Glykosaminoglykane

Einleitung

Glykosaminoglykane (GAGs) setzen sich aus repetitiven, das heißt aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten zusammen und stellen die Kohlenhydratseitenketten der hochmolekularen Proteoglykane dar.

Proteoglykane sind durch einen großen Glykananteil – Polysaccharid- beziehungsweise Kohlenhydratanteil – von 80-94 % und einen kleinen Proteinanteil (6-20 %) gekennzeichnet. Sie haben die Form riesiger Molekülaggregate mit einer zentralen Kohlenhydratkette, der Hyaluronsäure. An dieser sind über Proteinstränge, den Coreproteinen, mehr als hundert Glykosaminoglykanketten gebunden. Die Struktur der Proteoglykane gleicht schließlich einer Flaschenbürste.  Proteoglykane machen zusammen mit den Kollagenen – Stukturproteinen des Bindegewebes – den Hauptbestandteil der extrazellulären Grundsubstanz des Gelenkknorpels und der Synovia (Gelenkflüssigkeit) aus [3]. Das kollagene Netzwerk dient dabei den Proteoglykanen als Gerüstsubstanz. Die Proteoglykane schützen wiederum die Kollagene von außen vor dem Angriff der Proteasen (Enzyme, die Proteine spalten).

Die Glykosaminoglykane sind negativ geladen und stark hydratisiert. Aus diesem Grund ziehen sie Natriumkationen an, welche wiederum den Wassereinstrom induzieren. Die Kohlenhydratseitenketten der Proteoglykane sind demnach von einer dicken Wasserhülle umgeben. Die Größe der Wasserhülle hängt von der Anzahl, der Länge und dem Typ der Glykosaminoglykanketten ab [2].

Durch die Fähigkeit der Glykosaminoglykane, Wasser zu binden, reagiert der Knorpel wie ein Schwamm. Er nimmt Wasser auf, sobald der Druck im Gelenk nachlässt und presst es wieder heraus, wenn sich der Druck verstärkt. Dies erlaubt dem Knorpel, auf unsere Bewegungen zu reagieren und stoßdämpfend zu wirken, ohne unter der Beanspruchung zu zerbrechen [2, 3, 5].

Nach der Zusammensetzung der Disaccharideinheiten werden folgende Glykosaminoglykane unterschieden:

  • Hyaluronsäure (HA) – ist als einziges Glykosaminoglykan nicht an ein Proteinzentralfilament gebunden
  • Heparin – bestehend aus D-Glukuronsäure, die mit dem Aminozucker Glukosamin verknüpft ist. Die Aminogruppe des Glukosamins kann sowohl eine Acetylgruppe als auch eine Sulfatgruppe – Glucosaminsulfat (GS) – tragen
  • Heparansulfat (HS) – ist strukturell mit dem Heparin verwandt, es besitzt jedoch weniger N- und O-Sulfatreste und mehr N-Acetylgruppen
  • Chondroitinsulfat (CS) oder Dermatansulfat (DS)
  • Keratansulfat (KS)

Im hyalinen Gelenkknorpel kommen größtenteils Chondroitin- und Keratansulfate vor [2]. Im Gegensatz zu den Keratansulfatketten besitzen Chondroitinsulfatketten mehr Ladungen, sind länger und können somit mehr Wasser binden.

Mit zunehmendem Alter reduziert sich die Ladungsdichte und damit die Wasserbindungskapazität der Proteoglykane [4, 5]. Es kommt insbesondere innerhalb der Coreproteine und Kohlenhydratseitenketten zu strukturellen Modifizierungen. Beispielsweise werden im Altersgang die Coreproteine kürzer, ihre Synthesekapazität lässt nach und ihre Zusammensetzung verschiebt sich in Richtung der basischen und aromatischen Aminosäuren. Die Folge ist eine Verringerung der Bindungsfähigkeit am zentralen Hyaluronsäurestrang und eine Abnahme der Packungsdichte der Proteoglykanmonomere [4, 5]. Schließlich verliert der Knorpel an Härte und Elastizität. Die Knorpeloberfläche wird rau und Reibungswiderstände sowie Abrieb steigen, was zum Zerreißen der Kollagenfibrillen führen kann – hohes Risiko für Arthrose beziehungsweise Osteoarthritis. Von diesen Strukturveränderungen sind alle Knorpelgewebe des Organismus betroffen [4, 5].

Indem Glykosaminoglykane den Knorpelaufbau stimulieren, katabole Prozesse im Knorpel hemmen und antiinflammatorische Eigenschaften aufweisen, können diese Substanzen Arthrosesymptome reduzieren und zu einer Funktionsverbesserung der betroffenen Gelenke führen [1].

Literatur

  1. Bundesgesundheitsamt Berlin: Bekanntmachung über die Zulassung und Registrierung von Arzneimitteln (Aufbereitungsmonographien für den humanmed. Bereich)
    D-Glucosamin.
    Bundesanzeiger 44, Nr. 104; 45-50; 31.Januar 1992
  2. Lohmander L.S.
    Proteoglycans of joint cartilage. Structure, function, turnover and role as markers of joint disease.
    Bailliere´s Clin. Rheumatol. 2:37-62; 1988
  3. Stuhlsatz H.W.
    Zur Struktur der Proteoglykane aus hyalinem Knorpel und der Zwischenwirbelscheibe. In: Dettmer N., Lindner J. (eds) Zell- und Gewebskulturmodelle in der Pathobiochemie der Bindegewebserkrankungen.
    PCS, Basel: 75-77; 1987
  4. Thonar E.J.M.A., Bjornsson S., Kuettner K.E.
    Age-related changes in cartilage proteoglycans. In: Kuettner K.E., Schleyerbach R., Hascall V.C. (eds) Articular cartilage biochemistry.
    Raven Press, New York: 273-287; 1986
  5. Thonar E.J.M.A., Kuettner K.E.
    Biochemical basis of age-related changes in proteoglycans. In: White T.N., Mecham R.P. (eds) Biology of proteoglycans.
    Academic Press, Orlando: 211-246; 1987
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