7-Vitamine & Coenzyme

Die wasserunlöslichen, fettlöslichen Vitamine
Vitamine & Coenzyme
•  Die Vitamine A, D, E, K sind wasserunlöslich und fettlöslich
•  Vitamine A und D stellen keine Vorstufen von Coenzymen dar
(Sehpigment, „Hormon“)
•  Die Rolle von Vitamin E (Tocopherol) ist nicht vollständig aufgeklärt! (Antioxidans)
•  Vitamin K ist essentiell als COFAKTOR für die Carboxylierung von
Blutgerinnungsfaktoren
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Hypervitaminosen
Vitamine & Coenzyme
•  Überschuss an wasserlöslichen Vitamine wird über die Niere im Urin ausgeschüttet
•  Überschuss an wasserunlöslichen Vitaminen kann teilweise nicht ausreichend
exkretiert werden und daher kommt es zur Speicherung, vor allem in der Leber
•  Die Aufnahme von Vitamin A, D, E oder K über die empfohlene bzw. der erlaubten
Tagesdosis kann daher gesundheitsschädlich sein!
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Die wasserunlöslichen, fettlöslichen Vitamine
Vitamine & Coenzyme
Vitamin
Aktive Form
Mangelerkrankung
β-Carotin (Provitamin A)
Retinol (A)
Retinal
Nachtblindheit, Sehstörung
Ergocalciferol (D2)
Cholecalciferol (D3)
Dihydroxycholecalciferol
Rachitis, Osteomalazie
Tocopherol (E)
α-Tocopherol (E)
selten, unspezif. Symptome
Phylloquinon (K1)
Menaquinon (K2)
Dihydroformen
Blutgerinnungsstörungen
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Die wasserunlöslichen, fettlöslichen Vitamine
Vitamine & Coenzyme
Aktive Form
Reaktion
Biolog. Funktion
Retinal
cis-trans Isomerisierung
Sehprozess,
Entwicklung
Dihydroxycholecalciferol
Hormon
Ca- & P-Stoffwechsel
α-Tocopherol
Reduktion von Radikalen
?
Antioxidans
Proteinkinase C
Dihydrophylloquinon
Dihydromenaquinon
Carboxylierung
Blutgerinnung
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Vitamin A: Provitamin A = Carotine
Vitamine & Coenzyme
Carotine (lat. carota: „Karotte“):
•  sekundäre Pflanzenstoffe (tiefgelb-orange Farbe)
•  unpolar, fettlöslich
•  Tetraterpene: 2 Iononringe –> über C-Kette mit 9 konjugierten DB verbunden
•  Überdosierung nicht toxisch (im Gegensatz zu Vitamin A!)
•  bekanntester Vertreter: β-Carotin (= Provitamin A -> wichtigste Vorstufe von Vitamin A)
Funktion in Pflanzen:
Photosynthese, Schutz vor UV-Strahlen und Infektionen
Funktion beim Mensch:
Zellschutz durch antioxidative Wirkung, Provitamin A
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Vitamin A: Von Carotin zu Retinol
Vitamine & Coenzyme
this bond is broken
66
Vitamin A: Von Carotin zu Retinol
Vitamine & Coenzyme
Vitamin A = Retinol
•  fettlösliches, essentielles Vitamin
•  DITERPEN -> einwertiger, primärer Alkohol
mit einem β-Jononring und konjugierten DB
•  wichtigster Vetreter: all-trans-Retinol
•  z. B. in Orangen, Karotten, Spinat, Fisch, Leber, Eigelb, Milchprodukte
Funktion:
Bestandteil des Sehpigments (als Retinal), Wachstumsfaktor, beteiligt bei
Testosteronbildung,
Nervensystem,
Erythrozytenbildung,
Proteinsynthese,
Fettstoffwechsel, Schutz vor DNA-Schäden in Haut und Schleimhaut, Knochen,
Embryonalentwicklung, Immunsystem
Folgen bei Mangel:
Haarausfall, Sehstörungen (z. B. Nachtblindheit), Atrophie von Schleimhäuten und
Speicheldrüsen
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Vitamin A: Von Carotin zu Retinal
Vitamine & Coenzyme
this bond is broken
68
Vitamin A: Sehvorgang durch Lichtabsorption
Vitamine & Coenzyme
Retinal in der Konfiguration 11-cis-Retinal
ist in den Stäbchen der Netzhaut
mit dem
11-cis-Retinal
Protein Opsin verbunden -> Rhodopsin
(Sehpurpur).
