Lektine
Lektine sind kohlenhydratbindende Proteine, die hochspezifisch für Zuckergruppen sind, die Teil anderer Moleküle sind, und so die Agglutination bestimmter Zellen oder die Ausfällung von Glykokonjugaten und Polysacchariden verursachen. Lektine spielen eine Rolle bei der Erkennung auf zellulärer und molekularer Ebene und sind an zahlreichen biologischen Erkennungsphänomenen beteiligt, an denen Zellen, Kohlenhydrate und Proteine beteiligt sind. Lektine vermitteln auch die Anheftung und Bindung von Bakterien, Viren und Pilzen an ihre Zielorganismen. ⓘ
Lektine sind in der Natur allgegenwärtig und kommen in vielen Lebensmitteln vor. Einige Lebensmittel, wie Bohnen und Getreide, müssen gekocht, fermentiert oder gekeimt werden, um den Lektingehalt zu reduzieren. Einige Lektine sind nützlich, wie z. B. CLEC11A, das das Knochenwachstum fördert, während andere starke Gifte sein können, wie z. B. Ricin. ⓘ
Lektine können durch spezifische Mono- und Oligosaccharide unschädlich gemacht werden, die sich an die aufgenommenen Lektine aus Getreide, Hülsenfrüchten, Nachtschattengewächsen und Milchprodukten binden; die Bindung kann ihre Anlagerung an die Kohlenhydrate in der Zellmembran verhindern. Die Selektivität von Lektinen bedeutet, dass sie für die Analyse der Blutgruppe nützlich sind, und sie wurden für den potenziellen Einsatz in gentechnisch veränderten Pflanzen zur Übertragung von Schädlingsresistenz erforscht. ⓘ
Lektine sind komplexe Proteine oder Glykoproteine, die spezifische Kohlenhydratstrukturen binden und dadurch in der Lage sind, sich spezifisch an Zellen bzw. Zellmembranen zu binden und von dort aus biochemische Reaktionen auszulösen. Sie üben jedoch keine enzymatische Aktivität aus. ⓘ
Lektine (lateinisch legere ‚lesen‘, ‚auswählen‘) können verschiedene Stoffwechselvorgänge wie die Zellteilung, die ribosomale Proteinbiosynthese, die Agglutination von Zellen (in Bezug auf rote Blutkörperchen ist das eine Hämagglutination) oder das Immunsystem (Ficoline) beeinflussen. ⓘ
Lektine sind weit verbreitet. Sie können von Tieren, Pflanzen oder Mikroorganismen gebildet werden. ⓘ
Einteilung
Zu den Lektinen gehören N-Acetylglucosamin-bindende Gramineae-Lektine, die Chitin-bindenden Solanaceae-Lektine, die Gruppe der Leguminosen-Lektine und die Mannose-bindenden Lektine aus Amaryllidaceae, Alliaceae und Orchidaceae. Die Lektine aus Aegopodium podagraria und Urtica dioica sind bisher keiner Gruppe zugeordnet. Darüber hinaus sind noch viele weitere Lektine bekannt. ⓘ
Zu Lektinen zählen auch einige AB-Toxine wie z. B. hochmolekulare Samenglykoproteide wie das Rizin oder wie die bakteriellen Toxine Shiga-Toxin, Vero-Toxin, Diphtherietoxin, Exotoxin A oder alpha-Sarcin. Abrin, Ricin, Phasine (nach Phaseolus vulgaris, der Gartenbohne: Red kidney bean lectin, Erythroagglutinin, PHA-E, Phaseolin) und IgSF (englisch I-type lectins ‚I Typ Lektine‘), Calnexin und Calreticulin sind verschiedene Lektine. Ein Beispiel für ein Lektin ohne Zuckerrest ist Concanavalin A aus den Samen der Jackbohne Canavalia ensiformis. ⓘ
| Bezeichnung | Organismen | physiologische Funktion | Besonderheiten | Kohlenhydratspezifität ⓘ |
|---|---|---|---|---|
| Abrin | Abrus precatorius | |||
| alpha-Sarcin | Schimmelpilz Aspergillus giganteus | Translationshemmung | Toxin | |
| Calnexin | Chaperon | |||
| Calreticulin | Chaperon | |||
| Concanavalin A | Jackbohne | ohne Zuckerreste | α-D-mannosyl- und α-D-glucosyl-Reste | |
