Vitamine und Spurenelemente. Herausgegeben von Hartmut Dunkelberg, Thomas Gebel und Andrea Hartwig

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3 Vitamine und Spurenelemente Herausgegeben von Hartmut Dunkelberg, Thomas Gebel und Andrea Hartwig

4 Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema Rychlik, M. (Hrsg.) Fortified Foods with Vitamins Analytical Concepts to Assure Better and Safer Products 2011 ISBN: Roth, K. Chemische Köstlichkeiten 2010 ISBN: Schärer-Züblin, E. V. (Hrsg.) Forschung und Ernährung Ein Dialog 2009 ISBN: Vreden, N., Schenker, D., Sturm, W., Josst, G., Blachnik, C. Lebensmittelführer Inhalte, Zusätze, Rückstände Schwedt, G. Taschenatlas der Lebensmittelchemie 2005 ISBN:

5 Vitamine und Spurenelemente Bedarf, Mangel, Hypervitaminosen und Nahrungsergänzung Herausgegeben von Hartmut Dunkelberg, Thomas Gebel und Andrea Hartwig

6 Herausgeber Prof. Dr. Hartmut Dunkelberg Universitätsmedizin Göttingen Laborgebäude 11A Lenglerner Straße Göttingen Prof. Dr. Thomas Gebel Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, FG4.3 Fachbereich 4 Friedrich-Henkel-Weg Dortmund Prof. Dr. Andrea Hartwig KIT/Angewandte Biowiss. Abt. Lebensmittelchemie und Toxikologie Kaiserstraße Karlsruhe Alle Beiträge in diesem Band sind entnommen aus Handbuch der Lebensmitteltoxikologie Belastungen, Wirkungen, Lebensmittelsicherheit, Hygiene, ISBN n 1. Auflage 2012 Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Wiley-VCH Verlag & Co. KGaA, Boschstr. 12, Weinheim, Germany Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Print ISBN epdf ISBN epub ISBN mobi ISBN obook ISBN Umschlaggestaltung Adam-Design, Weinheim Satz K+V Fotosatz GmbH, Beerfelden Druck und Bindung Markono Print Media Pte Ltd, Singapore

7 V Inhalt Autorenverzeichnis XV 1 Vitamin A und Carotinoide 1 Heinz Nau und Wilhelm Stahl 1.1 Einleitung Vorkommen von Vitamin A und Carotinoiden in Lebensmitteln Analytik und Gehalte von Vitamin A und Carotinoiden in Lebensmitteln Aufnahme, Verteilung, Metabolismus und Elimination von Carotinoiden und Vitamin A Wirkungen Bewertung des Gefährdungspotenzials Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungeng Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur 22 2 Vitamin D 27 Hans Konrad Biesalski 2.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Vorkommen Verbreitung in Lebensmitteln und Versorgung Kinetik und innere Exposition Wirkungen Bewertung des Gefährdungspotenzials bzgl. Unterund Überversorgung, auch unter Einbeziehung der Verwendung von Nahrungsergänzungsmitteln Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungen NOAEL LOAEL Vitamin D-Intoxikation durch Muttermilch 34

8 VI Inhalt 2.8 Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur 35 3 Vitamin E 37 Regina Brigelius-Flohé 3.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Vorkommen Verbreitung Kinetik und innere Exposition Aufnahme Verteilung Metabolismus Elimination Wirkungen Wirkungen beim Menschen Wirkungen bei Tieren Wirkungen auf andere biologische Systeme Zusammenfassung der wichtigsten Wirkungsmechanismen Bewertung des Gefährdungspotenzials Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungen Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur 61 4 Ascorbat 69 Regine Heller 4.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Physikochemische Eigenschaften Redoxeigenschaften Geschichte Vorkommen und Verwendung hinsichtlich Lebensmittel und -gruppen Verbreitung in Lebensmitteln und analytischer Nachweis Kinetik und innere Exposition Resorption und biologische Verfügbarkeit Renale Reabsorption Ascorbat-Plasmaspiegel Gewebeverteilung Katabolismus Transportmechanismen Aktiver Transport von Ascorbat Ascorbat-Efflux Erleichterte Diffusion von Dehydroascorbinsäure Wirkungen 78