CH3
11
12
H3C
CHO
CH3
11-cis-Retinal
Lichtabsorption führt zur Konfigurationsänderung von 11-cis-Retinal zu all-transRetinal, wodurch das Opsin abgespalten
wird und eine Signalkaskade bis zum
Sehnerv einsetzt.
Leichter Mangel an Retinol:
•  verminderte Nachtsicht
CH3
H3C
Lichtabsorption: cis-trans Isomerisierung
CH3
H3C
CH3
CH3
11
CHO
12
11-trans-Retinal
Stärkerer Mangel:
•  schnelles Ermüden der Augen
•  Nachtblindheit
•  Verhornung der Sehzellen
CH3
all-trans-Retinal
strukturelle Veränderung im Opsinprotein
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Vitamin A: Farbensehen
Vitamine & Coenzyme
Sichtbares Licht:
 Wellenlängenbereich 380 - 780 nm
Sehzellen (Photorezeptoren):
Photonen lösen in den Photorezeptoren der
Netzhaut durch einen chemischen Vorgang
am Eiweiß (Opsin) des Sehpurpurs (Rhodopsin)
elektrische Signale aus. Über die Sehnerven
werden diese Signale ins ZNS weitergeleitet
-> Farbeindruck!
Es gibt zwei Systeme von Photorezeptoren:
Stäbchen:
- nur 1 Typ
- nur Hell-Dunkel-Kontraste
- für Nachtsehen (skotopisches Sehen)
Zapfen (Farbrezeptoren):
- für Tagessehen (photopisches Sehen)
- 3 Typen mit je spezifischer spektraler Empfindlichkeit
70
Vitamin A: Farbensehen
Vitamine & Coenzyme
Die ZAPFEN exprimieren drei verschiedene sog. Photopsine (L, M, S), die das Retinal in
einer unterschiedlichen Umgebung einbetten -> dies führt zu einem veränderten
Absorptionsspektrum mit Maxima bei 420, 530 und 560 nm (blaues, grünes und rotes
Pigment).
L-Zapfen (Long):
für längere Wellenlängen
Absorptionsmax.: 560 nm = rot
M-Zapfen (Medium):
für mittlere Wellenlängen
Absorptionsmax.: 530 nm = grün
S-Zapfen (Short):
für kürzere Wellenlängen
Absorptionsmax.: 420 nm = blau
Um Farben zu unterscheiden, muss das Gehirn die Antworten von mindestens 2
verschiedenen Zapfentypen vergleichen.
Animation Sehvorgang
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Vitamin A: Farbenfehlsichtigkeit
Vitamine & Coenzyme
Farbenblindheit (Achromasie):
vollständiger Ausfall des Farbsinns -> keine Farben, sondern nur Kontraste (hell-dunkel)
wahrgenommen (geringe Sehschärfe, sehr hohe Blendungsempfindlichkeit); alle Zapfen
funktionsunfähig; autosomal-rezessiv vererbt oder erworben
Farbenfehlsichtigkeit (Dyschromasie):
resultiert aus dem Fehlen eines der drei Photopsine; meist genetisch bedingt;
Monochromasie:
nur 1 Zapfen funktioniert; Farben als Graustufen wahrgenommen
Dichromasie:
- bei rot-grün „Blindheit“ ist entweder der rote oder grüne Photorezeptor nicht funktional
(rot- oder grün- Dichromat)
- fehlen die S-Zapfen liegt eine Blau-Gelb-Sehschwäche vor (sehr selten!)
John Daltons Augen:
150 Jahre nach seinem Tod konnte durch
DNA Analyse festgestellt werden, dass er
ein Grün- Dichromat war!
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Vitamin A: Hypervitaminose Retinol
Vitamine & Coenzyme
Hypervitaminose
→  (längere) Überversorgung mit hohen Dosen Vitamin A
→  300 mg Vitamin A sind toxisch und 900 mg tödlich
→  Körper speichert überschüssiges Vitamin A insbesonders in der Leber ->
Leberkonsum gering halten (Schweineleber: 42 mg Vit A/100g)!
Symptome:
Lebertoxisch, Erbrechen, Durchfall, Kopfschmerzen, erhöhter Hirndruck, Osteoporose,
Verringerung der Schilddrüsentätigkeit, Wucherungen der Knochenhaut
Leber von POLAR-CARNIVOREN:
aufgrund ihres sehr hohen Vitamin-AGehaltes toxisch -> von den Inuit nicht
gegessen!
100 g Leber eines Eisbären bzw.
300 g Leber eines Huskies sind für
den Menschen tödlich!
