Substanz P

Substanz P
Substanz P
Eigenschaften des menschlichen Proteins
Masse/Länge Primärstruktur 11 AS; 1348 Da
Präkursor Protachykinin-1 (110 AS; 12910 Da)
Bezeichner
Gen-Name TAC1
Externe IDs
Vorkommen
Homologie-Familie Hovergen

Substanz P ist ein Neuropeptid aus elf Aminosäuren (Primärstruktur: Arg–Pro–Lys–Pro–Gln–Gln–Phe–Phe–Gly–Leu–Met–NH2).[1] Es gehört zur Gruppe der Neurokinine (früher auch als Tachykinine bezeichnet) und wird von Nervenzellen, aber auch von Leukozyten gebildet.

Entdeckung

In den Jahren 1930/31 isolierte der schwedische Postgraduate-Student und spätere Nobelpreisträger Ulf Svante von Euler im Henry Dale Laboratorium in London aus Darmextrakten eine nicht näher definierte Substanz.[2][3] Für pharmakologische Untersuchungen stand diese als ein „stable dry powder“ zur Verfügung. Das P aus dem Wort powder (Pulver) wurde zur Kennzeichnung der Substanz verwandt und ist bis heute Teil des Namens Substanz P (SP).

Die peptidchemische Gruppe von Susan E. Leeman isolierte die Substanz aus dem Hypothalamus und ermittelte 1971 die Struktur als ein Undekapeptid mit der Sequenz Arg-Pro-Lys-Pro-Gln-Gln-Phe-Phe-Gly-Leu-Met-NH2.[4] Von der Leeman-Gruppe erfolgte dann auch die Totalsynthese.[5]

Zwischenzeitlich hatte der italienische Pharmakologe V. Ersparmer mit seiner Gruppe aus Kaltblütern zwei Peptide (Eledoisin und Physalaemin) isoliert und deren Struktur aufgeklärt.[6][7] Mit Substanz P haben diese die C-terminale Pentapeptidsequenz gemeinsam und lösen wie diese bei Applikation am Darm eine typische schnelle Kontraktion aus. Wegen dieser schnellen glattmuskulären Kontraktion werden diese Peptide als Tachykinine bezeichnet (nach altgriechisch ταχύς tachýs, deutsch ‚schnell‘, und κινέειν kinéein, deutsch ‚bewegen‘).

Rezeptor

Der endogene Rezeptor für Substanz P ist der Neurokinin-1-Rezeptor (NK 1-R).[8][9] Andere Neurokinin-Subtypen und Neurokinin-Rezeptoren sind bekannt. Die essentielle Sequenz für Substanz P ist das C-terminale Pentapeptid. Nach der Bildung von Substanz P an den NK-1 erfolgt eine Internalisierung durch Clathrin-abhängige Mechanismen. Nachfolgend wird Substanz P abgebaut und der Rezeptor re-expressed an der Zelloberfläche.[10]

Ob für die durch Abbau freigesetzten N-terminalen Substanz P-Sequenzen gesonderte targets und damit zusammenhängende Funktionen existieren, wird diskutiert.[11][12]

Vorkommen und Funktion

Substanz P wurde zunächst als Neurotransmitter bei Schmerzrezeptoren (Nozizeptor) und schmerzleitenden C-Fasern angesehen. Wird ein solcher Rezeptor stärker erregt, setzt er Substanz P frei. Diese Freisetzung kann orthodrom oder antidrom erfolgen. Bei lokalen Entzündungen wird sie von den afferenten Neuronen der Spinalnerven und in Projektionsbahnen der Rückenmarksbahnen gebildet.