9 Inhalt VII Biochemische Funktionen Vitamin C als Elektronendonor für enzymatische Reaktionen Vitamin C und Eisenresorption Vitamin C als Antioxidans Vitamin C und das Antioxidans-Netzwerk Vitamin C und Nitrosaminbildung Vitamin C und Tetrahydrobiopterin Antioxidativer Schutz von Makromolekülen Vitamin C als Prooxidans Vitamin C und Genexpression Vitamin C und Erkrankungen Vitamin C und Immunfunktion Vitamin C und Osteoporose Vitamin C und Katarakt Vitamin C und Krebserkrankungen Vitamin C und kardiovaskuläre Erkrankungen Vitamin-C-Mangel Bewertung des Gefährdungspotenzials Grenzwerte, Richtlinien, Empfehlungen, Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur 93 5 Folsäure 101 Andreas Hahn und Maike Wolters 5.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Vorkommen und Verbreitung in Lebensmitteln Kinetik und innere Exposition Aufnahme Verteilung und Metabolismus Elimination Wirkungen Mensch Essenzielle Wirkungen Mangelerscheinungen Subklinischer Mangel Diagnostik eines Folsäuremangels Akut bis chronisch toxische Wirkungen Wirkungen auf Versuchstiere Zusammenfassung der wichtigsten Wirkungsmechanismen Bewertung des Gefährdungspotenzials bzgl. Unter- und Überversorgung auch unter Einbeziehung der Verwendung von Nahrungsergänzungsmitteln Unterversorgung Überversorgung 116

10 VIII Inhalt 5.6 Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungen Bedarf und Empfehlungen Grenzwerte und gesetzliche Regelungen Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur Kupfer 129 Björn Zietz 6.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Physikalisch-chemische Eigenschaften Historisches Vorkommen und Verwendung Kupferabbau und technische Verwendung Vorkommen in der Umwelt Luft und Wasser Vorkommen in der Umwelt Boden Kupfergehalte in Lebensmitteln Kinetik und innere Exposition Aufnahme von Kupfer Verteilung und Speicherung von Kupfer Metabolismus und Elimination Biologische Funktionen von Kupfer Wirkungen Wirkungen auf den Menschen Toxizität, Kanzerogenität und Teratogenität Folgen von Kupfermangel Wichtige kupferassoziierte Erkrankungen Wirkungen auf Versuchstiere Wirkungen auf andere biologische Systeme Wirkung auf Pflanzen Wirkung auf aquatische Lebewesen Reproduktionstoxizität und Teratogenität Mutagenität und Kanzerogenität Gesundheitliche Bewertung Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungen Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur Eisen 169 Thomas Ettle, Bernd Elsenhans und Klaus Schümann 7.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Diätetische Eisenzufuhr 170

11 Inhalt IX Art und Menge der Eisenzufuhr Einflüsse auf die Bioverfügbarkeit von Eisen Eisengehalte in Lebensmitteln und Eisen als Lebensmittelzusatzstoff Eisengehalte in Lebensmitteln Eisen als Lebensmittelzusatzstoff und zur Fortifikation von Lebensmitteln Eisenanalytik und -diagnostik Eisenanalytik Diagnostik von Eisenstoffwechselkrankheiten Serumeisen, Transferrinsättigung und Eisenbindungskapazität Serumferritin Weitere Diagnoseparameter Eisenüberladung, hereditäre Hämochromatose Resorption, Verteilung, Metabolismus und Elimination bei Menschen Intestinale Eisenresorption Eisenverteilung im Organismus, Eisenausscheidung und Verluste Eisenverteilung in der Schwangerschaft Zelluläre Eisenaufnahme und Speicherung Regulation des zellulären Eisenstatus Regulation des Körpereisenstatus Kapazität der Regulation Mechanismus der Regulation Wirkungen und Mangelerscheinungen Mensch Essenzielle Wirkungen von Eisen Akute toxische Effekte beim Menschen Chronisch toxische Effekte beim Menschen Dosis-Wirkungsabschätzungen Wirkungen auf Versuchstiere Akute Toxizität bei Tieren Eisen und oxidativer Stress Eisen und Karzinogenität Wirkungen auf andere biologische Systeme Pflanzen Umwelt Eisen und Mutagenität Wichtige Mechanismen toxischer Eisenwirkungen Bewertung des Gefährdungspotenzials Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungen Zusammenfassung Literatur 206

