Ernährungsphysiologie Vitamine
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Ernährungsphysiologie Vitamine Vitamine Fettlösliche Vitamine A,D, E, K Induktive Wirkung (Hormone) Wasserlösliche Vitamine B1, B2, B6, B12 Nicotinsäure, Pantothensäure, Folsäure, Biotin, Cholin, Vitamin C Coenzymfunktion Antivitamin - inaktive Strukturanaloge - Verbindungen, die Vitamine durch Spaltung, Komplexbildung etc. inaktivieren Avitaminose (völliger Mangel) Hypovitaminose marginale Versorgung) Hyervitaminose (stark überhöhte Zufuhr) Versorgung Größe einer internationalen Einheit (I.E.) bei den Vitaminen A, D, und E 1.I.E. entspricht Vitamin A Vitamin D Vitamin E 0,300 µg all-trans Retinol 0,344 µg all-trans Retinylacetat 0,550 µg all-trans Tetinylpalmintat 0,025 µg Vitamin D3 1 mg dl-α-Tocopherolacetat Requirements for vitamin A in calves as influenced by the criterion used for determination nach Riis et al.,1983 Criterion IU/kg BW a. day Prevention of night blindness 18 – 27 Maintenace of normal growth 27 Achivement of maximal gain in weight 54 Maintenace of normal cerebrospinal fluid pressure 97 Depostion of small amounts of vitamin A in the liver 108 Maintenance of maximum concentrations of vitamin A in the blood plasma 427 Establishment of extensive vitamin A depots In the liver 854 Variabilität des Vitamingehaltes Der Futtermittel Umweltbelastung Veränderte Haltungsbedingungen Genetisch bedingte Bedarfsunterschiede Unterschiedliche Verfügbarkeit der Vitamine Optimalbedarf Vitaminverluste durch Konservierung, Lagerung sowie Be- und Verarbeitung der Futtermittel Antivitamine Futterfaktoren (u.a.Fettzusatz) Abb. 6 Einflüsse auf den Vitaminbedarf und Gründe für einen Sicherheitszuschlag zum Optimalbedarf an Vitaminen Grad des Vitaminmangels 1 5 6 Abnahme Verminderte Synthese von Metaboliten Verminderte Aktivität Stoffwechsel- oder Funktionsstörung oder morphologische Veränderungen marginale Bedarfsdeckung Brubacher, 1987 irreversibel Vitaminabhänige Enzyme oder Hormone 4 charakteristisch Metaboliten 3 nicht spezifisch Vitaminreserven des Organismus 2 klinischer Mangel präklin. oder manifester Mangel subklin. erstes Mangel Stadium Endstadium Biologische Tests zur Bestimmung der Vitaminwirksamkeit Vitamin Verfahren Provitamin A – Aktivität Kolpokeratosetest (Epithelschutztest), Ratte A Rattenwachstumstest D Kükenrachitistest E Gestations – Resorptionstest K Prothrombintest beim Huhn B1 Bradykardietest bei der Ratte B12 Mikrobiol. Wachstumstest Kriterien zur Beurteilung des Vitaminstatus Vitamin Kriterium Druck der Cerebrospinalflüssigkeit (Konz. In Blut und Leber) Knochenaschegehalt, Aktivität der Alkalischen Phosphatase im Serum D Haemolysetest, Aktivität muskelspez. Enzyme wie CPL und LDH, Vitamin E im Plasma E Blutgerinnungszeit K Thgiamingehalt im Blut. Gehalt an Pyruvat im Blut. Thiamin Aktivität der Transketolase in den Erythrozyten. Aktivität der Glutathion – Reduktase im Blut. (Riboflavin-Gehalt in Blut Riboflavin und Harn) (Gehalt an Niacin in Plasma und Harn) Niacin Ausscheidung an Xanthurensäure im Harn nach B6 Pantothen- Tryptophanbelastung Aktivität der GOT im Serum (Gehalt an Pantothensäure und CoA in