Woher fortgeschrittene Glykierungsendprodukte stammen

Im Jahr 1981 inkubierten Vincent Monnier und Anthony Cerami Linsenproteine mit reduzierenden Zuckern und beobachteten, wie sie sich gelb färbten. Die Pigmente waren fluoreszierend, die Proteine wurden quervernetzt, und beide Merkmale ähnelten dem, was Pathologen in gealterten und kataraktösen menschlichen Linsen beschrieben hatten. Die Reaktion hatte bereits einen Namen, entlehnt aus der Lebensmittelchemie: nichtenzymatische Bräunung, die Maillard-Reaktion. Ihr Argument in Science war, dass dieselbe Chemie, die gelagerte Lebensmittel bräunt, auch langsam im Inneren eines lebenden Körpers abläuft.

Das ist die kurze Antwort auf die Frage, woher fortgeschrittene Glykierungsendprodukte stammen. Sie entstehen durch die Reaktion von Zuckern mit Proteinen ohne Enzym, in der Pfanne und in der Kapillare, nach demselben Mechanismus. Die lange Antwort ist interessanter, weil die beiden Wege unterschiedliche Moleküle mit unterschiedlichen Raten ablagern und weil die Instrumente, mit denen sie gezählt werden, einander widersprechen.

Die Maillard-Reaktion, wie sie im Körper abläuft

Der erste Schritt ist die Kondensation eines reduzierenden Zuckers mit einer freien Aminogruppe an einem Protein – meist der epsilon-Aminogruppe eines Lysinrests. Das Addukt lagert sich um, dehydratisiert und führt zu einer heterogenen Familie von Endprodukten: einige gefärbt, einige fluoreszierend, einige in der Lage, zwei Proteinketten zu überbrücken.

Monnier und Cerami formulierten einen Gedanken, der das Feld bis heute prägt. Die meisten Proteine in lebenden Systemen werden schnell genug umgesetzt, um ersetzt zu werden, bevor all dies eine Rolle spielt. Einige jedoch nicht. Linsenkristalline und Hautkollagen sind außergewöhnlich langlebig, und in diesen Proteinen reichert sich die Maillard-Chemie an.

Glucose ist ein träges glykierendes Agens. Ein Großteil des ihr zugeschriebenen Schadens wird von Dicarbonyl-Zwischenprodukten verursacht, die stromabwärts entstehen, vor allem von Methylglyoxal (PubChem CID 880; C3H4O2; 72,06 g/mol; CAS 78-98-8), das um Größenordnungen schneller mit Arginin und Lysin reagiert als Glucose. Das am besten charakterisierte stabile Addukt ist N-epsilon-(Carboxymethyl)lysin, allgemein mit CML abgekürzt (PubChem CID 123800; C8H16N2O4; 204,22 g/mol; CAS 5746-04-3). CML ist stabil und relativ inert, und genau deshalb wird es als Marker verwendet: Es überdauert lange genug, um gezählt zu werden.

Woher fortgeschrittene Glykierungsendprodukte in Lebensmitteln stammen

Lebensmittel enthalten diese Produkte, bevor sie jemand isst, und Erhitzen erzeugt mehr davon. Zwei Forschungsgruppen erstellten Datenbanken zum AGE-Gehalt von Lebensmitteln mit unterschiedlichen Instrumenten, und der Vergleich ist aufschlussreich.

Die erste, 2010 von Uribarri und Kollegen veröffentlicht, umfasst 549 Lebensmittel. Die Proben wurden homogenisiert und die Überstände mittels enzymgekoppeltem Immunadsorptionsassay auf Basis eines monoklonalen Anti-CML-Antikörpers untersucht, wobei die Ergebnisse als AGE-Kilounits pro 100 g angegeben wurden. Trockene Hitze förderte die Bildung neuer AGE um mehr als das 10- bis 100-Fache gegenüber dem ungekochten Zustand über alle Lebensmittelkategorien hinweg. Tierische Lebensmittel mit hohem Fett- und Proteingehalt waren im Allgemeinen AGE-reich und neigten zu weiterer Bildung während des Kochens; kohlenhydratreiche Lebensmittel wie Gemüse, Obst, Vollkorn und Milch enthielten relativ wenige, selbst nach dem Kochen. Die Bildung wurde durch feuchte Hitze, kürzere Garzeiten, niedrigere Temperaturen und saure Zutaten wie Zitronensaft oder Essig verringert und in ihren Assays durch den Inhibitor Aminoguanidin verhindert.

