O nicht mehr hydroxyliert werden. H. Daraus folgen die Symptome. bei Skorbut.

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1 Vitamin C Vitamin C, chemisch: Ascorbinsäure, kommt im Tier- und Pflanzenreich weit verbreitet vor. Vom Aufbau her ist das Ascorbinsäuremolekül eine Verbindung, die von den Kohlehydraten, d.h. den Zuckern abstammt. Es enthält also nur Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Wasserstoffatome. Da Ascorbinsäure als Vitamin eingestuft ist, bedeutet dies, dass ein Mensch regelmässig eine gewisse Menge davon einnehmen muss, um gesund zu bleiben. Es folgt daraus auch, dass die Biochemie des menschlichen rganismus nicht imstande ist, Ascorbinsäure herzustellen. Dieses Schicksal teilt der Mensch mit einigen Affenarten und den Meerschweinchen, die ebenfalls auf externe Ascorbinsäurezufuhr angewiesen sind. Andere rganismen produzieren Vitamin C selbst. Ascorbinsäuremangel ist die am längsten bekannte Vitaminmangelkrankheit, das Krankheitsbild heisst Skorbut. Es äussert sich durch Infektionsanfälligkeit, Zahnfleischgeschwüre und allgemeine Müdigkeit. Diese Symptome wurden schon früh bei Leuten erkannt, die sich vorwiegend von konservierten Lebensmitteln ernährten, und dies waren in der Vergangenheit vor allem die Seeleute. Bei den meisten traditionellen Konservierungsverfahren oder auch nur bei langem Stehen an der Luft wird Ascorbinsäure nämlich chemisch durch Sauerstoff abgebaut. Diese Reaktion wird durch die Ionen des Eisens und Kupfers stark beschleunigt (Katalyse). eutzutage tritt Skorbut selten auf, vor allem noch bei alten Leuten und Alkoholikern, die sich einseitig ernähern. Frische Lebensmittel sind fast überall erhältlich, und es existieren inzwischen Vitamine schonende Konservierungsverfahren. Kunststoffverpackungen und Glasbehälter (ohne Metalldeckel) verhindern die metallkatalysierte Zersetzung, während in Dosenkonserven Vitamin C immer ganz verloren geht. Zudem peppt die moderne Nahrungsmittelindustrie auch ihr "junk food" kräftig mit synthetischem Vitamin C auf. Das geht ironischerweise so weit, dass Vitamin C oft selbst zum auptkonservierungsmittel wird! Das älteste Konservierungsverfahren, das das Vitamin C des Ausgangsmaterials lange Zeit erhält, ist die erstellung von Sauerkraut. Bei tiefem p-wert ist die Reaktion mit Sauerstoff nämlich am langsamsten, und die Wasserstoff-Ionen der Säure hemmen die Metallkatalyse. Nachdem der britische Schiffsarzt James Lind im 18. Jahrhundert systematisch nach Mitteln gegen Skorbut gesucht hatte, testete der berühmte britische Entdecker James Cook die vorbeugende Wirkung von Sauerkraut und Zitrusfrüchten. Fortan führten englische Seefahrer prophylaktischen Proviant mit (Sauerkraut in olzfässern, Kressesamen, Zitrusfrüchte). Das Wirkungsprinzip Ascorbinsäure wurde in der Zeit zwischen den beiden Weltkriegen chemisch 1

