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Polysaccharide und Glykoproteine

16. April 2022
Dr. Dorothee Bös et al.

Polysaccharide werden auch Glykane genannt und sind als Vielfachzucker eine Untergruppe der Kohlenhydrate. Je nachdem aus welchen Einzelzuckern sie zusammengesetzt sind, haben sie unterschiedliche Namen. Die folgenden acht essenziellen Einzelzucker sind die Bausteine für die Polysaccharide: Glukose, Galaktose, Mannose, Fucose, Xylose, N-Acetylglucosamin, N-Acetylgalaktosamin und N-Acetylneuraminsäure.

Eine Untergruppe, die Proteoglykane (Mucopolysaccharide), ist ein wichtiger Bestandteil der extrazellulären Matrix und der Zelloberfläche. Proteoglykane haben ein hohes Wasserbindungsvermögen. Sie sind durch einen hohen Polysaccharidanteil von 80 bis 94 Prozent und einen niedrigen Proteinanteil von sechs bis 20 Prozent gekennzeichnet.

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Proteingebundene Glykane wirken effektiver auf das Immunsystem als reine Polysaccharide. Studien fokussieren sich heutzutage auf ß-1-3- und ß-1-6-Glukane. Dies sind Polysaccharide aus Glukose mit einer besonderen chemischen Struktur. Je nachdem, in welcher Pflanze oder in welchem Pilz sie enthalten sind, haben sie spezielle Namen: Lentinan aus dem Shiitake (Lentinula edodes), Pleuran aus dem Pleurotus ostreatus, Grifolan oder D-Fraktion aus dem Maitake (Grifola frondosa).

Vorkommen in der Natur

Beispiele für Polysaccharide sind Glykogen (Speicherzucker bei Mensch, Tier und in Ständerpilzen), Stärke (Speicherzucker in der Pflanze), Zellulose und Chitin. Sie dienen als wichtige Reservestoffe und Nahrungsgrundlage.

Die ß-Glukane finden sich in Algen, Hafer, Weizen oder Hefen. Die größte Vielfalt der besonders wertvollen ß-Glukane ist aber insbesondere in Pilzen enthalten. Neben den bereits in Studien gut untersuchten ß-Glukanen gibt es auch noch viele andere biologisch aktive Polysaccharide in Pilzen. Pflanzen enthalten vor allem ß-1-4-Glukane mit einem Molekulargewicht von 45.000-50.000 Dalton. ß-Glukane in Pilzen haben ein Gewicht von 1,5 – 2 Mio. Dalton. Das ist ein Pluspunkt, denn es wird vermutet, dass ein hohes Molekulargewicht eine bessere und komplexere Wirkung auf unseren Körper hat. Außerdem hat man festgestellt, dass der Pilz-Fruchtkörper eine höhere Gesamtmenge und eine größere Vielfalt an Polysacchariden enthält als das Myzel. Dabei hängt die Konzentration der Polysaccharide vom Entwicklungsstadium des Fruchtkörpers ab. Auch die Zunahme der Aktivität der Polysaccharide steigt mit Entwicklung und Wachstum des Pilz-Fruchtkörpers.

Eigenschaften

Polysaccharide besitzen ein sehr hohes Potential in Bezug auf die Veränderung ihrer chemischen Struktur und somit eine sehr große Kapazität, biologische Informationen zu vermitteln. Dies ermöglicht eine enorme Flexibilität, die wichtig ist, um präzise Regulationsmechanismen in höheren Organismen zu beeinflussen. Während zum Beispiel nur 24 Oligopeptid-Konfigurationen mit vier Peptiden (Proteinen) möglich sind, sind mehr als 1.000 verschiedene Oligosaccharid-Konfigurationen mit vier Kohlenhydratmolekülen möglich.

Es gibt viele ß-Glukane aus Pilzen, deren detaillierte Struktur noch nicht abschließend erforscht ist. Um effektiv zu wirken, scheinen die ß-Glukane eine ß-(1-3) oder ß-(1-6) Verknüpfung aufweisen zu müssen. Je komplexer sie aufgebaut und verzweigt sind, desto komplexer scheinen sie auch auf den menschlichen Körper zu wirken.

Durch Vitamin C verändert sich ein hohes Molekulargewicht zu einem niedrigem. Das führt zur besseren Absorption in Darm und Blut. Eine Forschungsstudie von Rice hat gezeigt, dass die intestinale Aufnahme des ß-Glukans ein aktiver Prozess ist, der von den gastrointestinalen Makrophagen abhängt.