Die zweite, 2016 von Scheijen und Kollegen veröffentlicht, quantifizierte drei namentlich genannte Verbindungen – CML, N-epsilon-(1-Carboxyethyl)lysin (CEL) und das aus Methylglyoxal stammende MG-H1 – in der Proteinfraktion von 190 Lebensmitteln mittels Ultra-Performance-Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie. Die höchsten Werte fanden sich in hocherhitzten Nuss- oder Getreideprodukten und Dosenfleisch; die niedrigsten in Obst, Gemüse, Butter und Kaffee.

Die beiden Datenbanken stimmen in der Richtung weitgehend überein und widersprechen sich in fast allem anderen. Die eine berichtet eine antikörperdefinierte Aktivität in willkürlichen Kilounits; die andere berichtet molare Mengen von drei spezifischen Molekülen. Eine Zahl aus der einen lässt sich nicht in eine Zahl aus der anderen umrechnen. Dies ist eine Aussage über analytische Chemie, keine Ernährungsempfehlung.

Quervernetzung und der Fall von Glucosepan

Bräunung ist kosmetisch. Quervernetzung ist mechanisch. Wenn ein Maillard-Produkt zwei Kollagenketten überbrückt, versteift sich die Matrix und widersteht der proteolytischen Verdauung, und das ist die Veränderung, die mit alterndem Gewebe assoziiert ist und bei Diabetes beschleunigt wird. Jahrelang waren die bekannten Quervernetzungen in viel zu geringen Mengen vorhanden, um den Effekt zu erklären.

Sell und Kollegen gingen dies 2005 an, indem sie Lysin-Arginin-Quervernetzungen aus Glucose, Methylglyoxal, Glyoxal und 3-Desoxyglucoson – Glucosepan, MODIC, GODIC und DOGDIC – in enzymatisch verdautem menschlichem Hautkollagen (n = 110) und glomerulärer Basalmembran (n = 28) mittels Isotopenverdünnungs-Flüssigchromatographie/Massenspektrometrie maßen. Bei nicht-diabetischen Kontrollen im Alter von 90 Jahren erreichten die Werte 2000, 30 bzw. 15 pmol/mg für Glucosepan, MODIC und GODIC. Diabetes erhöhte Glucosepan auf 5000 pmol/mg (p < 0,0001), während die anderen unter 60 pmol/mg blieben. Glucosepan (PubChem CID 135565852; C18H32N6O6; 428,5 g/mol; CAS 257290-23-6) war, so schlossen die Autoren, die bedeutendste einzelne Quervernetzung der seneszenten extrazellulären Matrix, die bisher entdeckt wurde, und machte bis zu mehr als 120 Mol% der Modifikation tripelhelikalen Kollagens bei Diabetes aus.

Zwei Größenordnungen trennen Glucosepan von der nächsten Quervernetzung in diesem Datensatz. Jede Darstellung der Glykierung, die bei CML endet, misst den Marker, der am leichtesten nachzuweisen ist, statt der Modifikation, die die strukturelle Arbeit leistet.

Wie Advanced Glycation End Products gemessen werden

Vier Instrumente sind gebräuchlich, und sie beantworten unterschiedliche Fragen.

