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B978-3-437-41784-9.00009-9

10.1016/B978-3-437-41784-9.00009-9

978-3-437-41784-9

Zusammensetzung eines Enzyms.

Thiaminpyrophosphat.

Riboflavin.

FMN/FAD.

Wasserstoffanlagerung an Nikotinamid.

NAD-Synthese.

Regeneration von NAD+.

Pantothensäure.

Coenzym A.

Folsäure.

Formyl-Tetrahydrofolat.

Methylen-Tetrahydrofolat.

Methyl-Tetrahydrofolat.

Biotin.

Carboxybiotin.

Pyridoxin, Pyridoxal, Pyridoxamin.

Cobalamin. Gestrichelte Linie: koordinative Bindung, durchgezogene Linie: kovalente Bindung, blau: 5,6-Dimethylbenzimidazolribosid, grün: Rest.

Cobalaminabhängige Reaktionen.

Ascorbinsäure.

Ascorbinsäure-Redoxsystem.

-Tocopherol.

-Tocopherol/-Tocochinon.

Ergocalciferol (Vitamin D2) und Cholecalciferol (Vitamin D3).

Menandion.

Vitamin K1.

Retinol.

Entstehung von Retinal und Retinol.

Retinal, Retinol und Retinoat.

Rhodopsinspaltung und -regeneration.

Vorkommen von Vitaminen in Nahrungsmitteln

Tab. 9.1
Vitamin Vorkommen
A (Retinol) Karotten, Tomaten, grüne Pflanzen (z. B. Salat, Broccoli), Fischöl, Eigelb, Leber
B1 (Thiamin) Hefe, Getreide, Nüsse, Eigelb, Innereien
B2 (Riboflavin) Pilze, Salat, Tomaten, Innereien
Nikotinamid Hefe, Pilze, Getreide, Nüsse, Innereien
Pantothensäure Hefe, Getreide, Nüsse, Eier, Innereien
Folsäure Gemüse, Sojabohnen, Innereien
Biotin Hefe, Eier, Nüsse, Fleisch, Innereien
B6 (Pyridoxin) Hefe, Getreide, Sojabohnen, Obst, Nüsse, Innereien
B12 (Cobalamin) Eier, Fleisch
C (Ascorbinsäure) Obst, Paprika, Salat, Innereien
D (Calciferol) Lebertran, Milch, Leber
E (Tocopherol) Getreide, Sojabohnen, Nüsse, Öle
K (Phyllochinon) grünes Gemüse (z. B. Spinat, Bohnen), Nüsse, Leber

Vitamine

E. Schindler

  • 9.1

    Allgemeines197

    • 9.1.1

      Definition und Klassifikation197

    • 9.1.2

      Funktion197

    • 9.1.3

      Vorkommen198

    • 9.1.4

      Hypo- und Hypervitaminosen198

  • 9.2

    Wasserlösliche Vitamine198

    • 9.2.1

      Thiamin (Vitamin B1)198

    • 9.2.2

      Riboflavin (Vitamin B2)199

    • 9.2.3

      Nikotinsäure oder Nikotinamid200

    • 9.2.4

      Pantothensäure201

    • 9.2.5

      Folsäure204

    • 9.2.6

      Biotin205

    • 9.2.7

      Pyridoxin (Vitamin B6)206

    • 9.2.8

      Cobalamin (Vitamin B12)206

    • 9.2.9

      Ascorbinsäure (Vitamin C)208

  • 9.3

    Fettlösliche Vitamine209

    • 9.3.1

      Tocopherole (Vitamin E)209

    • 9.3.2

      Calciferole (Vitamin D)210

    • 9.3.3

      Phyllochinone (Vitamin K)211

    • 9.3.4

      Retinol (Vitamin A)212

  • 9.4

    Vitaminanaloga (Antivitamine)215

IMPP-Hits

  • Was sind Vitamine?

  • Klassifikation, Struktur und Funktion der Vitamine

  • Symptome von Hypo- und Hypervitaminosen

Allgemeines

Definition und Klassifikation

VitamineVitamine sind essenzielle Nahrungsbestandteile, d. h., der menschliche Körper kann sie nicht selbst herstellen. Bei unzureichender Ernährung oder Resorptionsstörungen treten deshalb Mangelerscheinungen auf, diese sind oft schwerwiegend.
Die Vitamine werden in zwei Gruppen unterteilt:
  • wasserlösliche Vitamine: B1, B2, B6, B12, Biotin, C, Folsäure, Nikotinsäure, Pantothensäure

  • fettlösliche Vitamine: A, D, E, K

Lerntipp

Fettlösliche Vitamine: EDeKA – wie der Supermarkt.

Wasserlösliche Vitamine: Alle anderen

Funktion

Vitamine:FunktionViele Vitamine – alle B-Vitamine, Vitamin A und K – sind Coenzyme oder Bestandteile von Coenzymen. Zusammen mit dem Proteinanteil des Enzyms (Apoenzym) bilden sie das aktive Enzym Holoenzym (Abb. 9.1). Sie übernehmen z. B. Elektronen (NAD, FAD) oder Methylgruppen (Tetrahydrofolsäure) vom Apoenzym, übertragen diese auf ein anderes Enzym und regenerieren sich so.
Andere Vitamine (z. B. Vitamin C Ascorbinsäure) dienen als Oxidationsschutz (Antioxidans), nehmen Einfluss auf die Genexpression oder spielen eine Rolle bei der Signaltransduktion (Vitamin A).

Merke

Außer Ascorbinsäure (Vitamin C) müssen alle Vitamine erst modifiziert werden, um die biologisch aktive Form zu erreichen.