Blut, Leber, Harn) Säure Biotinkonzentration im Blutplasma Biotin Formiminosäureausscheidung im Harn Folsäure Ausscheidung von Methylmalonsäure im Harn B12 Konzentration im Plasma C __________________________ _________________________________ A Kriterien in Klammern: weniger empfkindlich; Got: Glutamat-Oxalacetat-Transaminase; CPK: Kreatin – Phosphokinase; LDH: Lactat-Dehydrogenase Abbau von fettlöslichen Vitaminen im Pansen (nach Kolb, 1997) ß – Carotin: 5 – 10 % Vitamin E: 5 – 10 % Vitamin A und D: 10 – 40 % (bei rohfaserreicher Fütterung weniger (10 – 20 %) Ursachen für erhöhte Vitaminzulagen Vitamin E Milchkühe Mastitisprophylaxe 100 > 4000 IU/day Vitamin E Mastschweine Mastgeflügel Oxidationsstabilität Depotfett Minderung der Tropfverluste Schutz E.coli Infektion Vitamin C Geflügel Stress (Hitze) Schalenstabilität Spermaqualität Ernährungsphysiologie Fettlösliche Vitamine Funktionsbereiche Vitamine ß – Carotin: Provitamin A; Reproduktion (Ovarialzyklus); Immunabwehr; Vitamin A: Schutz Haut/Schleimhäute; Fruchtbarkeit; Infektionsabwehr; Sehpurpur, Wachstum; Stoffwechselregulation; Vitamin D: Calcium- und Phosphatstoffwechsel; Vitamin E: Antioxidans (WW Selen, Vitamin A, Carotinoide, Vitamin C); Kohlenhydratstoffwechsel; Muskelstoffwechsel; Glykogenhaushalt; Reproduktion; Immunabwehr; Vitamin K: Blutgerinnung (Prothrombin); Proteinsynthese, Zellstoffwechsel; Die Carotine haben folgende biologische Bedeutung (nach Kolb, 1999): • Sie werden bevorzugt in die Tertiärfollikel und Gelbkörper aufgenommen und erhöhen die Östrogen- und Progesterinsysthese • Sie sind als Provitamin A wirksam. Die Umwandlung der Carotine in Vitamin A findet beim Rind in der Dünndarmschleimhaut, in der Leber, in den Ovarien und in der Milchdrüse statt, Der Umfang der Aufnahme von Carotinen in die Darmepithelzellen, ihre Umwandlung in Vitamin A sowie ihr Abtransport über Chylomikronen ist nach Spezies verschieden groß und von der Höhe des Angebotes mit dem Futter abhängig. Die Carotine haben folgende biologische Bedeutung (nach Kolb, 1999): • Sie beseitigen Radikale in den Membranen und verhindern dadurch die Ausbildung von Mutationen in der DNA • Sie sind an der Regulation der Fluidität von Membranen und damit bei der Beeinflussung der Aktivität und Funktion der Zellen beteiligt • Sie wirken als Antioxidans. Das ß-Carotin wird, wie das Vitamin E, in den Lipoproteinen des Blutplasmas transportiert und hemmt die Bildung von Fettsäure-Peroxyl-Radikalen, die eine Schädigung der Intimazeolen bewirken ß-Carotin-Gehalt Blutplasma (µg/l) Beurteilung der Versorgung über 3000 ausreichend 2000 – 3000 fraglich 1000 – 2000 kritisch unter 1000 Mangel ß-Carotin bzw. Vitamin A-Verwertung beeinflussende Größen Positive Beeinflussung der Verwertung durch: ∗ hohe Verdaulichkeit der Ration ∗ hoher Gehalt des Futters an ungesättigten Fettsäuren ∗ korrekte Zinkversorgung Negative Beeinflussung der Verwertung durch: ∗ Hoher Ligningehalt der Futterpflanzen ∗ Cyanathaltige Kleearten ∗ Hoher Gehalt an Nitrit, Nitrat ∗ Proteinmangel ∗ Phosphormangel ∗ Hoher Gehalt an Kalium ∗ Hohes ß-Carotinangebot; vorausgehende mangelhafte ß-Carotinversorgung ∗Hohen Angebot an