Glucosaminsulfat (GS) ist ein Monosaccharid (Einfachzucker) und gehört zu den Kohlenhydraten. Es handelt sich um ein Derivat (Abkömmling) der D-Glucose (Traubenzucker), von der sich GS nur durch die Substitution (Austausch) der Hydroxy (OH)-Gruppe am zweiten Kohlenstoff (C)-Atom durch eine Amino (NH2)-Gruppe – Aminozucker, D-Glucosamin – und durch das Vorhandensein einer Sulfat (SO4)-Gruppe – D-Glucosaminsulfat –, die an der NH2-Gruppe gebunden ist, unterscheidet [4, 17, 18, 20, 25, 30, 34].

Glucosamin ist – meist in Form von N-Acetylglucosamin (GlcNAc) oder Glucosaminsulfat – Grundmolekül der Glykosaminoglykane, jene Mucopolysaccharide, die aus repetitiven (sich wiederholenden) Disaccharid (Zweifachzucker)-Einheiten (Uronsäure + Aminozucker) bestehen und die Kohlenhydratseitenketten der hochmolekularen Proteoglykane (glykosylierte Glykoproteine, die wichtiger Bestandteil der extrazellulären Matrix, insbesondere von Knochen, Knorpel und Sehnen, sind) bilden. Je nach Zusammensetzung der Disaccharideinheiten sind verschiedene Glykosaminoglykane voneinander zu unterscheiden – Hyaluronsäure (Glucuronsäure + N-Acetylglucosamin), Chondroitinsulfat und Dermatansulfat (Glucuronsäure oder Iduronsäure + N-Acetylgalactosamin), Heparin und Heparansulfat (Glucuronsäure oder Iduronsäure + N-Acetylglucosamin oder Glucosaminsulfat) sowie Keratansulfat (Galacturonsäure + N-Acetylglucosamin) [3, 7, 14, 21, 28, 29, 31, 32, 34].
Allen Glykosaminoglykanen ist gemeinsam, dass sie negative Ladungen besitzen und damit Natriumionen (Na2+) anziehen, welche wiederum den Wassereinstrom induzieren. Aus diesem Grund sind Glykosaminoglykane in der Lage, Wasser zu binden, was insbesondere für die Funktionalität des Gelenkknorpels eine wesentliche Rolle spielt [14, 28, 31].

Synthese von Glucosaminsulfat

Glucosamin wird im menschlichen Organismus aus D-Fructose-6-phosphat und der Aminosäure L-Glutamin synthetisiert (gebildet).

Im Rahmen der therapeutischen Anwendung wird Glucosamin beziehungsweise Glucosaminhydrochlorid und Glucosaminsulfat industriell hergestellt. Ausgangsstoff ist Chitin (griechisch: chiton "Unterkleid, Hülle, Panzer"). Die Gerüstsubstanz Chitin setzt sich aus mehreren Monomeren (bis zu 2.000), überwiegend aus N-Acetyl-D-glucosamin (GlcNAc) zusammen, kann aber auch D-Glucosamin-Einheiten enthalten [2, 11, 19, 21, 27].
Für die industrielle Glucosaminsynthese wird Chitin überwiegend als Sekundärrohstoff aus Abfällen der Fischerei von Krustentieren, wie Krebse und Krabben, gewonnen.

Resorption von Glucosaminsulfat

Über den Mechanismus der intestinalen (den Darm betreffend) Absorption (Aufnahme) von Glucosamin und Glucosaminsulfat ist bisher sehr wenig bekannt. Es gibt Hinweise darauf, dass Glucosamin im oberen Dünndarm durch einen aktiven Prozess mittels transmembraner Transportproteine (Carrier) in die Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) gelangt [5, 22].
In den Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) erfolgt die enzymatische Resulfatierung (Anhängen von Sulfatgruppen) von Glucosamin zu Glucosaminsulfat, wobei diese auch in Leber und anderen Organen stattfinden kann [1]. Der Transport von Glucosamin und Glucosaminsulfat aus den Enterozyten durch die basolaterale Zellmembran in die Blutbahn (Pfortader) wird durch den Glucosetransporter-2 (GLUT-2) bewerkstelligt. Dieses Carriersystem besitzt eine hohe Transportkapazität und niedrige Substrataffinität, so dass neben Glucose und Glucosederivate auch Galactose und Fructose transportiert werden. Der GLUT-2 ist auch in Leber und den Beta-Zellen des Pankreas (Insulin-produzierende Zellen der Bauchspeicheldrüse) lokalisiert und sorgt dort sowohl für die Kohlenhydrataufnahme in die Zellen als auch -abgabe in die Blutbahn [5, 33].