Experimente mit gekennzeichneten ß-Glukanen haben gezeigt, dass sie drei Tage nach der Einnahme in den Lymphknoten und in der Milz und vier Tage nach der Einnahme im Knochenmark nachzuweisen sind. In allen Fällen sind sie innerhalb der Makrophagen nachzuweisen. In den ersten drei Tagen nach der oralen Einnahme bewirken die ß-Glukane keine Veränderung. Innerhalb von 14 bis 21 Tagen werden sie dann abgebaut. Die so entstandenen Fragmente sind biologisch aktiv, werden nach außen abgegeben und schon am vierten Tag vom CR3 an der Membran der Granulozyten aufgegriffen. Dort entfalten sie ihre Funktion der Stimulierung des Immunsystems.

Abhängig vom Grad der Polymerisation gibt es lösliche – diese haben eine stärker immunstimulierende Wirkung – und unlösliche ß-Glukane. Je stärker sie verzweigt sind, desto eher sind sie wasserlöslich. Die Polysaccharide mit einem niedrigen molekularen Gewicht sind auch in Alkohol löslich.

Der Zusammenhang zwischen chemischer Struktur und Wirkung

In Japan und China haben einige der Polysaccharide aus Pilzen die Phasen I, II und III von klinischen Studien durchlaufen. Größe und Komplexität ihrer Struktur erschweren es jedoch, die genauen Wirkmechanismen zu studieren. Es herrscht Uneinigkeit, ob und inwieweit die chemische Struktur (Verzweigung, Molekulargewicht) Auswirkungen auf die Aktionsmechanismen im Körper hat. Die Daten über die Beziehung zwischen chemischer Struktur und Wirkung sind sehr unterschiedlich und widersprüchlich.

Einerseits wird berichtet, dass Polysaccharide mit hohem Molekulargewicht (800.000 Dalton) Einfluss auf eine Vielzahl von Immunfunktionen haben, aber dass nachdem die Größe durch Erhitzen reduziert wird, auch die Bandbreite und Stärke der Wirkung proportional reduziert ist. Studien in vitro haben gezeigt, dass ß-Glukane mit hohem molekularem Gewicht die Leukozyten direkt aktivieren können. Nach Fadok et al. erhöhen ß-Glukane mit einem hohen Molekulargewicht auch die Fähigkeit der Makrophagen, apoptotische Zellen wiederzuerkennen und zu vernichten. Auch bei ß-Glukanen mit einem mittleren oder einem niedrigen molekularen Gewicht wurden biologische Aktivitäten in vivo nachgewiesen. Allerdings sind ihre zellulären Auswirkungen weniger klar. ß-Glukane mit einem sehr niedrigen Molekulargewicht (5.000 – 10.000 Dalton) sind hingegen inaktiv.

Auch an anderer Stelle findet man den Hinweis, dass Denaturierung die durch Zytokine induzierte Aktivität der Monozyten reduziert und dass durch die Reinigung von Einzelsubstanzen Wirkungen verloren gehen. Andere Aussagen postulieren, es sei nicht gesichert, dass ein hohes Molekulargewicht generell besser wirke. Je nach Ausgangssubstanz sei dies unterschiedlich.

Solange nicht geklärt ist, welches isolierte Polysaccharid das wirkungsvollste ist, sollte man die Polysaccharide daher in der Form verwenden, wie sie uns von der Natur angeboten werden: Ungereinigt, nicht denaturiert und als Kombination der verschiedensten chemischen Strukturen. Dies wird auch durch mehrere Studien – Ghoneum et al., 1995; Wedam and Haynes, 1997; Sawai et al., 2002 – bestätigt. All diese Studien zeigen, dass eine Mischung aus verschiedenen Polysacchariden das Immunsystem stärker beeinflusst.

Die Wirkung auf das Immunsystem

Die ß-Glukane ähneln den Polysaccharid-Ketten auf der äußeren Zellwand von Bakterien. Dadurch wird das Eindringen von Erregern simuliert und das Abwehrsystem wird trainiert. ß-Glukane werden nicht vom menschlichen Organismus synthetisiert. Daher erkennt sie das Immunsystem als körperfremd, so dass sie sowohl die angeborene als auch die erworbene Immunantwort anregen.

Um es genauer zu sagen: ß-Glukane haben ähnliche molekulare Eigenschaften wie Pathogene. Sie werden daher von bestimmten Rezeptoren der Zelloberflächen erkannt und lösen eine Immunantwort aus. Diese Rezeptoren sind Dektin-1, der Komplementrezeptor, der Scavenger Rezeptor, LacCer (Lactosylceramide) und der TLR (toll-like-Rezeptor). Es sind die Rezeptoren über die ß-Glukane ihre Wirkung vermitteln.