Vitamin D und E ∗ Stress Weitere, die Verwertung beeinflussende Größen wie: ∗ Genetische Komponenten ∗ Physiologisches Stadium ∗ Zusammensetzung der Ration Übersicht über die Bindungsproteine für das Vitamin A, das Retinal und die Retinsäure (nach Schweigert, 1995) Protein Retinolbindungs -protein (RBP) Interzelluläres RBP MG, kDa Ligand Funktion 21 Vitamin A Transport im Blutplasma 140 Vitamin A Retinal Transport, Sehvorgang cRBP I, II und III 15 – 16 Retinol Transport, Esterbildung cRABP I und II 15 – 16 Retinsäure Transport Retinal Sehvorgang cRALBP 36 METABOLIC FUNCTIONS OF VITAMIN A Three metabolic roles: Prostethetic group of visual pigments Carrier of mannosyl units in the synthesis of hydrophobicglycoproteins Control of cell profiferation and differentation Mechanisms which influence susceptibility to infection Wichtige Funktionsbereiche von Vitamin A im Organismus Sehprozess: Bildung von Sehpurpur (Retinal und Opsin) in den Stäbchen der Netzhaut Reproduktion: Normale Funktion der weiblichen und männlichen Gonaden Epitheliale Gewebe: Wichtige Funktionen bei der Keratinisierung, Verhornung, Schleimbildung Zelluläre Membranen: Aufrechterhaltung der reduzierenden und oxidierenden Eigenschaften der Membranlipide Wachstum: Vermutlich indirekt über Membranwirkung Knochenwachstum und Nervengewebe: Regulation der Aktivität der Osteoblasten und Osteoklasten, Absorption der Cerebrospinalflüssigkeit, Schutz der Nerven durch Bildung des Knochengewebes Wichtige Funktionsbereiche von Vitamin A im Organismus Grundumsatz: Wahrscheinlich indirekt über Schilddrüse Glycogenbildung: indirekt über Einfluss von Steroidhormonen auf Gluconeogenese Stoffwechsel von Fett und fettlöslichen Verbindungen: Stoffwechsel von Cholesterin, Vitamin E und D, Gonadenhormone, Ubichinon Protein Stoffwechsel: Stimulation der Synthese von Serum und Muskelproteinen Immunantwort: Synthese von Antikörpern und Beeinflussung zellgebundener Immunreaktionen Resistenz gegenüber Stress und Infektionen: vermutlich indirekte Wirkung Leber Cholesterin Cholesterindehydrogenase Haut 7-Dehydrocholesterin UV-Licht Cholecalciferol Leber NADPH+H+,O2 NADP+, H2O 25-Hydroxycholecalciferol Niere Hydroxylase 1,25-Dihydroxycholecalciferol Abb. 35. Synthese von Vitamin D3 im tierischen Organismus und Hydroxylierungsreaktionen zur Aktivierung. ANTIOXIDANTIEN IN LEBENDEN ORGANISMEN Superoxid-Dismutase Praeventive Antioxidantien Glutathion-Peroxidase Katalase Kettenabbruch Antioxidantien A-Tocopherol Ascorbinsäure ß-Carotin Krankheitszustände, bei denen freie Radikale eine Rolle spielen Katarakgenese Entzündliche, Immunreaktive Schädigungen Alterungsprozesse FREIE RADIKALE Krebs Arzneimittel-induzierte Reaktionen (Leber, Niere) Redurchblutung nach Ischämien Arteriosklerose Senile Demenz VITAMIN E-UNTERVERSORGUNG • • • • Ernährungsbedingte Lebernekrose (Hepatosis diätetica): beim Schwein häufig zusammen mit NMD (nutritional muscular dystrophia) bei hoher Aufnahme ungesättigter Fettsäuren Wiederkäuer (Sägemehlleber/saw dust liver) Enzephalomalazie: Küken (Kopfdrehen und unkoordinierte Bewegungen: „Rolle rückwärts“), Blutungen im Kleinhirn, Ödeme in Gehirnhäuten Exudative