Substanz P bewirkt eine starke Erweiterung der Blutgefäße und steigert die Durchlässigkeit der Gefäßwand. Zudem bewirkt sie eine Steigerung der Sensitivität der Schmerzneurone im Rückenmark. Substanz P reguliert auch die zielgerichtete Einwanderung von Leukozyten (Chemotaxis). Leukozyten exprimieren sowohl Substanz P als auch den Substanz-P-Rezeptor (Neurokinin-1 Rezeptor, NK-1R).[13]

Auch in der Zahnpulpa und im Dentin von Mensch und Kaninchen wurde Substanz P nachgewiesen und seine Rolle beim Entstehen des pulpalen Schmerzes diskutiert.[14] In einer aktuellen Arbeit wurde diese Hypothese durch Untersuchungen zur erhöhten Exprimierung des NK.1-R, bei Schmerz- und Entzündungszuständen in der menschlichen Zahnpulpa untermauert.[15]

Capsaicin, eine Substanz aus Paprika (insbesondere Chilis, den scharfen Vertretern der Paprika), aktiviert die Hitzerezeptoren in den Schleimhäuten von Mund und After, was zur Ausschüttung von Substanz P ins Gewebe und zu schmerzartigen Empfindungen führt. Bei regelmäßiger Verwendung von Capsaicin gewöhnt sich der Körper daran und die Menge an ausgeschütteter Substanz P wird geringer. Dies wird mit einer vermehrten Ausschüttung körpereigener Opioide, der Endorphine und Enkephaline erklärt.

Innerhalb der Säugetiere fehlt Substanz P beim Nacktmull, der damit vermutlich eine gewisse Schmerzunempfindlichkeit hat.

Substanz P ist wahrscheinlich ein „key responder“ bei der Einwirkung der meisten Stressoren – mit dem Ziel die Homöostase des Organismus zu gewährleisten. Deshalb wird Substanz P auch als ein regulatorisches Peptid charakterisiert.[16][17][18]

Umfangreiche Untersuchungen existieren zur Interaktion von Substanz P mit dem aminergen System des Nebennierenmarks. Dadurch könnte Substanz P über eine Homöostasesicherung des aminergen Systems zur Bewältigung von Stresssituationen beitragen.[19][20]

Auch für die Nase wird zur Substanz P eine Rolle als „first-line defense mechanism“ diskutiert.[21]

Klinische Relevanz

Substanz-P-Antagonisten sind augenblicklich stark im Fokus der wissenschaftlichen Forschung, z. B. für Schmerztherapie und als Antidepressivum. Ein Überschuss an Substanz P wird als eine mögliche Ursache der Fibromyalgie diskutiert. Außerdem kann Substanz P über die Aktivierung der Neurokinin-Rezeptoren Erbrechen auslösen. Ein entsprechender Antagonist, der zur Verhütung von akuter und verzögerter Übelkeit und Erbrechen angewendet wird, ist Aprepitant. In Kombination mit Dexamethason wurde Aprepitant auch zur Therapie von COVID-19-Erkrankungen eingesetzt.[22]

In der letzten Zeit ist die Beziehung von Substanz P zur Ätiologie und Therapie von COVID-19-Erkrankungen interessant geworden.[23] Dabei geht es um die Rolle von Substanz P im Respirationstrakt. Das ist in Übereinstimmung mit früheren Befunden zur Rolle von Substanz P in der Regulation der Bronchomotorik und zur Pathogenese der bronchialen Hypereagibilität.[24] Auch die geringere Empfindlichkeit von Kindern gegen COVID-19 und der plötzliche perinatale Kindstod soll mit dem Substanz-P-System in Beziehung stehen.[25][26][27] Aktuelle Arbeiten zeigen Indizien für diese Bedeutung von Substanz P für die Ätiologie und Therapie der Covid 19-Infektion.[28][29]

  • Kampik, K. (2005): Der Einfluss von Substanz P auf den Schlaf bei Gesunden. Dissertation, Freiburg i. Br. DNB 974371483/34 (PDF; 1,6 MB)