Quelle von Vitamin A
Ochse (Leber)
Dorsch Lebertran
Heilbutt Lebertran
Weddell-Robbe (Leber)
Mensch (Leber)
Ant. Huskies (Leber)
Ark. Robben (Leber)
Eisbär (Leber)
[Vitamin A](µg)/g
165
180
9000
133
172
3171
3600-4200
7200-10500
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Vitamin A und Mawsons Polarexpedition
Vitamine & Coenzyme
DOUGLAS MAWSON leitete eine Polarexpedition in
der Antarktis von 1911-1914.
Durch mehrere unglückliche Umstände verloren sie
ihre Vorräte und mussten ihre Schlittenhunde
verspeisen.
Einer der beiden Expeditionsteilnehmer verstarb an
einer Vitamin A-Vergiftung, da er die Innereien
einschließlich der Leber aß!
Douglas Mawson
(1882-1958)
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Vitamin D / Cholecalciferol
Vitamine & Coenzyme
Physiologisches Vitamin D -> 25(OH)-D3 = 25-Hydroxy-Cholecalciferol (Seco-Steroid)
 eigentlich kein Vitamin, sonder „Pro-Hormon“ -> Umwandlung ins Hormon Calcitriol
Vorkommen:
-  in der Haut mit Hilfe von UV-B-Licht aus
7-Dehydrocholesterol gebildet
- in der Nahrung v.a. in fettem Fisch (Lebertran!)
Funktion Hormon:
•  Regulierung des Calcium- Spiegels im Blut
•  Knochenaufbau
Vitamin-D-Mangel:
Rachitis, Osteomalazie
Hypervitaminose D:
-> eher selten, da beschränkte exogene Aufnahme
-> bei chron. Überdosierung: Hypercalciämie, Hypercalciurie, Nierenschädigung, Niereninsuffizienz, Erbrechen, Bauchkrämpfe, Psychosen, Muskelschmerzen etc...
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Vitamin D ist ein Steroidderivat
Vitamine & Coenzyme
C H3 R
CH 3
10
9
HO
C H3 R
UV-Licht
CH 3
C H3 R
spontan
HO
HO
Prävitamin D3
7-Dehydrocholesterol
H 3C
CH 3
CH 2
Vitamin D3
Hydroxylierungen
(Leber/Niere)
OH
CH 3
25
CH 3
Calcitriol
1α,25-Dihydroxy-Vitamin D3
(aktive Form)
CH 2
1
HO
OH
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Vitamin E / Tocopherol
Vitamine & Coenzyme
Gr.. toko, Geburt; pherein, hervorbringen
Vitamin E:
•  Gruppe von > 16 fettlöslichen Substanzen
•  Bestandteil aller Membranen tierischer Zellen
•  nur von Pflanzen und Cyanobakterien gebildet
α-Tocopherol:
- am besten erforschte Form
- beste Speicher- und Transportform im Körper
Vorkommen:
Weizenkeimöl und andere pflanzliche Öle, Leber, Vollkornprodukte, Blattgemüse, Eier ...
Funktion:
•  lipidlösliches Antioxidans -> Tocopherol wirkt als Radikalfänger
•  Steuerung der Keimdrüsen („Antisterilitätsvitamin“)
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Vitamin E / α-Tocopherol
Vitamine & Coenzyme
CH3
O
H3C
OH
H
CH3
CH3
CH3
CH3
H3C
CH3
Grundstruktur:
•  Chromanring ->
an Pos. 6 hydroxyliert
•  unterschiedliche Methylierung
-> α-, β-, γ- oder δ-Form
•  unterschiedlich gesättigte Seitenketten, z.B.:
Tocopherole:
Tocotrienole (T3):
gesättigte Seitenkette
dreifach ungesättigte Seitenkette
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Vitamin E / α-Tocopherol
Vitamine & Coenzyme
Wirkung als Antioxidans:
Tocopherol kann mehrfach ungesättigte Fettsäuren in Membranlipiden, Lipoproteinen
und im Depotfett vor Oxidation (Lipidperoxidation) schützen.
Freie Radikale greifen die Doppelbindungen der Fettsäuren an. Tocopherol wirkt als
Radikalfänger, indem es selbst zu einem mesomeriestabilisierten Radikal wird.
Das Tocopherol-Radikal wird dann unter Bildung eines Ascorbatradikals reduziert (d.h.
die Regenerierung von Vitamin E benötigt Vitamin C!).
Das Ascorbatradikal wird mit Hilfe von
Glutathion (GSH) regeneriert.