Methode	Was er berichtet	Typische Einheiten	Wichtigste Einschränkung
ELISA mit monoklonalem Anti-CML-Antikörper	Antikörperreaktives Material in einer Probe	AGE-Kiloeinheiten pro 100 g	Definiert den Analyten durch das, was der Antikörper bindet; keine molare Menge einer benannten Verbindung
UPLC-MS/MS mit stabiler Isotopenverdünnung	Benannte Addukte: CML, CEL, MG-H1 und andere	mg oder nmol pro 100 g oder pro mg Protein	Erfordert erschöpfende enzymatische Hydrolyse für protein-gebundene Reste; misst nur das, worauf abgezielt wird
Isotopenverdünnungs-LC/MS von Gewebshydrolysaten	Quervernetzungen wie Glucosepan, MODIC, GODIC	pmol pro mg Kollagen	Benötigt eine Gewebebiopsie; in Populationsstudien an Lebenden nicht verfügbar
Haut-Autofluoreszenz-Lesegerät	Gesamtfluoreszenz der Haut, Emission bei 420-600 nm	Willkürliche Autofluoreszenzeinheiten	Unspezifisch; viele AGEs sind nicht fluoreszent und andere Fluorophore sind es

Rabbani und Thornalley beschreiben die Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie in Kombination mit stabiler Isotopenverdünnungsanalyse als Referenzmethode zur Quantifizierung von Glykierungs-, Oxidations- und Nitrierungsaddukten, die hohe Empfindlichkeit und hohe Spezifität liefert und die gleichzeitige Messung vieler Addukte in einem Lauf ermöglicht. Alles andere ist ein Surrogatmaß.

Die nicht-invasive Option verdient eine besondere Warnung. Meerwaldt und Kollegen validierten ein Haut-Autofluoreszenz-Lesegerät gegen Biopsien von 46 Patienten mit Diabetes und 46 gematchten Kontrollen. Die Autofluoreszenz korrelierte mit kollagen-gebundener Fluoreszenz, Pentosidin, CML und CEL, aber die Korrelationskoeffizienten reichten von 0,47 bis 0,62. Bei 32 der 46 Patienten mit Diabetes lagen die Werte oberhalb des 95%-Konfidenzintervalls des Kontrollmittelwerts. Die Methode wurde in nicht-pigmentierter Haut validiert. Eine Korrelation in diesem Bereich ist nützlich für die Rangordnung von Gruppen und schwach für die Charakterisierung eines Individuums.

Was die Nahrungsaufnahme im Plasma vorhersagt, und was nicht

Die CODAM-Studie maß Plasma- und Urin-CML, -CEL und -MG-H1 mittels UPLC-MS/MS bei 450 Teilnehmern und schätzte die Aufnahme mit einem Food-Frequency-Fragebogen in Kombination mit der massenspektrometrischen Lebensmitteldatenbank. Eine höhere geschätzte Aufnahme jeder Verbindung war mit höheren Spiegeln des entsprechenden freien Addukts in Plasma und Urin assoziiert. Für Plasma betrugen die standardisierten Koeffizienten 0,253 (95 % CI 0,086 bis 0,415) für CML, 0,194 (0,040 bis 0,339) für CEL und 0,223 (0,069 bis 0,373) für MG-H1.

Dieselbe Arbeit berichtet, dass die Assoziationen zwischen diätetischen AGEs und den entsprechenden protein-gebundenen Plasma-Addukten nicht signifikant waren. Diese Unterscheidung ist entscheidend. Freie Addukte sind kleine Moleküle auf dem Weg zur renalen Clearance. Der protein-gebundene Pool ist derjenige, der auf langlebigen Proteinen sitzt und diese quervernetzt. Eine beobachtete Assoziation mit dem ersten ist kein Beleg für den zweiten, und in der Lücke zwischen beiden scheitern die meisten selbstsicheren Aussagen über diätetische Glykierung stillschweigend.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Maillard-Reaktion im menschlichen Körper?

Es ist dieselbe nichtenzymatische Bräunungschemie, die in erhitzten oder gelagerten Lebensmitteln abläuft: Ein reduzierender Zucker kondensiert mit einer freien Aminogruppe an einem Protein, lagert sich um und dehydratisiert zu Pigmenten und quervernetzten Produkten. Monnier und Cerami postulierten 1981, dass langlebige Proteine wie Linsen-Crystalline und Hautkollagen anfällig sind, weil sie nicht schnell genug ersetzt werden, um ihr zu entgehen.

Was ist Carboxymethyllysin und wo entsteht es?