Da Vitamine katalytisch oder regulatorisch wirken, werden sie nur in sehr kleinen Mengen benötigt.

Vorkommen

Vitamine:VorkommenVitamine werden vor allem von Pflanzen und Mikroorganismen synthetisiert und finden sich deshalb vornehmlich in Getreide, Gemüse und Obst (Tab. 9.1).
Der Vitamingehalt eines Nahrungsmittels hängt von verschiedenen Faktoren ab, so z. B. von Transport, Lagerung und Zubereitung. Der Grund dafür ist die geringe Stabilität vieler Vitamine. Fast alle Vitamine sind empfindlich gegen Licht, O2 und Hitze.

Hypo- und Hypervitaminosen

Hypo- und HypervitaminosenEine Hypovitaminose ist eine mangelhafte Versorgung des Organismus mit Vitaminen, z. B. durch einseitige Ernährung oder Resorptionsstörungen. Da viele Vitamine an wichtigen Stoffwechselwegen beteiligt sind, sind bei einem Vitaminmangel vor allem Gewebe mit hohem Umsatz (Myokard, Gastrointestinaltrakt) oder hoher Teilungsrate (Knochenmark, Epithel) betroffen. Dies führt meist zu unspezifischen Symptomen, z. B. Müdigkeit und Konzentrationsstörungen.
Die schwerste Form der Hypovitaminose ist die Avitaminose, also das völlige Fehlen eines Vitamins im Organismus. Dies kann im schlimmsten Fall zum Tod führen.
Unter einer Hypervitaminose versteht man die schädigende Wirkung eines Vitamins, das in zu großen Mengen zugeführt wird. Sie tritt nur bei fettlöslichen Vitaminen auf, da die wasserlöslichen Vitamine bei Überfluss über die Niere ausgeschieden werden können.

Wasserlösliche Vitamine

Thiamin (Vitamin B1)

Struktur

Thiamin besteht aus einem Pyrimidinring (6-Ring) und einem Thiazolring (5-Ring), die über eine Methylengruppe verbunden sind (Abb. 9.2).

Vorliegen in der Nahrung

In der Nahrung kommen Thiamin und Thiaminpyrophosphat (Abb. 9.2) sowohl in pflanzlichen als auch in tierischen Nahrungsmitteln vor.

Aktivierung und Funktion

Merke

Thiamin spielt als Coenzym bei Decarboxylierungen im Kohlenhydratstoffwechsel und beim Aminosäureabbau eine Rolle.

Thiamin wird in der Leber von einer Thiaminkinase unter ATP-Verbrauch phosphoryliert und so in die biologisch aktive Form Thiaminpyrophosphat umgewandelt. Dieses wirkt als Coenzym mit bei:

  • Pyruvat Acetyl-CoA (Enzym: Pyruvat-Dehydrogenase)

  • Coenzym der Transketolase (Pentosephosphatweg)

  • Abbau von Valin (-Ketoisovalerianat Methylpropionyl-CoA)

  • Abbau von Leucin (-Ketoisocapronat E Isovaleryl-CoA).

Klinik

Mangelerscheinungen:

  • Beri-Beri: Polyneuropathie, Herzinsuffizienz

  • Wernicke-Korsakow-Syndrom: Polyneuropathie, Hirnleistungsschwäche, Persönlichkeitsveränderung

Diese Symptome treten oft bei Alkoholikern auf, da bei ihnen die Thiaminresorption im Darm und die Speicherung des Thiamins in der Leber gestört sind, ebenso bei Menschen, die sich überwiegend von poliertem Reis ernähren.

Riboflavin (Vitamin B2)

Struktur
RiboflavinRiboflavin besteht aus der Base Flavin (drei kondensierte 6-Ringe, einer davon Pyrimidin) und dem Zuckeralkohol Ribitol (Abb. 9.3). Die Stickstoffatome N-1 und N-10 können Wasserstoffatome anlagern und diese auf andere Substanzen übertragen.
Vorliegen in der Nahrung
Riboflavin liegt sowohl in pflanzlichen als auch in tierischen Nahrungsmitteln in dephosphorylierter Form vor.
Aktivierung und Funktion
Es gibt zwei aktive Formen von Riboflavin.
  • In der Darmmukosa wird Riboflavin phosphoryliert. Dadurch entsteht Flavinadeninmononukleotid (FMN); erst dies kann resorbiert werden. Es kann zwei Elektronen und zwei Protonen aufnehmen (Oxidationsmittel). FMN ist Bestandteil der NADH-Ubichinon-Oxidoreduktase (Komplex I der Atmungskette).

  • Flavinadenindinukleotid (FAD) (Abb. 9.4) entsteht bei der Verknüpfung von FMN mit ATP. FAD kann ebenfalls zwei Elektronen und zwei Protonen aufnehmen.

FAD ist Coenzym von Dehydrogenasen und Oxidasen.

Merke

Riboflavin liegt im Organismus in Form von FMN (Atmungskette-Komplex I) und FAD (Coenzym bei Dehydrogenasen und Oxidasen) vor.

Klinik

Mangelerscheinungen: Riboflavinmangel kommt häufig bei Alkoholikern vor. Er äußert sich vor allem in Entzündungen von Haut (Dermatitis) und Schleimhäuten (Mundwinkelrhagaden, Glossitis).

