbaus sind: Transaminierung Desaminierung Decarboxylierung Essentielle Aminosäuren Aminosäuren, die ein Organismus benötigt, jedoch nicht selbst herstellen kann, heißen essentielle Aminosäuren und müssen mit der Nahrung aufgenommen werden. Alle diese essentiellen Aminosäuren sind L-α-Aminosäuren. Für Menschen sind Valin, Methionin, Leucin, Isoleucin, Phenylalanin, Tryptophan, Threonin und Lysin essentielle Aminosäuren. Seit 1985 wird von der WHO auch die Aminosäure Histidin als essenzielle Aminosäure eingestuft. Es gibt somit neun essenzielle Aminosäuren. Bedingt essentielle oder semi-essentielle Aminosäuren müssen nur in bestimmten Situationen mit der Nahrung aufgenommen werden, zum Beispiel während des Wachstums oder nach schweren Verletzungen. Die übrigen Aminosäuren werden entweder direkt synthetisiert oder aus anderen Aminosäuren durch Modifikation gewonnen. So kann Cystein aus der essentiellen Aminosäure Methionin synthetisiert werden. Solange das Vermögen, aus Phenylalanin die Aminosäure Tyrosin herzustellen, noch nicht ausgereift ist, zählt auch diese neben den anderen zu den essentiellen Aminosäuren im Kindesalter. Aus ähnlichem Grund muss auch bei einer Phenylketonurie Tyrosin zugeführt werden. Daneben gibt es andere Erkrankungen, die den Aminosäurestoffwechsel beeinträchtigen und die Aufnahme einer eigentlich nicht-essentiellen Aminosäure unter Umständen erfordern. Pflanzen und Mikroorganismen können alle für sie notwendigen Aminosäuren selbst synthetisieren. Daher gibt es für sie keine essentiellen Aminosäuren. Chemisch-physikalische Eigenschaften Die proteinogenen Aminosäuren lassen sich nach ihren Resten in Gruppen aufteilen (siehe Tabellenübersicht der Eigenschaften). Dabei kann eine Aminosäure in verschiedenen Gruppen gleichzeitig auftauchen. In einem Mengendiagramm lassen sich die Überlappungen der Gruppen grafisch darstellen. Die Eigenschaften der Seitenkette von Cystein betreffend haben die Autoren unterschiedliche Ansichten: Löffler hält sie für polar, während Alberts sie für unpolar hält. Richtigerweise handelt es sich bei Schwefel um ein Heteroatom, folglich gilt: Die Seitenkette von Cystein hat schwach polare Eigenschaften. Säure- und Basen-Verhalten Aufgrund der basischen Aminogruppe und der sauren Carbonsäuregruppe sind Aminosäuren zugleich Basen und Säuren. Als Feststoffe und in neutralen wässrigen Lösungen liegen Aminosäuren als Zwitterionen vor, das heißt, die Aminogruppe ist protoniert und die Carboxygruppe ist deprotoniert. Verallgemeinert lässt sich das Zwitterion so darstellen: Als Zwitterion kann die protonierte Aminogruppe als Säure (Protonendonator) und die Carboxylatgruppe kann als Base (Protonenakzeptor) reagieren. In sauren Lösungen liegen Aminosäuren als Kationen und in basischen Lösungen als Anionen vor: Die Ladung eines Aminosäuremoleküls hängt vom pH-Wert der Lösung ab. Bei einem Zwitterion mit einer sauren und einer basischen Gruppe ist bei neutralem pH-Wert die Gesamtladung des Moleküls null. Daneben besitzen die Seitenketten der Aminosäuren teilweise saure oder basische geladene Gruppen. Der pH-Wert mit einer Nettoladung von Null ist der isoelektrische Punkt (pHI, pI) einer Aminosäure. Am isoelektrischen Punkt ist die Wasserlöslichkeit einer Aminosäure am geringsten. Für das Säure-Base-Verhalten proteinogener Aminosäuren ist vor allem das Verhalten ihrer Seitenkette (fortan mit R bezeichnet) interessant. In Proteinen sind die NH2- und COOH-Gruppen bei physiologischem pH-Wert (um pH 7) wegen der Peptidbindung nicht protonierbar und