8.6.1. Wasserlösliche Vitamine fungieren als Coenzyme
Tabelle 8.9 listet die wasserlöslichen Vitamine auf – Ascorbinsäure (Vitamin C) und eine Reihe, die als Vitamin-B-Komplex bekannt ist (Abbildung 8.32). Ascorbat, die ionisierte Form der Ascorbinsäure, dient als Reduktionsmittel (Antioxidans), wie in Kürze erläutert wird. Die Vitamin-B-Reihe umfasst Bestandteile von Coenzymen. Man beachte, dass in allen Fällen außer bei Vitamin C das Vitamin modifiziert werden muss, bevor es seine Funktion erfüllen kann.
Abbildung 8.32
Strukturen einiger wasserlöslicher Vitamine.
Vitaminmängel können eine Vielzahl von pathologischen Zuständen verursachen (siehe Tabelle 8.9). Viele der gleichen Symptome können jedoch auch durch andere Erkrankungen als einen Vitaminmangel verursacht werden. Aus diesem Grund und weil Vitamine in relativ geringen Mengen benötigt werden, sind krankhafte Zustände, die auf Vitaminmangel zurückzuführen sind, oft schwer zu diagnostizieren.
Der Bedarf an Vitamin C ließ sich relativ einfach nachweisen. Dieses wasserlösliche Vitamin wird nicht als Coenzym verwendet, ist aber dennoch für die weitere Aktivität der Proylhydroxylase erforderlich. Dieses Enzym synthetisiert 4-Hydroxyprolin, eine Aminosäure, die in Kollagen, dem wichtigsten Bindegewebe der Wirbeltiere, benötigt wird, aber sonst kaum vorkommt. Wie wird diese ungewöhnliche Aminosäure gebildet und welche Rolle spielt sie? Die Ergebnisse von Studien zur radioaktiven Markierung zeigten, dass Prolinreste auf der Aminoseite von Glycinresten in entstehenden Kollagenketten hydroxyliert werden. Das Sauerstoffatom, das sich an C-4 von Prolin anlagert, stammt von molekularem Sauerstoff, O2. Das andere Sauerstoffatom von O2 wird von α-Ketoglutarat aufgenommen, das in Succinat umgewandelt wird (Abbildung 8.33). Diese komplexe Reaktion wird von der Prolylhydroxylase, einer Dioxygenase, katalysiert. Unterstützt wird sie durch ein Fe2+-Ion, das fest an das Enzym gebunden ist und zur Aktivierung von O2 benötigt wird. Das Enzym wandelt auch α-Ketoglutarat in Succinat um, ohne Prolin zu hydroxylieren. Bei dieser Teilreaktion wird ein oxidierter Eisenkomplex gebildet, der das Enzym inaktiviert. Wie wird das aktive Enzym regeneriert? Ascorbat (Vitamin C) kommt zu Hilfe, indem es das Eisen(III)-Ion des inaktivierten Enzyms reduziert. Bei der Wiederherstellung wird Ascorbat zu Dehydroascorbinsäure oxidiert (Abbildung 8.34). Somit dient Ascorbat hier als spezifisches Antioxidans.
Abbildung 8.33
Bildung von 4-Hydroxyprolin. Prolin wird an C-4 durch die Wirkung von Prolylhydroxylase, einem Enzym, das molekularen Sauerstoff aktiviert, hydroxyliert.
Abbildung 8.34
Formen der Ascorbinsäure (Vitamin C). Ascorbat ist die ionisierte Form von Vitamin C, und Dehydroascorbinsäure ist die oxidierte Form von Ascorbat.
Primaten sind nicht in der Lage, Ascorbinsäure zu synthetisieren und müssen sie daher über die Nahrung aufnehmen. Die Bedeutung von Ascorbat wird bei Skorbut besonders deutlich. Jacques Cartier beschrieb 1536 anschaulich diese ernährungsbedingte Mangelkrankheit, von der seine Männer bei der Erkundung des Sankt-Lorenz-Stroms betroffen waren:
Einige verloren ihre ganze Kraft und konnten sich nicht mehr auf den Beinen halten. Bei anderen war die ganze Haut mit Blutflecken von purpurner Farbe befleckt, die bis zu den Knöcheln, Knien, Schenkeln, Schultern, Armen und Hälsen hinaufstiegen. Ihr Mund stank und ihr Zahnfleisch war so faul, dass das ganze Fleisch abfiel, sogar bis zu den Zahnwurzeln, die auch fast alle ausfielen.
James Lind, ein schottischer Arzt, beleuchtete in einem 1747 veröffentlichten Artikel mit dem Titel „A Treatise of the Scurvy“ die Mittel zur Vorbeugung von Skorbut. Lind beschrieb eine kontrollierte Studie, in der er feststellte, dass Skorbut durch den Verzehr von Zitrusfrüchten in der Ernährung verhindert werden konnte. Die königliche Marine begann schließlich, Limettenrationen an die Seeleute auszugeben, was den britischen Seeleuten den Spitznamen „limeys“ einbrachte. Linds Nachforschungen wurden durch die Notlage einer Expedition unter dem Kommando von Kommodore George Anson inspiriert. Anson verließ England 1740 mit einer Flotte von sechs Schiffen und mehr als 1000 Mann und kehrte mit einer enormen Menge an Schätzen zurück, aber von seiner Mannschaft überlebten nur 145, um die Heimat zu erreichen. Der Rest war an Skorbut gestorben.
Warum hat eine gestörte Hydroxylierung so verheerende Folgen? Kollagen, das in Abwesenheit von Ascorbat synthetisiert wird, ist weniger stabil als das normale Protein. Studien zur thermischen Stabilität synthetischer Polypeptide waren besonders aufschlussreich. Hydroxyprolin stabilisiert die Dreifachhelix des Kollagens, indem es Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Strängen bildet. Die abnormalen Fasern, die durch unzureichend hydroxyliertes Kollagen gebildet werden, tragen zu den Hautläsionen und der Fragilität der Blutgefäße bei, die bei Skorbut auftreten.