| Diphtherietoxin | Corynebacterium diphtheriae | Eindringen in Zellen und Translationshemmung | Diphtherie | |
| Exotoxin A | Pseudomonas aeruginosa | Eindringen in Zellen | Toxin | |
| Immunglobulin-Superfamilie | Säugetiere | |||
| Linsen-Lektin (LCH) | Lens culinaris | Mannosylierte Fucose | ||
| Mitogillin | Schimmelpilz Aspergillus restrictus | Translationshemmung | Toxin | |
| Phasine | Gartenbohne, Kichererbse | Agglutinine | Hämagglutination, Toxin, hitzedeaktivierbar | |
| Winterling-Lektin | Winterling Eranthis hyemalis | Translationshemmung | Ribosom-inaktivierendes Protein Typ II | N-Acetyl-D-galactosamin |
| Erdnuss-Agglutinin (PNA) | Erdnuss | Galactose-β1-3-N-Acetylgalactosamin-α1-Ser/Thr | ||
| Favabohnen-Lektin (VFA) | Favabohne | |||
| Hämagglutinin (HA) | Influenzavirus | |||
| Holunder-Lektin (SNA) | Schwarzer Holunder | auch Nigrin B genannt | Neu5Ac-α2-6-GalNAc-Reste | |
| Jacalin (AIL) | Artocarpus integrifolia | (Sialinsäure)-Gal-β1-3-GalNAc-α1-Serin/Threonin | ||
| Maackia amurensis Leukoagglutinin (MAL) | Asiatisches Gelbholz | Neu5Ac/Gc-α2-3-Gal-β1-4-GlcNAc | ||
| Maackia amurensis Hämoagglutinin (MAH) | Asiatisches Gelbholz | Neu5Ac/Gc-α2-3-Gal-β1-3-(Neu5Ac-α2,6)GalNac | ||
| Orangeroter-Becherling-Lektin (AAL) | Orangeroter Becherling | Fucα1-2Galβ1-4(Fucα1-3/4)Galβ1-4GlcNAc, R2-GlcNAcβ1-4(Fucα1-6)GlcNAc-R1 | ||
| Phytohämagglutinin (PHA) | Leguminosen | |||
| Restrictocin | Schimmelpilz Aspergillus restrictus | Translationshemmung | Toxin | |
| Ricin (RCA) | Wunderbaum | Translationshemmung | Samenglykoproteid | Galactose-β1-4-N-Acetylgalactosamin-β1-Reste |
| Robin | Gewöhnliche Robinie | |||
| Schneeglöckchen-Lektin (GNA) | Kleines Schneeglöckchen | α-1-3- und α-1-6-verknüpfte Mannose | ||
| Shiga-Toxin | Shigella dysenteriae | Translationshemmung | Shigellose | |
| Soyabohnen-Lektin (SBA) | Sojabohne | |||
| Stechginster-Lektine (Gorse, Furze, UEA-I) | Stechginster | UEA: Fucα1-2Gal-R | ||
| Vero-Toxin | Enterohämorrhagische Escherichia coli | Bakterienruhr | ||
| Weizenkeim-Lektin (WGA) | Weizen | GlcNAc-β1-4-GlcNAc-β1-4-GlcNAc, 5-Acetyl-Neuraminsäure | ||
| Wicken-Lektin (VVL) | Vicia villosa |
William C. Boyd führte allein und dann zusammen mit Elizabeth Shapleigh 1954 den Begriff "Lektin" ein, abgeleitet von dem lateinischen Wort lego-, "ausgewählt" (von dem Verb legere, auswählen oder herausgreifen). ⓘ
Biologische Funktionen
Lektine kommen in der Natur ubiquitär vor. Sie können sich an ein lösliches Kohlenhydrat oder an eine Kohlenhydratkomponente binden, die Teil eines Glykoproteins oder Glykolipids ist. Typischerweise agglutinieren sie bestimmte tierische Zellen und/oder präzipitieren Glykokonjugate. Die meisten Lektine verfügen über keine enzymatische Aktivität. ⓘ
Tiere
Lektine haben diese Funktionen in Tieren:
- Die Regulierung der Zelladhäsion
- Regulierung der Glykoproteinsynthese
- Regulierung des Blutproteinspiegels
- die Bindung von löslichen extrazellulären und interzellulären Glykoproteinen
- als Rezeptor auf der Oberfläche von Säugetierleberzellen für die Erkennung von Galaktoseresten, was dazu führt, dass bestimmte Glykoproteine aus dem Kreislaufsystem entfernt werden
- als Rezeptor, der hydrolytische Enzyme erkennt, die Mannose-6-Phosphat enthalten, und diese Proteine gezielt zu den Lysosomen transportiert; die I-Zell-Krankheit ist eine Art von Defekt in diesem speziellen System.