Nikotinsäure oder Nikotinamid

Struktur
Nikotinsäure,NikotinamidNikotinsäure und Nikotinamid setzen sich aus einem Pyridinring und einer Säure- bzw. Säureamidgruppe zusammen. Beide sind als Vitamin wirksam. Der Pyridinring kann zwei Elektronen und ein Proton aufnehmen (Abb. 9.5). Da hierbei seine aromatische Struktur verloren geht, ändert sich das Absorptionsspektrum. Dies spielt in der klinisch-chemischen Diagnostik eine große Rolle (enzymatisch-optischer Test).
Vorliegen in der Nahrung
In der Nahrung kommt überwiegend Nikotinamid vor. Eine Nikotinamidquelle ist in der Nahrung enthaltenes NAD+ bzw. NADP+, aus dem im Darm Nikotinamid freigesetzt und resorbiert werden kann. Obwohl der menschliche Organismus Nikotinamid auch selbst aus Tryptophan synthetisieren kann, wird es zu den Vitaminen gezählt (Tryptophan ist selbst eine essenzielle Aminosäure, 7.1.2).
Synthese von NAD+ bzw. NADP+
Aus Chinolinsäure (Abb. 9.6), einem Abbauprodukt von Tryptophan, entsteht Nikotinsäuremononukleotid (NMN Nikotinsäureribosyl-5-phosphat). An das NMN wird mithilfe der im Zellkern lokalisierten NAD+-Pyrophosphorylase ein AMP-Rest angehängt. Anschließend wird die Carboxylgruppe in eine Säureamidgruppe (aus Glutamin) umgewandelt. Es entsteht NAD+ (Abb. 9.6). Dieses kann mithilfe einer Kinase in NADP+ und Letzteres kann mittels einer Phosphatase wieder in NAD+ umgewandelt werden.

Merke

Nikotinamid wird für die Synthese der Coenzyme NAD+ und NADP+ benötigt.

Funktion
NAD+ ist ein wichtiges Oxidationsmittel. Es kann zwei Elektronen und ein Proton aufnehmen. NADH kann in der Atmungskette zu NAD+ rückoxidiert werden (Abb. 9.7).
Wichtige Reaktionen, bei denen NAD+ beteiligt ist, sind:
  • Isocitrat -Ketoglutarat (Enzym: mitochondriale Isocitrat-Dehydrogenase)

  • Pyruvat Acetyl-CoA (Enzym: Pyruvat-Dehydrogenase)

NADPH+H+ ist ein wichtiges Reduktionsmittel und Coenzym von Reduktasen. Es gibt zwei Elektronen und ein Proton ab. NADPH+H+ ist beteiligt an folgenden Reaktionen:
  • Glucose-6-phosphat 6-Phosphogluconolacton (Enzym: Glucose-6-P-Dehydrogenase)

  • Biosynthese von Cholesterin und Fettsäuren

  • Schutz vor Oxidationen durch Sauerstoffradikale (Enzym: Glutathion-Oxidase und -Reduktase)

  • Bildung von Sauerstoffradikalen und Oxidanzien zur Abtötung von Bakterien (Enzym: NADPH-Oxidase und Superoxid-Dismutase).

Merke

  • NAD+ ist ein Oxidationsmittel (nimmt zwei Elektronen und ein Proton auf!).

  • NADPH+H+ ist ein Reduktionsmittel (gibt zwei Elektronen und ein Proton ab!).

Alle NADPH+H+-abhängigen Reaktionen finden im Zytosol statt.

Cave

Aus NADP+ entsteht im Zytosol NADPH+H+. NAD+ (wie FAD) wird in der Atmungskette im Mitochondrium aus NADH+H+ (FADH2) recycelt.

Klinik

Mangelerscheinungen: Die Erkrankung Pellagra ist Ausdruck eines Tryptophan- bzw. Nikotinamidmangels. Sie äußert sich in

  • Dermatitis

  • Demenz

  • Durchfall (infolge chronischer Schleimhautentzündung).

Lerntipp

Eselsbrücke: Pellagra DDD (Dermatitis, Demenz, Durchfall).

Pantothensäure

Struktur
Pantothensäure

Pantothensäure besteht aus -Alanin und Pantoinsäure (, -Dihydroxy--Dimethyl-Buttersäure), die über eine Amidgruppe verbunden sind (Abb. 9.8).

Vorliegen in der Nahrung

Pantothensäure liegt in fast allen Nahrungsmitteln in der in Abb. 9.8 gezeigten Form vor.

Aktivierung

Pantothensäure wird in folgenden Schritten in die aktive Form Coenzym A umgewandelt:

  • Aktivierung der Pantothensäure zu Pantothensäure-P (mittels ATP)

  • Bindung von Cystein Pantethein-P

  • Bindung eines zusätzlich phosphorylierten ATP Coenzym A (Abb. 9.9)

Funktion

Durch die Aktivierung eines Substrats mit Coenzym A wird dieses energiereicher und somit reaktionsfreudiger. Folgende Substrate werden mithilfe von Coenzym A aktiviert:

  • Acetyl-CoA:

    • Endprodukt des Kohlenhydrat-, Fett- und Aminosäureabbaus

    • Ausgangsstoff für Acetylcholin (Acetyl-CoA + Cholin)

    • Werkzeug bei der Biotransformation (Acetylierung von Arzneimitteln)

  • Succinyl-CoA: Ausgangsstoff für die Hämoglobinsynthese

  • Acyl-CoA (aktivierte Fettsäuren) bei der -Oxidation, der Biosynthese von Triacylglycerinen (Fettsäure-Synthase) und der Cholesterinesterbildung (nicht bei HDL)

Klinik

Mangelerscheinungen: Ein Pantothensäuremangel ist sehr selten, da Pantothensäure in fast allen Nahrungsmitteln enthalten ist. Möglich sind Mangelerscheinungen jedoch bei einer Resorptionsstörung. Dann kommt es zu einer Hemmung der Pyruvat-Dehydrogenase (Pyruvat Acetyl-CoA), da diese einen sehr hohen Verbrauch an CoA-SH hat. Symptome eines Pantothensäuremangels sind:

  • Wachstumsstillstand

  • Polyneuropathie mit Burning-feet-Syndrom (nächtliche Parästhesien)

  • vorzeitige Ergrauung der Haare

Folsäure

Struktur

Folsäure besteht aus einem Pteridinrest, einem p-Aminobenzoesäurerest und einem Glutaminsäurerest (Abb. 9.10).