12 X Inhalt 8 Fluorid 221 Thomas Gebel 8.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Vorkommen Verbreitung in Lebensmitteln Kinetik und innere Exposition Wirkungen Mensch Wirkungen auf Versuchstiere Wirkungen auf andere biologische Systeme Zusammenfassung der wichtigsten Wirkungsmechanismen Gesundheitliche Bewertung Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungen Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur Selen 243 Lutz Schomburg und Josef Köhrle 9.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Vorkommen Verbreitung und Nachweis Kinetik und innere Exposition Wirkungen Wirkungen auf den Menschen Wirkungen auf Versuchstiere Wirkungen auf andere biologische Systeme Bewertung des Gefährdungspotenzials Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur Zink 287 Andrea Hartwig 10.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Vorkommen Verbreitung in Lebensmitteln Kinetik und innere Exposition Zinkabsorption und -exkretion im Gastrointestinaltrakt Molekulare Mechanismen der Zinkhomöostase Zinktransporter Intrazelluläre Zinkhomöostase Wirkungen 293

13 Inhalt XI Biochemische Funktionen Wirkungen beim Menschen Essenzielle Wirkungen und Mangelzustände Toxische Wirkungen Wirkungen auf Versuchstiere Essenzielle Wirkungen Toxische Wirkungen Wirkungen auf andere biologische Systeme Bewertung des Gefährdungspotenzials Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur Mangan 307 Christian Steffen und Barbara Stommel 11.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Vorkommen Verbreitung in Lebensmitteln und Trinkwasser Analytischer Nachweis Mangangehalt in Lebensmitteln Exposition und Kinetik Berufliche Exposition Umweltexposition Resorption, Verteilung und Elimination Wirkungen Mensch Essenzielle Wirkungen Bedarf und Bedarfsdeckung Toxische Wirkungen beim Menschen Akute Toxizität Chronische Toxizität Vergiftungen durch Nahrungsmittel Vergiftungen durch Trinkwasser Vergiftungen durch Säuglingsnahrung Vergiftungen durch parenterale Ernährung Wirkungen auf Versuchstiere Essenzielle Wirkungen Toxische Wirkungen beim Versuchstier Akute Toxizität Chronische Toxizität Reproduktionstoxizität Kanzerogenität/Genotoxizität Bewertung des Gefährdungspotenzials 318