damit auch nicht titrierbar. Ausnahmen sind der Amino- und der Carboxy-Terminus des Proteins. Daher ist für das Säure-Base-Verhalten von Proteinen und Peptiden der Seitenkettenrest R maßgeblich. Das Verhalten der Seitenkette R hängt von ihrer Konstitution ab, das heißt, ob die Seitenkette selbst wieder als Protonenakzeptor oder als Protonendonator wirken kann. Die proteinogenen Aminosäuren werden nach den funktionellen Gruppen eingeteilt in solche mit unpolarer oder polarer Aminosäureseitenkette und weiter unterteilt in nach Polarität sortierte Untergruppen: aliphatische, aromatische, amidierte, Schwefel-enthaltende, hydroxylierte, basische und saure Aminosäuren. Die Seitenketten von Tyrosin und Cystein sind zwar im Vergleich zu den anderen unpolaren Seitenketten relativ sauer, neigen aber erst bei unphysiologisch hohen pH-Werten zum Deprotonieren. Prolin ist eine sekundäre Aminosäure, da der N-Terminus mit der Seitenkette einen fünfatomigen Ring schließt. Innerhalb eines Proteins bindet der Carboxy-Terminus einer vorhergehenden Aminosäure an den Stickstoff des Prolins, welcher aufgrund der bereits erwähnten Peptidbindung nicht protonierbar ist. Histidin, Tyrosin und Methionin kommen jeweils in zwei Untergruppen vor. Aliphatische Aminosäureseitenketten Alanin Glycin Isoleucin Leucin Methionin Prolin Valin Aromatische Aminosäureseitenketten Phenylalanin Tryptophan Tyrosin Amidierte Aminosäureseitenketten Asparagin Glutamin Schwefel-enthaltende Aminosäureseitenketten Cystein Methionin Hydroxylierte Aminosäureseitenketten Serin Threonin Tyrosin Basische Aminosäureseitenketten Lysin Arginin Histidin Saure Aminosäureseitenketten Asparaginsäure (dissoziiert zu Aspartat) Glutaminsäure (dissoziiert zu Glutamat) Der pK-Wert ist der pH-Wert, bei dem die titrierbaren Gruppen zu gleichen Teilen protoniert und deprotoniert vorliegen; die titrierbare Gruppe liegt dann zu gleichen Teilen in ihrer basischen wie in ihrer sauren Form vor (siehe auch: Henderson-Hasselbalch-Gleichung). Es ist meist üblich, anstatt vom pKS vom pK zu sprechen, so vom pK der Säure. In diesem Sinne müsste allerdings vom pK des Lysins als pKB, vom pK der Base gesprochen werden. Aus Gründen der Vereinfachung wird diese Notation aber allgemein weggelassen, da sich auch aus dem Sinnzusammenhang ergibt, ob die Gruppe als Base oder Säure wirkt. Der pK ist keine Konstante, sondern hängt von der Temperatur, der Aktivität, der Ionenstärke und der unmittelbaren Umgebung der titrierbaren Gruppe ab und kann daher stark schwanken. Ist der pH höher als der pK einer titrierbaren Gruppe, so liegt die titrierbare Gruppe in ihrer basischen (deprotonierten) Form vor. Ist der pH niedriger als der pK der titrierbaren Gruppe, so liegt die titrierbare Gruppe in ihrer sauren (protonierten) Form vor: Für Asp (pK = 3,86) bei pH 7: Die Seitenkette ist nahezu vollständig deprotoniert. Für Lys (pK = 10,53) bei pH 7: Die Seitenkette ist nahezu vollständig protoniert. Die Seitenketten basischer Aminosäuren sind in ihrer protonierten (sauren) Form einfach positiv geladen und in ihrer deprotonierten (basischen) Form ungeladen. Die Seitenketten der sauren Aminosäuren (einschließlich Cystein und Tyrosin) sind in ihrer protonierten (sauren) Form ungeladen und in ihrer deprotonierten (basischen) Form einfach negativ geladen. Da das Verhalten der Seitenkette ein ganz anderes ist, wenn sie geladen bzw. ungeladen ist, spielt der pH-Wert für die Eigenschaften der Seitenkette eine so wichtige Rolle. Die titrierbaren Seitenketten beeinflussen zum Beispiel