Folsäure
Vorliegen in der Nahrung

Folsäure liegt vor allem in grünem Blattgemüse und in Innereien vor (als Pteroylpolyglutamat).

Aktivierung

Die biologisch aktive Form der Folsäure ist die Tetrahydrofolsäure. Aus der Nahrung resorbierte Folsäure wird in Enterozyten durch die Folat-Reduktase und die Dihydrofolat-Reduktase zur Tetrahydrofolsäure reduziert und in das Blut abgegeben.

Funktion

Tetrahydrofolsäure ist ein Überträger von C1-Einheiten. Diese können an N-5 und N-10 anstelle der H-Atome gebunden werden. Tetrahydrofolsäure überträgt folgende C1-Gruppen:

  • Formylgruppen (Abb. 9.11) (bei der Purinsynthese)

  • Methylengruppen (Abb. 9.12) (bei der Synthese von dTMP aus dUMP durch die Thymidylat-Synthase)

  • Methylgruppen (Abb. 9.13) (bei der Methylierung von Homocystein [ Methionin])

Merke

Bei der Übertragung einer C1-Einheit von Tetrahydrofolat (THF) auf eine andere Substanz entsteht Dihydrofolat (DHF). Dieses wird mithilfe der Dihydrofolat-Reduktase wieder zu THF reduziert.

Klinik

Mangelerscheinungen: Folsäuremangel tritt bei Frauen oft während der Schwangerschaft auf. Er äußert sich in:

  • Störungen der Erythropoese ( megaloblastäre Anämie, Zytopenie [Verminderung der Zellzahl im peripheren Blut])

  • Gastritis

  • Spina bifida (Spaltbildung der Wirbelsäule durch ungenügende Verschmelzung der hinteren Wirbelbögen während der Embryonalentwicklung)

Klinik

Folsäureantagonisten:

  • bei Säugern: Methotrexat hemmt die Dihydrofolat-Reduktase und somit die Bildung von THF (oben: Aktivierung). Da dies zu einer Störung der DNA-Synthese führt, sind sich schnell teilende Zellen, z. B. Tumorzellen, besonders betroffen.

    Aus diesem Grund wird Methotrexat als Zytostatikum (Chemotherapeutikum) eingesetzt.

  • bei Bakterien:

    • Trimethoprim und Aminopterin hemmen die Dihydrofolat-Reduktase und somit die Bildung von THF. Sie werden zur Bekämpfung bakterieller Infekte eingesetzt.

    • Sulfonamide sind Antibiotika, die über eine Hemmung der Folsäuresynthese wirken.

Biotin

Struktur

Biotin, auch Vitamin H genannt, setzt sich aus einem Thiophanring und Harnstoff zusammen (Abb. 9.14).

Biotin
Vorliegen in der Nahrung

Biotin kommt vor allem in Leber, Niere, Eigelb und Hefe vor.

Aktivierung und Funktion

Biotin ist ein Coenzym von Carboxylasen. Carboxybiotin, die biologisch aktive Form, entsteht durch Übertragung von CO2 auf ein Stickstoffatom des Biotins (Abb. 9.15). Die Aufgabe des Carboxybiotins liegt in der Übertragung von Carboxylgruppen. Es ist an folgenden Reaktionen beteiligt:

  • Acetyl-CoA + CO2 Malonyl-CoA (Enzym: Acetyl-CoA-Carboxylase [Fettsäuresynthese])

  • Pyruvat + CO2 Oxalacetat (Enzym: Pyruvat-Carboxylase [Gluconeogenese])

  • Propionyl-CoA + CO2 Methylmalonyl-CoA (Enzym: Propionyl-CoA-Carboxylase [Abbau ungeradzahliger Fettsäuren, Abbau von Isoleucin, Methionin, Threonin, Valin]).

Merke

Biotinunabhängig sind die Carbamoyl-P-Synthetase I und II sowie die Vitamin-K-abhängige Carboxylierung von Gerinnungsproteinen.

Klinik

Mangelerscheinungen: Ein Biotinmangel ist extrem selten, da das Vitamin in vielen Nahrungsmitteln enthalten ist und außerdem von Darmbakterien synthetisiert wird. Dennoch kann es zu Biotinmangel kommen bei:

  • übermäßigem Genuss von rohem Eiweiß (ab 10 Eier pro Tag): Dieses enthält Avidin, das Biotin spezifisch binden kann. Avidin hemmt die Reaktionen, an denen Biotin beteiligt ist.

  • Abtötung der physiologischen Darmflora, die das Biotin produziert, z. B. durch eine Antibiotikatherapie.

Biotinmangel äußert sich in unspezifischen Symptomen wie Dermatitis, neurologischen Störungen oder Haarausfall.

Pyridoxin (Vitamin B6)

Struktur
Pyridoxin

Pyridoxin besteht aus einem Pyridinring, der mit einem primären und einem sekundären Alkohol und einer Methylgruppe verbunden ist. Je nach Substituent an einem weiteren C-Atom werden folgende Substanzen unterschieden (Abb. 9.16):

  • Pyridoxol Pyridoxin (Alkohol)

  • Pyridoxal (Aldehyd)

  • Pyridoxamin (Amin).

