Die primäre und grundlegendste Rolle von Tryptophan ist seine Funktion als Proteinbaustein. Darüber hinaus spielt Tryptophan aber eine wichtige Rolle in zahlreichen weiteren Stoffwechselwegen.

Der Kynurenin-Weg stellt den vorherrschenden Weg des Tryptophan-Katabolismus dar und macht etwa 90-95 % seines Abbaus bei Säugetieren aus. An dessen Ende steht die Bildung von Niacin (Vitamin B3). Tryptophan wird durch die Enzyme Indolamin-2,3-Dioxygenase (IDO) oder Tryptophan-2,3-Dioxygenase (TDO) in N-Formyl-Kynurenin umgewandelt, welches dann zu Kynurenin weiterverarbeitet wird. Kynurenin selbst hat zwei Hauptstoffwechselwege: Kynurenin wird direkt über das Enzym Kynurenin-Aminotransferase (KAT) zu Kynureninsäure umgewandelt, die als Antagonist des neurotoxischen NMDA/Glutamatrezeptors und als Agonist des nikotinischen Acetylcholinrezeptors wirkt. Der andere Weg des Kynurenins führt zur Bildung von 3-Hydroxy-Kynurenin. Schließlich führt die Kynureninase über mehrstufige enzymatische Reaktionen zur Bildung von Chinolinsäure, die letztendlich Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD+) und andere aktive Moleküle produzieren.

Der Kynureninweg ist ein „zweischneidiges Schwert“, da er sowohl nützliche (z.B. neuroprotektive Kynureninsäure) als auch schädliche (z.B. neurotoxische Chinolinsäure) Verbindungen produzieren kann. Das Gleichgewicht zwischen diesen Metaboliten ist entscheidend. Die Enzyme IDO und TDO spielen eine zentrale Rolle bei der Verbindung des Kynureninwegs mit Entzündungsprozessen und Stressreaktionen. IDO wird durch proentzündliche Zytokine aktiviert, am stärksten durch IFN-γ, IL1 und TNFα. Die Aktivität der TDO wird durch Cortisol gesteigert. Das Kynurenin-zu-Tryptophan-Verhältnis dient als wichtiger Indikator für die IDO-Aktivität und spiegelt die endogene Anpassung des Körpers an Stress und Entzündungen wider.

Ein vergleichsweise kleinerer Anteil von Tryptophan fließt in die Synthese von Serotonin und anschließend Melatonin. Der erste und geschwindigkeitsbestimmende Schritt in der Serotonin-Biosynthese beinhaltet das Enzym Tryptophan-Hydroxylase (TPH). TPH fügt Tryptophan eine Hydroxylgruppe hinzu und wandelt es in 5-Hydroxytryptophan (5-HTP) um. Die Aktivität von TPH ist direkt von der Verfügbarkeit von Tryptophan abhängig und erfordert unter anderem Tetrahydrobiopterin als essentielle Kofaktoren. Die TPH liegt in zwei verschiedenen Formen vor: TpH1, die hauptsächlich im Darm vorkommt, und TpH2, die nahezu ausschließlich in Nervenzellen exprimiert wird [Richard et al., 2009]. Die TpH unterliegt einer Rückkopplungshemmung durch Serotonin. Anschließend wird 5-HTP schnell durch das Enzym Aromatische Aminosäure-Decarboxylase (AAAD) zu 5-HT (Serotonin) decarboxyliert. Es wird geschätzt, dass ein signifikanter Großteil, etwa 95 %, des Serotonins im Körper im Gastrointestinaltrakt lokalisiert ist. Darüber hinaus wird nur ein kleiner Teil des Tryptophans, etwa 3 % insgesamt, für die Serotonin-Synthese im gesamten Körper verwendet, wobei ein noch geringerer Anteil, etwa 1 %, speziell für die Serotonin-Synthese im Gehirn bestimmt ist.

Melatonin wird aus Serotonin durch das Enzym N-Acetyltransferase gebildet, wobei S-Adenosylmethionin (SAMe) als Kofaktor dient. Die Aktivität der Acetyltransferase wird durch das Dunkelheitssignal der Netzhaut reguliert.

[Lu et al., 2025; Richard et al., 2009; Schurgast, 2023]

Der Katabolismus von L-Tryptophan durch die Darmmikrobiota erweist sich als ein Schlüsselmodulator der Darmfunktion und der gesamten Darmgesundheit. Ein signifikanter Anteil, geschätzt über 80 % des gesamten Serotonins des Körpers, wird im Darm von spezialisierten enterochromaffinen Zellen produziert, ein Prozess, der maßgeblich von der Aktivität und Zusammensetzung der Darmmikrobiota beeinflusst wird. Spezifische Bakterien innerhalb der Darmmikrobiota besitzen die enzymatischen Voraussetzungen, um Tryptophan in verschiedene Indol-Derivate umzuwandeln. Diese Derivate umfassen Indolpropionsäure und Indolacetaldehyd, das weiter zu Indolessigsäure (IAA) und Indolaldehyd (IAld) metabolisiert werden kann. Darüber hinaus können Mikroben Tryptophan über alternative Stoffwechselwege nutzen, was zur Bildung anderer Metaboliten wie Tryptamin führt. Diese Indol-Derivate spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Integrität der Darmbarriere und der Förderung der Homöostase der Immunzellen. Dies wird hauptsächlich durch ihre Fähigkeit erreicht, den Arylhydrocarbon-Rezeptor (AhR) zu aktivieren, einen Liganden-aktivierten Transkriptionsfaktor, der auf Immunzellen und Epithelzellen im Darm vorhanden ist. Die Aktivierung des AhR durch Indol-Metaboliten fördert die Produktion von Interleukin-22 (IL-22). IL-22 ist ein Zytokin, das für seine entzündungshemmenden Wirkungen und seine schützende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Schleimhautintegrität von entscheidender Bedeutung ist. Es kontrolliert die Epithelzellproliferation und die Stimulierung der Produktion antimikrobieller Peptide (AMPs), die dazu beitragen, Entzündungen durch kommensale Bakterien zu begrenzen. Indole können auch zur Schleimhauthomöostase beitragen, indem sie die Mucinproduktion stimulieren und die Epithelbarrierefunktion durch die Induktion von Tight-Junction-Proteinen verbessern.

[Lu et al., 2025; Taleb, 2019]