das Löslichkeitsverhalten der entsprechenden Aminosäure. In polaren Lösungsmitteln gilt: Geladene Seitenketten machen die Aminosäure löslicher, ungeladene Seitenketten machen die Aminosäure unlöslicher. In Proteinen kann das dazu führen, dass bestimmte Abschnitte hydrophiler oder hydrophober werden, wodurch die Faltung und damit auch die Aktivität von Enzymen vom pH-Wert abhängt. Durch stark saure oder basische Lösungen können Proteine daher denaturiert werden. Tabellenübersicht der Eigenschaften Stereochemie 18 der 20 proteinogenen Aminosäuren haben gemäß der Cahn-Ingold-Prelog-Konvention am α-Kohlenstoff-Atom die (S)-Konfiguration, lediglich Cystein besitzt die (R)-Konfiguration, da hier der Kohlenstoff mit der Thiolgruppe eine höhere Priorität als die Carbonsäuregruppe hat. Glycin ist achiral, daher kann keine absolute Konfiguration bestimmt werden. Zusätzlich zum Stereozentrum am α-C-Atom besitzen Isoleucin und Threonin in ihrem Rest R je ein weiteres stereogenes Zentrum. Proteinogenes Isoleucin [R = –C*H(CH3)CH2CH3] ist dort (S)-konfiguriert, Threonin [R = –C*H(OH)CH3] (R)-konfiguriert. Nichtproteinogene Aminosäuren Es sind bislang über 400 nichtproteinogene (d. h. nicht während der Translation in Proteine eingebaute) Aminosäuren, die in Organismen vorkommen, bekannt. Dazu gehört etwa das L-Thyroxin, ein Hormon der Schilddrüse, L-DOPA, L-Ornithin oder das in fast allen Arten von Cyanobakterien nachgewiesene Neurotoxin β-Methylaminoalanin (BMAA). Die meisten nichtproteinogenen Aminosäuren leiten sich von den proteinogenen ab, die L-α-Aminosäuren sind. Dennoch können dabei auch β-Aminosäuren (β-Alanin) oder γ-Aminosäuren (GABA) entstehen. Zu den nichtproteinogenen Aminosäuren zählen auch alle D-Enantiomere der proteinogenen L-Aminosäuren. D-Serin wird im Hirn durch die Serin-Racemase aus L-Serin (seinem Enantiomer) erzeugt. Es dient sowohl als Neurotransmitter als auch als Gliotransmitter durch die Aktivierung des NMDA-Rezeptors, was zusammen mit Glutamat die Öffnung des Kanals erlaubt. Zum Öffnen des Ionenkanals muss Glutamat und entweder Glycin oder D-Serin binden. D-Serin ist an der Glycin-Bindungsstelle des Glutamatrezeptors vom NMDA-Typ ein stärkerer Agonist als Glycin selbst, war aber zum Zeitpunkt der Erstbeschreibung der Glycin-Bindungsstelle noch unbekannt. D-Serin ist nach D-Aspartat die zweite D-Aminosäure, die in Menschen gefunden wurde. Zu den synthetischen Aminosäuren gehört die 2-Amino-5-phosphonovaleriansäure (APV), ein Antagonist des NMDA-Rezeptors und das ökonomisch wichtige D-Phenylglycin [Synonym: (R)-Phenylglycin], das in der Seitenkette vieler semisynthetischer β-Lactamantibiotica als Teilstruktur enthalten ist. (S)- und (R)-tert-Leucin [Synonym: (S)- und (R)-β-Methylvalin] sind synthetische Strukturisomere der proteinogenen Aminosäure (S)-Leucin und werden als Edukt in stereoselektiven Synthesen eingesetzt. Es gibt auch Aminosulfonsäuren [Beispiel: 2-Aminoethansulfonsäure (Synonym: Taurin)], α-Aminophosphonsäuren und α-Aminophosphinsäuren. Das sind auch α-Aminosäuren, jedoch keine α-Aminocarbonsäuren. Statt einer Carboxygruppe (–COOH) ist eine Sulfonsäure-, Phosphonsäure- bzw. Phosphinsäuregruppe in diesen α-Aminosäuren enthalten. Nachweis Ein quantitativer photometrischer Nachweis von Aminosäuren kann unter anderem per Kaiser-Test mit Ninhydrin oder mit dem Folin-Reagenz erfolgen, wodurch primäre Amine nachgewiesen werden. Für sekundäre Amine werden der Isatin-Test oder der Chloranil-Test verwendet. Ebenso können Trennung und Nachweis von Aminosäuren