14 XII Inhalt 11.7 Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen und gesetzliche Regelungen Vorsorge Zusammenfassung Literatur Molybdän 325 Manfred Anke 12.1 Allgemeine Substanzbeschreibung Regeln des Molybdänvorkommens in Futterund Lebensmitteln Molybdän in der Flora Der Einfluss der geologischen Herkunft des Standortes Der Einfluss des Pflanzenalters auf den Molybdängehalt Der Einfluss des Pflanzenteils und der Pflanzenart auf den Molybdängehalt Verbreitung des Molybdäns in Lebensmitteln Die Analyse des Molybdäns in biologischem Material Der Molybdängehalt der Lebensmittel und Getränke Pflanzliche Lebensmittel Tierische Lebensmittel Getränke Kinetik und innere Exposition (Verzehr, Absorption, Verteilung, Stoffwechsel und Ausscheidung) Invertebraten Wirbeltiere Der Mensch Molybdänverzehr Verteilung des Molybdäns beim Mensch Absorption, Exkretion und Bilanz des Molybdäns Stoffwechsel des Molybdäns bei Tier und Mensch Wirkungen Essentialität des Molybdäns Flora Fauna Mensch Molybdäncofaktor, Molybdänenzyme Toxizität des Molybdäns Flora Fauna Mensch Zusammenfassung der wichtigsten Wirkungsmechanismen Bewertung des Gefährdungspotenzials Grenzwerte, Richtwerte, Empfehlungen, gesetzliche Regelungen 365

15 Inhalt XIII 12.8 Vorsorgemaßnahmen Zusammenfassung Literatur 367 Sachregister 375

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17 XV Autorenverzeichnis Prof. Dr. Manfred Anke Am Steiger Jena Prof. Dr. Hans K. Biesalski Universität Hohenheim Institut für Biologische Chemie und Ernährungswissenschaft Garbenstr Stuttgart Prof. Dr. Regina Brigelius-Flohé Deutsches Institut für Ernährungsforschung Arthur-Scheunert-Allee Potsdam-Rehbrücke Prof. Dr. Bernd Elsenhans Ludwig-Maximilians-Universität München Walther-Straub-Institut für Pharmakologie und Toxikologie Goethestr München Dr. Thomas Ettle Technische Universität München Fachgebiet Tierernährung und Leistungsphysiolgie Hochfeldweg Freising-Weihenstephan Dr. Thomas Gebel Universität Göttingen Bereich Humanmedizin Abteilung Allgemeine Hygiene und Umweltmedizin Lenglerner Str Göttingen Prof. Dr. Andreas Hahn Leibniz Universität Hannover Institut für Lebensmittelwissenschaft Wunstorfer Str Hannover Prof. Dr. Andrea Hartwig TU Berlin Sekt. TIB 4/3-1 Institut für Lebensmitteltechnologie Gustav-Meyer-Allee Berlin

18 XVI Autorenverzeichnis Dr. Regine Heller Friedrich-Schiller-Universität Jena Universitätsklinikum Institut für Molekulare Zellbiologie Nonnenplan Jena Prof. Dr. Josef Köhrle Campus Charité Mitte Institut für Experimentelle Endokrinologie Charitéplatz Berlin Prof. Dr. Heinz Nau Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover Institut für Lebensmitteltoxikologie und Chemische Analytik Bischofsholer Damm Hannover Dr. Lutz Schomburg Campus Charité Mitte Institut für Experimentelle Endokrinologie Charitéplatz Berlin Prof. Dr. Klaus Schümann Technische Universität München Lehrstuhl für Ernährungsphysiologie Am Forum Freising-Weihenstephan Prof. Dr. Wilhelm Stahl Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Institut für Biochemie und Molekularbiologie I Postfach Düsseldorf Prof. Dr. Christian Steffen Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte Kurt-Georg-Kiesinger-Allee Bonn Dr. Barbara Stommel Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte Kurt-Georg-Kiesinger-Allee Bonn Dr. Maike Wolters Mühlhauser Str. 41 A Mannheim Dr. Björn Zietz Universität Göttingen Bereich Humanmedizin Abteilung Allgemeine Hygiene und Umweltmedizin Lenglerner Str Göttingen