Diathese: Küken, Permeabilitätsstörung der Kapillarwände, Flüssigkeitsansammlung in Unterhaut, Bindegewebe und Muskulatur Gelbfettkrankheit: Steatitis bei Schwein, Fohlen und Geflügel; Gelbbraune Verfärbung des Depotfetts durch Autoxidation - Eisenüberempfindlichkeit der Ferkel - Hämolyse der Erythrozyten - Beeinträchtigung der Lagerung und Schmackhaftigkeit von Fleisch und Milch Klinische Symptomatik bei Vitamin E- oder Se- Mangelernährung (n. Nohl, 1984) Vorwiegend Vitamin E-Mangel zugeordnet: - Muskeldystrophie (Geflügel, Lamm, Kalb, Fohlen, Bulle) - Hämolytische Anämie (Geflügel, Kalb, Schwein) - Enzephalomalazie (Geflügel) - Maubeerherzkrankheit (Schwein) - Hämorrhagische Nekrosen im Nervensystem (Hamster) - Sterilität (Ratte) - Verminderte Schlupffähigkeit - Retinaschäden (Ratte) Klinische Symptomatik bei Vitamin E- oder Se- Mangelernährung (n. Nohl, 1984) Vorwiegend Se-Mangel zugeordnet: - Weißmuskelkrankheit (Schaf, Rind, Schwein) - Muskeldystrophie (Kalb, Schwein, Schaf, Hund, Pferd) - Herzmuskeldegeneration (Schaf, Rind) - Sterilität (Schaf, Rind, Pferd) - Wachstumshemmung (Schaf, Huhn) - Katarak (Ratte) - Pankreasatrophie (Ratte, Huhn) - Keshan Disease (China) - Neuronale Lipofuscinose (Finnland) Klinische Symptomatik bei Vitamin E- oder Se- Mangelernährung Sowohl Se- wie Vitamin E-Mangel zugeordnet: - Lebernekrosen (Ratte, Schwein, Mastrind) - Exsudative Diathese (Küken) - Muskeldystrophie (Kalb, Geflügel) - Weißmuskelkrankheit (Ziege, Schwein) - Weiß – Streifigkeit – Muskel (Geflügel) (n. Nohl, 1984) INTRINSIC PATHWAY EXTRINSIC PATHWAY SURFACE ADSORPTION OF KALLIKREIN Factor XII active Factor XII Factor XI Factor IX Factor VIII active Factor XI Thromboplastin + Factor VII active Factor IX active Factor VIII Factor X active Factor X Factor V Prothrombin Fibrinogen Thrombin Fibrin 1 The intrinsic and extrinsic blood clotting cascades Factor I Factor II Factor III Factor V Factor VII Factor VIII Factor IX Factor X Factor XI Factor XII Factor XIII Factor XIV Fibrinogen Prothromin Vitamin K dependent Thromboplastin Proaccelerin Proconvertin Vitamin K dependent Anti haemophilic factor Christmas factor Vitamin K dependent Stuart factor Vitamin K dependent Plasma thromboplastin Hagemann factor Fibrin stabilising factor Protein C Vitamin K dependent 2 Ernährungsphysiologie Wasserlösliche Vitamine Funktionsbereich Vitamine Vitamin B1: Kohlenhydratstoffwechsel; Nervengewebe; Herzmuskulatur, Magen-Darm-Kanal (Peristaltik) Vitamin B2: FMN und FAD – Enzyme: Elektronen und Wasserstoffübertragende Prozesse, Energie- und Fettstoffwechsel, Geflügel: Zehenverkrümmungen verminderter Schlupf, Vitamin B6: Eiweißstoffwechsel; Fett- Kohlenhydratstoffwechsel; Tryptophanmetabolismus Vitamin B12: Blutbildung, Wachstum; Eiweißstoffwechsel Nicotinsäure: NAD/NADP- Enzyme, Intermediärstoffwechsel der Nährstoffe; Haut und Verdauungsorgane Funktionsbereiche Vitamine Pantothensäure: Coenzym A; Fettstoffwechsel; Haut u. Schleimhäute, Pigmentierung; Immunabwehr Biotin: Carboxylierungen, Fettsäuresynthese, Gluconeogenese; Haut, Horn Folsäure: Eiweiß- und Nukleinsäurestoffwechsel,Erythrozytenaufbau Hämoglobinsynthese; Immunabwehr