per Kapillarelektrophorese oder per HPLC erfolgen, teilweise als Flüssigchromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung. Während die meisten Aminosäuren kein UV-Licht mit Wellenlängen über 220 nm absorbieren, sind die Aminosäuren Phenylalanin, Tyrosin, Histidin und Tryptophan aromatisch und absorbieren UV-Licht mit einem Maximum zwischen 260 nm und 280 nm. Die Aminosäurezusammensetzung eines Proteins kann durch Hydrolyse des Proteins untersucht werden. Die langsam eintretende Racemisierung der Aminosäuren in den ursprünglich ausschließlich aus L-Aminosäuren aufgebauten Proteinen wird bei der Aminosäuredatierung untersucht. Gewinnung und Produktion Aminosäuren werden entweder aus Naturstoffen durch Auftrennung eines hydrolysierten Proteins oder auf synthetischem Wege gewonnen. Ursprünglich diente die Entwicklung einer Synthese für die diversen Aminosäuren hauptsächlich der Strukturaufklärung. Inzwischen sind diese Strukturfragen gelöst und mit den verschiedenen Synthesen, soweit sie noch aktuell sind, werden gezielt die gewünschten Aminosäuren dargestellt. Bei den Synthesen entstehen zunächst racemische Gemische, die getrennt werden können. Eine Methode hierfür ist eine selektive enzymatische Hydrolyse, die zur Racematspaltung eingesetzt wird. Nachfolgend ein Überblick über diverse Synthesen, die von Chemikern bereits ab Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt wurden. Einige dieser älteren Synthesen sind wegen geringer Ausbeuten oder sonstiger Probleme nur von historischem Interesse. Allerdings wurden diese alten Verfahren teilweise weiterentwickelt und einige sind auch noch heute zur Darstellung von Aminosäuren aktuell. Weitergehende Einzelheiten zu diesen Synthesen einschließlich der Gleichungen für die Synthesen sind unter den Links zu den Synthesen und den angegebenen Aminosäuren angeführt. Mit der Cyanhydrinsynthese des Chemikers Adolph Strecker 1850 wurde Alanin erstmals aus Acetaldehyd synthetisiert (siehe Strecker-Synthese). Eine Synthese für die Darstellung von Glycin über die α-Fettsäuren, die durch Reaktion von Brom- oder Chlorfettsäuren mit Ammoniak hergestellt werden, wurde von William H. Perkin sen. und Baldwin F. Duppa bereits 1859 entwickelt. Josef Pöchl entdeckte 1883 die Azlactonsynthese zur Darstellung von Aminosäuren. Deren genauer Ablauf wurde aber erst 1893 von Emil Erlenmeyer jun. aufgeklärt. Diese Methode wird deshalb auch Erlenmeyer-Synthese genannt. Mit diesem Verfahren wurden 1911 Histidin sowie Phenylalanin und Tyrosin hergestellt. Durch Reduktion von einer α-Oximinosäure wurde erstmals 1887 Asparaginsäure synthetisiert. Nach der gleichen Methode wurde 1906 von Louis Bouveault Isoleucin aus dem Oxim des Methyläthyl-brenztraubensäureesters dargestellt. Nach der von Siegmund Gabriel entwickelten Gabriel-Synthese, wurde 1889 Glycinhydrochlorid über Phthalimidkalium als Ausgangschemikalie synthetisiert. Obwohl diese Synthese für die Darstellung von Glycin überholt ist, eignet sie sich wegen ihrer hohen Ausbeuten für die Gewinnung anderer Aminosäuren. Mit der Cyanhydrinsynthese stellte Emil Fischer 1902 erstmals Serin über Glykolaldehyd her. 1906 wurde mit der von ihm entwickelten Malonestersynthese Leucin synthetisiert. Isoleucin, Norleucin, Methionin und Phenylalanin sind weitere Aminosäuren, die mit dieser Synthese leicht darstellbar sind. Theodor Curtius benutzte den von ihm entwickelten Curtiusschen Abbau für die Darstellung von α-Aminosäuren durch die Verwendung von Malonesterderivaten zur Synthese von Glycin, Alanin, Valin und Phenylalanin. 