Vorliegen in der Nahrung

Ausschließlich Pyridoxal und Pyridoxamin kommen besonders in grünem Gemüse, Milch, Getreide und Innereien vor. Die verschiedenen Formen des Vitamins können im Körper ineinander umgewandelt werden.

Aktivierung und Funktion

In den Zellen wird Pyridoxal zur aktiven Form Pyridoxalphosphat (PALP) phosphoryliert. Dieses ist Coenzym des Aminosäurestoffwechsels und fungiert als Gruppenüberträger für:

  • Decarboxylasen (Bildung der biogenen Amine, z. B. Dopamin, Serotonin)

  • Transaminasen (Bildung der -Ketosäuren aus Aminosäuren [AS]: AS + -Ketosäure neue AS + neue -Ketosäure)

  • Aldolasen (Spaltung von Aminosäuren, z. B. beim Tryptophanabbau)

  • Sphingosin-Synthetase (Sphingosin ist die Ausgangssubstanz für z. B. Ganglioside oder Cerebroside)

  • -Aminolävulinsäure-Synthetase (Hämoglobinsynthese)

Klinik

Mangelerscheinungen: Ein Pyridoxinmangel tritt – außer in der Schwangerschaft (erhöhter Bedarf) – äußerst selten auf. Bei Therapie mit bestimmten Medikamenten, z. B. Isoniazid (INH, einem Antituberkulotikum) oder Levodopa (Antiparkinsonmittel), verliert das Vitamin seine Wirksamkeit und muss deshalb substituiert werden.

Cobalamin (Vitamin B12)

Struktur
Cobalamin

Zentraler Bestandteil von Cobalamin ist ein Corrinring (vier Pyrrolringe), der einen Chelatkomplex mit einem zentralen Cobaltion bildet (Abb. 9.17). Das Cobaltion besitzt sechs Koordinationsplätze. Vier sind von Stickstoffatomen der Pyrrolringe besetzt, einer von 5,6-Dimethylbenzimidazolribosid (blau in Abb. 9.17) und einer von einem Rest (Cyanidion, Adenosyl oder Methylgruppe).

Vorliegen in der Nahrung

Cobalamin kann nur von Mikroorganismen synthetisiert werden. Über diese gelangt es in Pflanzen und Tiere. Gute Cobalaminlieferanten sind Innereien und Milch.

Resorption, Transport und Aktivierung

Damit Cobalamin resorbiert werden kann, muss es sich im Magen mit dem von den Belegzellen produzierten Intrinsic-Faktor zu einem wasserlöslichen Komplex verbinden. Der wasserlösliche Komplex wird von den Epithelzellen des Ileums durch rezeptorvermittelte Pinozytose (Aufnahme von in Flüssigkeit gelösten Stoffen) resorbiert und wieder in seine Einzelteile zerlegt: Der Intrinsic-Faktor wird abgebaut, der Rezeptor gelangt wieder in die Membran. Cobalamin wird in das Blut abgegeben, wo es an Transcobalamin II gebunden transportiert wird. Die Zielzellen nehmen es endozytotisch auf und wandeln es in die aktiven Formen 5-Desoxyadenosylcobalamin und Methylcobalamin um (Abb. 9.18).

Funktion

5-Desoxyadenosylcobalamin: Coenzym der Methylmalonyl-CoA-Mutase, wandelt Methylmalonyl-CoA in Succinyl-CoA um (Abbau ungeradzahliger Fettsäuren).

Methylcobalamin: Coenzym der Homocystein-Methyltransferase, wandelt Homocystein in Methionin um (Abb. 9.18).

Merke

Cobalamin katalysiert intramolekulare Umlagerungen von Alkylresten.

Klinik

Mangelerscheinungen: Ein Cobalaminmangel kann z. B. durch vegetarische Ernährung entstehen, denn der Cobalamingehalt in Pflanzen ist wesentlich geringer als in tierischen Nahrungsmitteln. Häufiger ist der Cobalaminmangel durch Resorptionsstörungen bedingt, aufgrund fehlender oder unzureichender Synthese des Intrinsic-Faktors.

  • Bildung von Antikörpern gegen Belegzellen (Autoimmungastritis, perniziöse Anämie)

  • Magenresektion

  • Entzündung oder Resektion des Ileums

  • Cobalaminmangel äußert sich in einer megaloblastären Anämie (Störung der Erythropoese durch verlangsamte DNA-Synthese) und neurologischen Störungen (Polyneuropathie). Cobalaminmangelerscheinungen treten oft erst nach Jahren auf, da die Leber eine sehr große Speicherkapazität hat.

Der Vitaminmangel kann, je nach Ursache, durch orale oder parenterale Zufuhr ausgeglichen werden

Ascorbinsäure (Vitamin C)

Struktur

Ascorbinsäure ist ein Lacton, das mit zwei Hydroxylgruppen und einem Hydroxyethylalkohol am Ring substituiert ist (Abb. 9.19).

Vorliegen in der Nahrung
Vitamin C Ascorbinsäure

Der Mensch kann Ascorbinsäure nicht aus Glucuronsäure synthetisieren, sondern muss sie mit der Nahrung aufnehmen. Sie kommt vor allem in frischem Obst und Gemüse in der aktiven Form vor.

Resorption

Ascorbinsäure wird in die Enterozyten in Form von L-Ascorbat aufgenommen und zu Dehydroascorbinsäure (Dehydroascorbat) oxidiert. Dieses wird in das Blut abgegeben und gelangt zu den Zielzellen, die es mittels Carrier aufnehmen und zu Ascorbinsäure reduzieren. Ascorbinsäure kann in dieser wasserlöslichen Form von allen Zellen aufgenommen werden.