Cholin: Bildung von Phospholipiden; Fettstoffwechsel, Mehylgruppendonator; Nervengewebe (Acetylcholin) Vitamin C: Redoxprozesse; WW Nebennierenhormone, Vitamine B1 und E;M Aufbau Steroidhormone; Blutgerinnung; Stressresistenz und Immunabwehr; Kollagenaufbau (Grundversorgung durch Eigensynthese Stoffwechselwirksames Coenzym: Thiaminpyrophosphat Thiamindiphosphat-abhängige Reaktionen im Intermeditärstoffwechsel Pyruvat α–Keoglutarat Pyruvat-Dehydrogenase α-Ketoglutarat-Dehydrogenase Valin α-Ketoisovalerinat Isoleucin α-Keto-ß-Methylvalerinat Leucin α-Keto Isocapronat Xylulose-5-phosphat Ribose-5-phosphat VK-DH VK-DH VK-DH Transketolase Acetyl-CoA Succinyl-CoA Isobutyryl CoA α-Methylbutyryl CoA ß-Methylbutyryl CoA Seduloheptulose-7-p + + Glycerinaldehyd-3-P Vitamin B1 (Thiamin) Thiamin ist vor allem als Coenzym in Enzymen, die im Kohlenhydratstoffwechsel eine Rolle spielen beteiligt Im Mangel: Anreicherung von Ketosäuren, die im Gehirn und in der Muskulatur für die Entwicklung von Mangelsymptomen verantwortlich sind (Krämpfe, Lähmungen). Ophistotonus beim Geflügel Sekundärer Mangel durch Antivitamine (Thiaminasen) z.B: verschiedene rohe Fische (Chastek-Paralyse bei Pelztieren) Adlerfarn (Farnkrankheit bei Pferden) feuchtes Stroh nicht wiederkäuergerechte Fütterung beim Wiederkäuer (Acidose) Vitamin B1 (Thiamin) Probleme Versorgung Wiederkäuer: normal: Eigensynthese durch Mikroorganismen im Pansen problematisch bei strukturarmer und/oder stärke- und zuckerreicher Fütterung ungenügende Synthese/ Thiaminabbau durch Thiaminasen (aus Futtermitteln und/oder Mikroorganismen) Bei Lämmern und Jungrindern: zentralnervöse Störungen (Hirnrindennekrose, Polyencephalomalazie) : verringerte Futteraufnahme, Zähneknischen, Ataxie, Muskelzittern, Ophistotonus und Koma (hohe Mortalität > 50 %) Prophylaxe: Wiederkäuer gerechte Ernährung (Struktur) Therapie: i.m. Thiamin (ca. 10 mg/kg LM an drei Tagen), Spätfolgen Tabelle 4.5: Beispiele von Enzymen, die mit Flavinnucleotiden katalysieren Enzym Flavinnucleotid Succinat-Dehydrogenase FAD Α-Glycerophosphat-Dehydrogenase FAD Acyl-CoA-Dehydrogenase FAD Dihydrolipolyl-Dehydrogenase FAD NADH-Dehydrogenase FMN Glycolat-Dehydrogenase FMN NIACIN In gewissem Umfang Eigensynthese aus Tryptophan Nicotinsäure Nicotinamid Stoffwechselaktive Formen: Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NAD) Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat Tabelle 4.6: Beispiele von Enzymen die NAD oder NADP als Coenzym benutzen Enzym NAD/NADP Isocitrat-Dehydogenase NAD Malat-Dehydrogenase NAD Lactat-Dehydrogenase NAD Alkohol-Dehydrogenase NAD Glutamat-Dehydrogenase NAD/NADP Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase NADP Niacin Mangelsymptome Wachstumsverzögerung Störungen des Nervensystems raue, schuppende und entzündete Haut (Pellagra) Störungen der Befiederung, verminderte Legeleistung (beim Geflügel) Hohe Supplementierung Ketoseprophylaxe Niacin beim Wiederkäuer Einfluß zusätzlicher oraler Niacingaben auf ausgewählte Leistungsparameter (Mittel von 11 Versuchen) Flachowsky, 1996 Parameter Ohne Niacin + 6 g Niacin je Tier und Tag Milchfett (%) 3,98 (3.50 – 4.35) 4.11 (3.80 – 