1911 wurde Tyrosin, Phenylalanin und Tryptophan über eine Kondensation aromatischer Aldehyde mit Hydantoin gewonnen. Mit einer kombinierten Phthalimid-Malonester-Synthese wurde 1931 von George Barger Methionin synthetisiert. Nach der gleichen Methode können auch Phenylalanin, Prolin, Tyrosin, Asparaginsäure und Serin hergestellt werden. Vincent du Vigneaud stellte 1939 DL-Cystin mit dieser Methode her. Industriell werden Aminosäuren heute nach folgenden Verfahren hergestellt: Extraktionsmethode: Hierzu werden Proteine zunächst mit Säuren hydrolysiert. Nach Fällung des Aminosäuregemischs aus dem Hydrolysat erfolgt eine chromatographische Trennung per Ionenaustauschchromatographie. Bei der Elution werden die unterschiedlichen Polaritäten der Aminosäuren ausgenutzt. Chemische Synthese: Es gibt eine Vielzahl von Synthesemethoden. Beispiele sind die Strecker-Synthese von D,L-Valin, die Degussa-Synthese von D,L-Cystein und die Synthese von D,L-Methionin aus Methylmercaptan, Acrolein und Blausäure. Da die hergestellten Aminosäuren dabei als Racemat erhalten werden, müssen anschließend noch Verfahren zur Enantiomerentrennung erfolgen, wenn reine L- oder D-Aminosäuren benötigt werden. Enzymatische Verfahren: Dieses Verfahren hat den Vorteil enantiomerenreine L- oder D-Aminosäuren mit geeigneten Enzymen als Biokatalysatoren zu liefern. Beispiele sind die Herstellung von L-Asparaginsäure aus Fumarsäure mit L-Aspartase und die Herstellung von L-Tryptophan aus Indol und Brenztraubensäure mit Tryptopharase. Fermentationsverfahren: Bei der Fermentation werden die Aminosäuren mit Hilfe geeigneter Mikroorganismen hergestellt. Der Syntheseprozess läuft dabei über sehr komplexe Zwischenschritte innerhalb der Zellen ab. Ein Beispiel ist die Herstellung von L-Glutaminsäure aus Glucose. Hierbei kann man aus 2 Gramm Glucose 1 Gramm Glutaminsäure gewinnen. Die meisten Aminosäuren werden heute durch Fermentation hergestellt. Jährlich werden so weltweit 6 Millionen Tonnen an Glutaminsäure und Lysin produziert, teilweise aus hydrolysierter Stärke oder Melasse unter Verwendung der Bakterien Escherichia coli oder Corynebacterium glutamicum. Verwendung Aminosäuren haben für die Ernährung des Menschen eine fundamentale Bedeutung, insbesondere weil die essentiellen Aminosäuren nicht selbst erzeugt werden können. In der Regel wird im Zuge einer ausgewogenen Ernährung der Bedarf an essentiellen Aminosäuren durch tierische oder eine geeignete Kombination verschiedener pflanzlicher Proteine (etwa aus Getreide und Hülsenfrüchten) vollkommen gedeckt. Pflanzliche Proteine haben meist eine geringere biologische Wertigkeit. Futtermittel in der Nutztierhaltung werden zusätzlich mit Aminosäuren angereichert, z. B. DL-Methionin und L-Lysin, aber auch verzweigte Aminosäuren (Leucin, Isoleucin, Valin), wodurch deren Nährwert erhöht wird. Verschiedene Aminosäuren werden als Nahrungsergänzungsmittel verkauft. Aminosäuren bzw. ihre Derivate finden Verwendung als Zusatz für Lebensmittel. Die menschliche Zunge besitzt einen Glutamatrezeptor, dessen Aktivierung allgemein mit einem gesteigerten Geschmack assoziiert ist. Daher wird als Geschmacksverstärker Natriumglutamat verwendet. Der Süßstoff Aspartam enthält eine Aminosäure. Aminosäuren sind Vorstufen für bestimmte Aromastoffe, die beim trockenen Garen von Speisen über die Maillard-Reaktion entstehen. Aminosäuren werden in der Zellbiologie und Mikrobiologie als Bestandteile von Zellkulturmedien verwendet. In der Biochemie werden Derivate von