Funktion

Ascorbinsäure dient, zusammen mit Dehydroascorbat, als Redoxsystem (Abb. 9.20).

Bei folgenden Reaktionen ist Ascorbinsäure beteiligt:

  • Hydroxylierung von

    • Lysin und Prolin (Kollagensynthese)

    • Dopamin (Synthese von Noradrenalin)

    • Steroiden (Synthese)

  • Bildung der Tetrahydrofolsäure

  • Reduktion von Methämoglobin zu Hämoglobin

  • Schutz von Enzymen und Coenzymen.

Merke

Ascorbinsäure und Dehydroascorbinsäure sind ein wichtiges Redoxsystem und spielen eine große Rolle bei der Synthese von Kollagen, Katecholaminen, Steroiden und beim Schutz von Enzymen und Coenzymen.

Klinik

Mangelerscheinungen: Ascorbinsäure ist in sehr vielen Lebensmitteln enthalten, daher ist ein manifester Ascorbinsäuremangel sehr selten. Früher war er vor allem bei Seefahrern weitverbreitet, da diese sich nur sehr einseitig und vitaminarm ernähren konnten. Vor allem aufgrund der mangelhaften Hydroxylierung bei der Kollagensynthese treten folgende Symptome auf, die in ihrer Gesamtheit als Skorbut bezeichnet werden:

  • herabgesetzte Festigkeit von Bindegewebe und Knochen

  • Zahnausfall

  • Zahnfleischbluten

  • punktförmige Hautblutungen (Petechien)

Der Ascorbinsäuremangel geht oft mit einem Eisenmangel einher, da Ascorbinsäure die Eisenresorption fördert (durch Hemmung der Oxidation des Eisens).

Fettlösliche Vitamine

Tocopherole (Vitamin E)

Struktur
Vitamin EVitamine:fettlöslichTocopheroleTocopherole bestehen aus einem Chromanring und einer isoprenoiden Seitenkette sowie unterschiedlichen Substituenten. Voraussetzungen für die Wirkung als Vitamin ist das Vorhandensein mindestens einer Hydroxyl- und einer Methylgruppe, wie bei -Tocopherol (Abb. 9.21).
Vorliegen in der Nahrung
Tocopherole liegen vor allem in pflanzlichen Ölen und in Getreide vor.
Resorption, Aktivierung und Funktion
Tocopherole werden durch Mizellenbildung (4.1.1) mit Gallensäuren löslich gemacht und können so resorbiert werden.
Die biologisch aktive Form ist das -Tocopherol-Hydrochinon, das aus -Tocopherol durch H2O-Aufnahme entsteht. Diese Substanz kann sich in Tocochinon umwandeln (Abb. 9.22):
  • -Tocopherol-Hydrochinon -Tocopherol-Hydrochinon-Radikal + e + H+

  • -Tocopherol-Hydrochinon-Radikal -Tocochinon + e + H+.

Merke

-Tocopherol ist ein Redoxsystem, das als Radikalfänger (e) empfindliche Stoffe (mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Thiolgruppen, Zellmembranen) vor der Oxidation schützt und dabei selbst oxidiert wird.

Klinik

Mangelerscheinungen: Bei ausgeprägtem Tocopherolmangel treten Störungen der neuromuskulären Übertragung auf. Überdosierungssymptome sind nicht bekannt.

Calciferole (Vitamin D)

Struktur

Calciferole sind eher den Steroidhormonen (13.1.2) zuzuschreiben als den Vitaminen, da sie zu der Gruppe der Steroide gehören und der menschliche Organismus den wichtigsten Vertreter, Cholecalciferol (Vitamin D3), komplett selbst synthetisieren kann. Auch ihr Wirkmechanismus entspricht dem der Steroidhormone: Über Rezeptoren, die im Zellkern lokalisiert sind, beeinflussen sie die Transkription bestimmter Gene. Man unterscheidet zwischen den im tierischen Organismus gebildeten Cholecalciferolen (Vitamin D3) und den pflanzlichen Ergocalciferolen (Vitamin D2) (Abb. 9.23).

Vorkommen bzw. Synthese und Aktivierung
Vitamin D Calciferole

Cholecalciferol kommt in großen Mengen in Lebertran vor, kann jedoch auch in der Leber aus Cholesterin synthetisiert werden (19.2.2). Cholecalciferol hat bereits eine schwache biologische Aktivität. Die Aktivität wird durch Hydroxylierungen von C-Atom 25 (Leber) und C-Atom 1 (Niere) des Steroidgerüsts deutlich gesteigert.

Das Ergosterol pflanzlichen Ursprungs wird durch UV-Licht in Ergocalciferol überführt und anschließend zum 1,25-Dihydroxyergocalciferol hydroxyliert und aktiviert.

Merke

Die Synthese der Calciferole erfolgt in drei Organen: Haut, Leber und Niere. Der limitierende Stoff sind nicht die Provitamine, sondern das UV-Licht. Da das UV-Licht die Calciferole somit zu essenziellen Substanzen macht, werden sie als Vitamine bezeichnet, obwohl sie vom Körper synthetisiert werden können.

Da die Calciferole für die Steuerung des Calciumhaushalts eine sehr große Rolle spielen (unten), wird ihre Synthese exakt reguliert: Die Synthese von Cholecalciferol erfolgt aus Dehydrocholesterin unter Einwirkung von UV-Licht, die Bildung von 25-Hydroxycholecalciferol in der Leber wird nur durch dieses selbst gehemmt. Die Bildung von 1,25-Dihydroxycholecalciferol in der Niere jedoch unterliegt einem komplexen Regulationsmechanismus (19.2.2).