Einzelnachweise

  1. ↑ UniProt P20366
  2. ↑ U. S. v. Euler, J. H. Gaddum (1931): An unidentified depressor substance in certain tissue extracts. J. Physiolog. (London), 72: 74-87.
  3. ↑ U. S. v. Euler (1977): Historical notes. In: Nobel Sympoium 37, Substance P pp. 1-3. Hrsg.: U. S. v. Euler, B. Pernow. Raven Press, New York.
  4. ↑ M. M. Chang, S. E. Leeman (1970): Isolation of a sialogogic peptide from bovine hypothalamus tissue and its characterization as substance P. J. Biol. Chem., 245: 4784-4790.
  5. ↑ G. W. Tregear, H. D. Niall, J. T. Potts Jr., S. E. Leeman, M. M. Chang (1974): Synthesis of substance P Nature. New Biol., 232: 87-89.
  6. ↑ V. Ersparmer, A. Anastasi (1962): Structure and Pharmacological Actions of Eledoisin, the Active Endecapeptide of the posterior Salivary Glands of Eledone. Experientia, 18: 58-59.
  7. ↑ V. Ersparmer, A. Anastasi, G. Bertacini, J. M. Cei (1964): Structur and pharmacological actions of physalaemin, the main active peptide of the skin of Physalaemus fuscumaculatus. Experientia, 20: 489-490.
  8. ↑ N. P. Gerard, L. A. Garraway, R. L. Eddy, T. B. Shows, H. Iijima, J. L. Paquet, C. Gerard (Nov 1991): Human substance P receptor (NK-1): organization of the gene, chromosome localization, and functional expression of cDNA clones. Biochemistry. 30 (44): 10640–6. doi:10.1021/bi00108a006. PMID 1657150.
  9. ↑ C. A. Maggi (Sep 1995): The mammalian tachykinin receptors. General Pharmacology. 26 (5): 911–44. doi:10.1016/0306-3623(94)00292-U. PMID 7557266.
  10. ↑ E. F. Grady, A. M. Garland, P. D. Gamp, M. Lovett, D. G. Payan, N. W. Bunnett (May 1995): Delineation of the endocytic pathway of substance P and its seven-transmembrane domain NK1 receptor. Molecular Biology of the Cell. 6 (5): 509–24. doi:10.1091/mbc.6.5.509. PMC 301212 (freier Volltext). PMID 7545030.
  11. ↑ P. Oehme, J. Bergmann, M. Bienert, H. Hilse, L. Piesche P. Minh Thu, E. Scheer (1977): Biological action of Substance P – its differentiation by affinity and intrinsic efficacy. In: Nobel Symposium 37, Substance P. Hrsg.: U. S. v. Euler, B. Pernow. Pp 327-335, Raven Press, New York.
  12. ↑ Peter Oehme (2021/2022): Aktuelle Probleme der Peptidforschung. Festsitzung der Klassen Medizin und Biowissenschaften am 25. April 1985 aus Anlass des 70. Geburtstages von Friedrich Jung. Sitzungsberichte der Akademie der Wissenschaften der DDR / Mathematik, Naturwissenschaften, Technik, Band 1986, 10 N. Akademieverlag Berlin 1987. Reprint/E-Book: De Gruyter Verlag 2021/2022, doi:10.1515/9783112551486.
  13. ↑ J. Axt (Red.): Institut für Wirkstofforschung der Akademie der Wissenschaften der DDR 1976–1986. Berlin 1985, 93 Seiten https://leibnizsozietaet.de/wp-content/uploads/2022/02/IWF-Jubilaeumsbroschuere-1985.pdf
  14. ↑ Miriam Göres, P. Oehme, R. Zuhrt: Zur Bedeutung der endogenen Peptide für den pulpalen Schmerz. Zahn-Mund-Kieferheilkunde 77 (1989) 531-536.
  15. ↑ Riffat Mehboob, Sana Hassan, Syed Amir Gilani, Amber Hassan, Imrana Tanvir, Humaira Waseem, Asif Hanif: Enhanced Neurokinin-1 Receptor Expression Is Associated with Human Dental Pulp Inflammation and Pain Severity. BioMed Research International, Volume 2021, Article ID 5593520, doi:10.1155/2021/5593520.
  16. ↑ K. Hecht, P. Oehme, M. Poppei: Action of Substance P on neurotic-hypertensive rats. In: Pharmazie, 34, 654–657, 1979.
