Protease-Inhibitoren: Pflanzliche Enzymhemmer

Proteasen (z.B. Trypsin, Chymotrypsin) sind Enzyme, die unter anderem aus der Bauchspeicheldrüse stemmen und im Magen-Darm-Trakt vorkommen. Sie sind in der Lage Proteine in Aminosäuren aufzuspalten. Protease-Inhibitoren hemmen – wie der Name schon verrät – die Aktivität dieser Proteasen spezifisch.

Aufbau und Eigenschaften

Die Gruppe der Protease-Inhibitoren besteht aus Polypeptidketten von 100 bis 200 Aminosäuren, die über Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Protease-Inhibitoren werden nicht nur mit der Nahrung aufgenommen, sondern können auch vom Körper selbst gebildet werden, um z.B. entstandene Entzündungen zu kontrollieren. Bei den Protease-Inhibitoren handelt es sich um Pflanzenproteine, die gegenüber verschiedenen Proteinasen (z.B. Serin-Proteinasen, Thiol-Proteinasen) eine Inhibitoraktivität besitzen. Sie hemmen die Aktivität von eiweißabbauenden Enzymen (Proteasen wie z.B. Trypsin, Chymotrypsin, Plasmin und Elastase) im Magen-Darm-Trakt, so dass die Aminosäure-Verfügbarkeit aus der Nahrung gesenkt wird. Durch die Hemmung kommt es im Körper zu einer vermehrten Enzymsynthese, was wiederum zu einem Mangel an verschiedenen Aminosäuren führt. Dieser Effekt ist beim Menschen aber nur minimal, so dass die gesundheitsfördernden Wirkungen überwiegen und die Eiweißversorgung durchaus gewährleistet ist.

  • Protease = eiweißspaltendes Enzym
  • Inhibitor = Hemmstoff

Protease-Inhibitoren bestehen aus Polypeptidketten, die aus 100 bis 200 Aminosäuren zusammengesetzt sind. Sie hemmen die Tätigkeit der eiweißabbauenden Enzyme im Magen-Darm-Trakt. Für die Inhibitorwirkung sind zwischen den Polypeptidketten vorhandene Disulfidbrücken verantwortlich. Eine Reduktion der Disulfidbrücken kann die Inhibitorwirkung wieder aufheben. Sojabohnen enthalten mindestens fünf verschiedene Protease-Inhibitoren, wobei jeder für eine bestimmte Serinprotease spezifisch ist (Trypsin, Chymotrypsin, Thromboplastin, Plasmin, Elastase).
Der Mensch nimmt Protease-Inhibitoren nicht nur aus der Nahrung auf, auch der Organismus kann diese selbst synthetisieren. Das α-Antitrypsin in der Lunge ist beispielsweise ein solcher Protease-Inhibitor beim Menschen. Viele Nahrungspflanzen enthalten mindestens einen Protease-Inhibitor.

Funktionen und Aufgaben

Lange Zeit wurden Protease-Inhibitoren ausnahmslos wegen ihrer enzymhemmenden Wirkung als gesundheitsschädlich angesehen, wobei mittlerweile bekannt ist, dass sie antikanzerogen, antioxidativ sowie – laut einigen Autoren – auch entzündungshemmend oder blutglucosespiegelsenkend wirken. Ebenfalls konnte beispielsweise bei Vegetariern und Asiaten, die Protease-Inhibitoren in größeren Mengen zu sich nehmen, keine erkennbaren nachteiligen Wirkungen beobachtet werden, so dass eine mögliche gesundheitsschädliche Wirkung bei normalen Verzehrsgewohnheiten zu vernachlässigen ist. Demnach überwiegen die gesundheitsfördernden Eigenschaften der Protease-Inhibitoren.

Die Funktion der Protease-Inhibitoren für die Pflanze selbst besteht darin, dass sie der induzierten Abwehr von Fressfeinden dienen. Hierbei erschweren oder verhindern die Protease-Inhibitoren die Assimilation von Proteinen bei den Fraßfeinden, wodurch Wachstums- und Entwicklungsstörungen bei diesen auftreten können.

Antikanzerogene Wirkung

In Untersuchungen für einige im Pflanzenreich vorkommende Protease-Inhibitoren wurden antikanzerogene Wirkungen nachgewiesen. So zeigten viele In-vitro-Studien, dass Protease-Inhibitoren vor der Entwicklung von malignen Zellen (Lungen-, Ösophagus-, Darm-, Pankreas-, Anal-, Mamma-, Zervix- und Kopf-Hals-Karzinome) schützen. Der am besten untersuchte Protease-Inhibitor ist der Bowman-Birk-Inhibitor aus der Sojabohne. Anhand vieler Studien lässt sich belegen, dass dieser die Entwicklung verschiedener Krebsarten wie Dickdarm-, Mundhöhlen-, Lungen-, Leber- und Speiseröhrenkrebs beeinflusst. Zusätzlich konnte bei weiteren Protease-Inhibitoren eine Hemmung der physikalisch oder chemisch induzierten Tumorauslösung nachgewiesen werden. Eine Vielzahl dieser Protease-Inhibitoren schützt bereits in vitro schon in sehr kleinen Mengen vor zellulären Schäden. Eine protektive Wirkung gegen Krebs an unterschiedlichen Organen konnte ebenfalls nachgewiesen werden.