Funktion

Die Wirkungen von Chole- und Ergocalciferol unterscheiden sich nicht. Da die Wirkungsstärke von Cholecalciferol jedoch deutlich größer ist als die von Ergocalciferol, wird im Folgenden ausschließlich Cholecalciferol abgehandelt. Seine biologisch aktive Form 1,25-Dihydroxycholecalciferol hat folgende Wirkungen:

  • Förderung

    • der Resorption von Calcium und Phosphat im Darm und in der Niere, in letzterer jedoch nur in Gegenwart von Parathormon,

    • der Bildung von Ca2+-bindendem Protein in den Darmepithelzellen,

    • der Mineralisierung am Knochen (durch Einbau von Calcium und Phosphat).

  • Beeinflussung der Genexpression und dadurch Modulation

    • des Wachstums und der Differenzierung epidermaler Zellen,

    • der Differenzierung von Zellen des blutbildenden Systems,

    • der Karzinogenese.

Merke

Der Calciumhaushalt wird durch drei Hormone reguliert:

  • 1,25-Dihydroxycholecalciferol erhöht den Calciumspiegel im Blut und sorgt für einen verstärkten Einbau von Ca2+ in den Knochen. Wenn eine massive Hypokalziämie vorliegt, wird eine große Menge an 1,25-Dihydroxycholecalciferol gebildet. Diese setzt dann wiederum Calcium aus der Knochensubstanz frei.

  • Parathormon erhöht ebenso den Calciumspiegel im Blut durch Förderung der Calciumresorption im Darm und des Ca2+- und Phosphatabbaus im Knochen.

  • Calcitonin dagegen senkt den Calciumspiegel im Blut durch Förderung der Ausscheidung von Ca2+ und Phosphat über die Niere und vermehrten Einbau von Ca2+ in den Knochen.

Klinik

Mangelerscheinungen: Calciferolmangel ist meist durch Resorptionsstörungen, z. B. bei chronischer Entzündung des Ileums, wie bei Morbus Crohn, oder durch eine Hydroxylierungsstörung bei Leber- oder chronischer Niereninsuffizienz bedingt, seltener durch ungenügende Zufuhr oder mangelnde UV-Bestrahlung. Letztere war früher die Hauptursache für den Vitamin-D-Mangel bei Kindern, der zu Rachitis führt: Die mangelnde Mineralisation des Knochens im Wachstumsalter führt zu Wachstumsstörungen und Skelettdeformierungen. Calciferolmangel im Erwachsenenalter führt zur Osteomalazie (Skelettdeformierungen); das Krankheitsbild wird bei chronischer Niereninsuffizienz als renale Osteopathie bezeichnet.

Calciferolüberschuss kann durch übermäßige Zufuhr von Vitaminpräparaten entstehen und führt zu ausgeprägtem Abbau von Knochensubstanz mit erhöhten Ca2+- und Phosphatkonzentrationen in Blut und Urin. Dabei wird Calcium in den Blutgefäßen, der Haut und in der Niere abgelagert. Die Folgen sind Blutgefäß- und Gewebsverkalkungen sowie Nierensteine.

Phyllochinone (Vitamin K)

Struktur

Alle Phyllochinone leiten sich von 2-Methyl-1,4-Naphthochinon (Menadion, Abb. 9.24) ab. Je nach Substituent werden zwei natürlich vorkommende Formen unterschieden:

  • Vitamin K1 trägt eine Phythylseitenkette (3 Isopreneinheiten) (Abb. 9.25).

  • Vitamin K2 trägt einen Difarnesylrest (6 Isopreneinheiten).

Vorkommen und Resorption
Vitamin K Phyllochinone

Phyllochinone werden von Pflanzen (Vitamin K1 und K2) und Bakterien (nur Vitamin K2) synthetisiert. Säugetiere müssen Vitamin K über die Nahrung aufnehmen oder das von Darmbakterien gebildete Vitamin resorbieren.

Aktivierung und Funktion

Von den resorbierten Phyllochinonen werden in der Leber Seitenketten abgespalten und der Difarnesylrest wird angehängt, wobei Difarnesylnaphthochinon (Vitamin K2), die biologisch aktive Form, entsteht.

Vitamin K ist notwendig für die Synthese und Sekretion der Gerinnungsfaktoren II (Prothrombin), VII (Proconvertin), IX (Christmas Factor) und X (Stuart Factor). Es dient als Cofaktor einer Carboxylase, die die Ladung der Gerinnungsfaktoren stark negativiert und somit aktiviert.

Klinik

Mangelerscheinungen: Vitamin-K-Mangel kann auftreten, wenn aufgrund einer langwierigen Antibiotikatherapie die Darmbakterien zugrunde gehen und gleichzeitig eine Mangelernährung vorliegt.

Vitamin-K-Antagonisten (Cumarinderivate, z. B. Marcumar) hemmen Vitamin K kompetitiv und stören so die Synthese der oben genannten Gerinnungsfaktoren. Die Folge ist eine Gerinnungsstörung, die sich allerdings erst nach 3–4 Tagen bemerkbar macht, da dann die vorher synthetisierten Gerinnungsfaktoren aufgebraucht sind. Vitamin-K-Antagonisten finden in der Infarkt- und Thromboseprophylaxe Anwendung. Eine Überdosierung von Vitamin-K-Antagonisten kann durch Gabe von Vitamin K behoben werden.

