Gasotransmitter: Wie giftige Gase im Körper als Signalmoleküle wirken

Giftige Gase, essenzielle Botenstoffe

Stickstoffmonoxid, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff sind vor allem als Gifte bekannt. Atmet man genug davon ein, stirbt man. Doch jede Zelle im menschlichen Körper produziert bewusst winzige Mengen dieser Gase und nutzt sie, um Botschaften zu senden, die die Organe funktionsfähig halten. Wissenschaftler nennen sie Gasotransmitter – eine Klasse von Signalmolekülen, die die Lehrbuchbiologie in den letzten drei Jahrzehnten neu geschrieben hat.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Neurotransmittern wie Serotonin oder Dopamin können Gasotransmitter nicht in Vesikeln gespeichert werden. Sie werden bei Bedarf produziert, diffundieren frei durch Zellmembranen, ohne dass ein Rezeptor am Eingang benötigt wird, und zerfallen innerhalb von Sekunden. Diese Geschwindigkeit und Durchlässigkeit machen sie einzigartig geeignet für die schnelle, kurzreichweitige Kommunikation zwischen und innerhalb von Zellen.

Die großen Drei

Stickstoffmonoxid (NO)

Stickstoffmonoxid war der erste von der Wissenschaft erkannte Gasotransmitter. 1998 erhielten Robert Furchgott, Louis Ignarro und Ferid Murad den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für den Nachweis, dass NO die Blutgefäßwände entspannt und den Blutdruck senkt. Die Entdeckung erklärte, wie Nitroglycerin – seit den 1870er Jahren gegen Brustschmerzen verschrieben – tatsächlich wirkt. Heute ist bekannt, dass NO die Immunabwehr, die Wundheilung und die neuronale Kommunikation reguliert. Enzyme, die als Stickstoffmonoxid-Synthasen (NOS) bezeichnet werden, produzieren es aus der Aminosäure L-Arginin.

Kohlenmonoxid (CO)

Kohlenmonoxid, der stille Killer defekter Heizungen, wird auch im menschlichen Körper durch das Enzym Hämoxygenase erzeugt, das altes Hämoglobin abbaut. In den winzigen Konzentrationen, die Zellen produzieren, wirkt CO entzündungshemmend, hilft bei der Regulierung des zirkadianen Rhythmus und schützt Gewebe bei Organtransplantationen. Da CO chemisch stabil ist, kann es sich weiter als NO ausbreiten, bevor es abgebaut wird, wodurch es für die Signalübertragung über größere Entfernungen innerhalb des Gewebes wirksam ist.

Schwefelwasserstoff (H₂S)

Das neueste Mitglied des Trios, Schwefelwasserstoff, riecht nach faulen Eiern und ist in hohen Dosen tödlich. Aber in den nanomolaren Konzentrationen, die der Körper produziert, entspannt H₂S die glatte Muskulatur, moduliert Entzündungen und spielt eine entscheidende Rolle im Gehirn. Zwei Enzyme – Cystathionin-β-Synthase (CBS) im Gehirn und Cystathionin-γ-Lyase (CSE) in peripheren Geweben – erzeugen es aus der Aminosäure Cystein.

Wie sie auf molekularer Ebene wirken

Jeder Gasotransmitter signalisiert durch einen anderen chemischen Trick. NO aktiviert ein Enzym namens lösliche Guanylylcyclase, das ein zweites Botenmolekül (cyclisches GMP) produziert, das nachgeschaltete Effekte wie die Erweiterung der Blutgefäße auslöst. CO bindet an eisenhaltige Hämproteine und verändert deren Aktivität. H₂S modifiziert Proteine durch einen Prozess namens S-Sulfhydrierung – Anheftung eines Schwefelatoms an reaktive Cysteinreste auf Zielproteinen, was diese typischerweise aktiviert.

Laut einem Übersichtsartikel in Nature Reviews Drug Discovery können alle drei Gase miteinander interagieren und sich gegenseitig verstärken oder aufheben – ein Grad an Wechselwirkung, den die Forscher noch kartieren.

Warum sie für die Medizin wichtig sind

Das Verständnis von Gasotransmittern hat bereits Blockbuster-Medikamente hervorgebracht. Viagra (Sildenafil) wirkt, indem es die NO-Signalkaskade verlängert. Inhaliertes NO ist eine Standardtherapie für Neugeborene mit pulmonaler Hypertonie. Forscher entwickeln nun H₂S-Donator-Medikamente mit langsamer Freisetzung für Erkrankungen, die von Herzinsuffizienz bis hin zu entzündlichen Darmerkrankungen reichen.

Jüngste Forschungsergebnisse von Johns Hopkins Medicine haben die Rolle von H₂S bei der Alzheimer-Krankheit hervorgehoben. Wissenschaftler fanden heraus, dass Mäuse, denen das CSE-Enzym fehlt – und die daher keine normalen Mengen an Schwefelwasserstoff produzieren können –, Gedächtnisverlust, DNA-Schäden und beeinträchtigte Blut-Hirn-Schranken entwickelten, allesamt Kennzeichen von Alzheimer. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Aufrechterhaltung eines gesunden H₂S-Spiegels im Gehirn vor Neurodegeneration schützen kann.

Wie es weitergeht

Die größte Herausforderung ist die Dosierung. Alle drei Gase sind in hohen Konzentrationen giftig, daher entwickeln Pharmaunternehmen Moleküle, die kontrollierte Mengen nur bei Bedarf freisetzen. Mehrere H₂S-freisetzende Verbindungen befinden sich bereits in klinischen Studien. In der Zwischenzeit argumentieren einige Forscher, dass andere kleine Gase – wie Schwefeldioxid und Ammoniak – möglicherweise irgendwann der Gasotransmitter-Familie beitreten werden, obwohl die Beweise noch vorläufig sind.

Was als Paradox begann – Gifte, die heilen – ist zu einer der aktivsten Fronten der biomedizinischen Forschung geworden. Die Gase, die Ihr Körper zur Abtötung von Eindringlingen und zur Weiterleitung von Botschaften produziert, könnten bald genutzt werden, um Krankheiten von Bluthochdruck bis Demenz zu behandeln.