- Es ist bekannt, dass Lektine eine wichtige Rolle im angeborenen Immunsystem spielen. Lektine, wie das Mannose-bindende Lektin, helfen bei der ersten Verteidigungslinie gegen eindringende Mikroorganismen. Andere Immunlektine spielen eine Rolle bei der Unterscheidung zwischen sich selbst und anderen, und sie modulieren wahrscheinlich entzündliche und autoreaktive Prozesse. Intelektine (X-Typ-Lektine) binden mikrobielle Glykane und können ebenfalls eine Funktion im angeborenen Immunsystem haben. Lektine sind möglicherweise an der Mustererkennung und der Eliminierung von Krankheitserregern in der angeborenen Immunität von Wirbeltieren einschließlich Fischen beteiligt. ⓘ
Pflanzen
Die Funktion von Lektinen in Pflanzen (Leguminosenlektin) ist immer noch unklar. Einst wurde angenommen, dass sie für die Bindung von Rhizobien notwendig sind, doch wurde diese vermutete Funktion durch Studien mit Lektin-Knockout-Transgenen widerlegt. ⓘ
Die hohe Konzentration von Lektinen in Pflanzensamen nimmt mit dem Wachstum ab, was auf eine Rolle bei der Keimung der Pflanze und vielleicht beim Überleben des Samens selbst schließen lässt. Auch die Bindung von Glykoproteinen auf der Oberfläche von Parasitenzellen wird als Funktion vermutet. Es wurde festgestellt, dass mehrere pflanzliche Lektine nichtkohlenhydratische Liganden erkennen, die in erster Linie hydrophob sind, darunter Adenin, Auxine, Cytokinin und Indolessigsäure sowie wasserlösliche Porphyrine. Diese Wechselwirkungen können physiologisch relevant sein, da einige dieser Moleküle als Phytohormone wirken. ⓘ
Es wird angenommen, dass Lektinrezeptor-Kinasen (LecRKs) schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs) erkennen, die durch Herbivorenangriffe entstehen oder freigesetzt werden. In Arabidopsis umfasst der Leguminosen-Typ LecRKs Clade 1 11 LecRK-Proteine. LecRK-1.8 erkennt extrazelluläre NAD-Moleküle und LecRK-1.9 erkennt extrazelluläre ATP-Moleküle. ⓘ
Bakterien und Viren
Einige Glykoproteine des Hepatitis-C-Virus können sich an C-Typ-Lektine auf der Oberfläche der Wirtszellen (Leberzellen) anlagern und so eine Infektion auslösen. Um eine Ausscheidung aus dem Körper durch das angeborene Immunsystem zu vermeiden, exprimieren Krankheitserreger (z. B. Viruspartikel und Bakterien, die menschliche Zellen infizieren) häufig Oberflächenlektine, die als Adhäsine und Hämagglutinine bekannt sind und an gewebespezifische Glykane auf Glykoproteinen und Glykolipiden an der Oberfläche der Wirtszellen binden. ⓘ
Verwendung
In der Medizin und der medizinischen Forschung
Gereinigte Lektine sind im klinischen Bereich wichtig, da sie für die Bluttypisierung verwendet werden. Einige der Glykolipide und Glykoproteine auf den roten Blutkörperchen einer Person können durch Lektine identifiziert werden.
- Ein Lektin aus Dolichos biflorus wird verwendet, um Zellen zu identifizieren, die zur Blutgruppe A1 gehören.
- Ein Lektin aus Ulex europaeus wird zur Identifizierung des Antigens der Blutgruppe H verwendet.
- Ein Lektin aus Vicia graminea wird zur Identifizierung des N-Blutgruppenantigens verwendet.