Lerntipp

Gerinnungsfaktoren, deren Synthese durch Cumarin gehemmt wird: II, VII, IX, X (1972 Neun, Zehn, Sieben, Zwei. Das Jahr der Olympischen Spiele in München).

Retinol (Vitamin A)

Struktur

Retinol ist ein aus vier Isopreneinheiten bestehender Alkohol (Abb. 9.26).

Vorliegen in der Nahrung
Vitamin A Retinol

In der Nahrung liegt teils Retinol, teils das Provitamin (, - und -Carotin) vor. Die Gruppe der Carotinoide besteht aus acht Isopreneinheiten und kann nur von Pflanzen synthetisiert werden.

Resorption und Transport

Die Resorption von Retinol und Carotin erfolgt mithilfe von Gallensäuren. In den Enterozyten wird das Carotin durch eine Dioxygenase gespalten, wobei zwei Moleküle Retinal entstehen (Abb. 9.27). Diese werden in Chylomikronen (4.10) zur Leber transportiert. Dort wird es nach Reduktion und Veresterung als Retinylpalmitat in den sog. Ito-Zellen (perisinusoidale Fettzellen, Sternzellen) gespeichert. Die Speicherkapazität der Leber ist so groß, dass der Bedarf mehrerer Monate gesichert ist. Bei Bedarf wird Retinol durch eine Esterase freigesetzt.

Aktivierung und Funktion

In den Zellen, die Vitamin A benötigen, kann es in drei verschiedenen biologisch aktiven Formen vorliegen: als Retinal, Retinol oder als Retinoat (Abb. 9.28).

Vitamin A spielt eine sehr wichtige Rolle beim Sehvorgang (23): Rhodopsin, der lichtempfindliche Stoff in den Stäbchen der Retina, besteht aus 11-cis-Retinal und dem Proteinanteil Opsin. Trifft Licht auf die Netzhaut, wandelt sich 11-cis-Retinal in all-trans-Retinal um und Rhodopsin zerfällt in all-trans-Retinal und Opsin (Abb. 9.29). Durch den Zerfall des Moleküls entsteht ein elektrischer Impuls, der vom N. opticus weitergeleitet wird.

Ein Teil des all-trans-Retinals wird in der Netzhaut wieder in 11-cis-Retinal zurückverwandelt. Der Rest wird zu all-trans-Retinol und in der Leber zu 11-cis-Retinal umgewandelt. Aus 11-cis-Retinal und Opsin wird in der Netzhaut wieder Rhodopsin gebildet (Abb. 9.29). Normalerweise sind die Geschwindigkeiten von Rhodopsinspaltung und -regeneration gleich groß. Bei Retinolmangel jedoch ist die Regeneration verlangsamt. Da die Anpassung der Augen an Dunkelheit eine große Menge an Rhodopsin erfordert, kommt es bei Vitamin-A-Mangel infolge der verlangsamten Rhodopsinregeneration zu Nachtblindheit.

In den Zapfen (Farbensehen) findet ein gleichartiger Sehvorgang statt. Auch sie enthalten Retinol, jedoch andere Opsinformen. Sie sind weniger empfindlich für Licht, sodass bei Dämmerung nur monochromatisches Sehen, also Schwarz-Weiß-Sehen, möglich ist. Eine weitere Funktion des Vitamin A liegt in der Beeinflussung der Genexpression. Die vom Retinal abgeleiteten Retinoide haben die Fähigkeit, die Transkription bestimmter Gene zu regulieren. Dafür sind intrazelluläre Rezeptoren notwendig. Retinoide steigern die Transkription der Gene von:

  • Retinolbindungsproteinen

  • Laminin (Bestandteil der Basalmembran)

  • Keratinen (Epidermis)

Darüber hinaus hat Retinoat (Vitamin-A-Säure) folgende Wirkungen:

  • Aufbau und Erhalt von Haut und Schleimhaut

  • Bildung schleimbildender Zellen

  • Förderung des Wachstums von Knochen und Bindegewebe

Merke

Retinol spielt eine große Rolle beim Sehvorgang, bei der Genexpression und beim Aufbau und Erhalt des Körpers.

Klinik

Mangelerscheinungen: Sie treten bei Mangelernährung auf oder bei Unfähigkeit des Organismus, Carotinoide zu spalten (Enzymdefekt) oder zu speichern (Leberzirrhose). Die Folgen sind:

  • Nachtblindheit (Nyktalopie, 23.3.3)

  • Hornhaut, Bindehaut und Epithelien (Ausnahme: Gastrointestinaltrakt) trocknen aus und verhornen Trockenheit von Mund und Augen (Xerophthalmie) bzw. Hyperkeratose.

Eine Hypervitaminose tritt ernährungsbedingt kaum auf, häufiger ist eine durch Vitamin-A-Präparate verursachte Überdosierung. Symptome sind

  • Haarausfall

  • Leberzirrhose

  • in der Schwangerschaft eine Schädigung des ungeborenen Kindes (Fehlbildungen).

Praxistipp

Retinoide werden in der Therapie einiger Hautkrankheiten wie beispielsweise der Schuppenflechte (Psoriasis) eingesetzt, da sie die Abschuppung und Regeneration fördern.

Vitaminanaloga (Antivitamine)

Als VitaminanalogaVitaminanaloga oder Antivitamine werden Stoffe bezeichnet, die eine strukturelle Ähnlichkeit mit Vitaminen haben, aber keine biologische Aktivität aufweisen. Vitamine und ihre Analoga können sich am Wirkort (Enzym) kompetitiv hemmen, ein Überschuss an Vitaminen kann die Analoga verdrängen und umgekehrt.

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