4,45) Milcheiweiß (%) 3,23 (2,99 – 3,53) 3,26 (3,00 – 3,51) Milchmenge (4 % Fett) kg/Tier und Tag 20,3 (15,5 – 35,0) 21,2 (16,8 – 34,8) Lebendmasseveränderung in Versuch (kg/Tier) - 7 (-52 - + 56) + 12 (-14 - + 60) Zwischentragezeit (Tage) 81 (68 – 92) 67 (57 –77) Besamungen je Trächtigkeit 1,8 (1,5 – 2,3) 1,5 (1,0 – 2,1) Niacin beim Wiederkäuer Mögliche Wirkungsfelder: Hemmung von Catecholaminen und c-AMP: geringere Triglyceridlipase verminderte Konzentration freier Fettsäuren im Plasma geringerer Leberfettgehalt erhöhte Glucosemobilisierung aus der Leber veränderte Buttersäure/Propionsäure Konzentrationen im Pansen Proteinsysthese im Pansen (erhöht) CHARAKTERISTIK BIOTINABHÄNIGER CARBOXYLASEN (nach Gaßmann, 1999) Ausgangsprodukt Endprodukt Wirkungsort Bedeutung im Stoffwechsel Acetyl-CoA Malonyl-CoA Mitochndrien, Cytosol Fettsäurensynthese Propionyl-CoA D-Methyl-MalonylCoA Mitochondrien Abbau von Leucin Synthese von Cholesterol Pyruvat Oxalacetat Mitochondrien Gluconeogenese Biotinabhängige Enzyme Enzyme Katalysierte Reaktion Acetyl-CoA-Carboxylase Acetyl-CoA + CO2 Malonyl-CoA ß-Methylcrotonyl-CoACarboxylase ß-Methylcrotonyl-CoA + CO2 ß-Methylglutaconyl-CoA Propionyl-CoA-Carboxylasse Propionyl-CoA +CO2 Methylmalonyl-CoA Methylmalonyl-CoA. Carboxyltransferase Methylmalonyl-CoA + Pyruvat Prppionyl-CoA + Oxalacetat Pyruvat-Carboxylase Pyruvat + CO2 Oxalacetat Cobalamin- bzw. Desoxyadenosyl-Cobalamin-abhängigeEnzyme Enzyme katalysierte Reaktion Vorkommen ß-Mehylasparaginsäure Bakterien Methylaspartat-Mutase Glutaminsäure Methylmalonyl-CoA-Mutase Methylmalonyl-CoA Diol-Dehydratase 1,2-Propandiol Methionin-Synthetase Honocystein + Methyl – FOlH4 Methionin + FOlH4 Ribonucleotid-Reduktase Ribonucleotide Succinyl-CoA Propinaldehyd Bakterien, tier. Gewebe Bakterien Bakterien, tier. Gewebe Desoxyribonucleotide Bakterien, tier. Gewebe Pantothensäure Physiologische Wirkungsbereiche Auf- und Abbaureaktion im KohlehydratFettAminosäurenstoffwechsel Aufbau von Coenzym A Pantothensäure Mangel Haut (raues Haarkleid, Pigmentverlust, Ausfall von Haaren und Federn) Schleimhautveränderungen Neurologische Störungen (Paradegang beim Schwein) Verminderte Schlupfleistung Tabelle 4.7: Enzymatische Reaktionen mit Ascorbinsäure als Cofaktor Enzymatische Reaktion Cosubstate/Metalle Biologische Bedeutung Hydroxylierung von Prolin (2 Enzyme) O2/ α-Ketoglutarat/Fe2+ Biosynthese von Kollagen Hyroxylierung von Lysin O2/ α-Ketoglutarat/Fe2+ Biosynthese von Kollagen Hydroxylierung Von Trimethyllysin O2/ α-Ketoglutarat/Fe2+ Biosynthese von Carnitin Hydroxylierung von Dopamin O2/Cu2+ Biosynthese von Noradrenalin Hydroxylierung von 4-Hydroxyphenylpyruvat O2/Fe2+ Abbau von Tyrosin Amidierung von Peptiden Mit C-terminalem Glycin O2/Fe2+ Synthese von Peptidhormonen mit Cterminalem Clycin Physiologische Eigenschaften von L-Carnitin • Struktur ähnlich der von Aminosäuren (L-§-Hydroxy-4-N,N,N-Trimethyl-Aminobuttersäure • prinzipielle Funktion: Freisetzung von Energie aus Fettsäuren • Synthese in Leber und Niere aus Trimethyllysin unter Anwesenheit von Eisen und verschiedenen Vitaminen • Hohe Konzentrationen in tierischen, geringe in pflanzlichen Futtermitteln