Reduktion eines Fettsäure-Radikals durch Vitamin E ->
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Vitamin K
Vitamine & Coenzyme
Vitamin K: Namensgebung: K -> Koagulation
R=
O
Struktur:
CH3
CH3
Grundgerüst von 2-Methyl-1,4-Naphtochinon (Menadion = K3)
-> unsubstituierter, aromatischer Ring
-> Methylgruppe
-> lipophile Seitenkette (nur bei K1 und K2)
CH3
H
R
R=
O
H
Vitamin
K1: R =
O
3
CH
CH
H
R
=
CH
•  Phyllochinon
O
CH
3
CH
CH
•  in Pflanzen
für die Photosynthese
CH
H
3
R=
3
3
3
3
3
O
R
R=
3
H
CH3
R=
8
CH3
CH3
3
Vitamin K2: R =
CH
8
O
•  Menachinon
H
H
R=
R
R=
8
•  auch
von Mikroorganismen
im menschlichen Darm produziert
O
H
R=
O
RCH3
H
8
3
H
Vitamin K3: R =
•  Menadion
•  synthetisches Vitamin K-Analogon ohne Seitenkette (künstliches Provitamin K)
•  wasserlöslich
80
H
Vitamin K
Vitamine & Coenzyme
Nobelpreis für Medizin/Physiologie 1943
HENRIK DAM
(1895-1976)
„For his discovery of vitamin K“
EDWARD ADELBERT DOISY
(1893-1986)
„For his discovery of the chemical
nature of vitamin K“
81
Vitamin K
Vitamine & Coenzyme
Funktion:
Vitamin kann zwischen seinen oxidierten (Chinon) und reduzierten (Hydrochinon)
Formen wechseln:
K2 und K3 beim Mensch:
Cofaktor für Vitamin-K-abhängige Carboxylierungsreaktionen ->
- Blutgerinnung
- Knochenstoffwechsel: Aktivierung von Osteocalcin und Calbindin
- Zellwachstum
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Mechanismus von Vitamin K abhängiger Carboxylierung
Vitamine & Coenzyme
Vitamin K-abhängige Carboxylierungsreaktion:
  Enzym: γ-Glutamylcarboxylase
  Protein wird mittels CO2 und ATP am γ-Glutamylrest carboxyliert
  das aktivierte Vitamin K-Dihydrochinon wirkt als Cofaktor der Carboxylase
und wird dabei zu einem 2,3-Epoxid umgewandelt
-  Epoxid-Form durch VITAMIN-K-EPOXIDREDUKTASE zur Chinon-Form
umgewandelt
durch gerinnungshemmende
Medikamente wie Dicoumarol
und Warfarin inhibierbar
-  Chinon mittels CARBONYLREDUKTASE
zum Hydrochinon reduziert
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Mechanismus von Vitamin K abhängiger Carboxylierung
Vitamine & Coenzyme
O
H
N CHC
O
H
N CHC
CH2
CH2
HC H
CH
COO
COO
CO2
CH2
HC COO
COO
Glu
Vitamin KDihydroquinon
Gla
O2
H2O
O
OH
OH
S
S
O
H
N CHC
CH3
CH3
R
O
R
O
O
Vitamin K-2,3-Epoxid
SH Dithiol
SH
CH3
SH
R
SH
O
Vitamin K-Quinon
S
S
Disulfid
84
Vitamin K Antagonisten
Vitamine & Coenzyme
Dicoumarol und Warfarin sind kompetitive Inhibitoren von Vitamin K.
O
CH3
Vitamin K
R
O
O
OH
O O
C
H2
O
O
OH
OH
O
CH
Dicoumarol wird bei der Zersetzung von
Pflanzen (süsser Klee) gebildet und kann zu
tödlichen Blutungen bei Rindern führen!
Warfarin
(Rodentizid)
CH2
C
O
CH3
85
Vitamin K reguliert die Blutgerinnung
Vitamine & Coenzyme
Vitamin K ist essentiell für die posttranslationale Modifikation wichtiger Proteasen und
Proteine in der Blutgerinnungskaskade:
•  es aktiviert die Gerinnungsfaktoren II, VII, IX, X durch Einführung von Carboxyglutamatresten
•  außerdem werden durch Vitamin K auch die gerinnungshemmenden Proteine C und S
carboxyliert und so aktiviert
Faktor II (Prothrombin) besitzt 10
γ-Carboxyglutamatreste am N-Terminus (AS 6-33).
Prothrombin ohne die CarboxyglutamatModifikation besitzt nur etwa 1-2% der
“Blutgerinnungsaktivität”.
86
Vitamin K und die Blutgerinnung
Vitamine & Coenzyme
Blutgerinnung
87