Nach pharmakokinetischen Studien erfolgt die intestinale Resorption von oral zugeführtem Glucosamin und Glucosaminsulfat schnell und fast vollständig (bis zu 98 %). Die hohe Verfügbarkeit von Glucosaminsulfat ergibt sich unter anderem aus seiner im Vergleich zu den Glykosaminoglykanen geringen molaren Masse beziehungsweise Molekülgröße – das GS-Molekül ist etwa 250-mal kleiner als das Chondroitinsulfatmolekül [1, 9, 17, 24, 26]. Die Absorptionsrate von Chondroitinsulfat wird auf nur 0-8 % geschätzt [16].

Transport und Verteilung von Glucosaminsulfat im Körper

Untersuchungen mit radioaktiv markiertem, oral verabreichtem Glucosamin und Glucosaminsulfat ergaben, dass diese Substanzen nach einer schnellen Resorption rasch im Blut erscheinen und zügig von den Geweben und Organen aufgenommen werden [7, 26]. Der Einbau der Aminozucker erfolgt bevorzugt in Gelenkstrukturen, vor allem in die extrazelluläre (außerhalb der Zelle) Matrix von Knorpel, Bändern und Sehnen. Dort ist Glucosaminsulfat die vorherrschende Form, da freies Glucosamin einer enzymatischen Sulfatierung (Anhängen von Sulfatgruppen) unterzogen wird. Im Gelenk stimuliert Glucosaminsulfat die Synthese von Knorpelkomponenten und Synovialflüssigkeit (Gelenkflüssigkeit). Zudem führt GS zu einer erhöhten Aufnahme von Schwefel, einem essentiellen Element für das Gelenkgewebe, in dem es für die Stabilisation der extrazellulären Matrix der Gelenkstrukturen verantwortlich ist. Durch Förderung anaboler (aufbauender) Prozesse und Hemmung kataboler (abbauender) Prozesse im Gelenkknorpel reguliert Glucosaminsulfat das dynamische Gleichgewicht von Knorpelauf- und abbau.

Ausscheidung von Glucosaminsulfat

Glucosaminsulfat wird überwiegend über die Nieren mit dem Urin (~ 30 %), vor allem in Form von Glucosamin, ausgeschieden. Aufgrund der fast vollständigen intestinalen Absorption liegt die Exkretion von GS mit den Fäzes (Stuhl) nur bei etwa 1 %. Im geringen Maße erfolgt die GS-Eliminierung auch über die Atemluft [24].

Literatur

1. Aghazadeh-Habashi A., Jamali F. (2011) The glucosamine controversy; a pharmacokinetic issue. J Pharm Pharm Sci; 14(2): 264-73

2. Bader H.J., Birkholz E. (1996) Ein wertvolles Polysaccharid aus Krabbenpanzern. PdN-Chemie, 45: 24-30

3. Biesalski H. K., Köhrle J., Schümann K. (2002) Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Prävention und Therapie mit Mikronährstoffen. Georg Thieme Verlag, Stuttgart

4. Bruyere O., Reginster J.Y. (2007) Glucosamine and chondroitin sulfate as therapeutic agents for knee and hip osteoarthritis. Drugs Aging; 24(7): 573-80

5. Caccia S., Casartelli M., Grimaldi A. (2007) Unexpected similarity of intestinal sugar absorption by SGLT1 and apical GLUT2 in an insect (Aphidius ervi, Hymenoptera) and mammals. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol; 292(6): R2284-91

6. Catham J.C., Nöt L.G., Fülöp N., Marchase R.B. (2008) Hexosamine biosynthesis and protein O-glycosylation: the first line of defense against stress, ischemia, and trauma. Shock; 29: 431

7. Hahn A., Ströhle A., Wolters M. (2006) Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart

8. Hanover J., Krause M., Love D. (2010) The hexosamine signaling pathway: O-GlcNAc cycling in feast of famine. Biochem Biophys Acta - Gen Subj; 1800: 80-95

9. Henrotin Y., Mobasheri A., Marty M. (2012) Is there any scientific evidence for the use of glucosamine in the management of human osteoarthritis? Arthritis Res Ther; 14(1): 201

10. Javid S.M., Nemati M., Valizadeh H. (2007) Preparation of Glucosamine from Exoskeleton of Shrimp and Predicting Production Yield by Response Surface Methodology. J Agric Food Chem; 55(6): 2246-2250

