Bei Glyphosat (N-Phosphonomethylglycin) handelt es sich um ein Derivat der Aminosäure Glycin, dessen Wirkung auf der Hemmung der 5-Enolpyruvyl-Shkimat-3-phosphat (ESP)-Synthase beruht.
ESP-Synthase ist ein Enzym des Shikimisäurewegs, welches für die Synthese aromatischer Aminosäuren (Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan) essentiell ist. Weiterhin stellen die Intermediate des Shikimatstoffwechselwegs Ausgangstoffe zahlreicher Sekundärmetaboliten dar.
Dieser Syntheseweg ist der wichtigste, biologische Weg zur Synthese aromatischer Aminosäuren. In den ersten vier Schritten entsteht Shikimat, welches dann in 3 Schritten zu Chorismat umgewandelt wird.
Chorismat ist der erste Verzweigungspunkt dieses Synthesewegs. Ein Zweig führt zu Tryptophan, der andere zu Phenylalanin und Tyrosin [NELSON & COX 2009]. Somit ist der Shikimisäureweg auch an der Synthese weiterer Naturstoffe beteiligt, die sich aus dem Chorisiminsäure-Weg herleiten.
Der Shikimisäureweg findet sich nur bei Pflanzen, Bakterien, Pilzen und einzelligen, eukaryonten Parasiten der Ordnung Apicomplexa [ROBERTS et al. 2002].
Daher nimmt Glyphosat selbst keinen Einfluss auf den Stoffwechsel der Tiere, weil diese aromatische Aminosäuren mit der Nahrung aufnehmen.
Normalerweise setzt ESP-Synthase PEP (Phosphoenolpyruvat) zusammen mit Shikimat-3-phosphat zu 5-Enolpyruvyl-Shikimat-3-phosphat um; das Enzym katalysiert also eine Reaktion, bei der die Enolpyruvyl-Gruppe von PEP auf Shikimat-3-Phosphat übertragen wird. Das Enzym verbindet sich hierbei zunächst mit Shikimat-3-phosphat zum binären Komplex, dann mit PEP zum ternären Komplex.
Nach Bildung des ternären Komplexes vollzieht sich die Reaktion über ein tetraedrisches Intermediat, welches unter Abspaltung von Phosphat zu 5-Enopyrovyl-Shikimat-3-phosphat umgesetzt wird [ALIBHAI & STALLINGS 2001].
Letzteres ist für die Synthese essentieller Aminosäuren, und damit auch von Hormonen, Vitaminen und anderer Sekundärmetaboliten, von unerlässlicher Bedeutung.
Die Hemmung der enzymatischen Aktivität durch Glyphosat findet erst nach Bildung des binären ESPS-S3P-Komplexes statt.
Bei Glyphosat handelt es sich folglich um einen kompetitiven Inhibitor, der mit dem zweiten Substrat der ESP-Synthase, Phosphoenolpyruvat (PEP), um die Bindungsstelle im aktiven Zentrum des Enzyms konkurriert [SCHÖNBRUNN et al. 2001]. Man könnte aber auch von einer nicht-kompetitiven Hemmung im Bezug auf S3P sprechen.
Wie die von Glyphosat induzierte Inhibition des Shikimat-Stoffwechselwegs die Pflanzen letztendlich tötet, ist noch weitgehend unbekannt [DUKE & POWLES 2008].
Es wird vermutet, dass eine ungenügende Aminosäureproduktion todesursächlich ist, die Pflanze also förmlich verhungert.
Andere vermuten hingegen, dass der ununterbrochene Kohlenstofffluss zum Shikimisäurweg durch fehlende Endprodukthemmung zum Wegfall des für andere Synthesewege dringend benötigten Kohlenstoffs führt.
Endprodukthemmung ist ein in vielen Stoffwechselwegen realisierter Mechanismus zur Regulation der Enzymaktivität. Hierbei erfolgt die Hemmung von DAHP-Synthase (3-Desoxy-arabino-heptulosonat-7-phosphat-Synthase) durch eines der Endprodukte der Stoffwechselkette (Arogenat). Durch die ausbleibende Endprodukthemmung unterbleibt die Regulation des Shikimisäurewegs und es kommt zum Wegfall des Kohlenstoffs in anderen Synthesewegen.
Auch bindet Glyphosat als Komplexbildner wichtige Nährstoffe im Boden wie Mangan, wodurch diese von Pflanzen nicht mehr aufgenommen werden können. Es kommt durch Unverfügbarkeit wichtiger Nährstoffe zum Absterben der Pflanzen.
Die Aufnahme von Glyphosat erfolgt über die gesamte Pflanzenoberfläche. Um das Eindringen von Glyphosat in das Interzellularsystem der Pflanze zu vereinfachen, enthalten kommerzielle Formulierungen Netzmittel wie POEA (polyethoxylierte Alyklamine, zu denen auch polyethoxyliertes Tallowamin zählt), auf die die akut-toxischen Auswirkungen von Glyphosat auf Amphibien zurückzuführen ist [HOWE et al. 2004, CHEN et al. 2004, PLÖTNER & MATSCHKE 2012].