19 1 1 Vitamin A und Carotinoide Heinz Nau und Wilhelm Stahl 1.1 Einleitung Vitamin A gehört zur Gruppe der fettlöslichen Vitamine und der Begriff Vitamin A wird im Allgemeinen auf alle Substanzen angewendet, die eine qualitative biologische Aktivität vergleichbar der Stammsubstanz all-trans-retinol oder eine enge Strukturverwandtschaft aufweisen [10, 29, 30, 51, 77]. Carotinoide werden auch als Provitamin A oder Provitamin A-Verbindungen bezeichnet, wenn sie Vitamin A-Aktivität besitzen. Die Bezeichnung Vitamin A umfasst chemische Substanzen aus der Gruppe der Retinoide. Für den Begriff Retinoide existiert gegenwärtig keine allgemein akzeptierte Definition. Gemäß der IU- PAC-IUB-Kommission 1) für Biochemische Nomenklatur (1982) ist der Begriff wie folgt definiert: Retinoide gehören zu einer Klasse von Komponenten, die aus vier Isopreneinheiten bestehen, die in einer Kopf-Schwanz-Verbindung stehen; alle Retinoide können formell von einer monocyclischen Elternkomponente abgeleitet werden, die fünf C-C-Doppelbindungen und eine funktionelle Gruppe am acyclischen Ende des Moleküls enthalten (Abb. 1.1). Es werden jedoch auch Verbindungen, vor allem synthetische Komponenten, als Retinoide bezeichnet, die nicht diese Strukturanforderungen erfüllen, jedoch biologisch wesentlich aktiver sind als Retinol. Ebenso werden Verbindungen als Retinoide bezeichnet, die sich vom Grundgerüst des Retinols ableiten, jedoch keine biologische Aktivität entfalten. Als ergänzende oder ersetzende Definition wurde vorgeschlagen, dass Retinoide eine Klasse von Substanzen sind, die spezifische biologische Antworten durch Bindung an und Aktivierung von Rezeptoren hervorrufen. Auch diese Definition ist nicht vollständig zutreffend, da Retinoide existieren, die ihre biologische Aktivität nicht über die Beteiligung von Rezeptoren entfalten. 1) International Union of Pure and Applied Chemistry International Union of Biochemistry. Vitamine und Spurenelemente. Erste Auflage. Herausgegeben von H. Dunkelberg, T. Gebel und A. Hartwig 2012 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Published 2012 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

20 2 1 Vitamin A und Carotinoide Abb. 1.1 Strukturformeln von Vitamin A (Retinylester, Retinol) sowie einiger Retinoide. Die wichtigsten natürlich vorkommende Retinoide, die unter den Begriff Vitamin A fallen, sind all-trans-retinol (Retinol oder Vitamin-A-Alkohol), all-trans-retinaldehyd (Retinal), all-trans-retinsäure und die Retinylester (Konjugate des Retinols mit Fettsäuren, z. B. Palmitin-, Stearin-, Öl- oder Linolsäure) sowie 13-cis-Retinsäure, 13-cis-4-oxo-Retinsäure, und 4-oxo-Retinol und 4-oxo-Retinal [3, 52, 91]. Vor kurzem wurde eine neuer Retinoid-Metabolit entdeckt (9-cis-4-oxo-13,14-dihydroretinsäure), der vor allem in der Leber (Maus, Ratte, Mensch) vorkommt (Abb. 1.1) [68]. Über seine Bedeutung im Retinoidstoffwechsel sowie über seine biologische Aktivität wird derzeit intensiv geforscht. Der systematische Name der Stammsubstanz all-trans-retinol (Molmasse 286,5) lautet (all-e)-3,7-dimethyl- 9-(2,6,6-trimethyl-1-cyclohexen-1-yl)-2,4,6,8-nonatetraen-1-ol. Ausgehend von den Grundformen der Retinoide kommt eine große Zahl von Varianten vor allem durch cis-trans-isomerie der Doppelbindungen und durch Modifikationen an der Ringstruktur vor (Beispiele endogener Retinoide in Abb. 1.1). Retinoide sind sehr anfällig gegenüber Isomerisierung und Oxidation durch Licht, Sauerstoff, Wärme, Säuren oder Metalle. Im Organismus kommen sie meist auch aufgrund ihres lipophilen Löslichkeitsverhaltens gebunden