11. Jolles P., Muzzarelli R.A.A. (1999) Chitins and Chitinases. (P. Jolles, & R. Muzzarelli, Eds.) Birkhaeuser

12. Lequesne M., Brandt K., Bellamy N. et al (1994) Guidelines for Testing Slow Acting Drugs in Osteoarthritis. J Rheumatol; 21(Suppl 41): 65-73

13. Löffler G., Petrides P.E., Heinrich P.C. (2007) Biochemie und Pathobiochemie. Springer, Heidelberg

14. Lohmander L.S. (1988) Proteoglycans of joint cartilage. Structure, function, turnover and role as markers of joint disease. Bailliere´s Clin Rheumatol; 2: 37-62

15. Milewski S., Gabriel I., Olchowy J. (2006) Enzymes of UDP-GlcNAc biosynthesis in yeast. Yeast 23: 1-14

16. Morrison M. (1977) Therapeutic applications of chondroitin-4-sulfate, appraisal of biologic properties. Folia Angiol; 25: 225-32

17. Müller-Fassbender H., Bach G.L. (1990) D-Glucosaminsulfat als nebenwirkungsarme Alternative zu nichtsteroidalen Antirheumatika. In: "Aktuelle Rheumatologie Bayreuth Pathologie-Labor-Untersuchung-Therapie 1989" (Hrsg.: Bach G.L., Stock K.P.). Echo VerlagsGmbH, Köln; 109-124

18. Müller-Fassbender H., Bach G.L., Haase W. et al (1994) Glucosamine sulfate compared to ibuprofen in osteoarthritis of the knee. Osteoarthritis Cartilage; 2(1): 61-9

19. Muzzarelli R.A.A. (1986) Chitin in Nature and Technology. Plenum Press, New York

20. Noack W., Fischer M., Förster K.K. et al (1994) Glucosamine sulfate in osteoarthritis of the knee. Osteoarthritis Cartilage; 2(1): 51-59

21. Riegler H., Herter T., Grishkovskaya I. (2012) Crystal structure and functional characterization of a glucosamine-6-phosphate N-acetyltransferase from Arabidopsis thaliana. Biochem J

22. Rogacka D., Piwkowska A., Jankowski M. et al (2010) Expression of GFAT1 and OGT in podocytes: transport of glucosamine and the implications for glucose uptake into these cells. J Cell Physiol; 225(2): 577-84

23. Sacoman J.L., Hollingsworth R.I. (2011) Synthesis and evaluation of an N-acetylglucosamine biosynthesis inhibitor. Carbohydr Res; 346(14): 2294-9

24. Setnikar I., Giachetti C., Zanolo G. (1986) Pharmacokinetics of glucosamine in the dog and man. Arzneim Forsch; 36(4): 729-35

25. Setnikar I., Cereda R., Pacini M.A., Revel L. (1991) Antireactive properties of glucosamine sulfate. Arzneim Forsch; 41(2): 157-161

26. Setnikar I., Palumbo R., Canali S., Zanolo G. (1993) Pharmacokinetics of glucosamine in man. Arzneim Forsch; 43(10): 1109-13

27. Shepherd R., Reader S., Falshaw A. (1997) Chitosan functional properties. Glycoconj J; 14(4): 535-42

28. Stuhlsatz H.W. (1987) 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

29. Sugahara K., Kitagawa H. (2000) Recent advances in the study of the biosynthesis and functions of sulfated glycosaminoglycans. Curr Opin Struc Biol; 10: 518-27

30. Tat S.K., Pelletier J.P., Verges J. et al (2007) Chondroitin and glucosamine sulfate in combination decrease the pro-resorptive properties of human osteoarthritis subchondral bone osteoblasts: a basic science study. Arthritis Res Ther; 9(6): R117

31. Thonar E.J.M.A., Bjornsson S., Kuettner K.E. (1986) 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

32. Thonar E.J.M.A., Kuettner K.E. (1987) Biochemical basis of age-related changes in proteoglycans. In: White T.N., Mecham R.P. (eds.) Biology of proteoglycans. Academic Press, Orlando; 211-246

33. Uldry M., Thorens B. (2004) The SLC2 family of facilitated hexose and polyol transporters. Pflügers Arch; 447: 480-489

34. Wandel S., Jüni P., Tendal B. et al (2010) Effects of glusosamine, chondroitin, or placebo in patients with osteoarthritis of hip or knee: networt meta-analysis. BMJ; 341: c4675

35. Wright E.M., Turk E. (2004) The sodium/glucose cotransport family SLC5. Pflügers Arch; 447: 510-518