Diese Detergentien machen die Kutikula der Pflanzenblätter durchlässiger und erhöhen so die Aufnahmerate der Aktivsubstanz ins Pflanzengewebe, jedoch auch in tierische Zellen.
Die Vielfältigkeit von GBH (=glyphosate based herbicides) spiegelt sich in den zahlreichen, heute erhältlichen Formulierungen wieder, die in ihrer Zusammensetzung und damit auch in ihrer Toxizität variieren.
GBH enthalten Glyphosatsalz als Aktivsubstanz, wobei als Aktivsubstanz die für die Toxizität verantwortliche chemische Verbindung bezeichnet wird. Die Aktivsubstanz wird bei GBH in eine Salzform umgesetzt. Unterschiedliche Formulierungen können sich in ihrer Salzformulierung und deren Konzentration im Gesamtprodukt zum Teil stark unterscheiden.
Es werden z.B. Isopropylamin, Diammonium oder Potassium verwendet, um saure Wirkstoffe wie Glyphosat in eine Salzform zu überführen. GBH (=glyphosate based herbicides) erwiesen sich in Experimenten als mittel- bis hochtoxisch gegenüber Amphibienlarven; erhöhten also bereits in niedrigen Konzentrationen zwischen 0,1-10 mg AE/L die Mortalität verschiedener Amphibienlarven [vgl. PLÖTNER & MATSCHKE 2012, WAGNER et al. 2013]. Die exakten Toxizitätsmechanismen sind jedoch nur unzureichend bekannt [ANNETT et al. 2014].
Quellen:
Annett, Robert; Habibi, Hamid R.; Hontela, Alice (2014): Impact of glyphosate and glyphosate‐based herbicides on the freshwater environment. In: Journal of Applied Toxicology 34 (5), S. 458–479. DOI: 10.1002/jat.2997.
Alibhai, M. F.; Stallings, W. C. (2001): Closing down on glyphosate inhibition–with a new structure for drug discovery. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 98 (6), S. 2944–2946. DOI: 10.1073/pnas.061025898.
Chen, Celia Y.; Hathaway, Kevin M.; Folt, Carol L. (2004): Multiple stress effects of Vision herbicide, pH, and food on zooplankton and larval amphibian species from forest wetlands. In: Environmental toxicology and chemistry 23 (4), S. 823–831.
Duke, Stephen O.; Powles, Stephen B. (2008): Glyphosate. A once-in-a-century herbicide. In: Pest management science 64 (4), S. 319–325. DOI: 10.1002/ps.1518.
Howe, Christina M.; Berrill, Michael; Pauli, Bruce D.; Helbing, Caren C.; Werry, Kate; Veldhoen, Nik (2004): Toxicity of glyphosate-based pesticides to four North American frog species. In: Environmental toxicology and chemistry 23 (8), S. 1928–1938.
Nelson, David L.; Cox, Michael M.; Lehninger, Albert L.; Häcker, Bärbel (2011): Lehninger Biochemie. Mit 131 Tabellen. 4., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage, Übersetzung der 5. amerikanischen Auflage, korrigierter Nachdruck. Berlin, Heidelberg: Springer (Springer-Lehrbuch).
Plötner, Jörg; Matschke, Jürgen (2012): Akut-toxische, subletale und indirekte Wirkungen von Glyphosat und glyphosathaltigen Herbiziden auf Amphibien – eine Übersicht. In: Zeitschrift für Feldherpetologie 19
Roberts, Craig W.; Roberts, Fiona; Lyons, Russell E.; Kirisits, Michael J.; Mui, Ernest J.; Finnerty, John et al. (2002): The shikimate pathway and its branches in apicomplexan parasites. In: The Journal of infectious diseases 185 Suppl 1, S25-36. DOI: 10.1086/338004.
Schönbrunn, Ernst; Eschenburg, Susanne; Shuttleworth, Wendy A.; Schloss, John V.; Amrhein, Nikolaus; Evans, Jeremy N. S.; Kabsch, Wolfgang (2001): Interaction of the herbicide glyphosate with its target enzyme 5-enolpyruvylshikimate 3-phosphate synthase in atomic detail. In: PNAS 98 (4), S. 1376–1380. DOI: 10.1073/pnas.98.4.1376.
Wagner, Norman; Reichenbecher, Wolfram; Teichmann, Hanka; Tappeser, Beatrix; Lötters, Stefan (2013): Questions concerning the potential impact of glyphosate-based herbicides on amphibians. In: Environmental toxicology and chemistry / SETAC 32. DOI: 10.1002/etc.2268.
(Bilder werden in den nächsten Tagen hinzugefügt)
Phymaturus 