  17. ↑ P. Oehme, K. Hecht, L. Piesche, H. Hilse, E. Morgenstern, M. Poppei: Substance P as a modulator of physiological and pathological processes. In: Marsan, C. A., W. Z. Traczyk, U. S. v. Euler (Hrsg.): Neuropeptides and neural transmission. In: International brain organization monograph series 7, S. 73–84, Raven Press, New York 1980.
  18. ↑ P. Oehme, W. A. Krivoy: Substance P – a peptide with unusual features. In: Trend in Pharmacological Sciences, 4, S. 521–523, 1983.
  19. ↑ N. S. Cheung, P. Karlsson, J.-X. Wang, M. Bienert, P. Oehme, B. C. Livett: Functional studies with Substance P analogues: effects of N-terminal, C-terminal and C-terminus-extended analogues of Substance P on nicotine-induced secretion and desensitization in cultured bovine adrenal chromaffine cells. In: J. Neurochemistry 62, S. 2246–2253, 1994.
  20. ↑ Peter Oehme, Karl Hecht: Reflektionen zur Substanz P-Forschung; Reflections on Substance P Research (mit 50 Literaturstellen); überarbeitete Fassung vom 01. Januar 2022. Leibniz-Sozietät der Wissenschaften zu Berlin, 2022. https://leibnizsozietaet.de/aktuelle-ueberarbeitung-der-reflektionen-zur-substanz-p-forschung/
  21. ↑ Olivia Larsson, Lotta Tengroth, Yuan Xu, Rolf Uddman, Susanna Kumlien Georén, Lars-Olaf Cardel: Substance P represents a novel first-line defense mechanism in the nose. J Allergy Clin Immunol 2018 Jan; 141(1):128-136.e3; DOI: 10.1016/j.jaci.2017.01.021.
  22. ↑ Riffat Mehboob, Fridoon Jawad Ahmad, Ahad Qayyum, Muhammad Asim Rana, Syed Amir Gilani, Muhammad Akram Tariq, Javed Akram: Aprepitant as a combinant with Dexamethasone reduces the inflammation via Neurokinin 1 Receptor Antagonism in severe to critical Covid-19 patients and potentiates respiratory recovery: A novel therapeutic approach.
  23. ↑ Riffat Mehboob: Neurokinin-1 Receptor as a potential drug target for COVID-19 treatment. Biomedicine & Pharmacotherapy 143, S. 1–7, 2021.
  24. ↑ J. Schreiber, J. Slapke, K. Nieber, P. Oehme: Rolle von Substanz P in der Regulation der Bronchomotorik und der bronchialen Hypereagibilität. In: Z. Erkkr.Atm.org. 172, S. 90–98, 1989.
  25. ↑ Riffat Mehboob, Anna Maria Lavezzi: Neuropathological explanation of minimal COVID-19 infection rate in newborns, infants and children – a mystery so far. New insight into the role of Substance P. Journal of the Neurological Sciences 420 (2021) 117276.
  26. ↑ Anna Maria Lavezzi, Riffat Mehboob, Luigi Matturri: Developmental alterations of the spinal trigeminal nucleus disclosed by substance P immunohistochemistry in fetal and infant sudden unexplained deaths. Neuropathology 2011; 31, 405–413.
  27. ↑ S. Scholle, G. Zwacka, S. Glaser, B. Knöfel, B. Scheidt, P. Oehme, R. Rathsack: Substance P, mean apnoea duration and the sudden infant death syndrome (SIDS). Biomed. Biochim. Acta 49 (1990) 4, 249–256.
  28. ↑ Riffat Mehboob, Peter Oehme, Gerhard Pfaff: The role of Substance P in the defense line of the respiratory tract and neurological manifestations post COVID-19 infection. In: Frontiers in Neurology. Band 14, 6. März 2023, ISSN 1664-2295, doi:10.3389/fneur.2023.1052811, PMID 36949854, PMC 10025330 (freier Volltext).
  29. ↑ Riffat Mehboob, Peter Oehme, Tehreem Anwar, Jens Peter von Kries: Substance P – a regulatory peptide with defense and repair functions. Results and perspectives for the fight against COVID-19. In: Frontiers in Neurology. Band 15, 30. Mai 2024, ISSN 1664-2295, doi:10.3389/fneur.2024.1370454, PMID 38872816, PMC 11169637 (freier Volltext).