Im Duodenum (Zwölffingerdarm) verbinden sich die Protease-Inhibitoren mit Chymotrypsin und/oder Trypsin, wodurch Proteasen inaktiviert werden. Dadurch wiederum wird die Proteinresorption und als Folge daraus auch die Aminosäureverfügbarkeit für das Wachstum von Tumorzellen eingeschränkt, weshalb Protease-Inhibitoren unter anderem antikanzerogen wirken.

Die Verabreichung des Bowman-Birk-Inhibitors beeinflusste die Entstehung von Lungenkrebs bei Mäusen und war ebenfalls in der Lage die Entwicklung von Lungentumoren in Mäusen nach der Tumorinitiation zu blockieren. Auch wenn die Verabreichung unterbrochen wurde, hielt die antikanzerogene Wirkung an. Somit müssen die Protease-Inhibitoren nicht andauernd anwesend sein, um ihre Wirkung auf die Lungenzellen zu bewirken. Bei einzelnen Bevölkerungsgruppen, zum Beispiel bei den Adventisten des Siebten Tages und Vegetariern, ist die Protease-Inhibitoren Aufnahme aus der Nahrung höher als bei der übrigen Bevölkerung. Hier wurden niedrigere Krebsarten beobachtet, die teilweise auf die antikanzerogenen Wirkungen der Protease-Inhibitoren zurückzuführen sind. Ein verringertes Risiko für Brust-, Dickdarm- oder Prostatakrebs zeigte die Gruppe, die sich vegetarisch ernährte. Auch Personen, die einen hohen Anteil an Getreide verzehrten, wiesen eine niedrigere Dickdarmkrebshäufigkeit auf. Es ist jedoch zu sagen, dass diese Ergebnisse auch durch eine Vielzahl anderer sekundärer Pflanzenstoffe zu erklären ist oder anhand der verminderten Menge an Fett, die verzehrt wurde, bzw. einer niedrigeren Nahrungsenergieaufnahme, vielleicht aber auch durch einen gesünderen Lebensstil.

Über die Mechanismen der protektiven Wirkung von Protease-Inhibitoren werden somit die folgenden drei Hypothesen angestellt:

  • Hemmung der Krebsentstehung durch Verminderung der Aminosäurenverfügbarkeit
  • kompetitive Hemmung von tumorspezifischen Proteasen, die an der Krebsentstehung beteiligt sind
  • antioxidative Wirkung

Antioxidative Wirkung

Es konnten durch verschiedene Untersuchungen antioxidative Wirkungen für Protease-Inhibitoren aus Soja- und Limabohnen sowie aus Kartoffeln nachgewiesen werden. Auch hier sind die Bowman-Birk-Inhibitoren die am intensivsten untersuchte Gruppe der Protease-Inhibitoren. Die antioxidative Wirkung ist sowohl von der Dosis abhängig als auch von der Art des Protease-Inhibitors. Eine gute Antioxidanswirkung zeigten Protease-Inhibitoren, die spezifisch Chymotrypsin hemmen. Jedoch wiesen Inhibitoren, die nur Trypsin hemmen, keine Wirkung auf. Verantwortlich für die antioxidative Wirkung von Protease-Inhibitoren sind vermutlich Schwefelatome. Vermutlich werden die Bildung des Superoxidanionradikals und des Wasserstoffperoxids dadurch verhindert, dass die Radikale mit den Schwefelatomen der Inhibitoren oder ihrer Komplexe gebunden werden. Hauptsächlich wirken die Protease-Inhibitoren im Magen-Darm-Trakt antioxidativ, da sie zu einem großen Teil nicht resorbiert werden.

Vorkommen

Größere Mengen von Protease-Inhibitoren finden sich in einigen Getreidearten (z.B. Hafer, Weizen, Reis, Mais), Kartoffeln, Erdnüssen und Hülsenfrüchten (z.B. Sojabohnen, Mungobohnen, Gartenerbsen), wobei die Sojabohne einen besonders hohen Gehalt an Protease-Inhibitoren aufweist. Während in Kartoffeln mindestens 6 verschiedene Protease-Inhibitoren vorkommen und in der Sojabohne fünf verschiedene Protease-Inhibitoren enthalten sind (siehe Tabelle), beinhalten Reis, Mais, Hafer und Weizen jeweils nur einen Protease-Inhibitor gegen Trypsin. Da sie kaum verdaut werden, gelangen sie zu 90% in den Dickdarm.

Der Gehalt bzw. die Aktivität der Protease-Inhibitoren kann durch Erhitzen oder Keimen (z.B. bei Sojabohnen) erheblich verringert oder inaktiviert werden. So verringert sich beispielsweise die Aktivität des Trypsin-Inhibitors, bei Temperaturen, bei den Weizen normalerweise verarbeitet wird, um circa 80 %.