N-epsilon-(Carboxymethyl)lysin, oder CML, ist ein stabiles Glykierungsaddukt des Lysins (PubChem CID 123800, C8H16N2O4, 204,22 g/mol, CAS 5746-04-3). Es entsteht sowohl im Körper als auch in erhitzten Lebensmitteln, aus Glucose und aus der oxidativen Fragmentierung von Zuckern und Lipiden. Seine chemische Stabilität ist der Grund, warum es der am häufigsten quantifizierte AGE-Marker ist, in Gewebe, Plasma, Urin und Lebensmitteln.

Verändert die Garmethode die Advanced Glycation End Products in Lebensmitteln?

Den Messungen zufolge ja, und zwar erheblich. In der Immunoassay-Datenbank mit 549 Einträgen erhöhte trockene Hitze den AGE-Gehalt gegenüber dem ungegarten Zustand über alle Lebensmittelkategorien hinweg um mehr als das 10- bis 100-Fache, während feuchte Hitze, kürzere Garzeiten, niedrigere Temperaturen und saure Zutaten die Neubildung verringerten. Die massenspektrometrische Datenbank fand unabhängig davon die höchsten Gehalte in hoch erhitzt verarbeiteten Nuss- und Getreideprodukten sowie in Fleischkonserven.

Warum widersprechen sich zwei Datenbanken zu diätetischen AGEs?

Weil sie unterschiedliche Dinge messen. Die Datenbank von 2010 berichtet antikörperreaktives Material in willkürlichen Kilounits aus einem ELISA, der auf einem monoklonalen Anti-CML-Antikörper basiert. Die Datenbank von 2016 berichtet molare Mengen von drei namentlich genannten Verbindungen mittels UPLC-MS/MS. Keine ist eine umskalierte Version der anderen, und Werte der einen lassen sich nicht in Werte der anderen umrechnen.

Ist die Haut-Autofluoreszenz ein zuverlässiges Maß für AGEs?

Sie ist ein nützlicher nicht-invasiver Proxy mit klaren Grenzen. Gegen Hautbiopsien validiert, korrelierte die Autofluoreszenz mit kollagen-gebundener Fluoreszenz, Pentosidin, CML und CEL mit Koeffizienten von 0,47 bis 0,62 und wurde in nicht pigmentierter Haut validiert. Viele AGEs sind nicht fluoreszent, andere Hautfluorophore hingegen schon, daher ist das Signal nicht spezifisch für Glykierung.

Erhöhen diätetische AGEs die AGE-Spiegel im Blut?

Bei 450 CODAM-Teilnehmern war eine höhere geschätzte diätetische Aufnahme von CML, CEL und MG-H1 mit höheren Spiegeln freier Addukte in Plasma und Urin assoziiert. Assoziationen mit den entsprechenden proteingebundenen Plasma-Addukten waren statistisch nicht signifikant. Da der proteingebundene Pool derjenige ist, der mit der Gewebsquervernetzung in Verbindung gebracht wird, ist dieses Nullergebnis ebenso wichtig wie das positive.

Was ist Glucosepan und warum ist es wichtig?

Glucosepan ist eine Lysin-Arginin-Quervernetzung, die aus Glucose hervorgeht (PubChem CID 135565852, C18H32N6O6, 428,5 g/mol). Mittels Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie in menschlichem Hautkollagen gemessen, erreichte es bei Nichtdiabetikern im Alter von 90 Jahren etwa 2000 pmol/mg und bei Diabetes 5000 pmol/mg, zwei Größenordnungen über anderen quantifizierten Quervernetzungen in denselben Proben.

Literatur

Nur für Forschungszwecke. Nonsensia liefert analytische Referenzstandards für Labor- und Forschungsanwendungen. Dieser Artikel wird zu wissenschaftlichen und Bildungszwecken veröffentlicht. Er ist keine medizinische Beratung, er beschreibt keine Anwendung am Menschen, und nichts darin darf als Empfehlung verstanden werden, einem Menschen oder Tier eine Substanz zu verabreichen.

Abgelegt unter: Longevity Science

Dieser Artikel ist Teil unseres Leitfadens zu Die Biologie des Alterns: Hallmarks, Chemie und was die Evidenz stützt.

Glykierung und Advanced Glycation End Products