Aminosäuren wie Photo-Leucin oder Photo-Methionin zur Strukturaufklärung von Proteinen und andere zur Molekülmarkierung verwendet. Daneben werden Aminosäuren auch als Hilfsstoffe eingesetzt, z. B. als Salzbildner, Puffer. In der Pharmazie bzw. Medizin werden L-Aminosäuren als Infusionslösungen für die parenterale Ernährung und als Stabilisatoren bei bestimmten Lebererkrankungen angewendet. Bei Krankheiten mit einem Mangel von Neurotransmittern verwendet man L-Dopa. Für synthetische Peptidhormone und für die Biosynthese von Antibiotika sind Aminosäuren notwendige Ausgangsstoffe. Magnesium- und Kalium-Aspartate spielen bei der Behandlung von Herz- und Kreislauferkrankungen eine Rolle. Cystein, beziehungsweise die Derivate Acetylcystein und Carbocystein, finden zudem eine Anwendung bei infektiösen Bronchialerkrankungen mit erhöhtem Bronchialsekret. Zudem wird L-Cystein als Reduktionsmittel in der Dauerwelle eingesetzt. Aminosäuren werden in der Kosmetik Hautpflegemitteln und Shampoos zugesetzt. Metabolismus Aminosäuren können nach ihren Abbauwegen in ketogene, glucogene und gemischt keto- und glucogene Aminosäuren eingeteilt werden. Ketogene Aminosäuren werden beim Abbau dem Citrat-Zyklus zugeführt, glucogene Aminosäuren der Gluconeogenese. Weiterhin werden im Stoffwechsel aus Aminosäuren verschiedene Abbauprodukte mit biologischer Aktivität (z. B. Neurotransmitter) gebildet. Tryptophan ist der Vorläufer von Serotonin. Tyrosin und sein Vorläufer Phenylalanin sind Vorläufer der Catecholamine Dopamin, Epinephrin (synonym Adrenalin) und Norepinephrin (synonym Noradrenalin). Phenylalanin ist der Vorläufer von Phenethylamin in Menschen. In Pflanzen ist Phenylalanin der Vorläufer der Phenylpropanoide. Glycin ist der Ausgangsstoff der Porphyrinsynthese (Häm). Aus Arginin wird der sekundäre Botenstoff Stickstoffmonoxid gebildet. Ornithin und S-Adenosylmethionin sind Vorläufer der Polyamine. Aspartat, Glycin und Glutamin sind Ausgangsstoffe der Biosynthese von Nukleotiden. Bei verschiedenen Infektionen des Menschen mit Pathogenen wurde eine Konkurrenz mit dem Wirt um die Aminosäuren Asparagin, Arginin und Tryptophan beschrieben. Literatur Bücher Harold Hart: Organische Chemie: Ein kurzes Lehrbuch. VCH, 1989, ISBN 3-527-26480-9. Jeremy M. Berg, Lubert Stryer, John L. Tymoczko, Gregory J. Gatto: Biochemistry. Macmillan Learning, 2015, ISBN 978-1-4641-2610-9. G. C. Barrett: Amino Acids and Peptides. Cambridge University Press, 1998, ISBN 0-521-46827-2. Uwe Meierhenrich: Amino Acids and the Asymmetry of Life. Springer-Verlag, Heidelberg/ Berlin 2008, ISBN 978-3-540-76885-2. Hubert Rehm, Thomas Letzel: Der Experimentator: Proteinbiochemie / Proteomics. 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009, ISBN 978-3-8274-2312-2. Zeitschriftenartikel Lei Wang, Peter G. Schultz: Die Erweiterung des genetischen Codes. In: Angewandte Chemie. Band 117, Nr. 1, 2005, S. 34–68. H. Uneyama, H. Kobayashi, N. Tonouchi: New Functions and Potential Applications of Amino Acids. In: Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology. Band 159, 2017, S. 273–287, . PMID 27872968. Bernd Hoppe, Jürgen Martens: Aminosäuren – Bausteine des Lebens. In: Chemie in unserer Zeit. 17. Jahrg., Nr. 2, 1983, S. 41–53. Bernd Hoppe, Jürgen Martens: Aminosäuren – Herstellung und Gewinnung. In: Chemie in unserer Zeit. 18. Jahrg., Nr. 3, 1984, S. 73–86. Weblinks Lerne die 20 proteinogenen Aminosäuren Tabelle mit Eigenschaften und Häufigkeit von Aminosäuren (engl.) Einzelnachweise Biomonomer Stoffgruppe Proteinstruktur