- Ein Lektin aus Iberis amara wird zur Identifizierung des M-Blutgruppen-Antigens verwendet.
- Ein Lektin aus Kokosnussmilch wird zum Nachweis des Theros-Antigens verwendet.
- Ein Lektin aus Carex wird zum Nachweis des R-Antigens verwendet.
In den Neurowissenschaften wird die anterograde Markierungsmethode verwendet, um den Weg der efferenten Axone mit PHA-L, einem Lektin aus der Kidneybohne, zu verfolgen. ⓘ
Ein Lektin (BanLec) aus Bananen hemmt HIV-1 in vitro. Achylectine, die aus Tachypleus tridentatus isoliert wurden, zeigen eine spezifische Agglutinierungsaktivität gegen menschliche Erythrozyten vom Typ A. Anti-B-Agglutinine wie Anti-BCJ und Anti-BLD, die aus Charybdis japonica bzw. Lymantria dispar gewonnen werden, sind sowohl für die routinemäßige Blutgruppenbestimmung als auch für die Forschung von Bedeutung. ⓘ
Bei der Untersuchung der Kohlenhydraterkennung durch Proteine
Lektine aus Hülsenfrüchten wie PHA oder Concanavalin A wurden häufig als Modellsysteme verwendet, um die molekularen Grundlagen der Erkennung von Kohlenhydraten durch Proteine zu verstehen, da sie relativ leicht zu beschaffen sind und eine große Vielfalt an Zuckerspezifitäten aufweisen. Die zahlreichen Kristallstrukturen von Leguminosenlektinen haben zu einem detaillierten Einblick in die atomaren Wechselwirkungen zwischen Kohlenhydraten und Proteinen geführt. ⓘ
Als biochemisches Werkzeug
Concanavalin A und andere im Handel erhältliche Lektine wurden in der Affinitätschromatographie zur Reinigung von Glykoproteinen eingesetzt. ⓘ
Im Allgemeinen können Proteine hinsichtlich ihrer Glykoformen und Kohlenhydratstruktur durch Affinitätschromatographie, Blotting, Affinitätselektrophorese und Affinitätsimmunolektrophorese mit Lektinen sowie durch Microarrays, wie z. B. das Evaneszenzfeld-Fluoreszenz-gestützte Lektin-Microarray, charakterisiert werden. ⓘ
In der biochemischen Kriegsführung
Ein Beispiel für die starken biologischen Eigenschaften von Lektinen ist der biochemische Kampfstoff Ricin. Das Protein Ricin wird aus den Samen der Rizinuspflanze isoliert und besteht aus zwei Proteindomänen. Ähnlich verhält es sich mit Abrin aus der Knollenerbse:
- Eine Domäne ist ein Lektin, das Galaktosylreste an der Zelloberfläche bindet und dem Protein das Eindringen in Zellen ermöglicht.
- Die zweite Domäne ist eine N-Glykosidase, die Nukleobasen von der ribosomalen RNA abspaltet, was zur Hemmung der Proteinsynthese und zum Zelltod führt. ⓘ
Diätetisches Lektin
Lektine sind in der Natur weit verbreitet, und viele Lebensmittel enthalten diese Proteine. Einige Lektine können schädlich sein, wenn sie schlecht gekocht oder in großen Mengen verzehrt werden. Am wirksamsten sind sie, wenn sie roh verzehrt werden; durch Kochen, Dünsten oder mehrstündiges Einweichen in Wasser können die meisten Lektine inaktiviert werden. Das Kochen roher Bohnen bei niedriger Hitze, z. B. in einem langsamen Kocher, entfernt jedoch nicht alle Lektine. ⓘ
Einige Studien haben ergeben, dass Lektine die Aufnahme einiger Mineralien wie Kalzium, Eisen, Phosphor und Zink beeinträchtigen können. Die Bindung von Lektinen an Zellen im Verdauungstrakt kann den Abbau und die Aufnahme einiger Nährstoffe stören, und da sie sich über einen langen Zeitraum an die Zellen binden, gibt es Theorien, dass sie bei bestimmten Entzündungskrankheiten wie rheumatoider Arthritis und Typ-1-Diabetes eine Rolle spielen könnten. Die Forschung, die Behauptungen über langfristige gesundheitliche Auswirkungen beim Menschen stützt, ist jedoch begrenzt, und die meisten vorhandenen Studien konzentrierten sich auf Entwicklungsländer, in denen Mangelernährung ein Faktor sein kann oder die Auswahl an Nahrungsmitteln anderweitig eingeschränkt ist. ⓘ