3-D Illustration eines menschlichen Körpers mit einem symbolischen Schutzschild vor Viren und Bakterien Dektin-1 ist ein Lektin und findet sich auf Makrophagen, neutrophilen Granulozyten, dendritischen Zellen und T-Zellen. ß-1-3- und ß-1-6-Glukane binden daran. Diese Bindung führt zur Aktivierung der Phagozytose, welche die Produktion von ROS, TNF-alpha, IL-2, IL-10 und IL-12 stimuliert.

Der Komplementrezeptor ist zu finden auf neutrophilen Granulozyten, Monozyten und NK-Zellen. ß-Glukane und zahlreiche Pathogene binden daran. Dies löst einen zytotoxischen Effekt auf Tumorzellen aus.

Der Scavenger Rezeptor ist auf Endothelzellen und myeloischen Zellen (Monozyten, Granulozyten) zu finden. Daran binden LDL, HDL, verschiedene körperfremde Zellen und Lentinan. Dies aktiviert verschiedene Kinasen und eNOS.

LacCer auf neutrophilen Granulozyten führt zur ROS-Bildung; LacCer auf epithelialen Zellen zur Synthese von TNF-alpha und NF-kappa B. Daran binden ß-Glukane und mikrobielle Zellen.

Der Toll-like-Rezeptor TLR ist auf Makrophagen, Lymphozyten, dendritischen Zellen und Epithelzellen zu finden. Er reagiert auf Pilze, Bakterien, Viren und Protozoen, wodurch NFkappa B und Zytokine (TNF-alpha, IL-12) gebildet werden.

Der Effekt auf die angeborene unspezifische Immunantwort besteht darin, die Zytotoxizität und Zytokinproduktion von Makrophagen, natürlichen Killerzellen und neutrophilen Granulozyten zu erhöhen. Auch durch die Produktion von freien Sauerstoff-und Stickstoffradikalen (NO-Gas) agieren sie gegen entartete Zellen, Viren und Bakterien.

Der Effekt auf die erworbene Immunantwort besteht in der Aktivierung der dendritischen Zellen. Diese leiten sich von Monozyten ab und präsentieren den T-Zellen Antigene. ß-Glukane stimulieren außerdem die Produktion der Zytokine und Chemokine IL-8, IL-1b, IL-6, und den Tumornekrosefaktor TNF-α. Weiterhin die Fähigkeit der Makrophagen, die in der Apoptose befindlichen Zellen wiederzuerkennen und zu eliminieren.

ß-Glukane zeigen im Tierversuch und in klinischen Studien bedeutsame Effekte. Darunter eine antivirale Wirkung bei HIV (CD4-Zellen Anstieg), Hepatitis B (Anregung der Phagozytose) und dem Schweinegrippe-Virus (Abnahme viraler Nukleinsäuren in infizierten Tierzellen, den Anstieg von Interferongamma und NO-Gas), sowie generell eine antibakterielle und antifungale Wirkung. Auch die Wundheilung wird durch Erhöhung der Aktivität der Makrophagen unterstützt.

Außerdem wurde ein direkter zytotoxischer Effekt auf Krebszellen durch Polysaccharide entdeckt. Somit kann sowohl die Krebsentstehung als auch das Fortschreiten des Tumorgeschehens durch ß-Glukane womöglich aufgehalten werden. Aktive Polysaccharide sind außerdem Ballaststoffe, die mögliche Karzinogene absorbieren können und deren Ausscheidung über den Darm fördern.

Weitere Wirkungen der Polysaccharide

ß-Glukane senken den Cholesterinspiegel, wobei der Wirkmechanismus nicht genau geklärt ist. Eine Theorie schlägt vor, dass sie eine vermehrte Ausschüttung von Gallensäuren bewirken, so dass auch mehr Cholesterin ausgeschieden wird. Die andere Theorie besagt, dass die Produktion von Cholesterol in der Leber unter ihrer Einnahme reduziert wird.

ß-Glukane können außerdem den Blutzuckeranstieg nach dem Essen senken. Der Grund dafür ist, dass sie wahrscheinlich eine Verzögerung der Magenentleerung bewirken. Tierversuche zeigen zudem auch einen hypoglykämischen Effekt nach der Injektion von Polysacchariden. Dies erklärt sich nicht durch die verzögerte Magenentleerung, sondern durch andere bislang nicht eindeutig geklärte Mechanismen. Am wahrscheinlichsten sind Veränderungen an den Insulinrezeptoren, die unter ihrem Einfluss sensibler für die Aufnahme von Zucker in die Zellen werden. Weiterhin wird ein direkter Anstieg der Insulinspiegel diskutiert.

ß-Glukane entfalten darüber hinaus auch eine senkende Wirkung auf die Triglyzeride und sind hilfreich gegen Arteriosklerose. Somit lässt sich auch ihr blutzucker- und blutdruckkontrollierender Effekt erklären.

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Wissenschaftliche Studien / Quellen

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