Lektinfreie Ernährung
Der erste Autor, der sich für eine lektinfreie Ernährung aussprach, war Peter J. D'Adamo, ein Arzt für Naturheilkunde, der vor allem durch die Förderung der Blutgruppendiät bekannt wurde. Er vertrat die Ansicht, dass Lektine die Blutgruppe eines Menschen schädigen können, indem sie die Verdauung, den Stoffwechsel der Nahrung, die Hormone und die Insulinproduktion beeinträchtigen, und dass sie daher vermieden werden sollten. D'Adamo lieferte weder wissenschaftliche Beweise noch veröffentlichte Daten für seine Behauptungen, und seine Diät wurde kritisiert, weil sie ungenaue Aussagen über die Biochemie macht. ⓘ
Steven Gundry hat in seinem Buch The Plant Paradox (2017) eine lektinfreie Ernährung vorgeschlagen. Sie schließt eine große Bandbreite an alltäglichen Lebensmitteln aus, darunter Vollkornprodukte, Hülsenfrüchte und die meisten Früchte sowie die Nachtschattengewächse: Tomaten, Kartoffeln, Auberginen, Paprika und Chilischoten. Gundrys Behauptungen über Lektine gelten als Pseudowissenschaft. In seinem Buch werden Studien zitiert, die nichts mit Lektinen zu tun haben, und einige, die - im Gegensatz zu seinen eigenen Empfehlungen - zeigen, dass der Verzicht auf die Vollkorngetreide Weizen, Gerste und Roggen zu einer Vermehrung schädlicher Bakterien führt, während nützliche Bakterien abnehmen. ⓘ
Toxizität
Lektine sind einer von vielen toxischen Bestandteilen vieler roher Pflanzen, die durch die richtige Verarbeitung und Zubereitung (z. B. Kochen mit Hitze, Fermentation) inaktiviert werden. Zum Beispiel enthalten rohe Kidneybohnen von Natur aus toxische Mengen an Lektinen (z. B. Phytohämagglutinin). Zu den unerwünschten Wirkungen können Ernährungsmängel und immunologische (allergische) Reaktionen gehören. ⓘ
Hämagglutination
Lektine gelten als eine wichtige Familie von Protein-Antinährstoffen, bei denen es sich um spezifische zuckerbindende Proteine handelt, die reversible kohlenhydratbindende Aktivitäten aufweisen. Lektine sind ähnlich wie Antikörper in der Lage, rote Blutkörperchen zu agglutinieren. ⓘ
Viele Samen von Hülsenfrüchten weisen nachweislich eine hohe Lektinaktivität auf, die als Hämagglutination bezeichnet wird. Die Sojabohne ist die wichtigste Körnerleguminose in dieser Kategorie. Ihre Samen enthalten eine hohe Aktivität von Sojalektinen (Sojabohnen-Agglutinin oder SBA). ⓘ
Geschichte
Lange vor einem tieferen Verständnis ihrer zahlreichen biologischen Funktionen zeichneten sich die Pflanzenlektine, die auch als Phytohämagglutinine bezeichnet werden, durch ihre besonders hohe Spezifität für fremde Glykokonjugate (z. B. von Pilzen und Tieren) aus und wurden in der Biomedizin zur Untersuchung von Blutzellen und in der Biochemie zur Fraktionierung verwendet. ⓘ
Obwohl sie vor mehr als 100 Jahren erstmals in Pflanzen entdeckt wurden, weiß man heute, dass Lektine überall in der Natur vorkommen. Die früheste Beschreibung eines Lektins stammt vermutlich von Peter Hermann Stillmark in seiner Doktorarbeit, die er 1888 an der Universität Dorpat vorlegte. Stillmark isolierte Rizin, ein extrem giftiges Hämagglutinin, aus den Samen des Rizinus (Ricinus communis). ⓘ
Das erste Lektin, das in großem Maßstab gereinigt wurde und kommerziell erhältlich war, war Concanavalin A, das heute das am häufigsten verwendete Lektin für die Charakterisierung und Reinigung von zuckerhaltigen Molekülen und zellulären Strukturen ist. Die Leguminosenlektine sind wahrscheinlich die am besten untersuchten Lektine. ⓘ
Funktionen und Wirkungen
Wirkung in der Ernährung
Einige Gemüsearten enthalten in frischem Zustand Lektine, die giftig für den Menschen oder Haustiere sind. Diese Lektine werden durch Erhitzen beim Kochen, Frittieren oder andere Formen von Garen denaturiert und dabei in eine ungefährliche chemische Form umgewandelt. Sie behalten diese ungefährliche Form auch, nachdem die Speise wieder abgekühlt ist. Gartenbohnen, Kichererbsen und Sojabohnen sollten daher nur gegart konsumiert werden. ⓘ
Die giftige Wirkung von Lektinen in der Ernährung besteht darin, dass sie rote Blutkörperchen verklumpen lassen. Ab einer bestimmten Menge führen manche Lektine zu Kopfschmerzen, Erbrechen, Durchfall sowie zu Magen- und Darmbeschwerden, in extremen Fällen kann der Verzehr tödlich enden. Bei besonders lektinreichen Arten, wie beispielsweise Feuerbohnen, können bereits vier oder fünf rohe Samen beim Erwachsenen ernste Symptome verursachen. Vergiftungssymptome treten rasch ein, meist ein bis drei Stunden nach Verzehr, und verschwinden in der Regel ebenso rasch wieder – etwa drei bis vier Stunden nach dem Einsetzen. ⓘ
Ende der 1990er Jahre hat der Naturheilforscher Peter J. D’Adamo aufgrund seiner Untersuchungen eine sogenannte Blutgruppendiät entwickelt. Allerdings konnten bisher keine Beweise für die vorgeblichen Gesundheitsvorteile dieser Diät gefunden werden. ⓘ
Antibiotische Wirkung
In ihrer Wirkungsweise ähneln Lektine oftmals den Antibiotika. So ist Rizin ein potenter Hemmer der ribosomalen Proteinbiosynthese. Zum Teil wirken Lektine toxisch auf Kleinlebewesen und finden somit Verwendung als Pflanzenschutzmittel gegen Insekten. ⓘ
Botenstoffe
Lektine sind in der Regel an der äußeren Membranoberfläche angelagert. Zudem spielen sie eine Rolle bei der Kommunikation und Interaktion von Zellen und Organismen. Sie sind beispielsweise an vielen Erkennungsprozessen beteiligt. So können sich mit Hilfe der Lektin-Polysaccharid-Interaktion Bakterien wie das Rhizobium trifolii an die Wurzeln von Klee heften. Mit der Erkennung wird die Symbiose von Knöllchenbakterien und Hülsenfrüchtlern erst möglich und ist dadurch spezifisch. ⓘ
Ähnliche Erkennungsmechanismen spielen bei der Befruchtung der menschlichen Eizelle eine Rolle. ⓘ
Keimung
Lektine können im Rahmen der Ontogenese eine Rolle spielen. Durch den Keimvorgang werden einige pflanzliche Lektine inaktiviert. ⓘ
Chaperone
Beispiele für Lektine sind Calnexin und Calreticulin, die als Chaperone bei der Proteinfaltung dienen. ⓘ
lila: Glycan, grün: Protein-Kohlenstoff, rot: Sauerstoff, blau: Stickstoff, weiß: Wasserstoff ⓘ
IgSF
Über 500 verschiedene Proteine der IgSF-Immunglobulin-Familie wurden aufgrund bioinformatischer Analysen von Säugetier-Genomen vorausgesagt. Dazu gehört die SIGLEC-Familie (englisch sialic acid–binding immunoglobulin-type lectins), eine Gruppe Sialinsäure bindender Lektine. ⓘ
Vorkommen in Hülsenfrüchten
Folgende Tabelle stellt den Lektingehalt verschiedener Hülsenfrüchte dar (laut USFDA):
| Sorte | Lektingehalt in hämagglutinierenden Einheiten (HAE) ⓘ |
|---|---|
| Rote Kidney-Bohne, roh | 20.000–70.000 |
| Weiße Kidneybohne, roh | 7.000–23.000 |
| Ackerbohne, roh | 1.000–7.000 |
| Rote Kidney-Bohne, gargekocht | 200–400 |