2 bestimmt, eine Geschichte, die von anfänglichen Irrtümern geprägt war, weil das Molekül unter natürlichen Bedingungen nicht so stabil ist. Darauf wurde auch eine Synthese entwickelt. Die wichtigste Rolle spielt Ascorbinsäure als Coenzym beim Aufbau einer Komponente des Bindegewebes, dem Kollagen. Für diese Funktion ist es gänzlich unverzichtbar, denn ohne Vitamin C wird das Kollagen nicht fest genug, weil die Aminosäuren Prolin und Lysin nicht mehr hydroxyliert werden. N N Daraus folgen die Symptome Fe 2+ bei Skorbut. ydroxylierung von Prolin Woher die erhöhte Infektionsanfälligkeit bei Mangel genau herrührt, ist unklar. Jedenfalls lässt sich für eine über dem Normalbedarf liegende Vitamin C-Zufuhr kein eindeutiger Nutzen feststellen. Überdosierungen von Vitaminen können sogar zu gefährlichen Erkrankungen führen, wenn es sich um die so genannten fettlöslichen Vitamine A, D und E handelt. Vitamin C ist in dieser insicht harmlos, weil es wasserlöslich ist und jegliche Überdosis rasch über den Urin ausgeschieden wird, ohne jemals gewirkt zu haben. Es stellt sich nach dieser Betrachtung die Frage, auf welche Weise Ascorbinsäure über die Kollagenproduktion hinaus eigentlich nützt. Um dies zu begreifen, muss man ziemlich weit in der Erdgeschichte zurückgehen. Als das Leben entstand, gab es noch keinen freien Sauerstoff in der Atmosphäre. Der wurde allmählich nach der Entwicklung der Algen (erste Pflanzen) durch diese gebildet. Die Biochemie der damaligen Einzeller war aber schon damals gut entwickelt, wie man aus Gen-Vergleichen von primitiven rganismen, z.b. Bakterien, mit modernen Lebewesen erahnen kann. Daraus folgt aber, dass die Basis der Biochemie, die auch in uns noch am Werk ist, aus der sauerstofflosen Vorzeit stammt und wahrscheinlich den Sauerstoff bzw. seine Reaktionsprodukte nicht so gut verträgt. Als der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre anstieg, begann die Evolution das energetische Potential dieses Angebots zu nutzen, der biochemische Apparat wurde so erweitert, dass die auptenergiegewinnung bei tierischen rganismen auf eine "kalte" Verbrennung, eine xidation mit Sauerstoff umgestellt wurde. Dabei wurde der ältere Teil des Systems gefährdet, weil seine Komponenten selbst oxidationsempfindlich sind. ier kommt die Ascorbinsäure ins Spiel. Sie gehört zu den Antioxidantien, wie die Biochemiker sagen, oder auch Reduktionsmitteln, wie die übrigen Chemiker das nennen. Beides umschreibt die Fähigkeit, gut und schnell mit oxidierenden Stoffen reagieren zu können. Wenn nun harmlose Produkte gebildet werden, was bei der Ascorbinsäure der Fall ist, werden 2

3 komplexere und wertvollere Komponenten des biochemischen Apparats, die langsamer mit den oxidierenden Stoffen reagieren, vor Zerstörung geschützt. Die Ascorbinsäure ist also eine Art Kanonenfutter bei Bemühungen um Stabilität gegen oxidierende Umgebung. Welche aber sind die zu deaktivierenden Schad-Moleküle? Diese Frage ist bis heute nur unzureichend geklärt. Der Sauerstoff selbst ist nicht so aggressiv, wenn er jedoch schrittweise zu Wasser reduziert wird, entstehen zwischendurch weniger stabile Moleküle wie das Superoxidradikal und das Wasserstoffperoxid. Die Sauerstoff verwertende Biochemie versucht zwar, deren Freisetzung zu minimieren, aber ganz verhindern kann sie das nicht. Deshalb stehen zwei Enzyme bereit, Superoxid-Dismutase und Katalase, die diese oxidierenden Stoffe eliminieren. Es ist aber trotzdem aufgrund sehr schneller Reaktionen möglich, dass die beiden Gefahrenstoffe weitere Zwischenprodukte bilden, die für die Abbauenzyme nicht erreichbar, aber dennoch langlebig und immer noch mit grossem xidationsvermögen ausgestattet sind. Ein seit Anfang der neunziger Jahre in Betracht gezogenes Produkt, das Peroyxnitrit, kann durch eine enorm schnelle Reaktion des Superoxids mit Stickstoffmonoxid, das zur Blutdruckregelung permanent in niedriger und vom Immunsystem zeitweise in sehr hoher Konzentration gebildet wird, entstehen. Die Säureform dieses Stoffs ist ein xidationsmittel, das zwar nicht so kräftig ist wie Wasserstoffperoxid, aber sehr viel schneller reagiert. In atherosklerotischen Ablagerungen finden sich chemisch veränderte Reste von Proteinen, deren Entstehung am besten durch Peroxynitrit begründet werden kann. Schon bald wurde vermutet, dass Ascorbinsäure unter Anderem zur Elimination des Peroxynitrits dienen könnte. Eine erste Untersuchung brachte ein enttäuschendes Ergebnis: Ascorbinsäure scheint bei den biologisch üblichen Konzentrationen das Peroxynitrit nur mit einer albwertszeit von ca. 5 Sekunden abzubauen. Dies ist viel zu langsam für eine Schutzfunktion. In unserem Labor haben wir festgestellt, dass hier ein Fehlschluss vorlag. Die beobachtete Reaktion war lediglich der Zerfall der Zwischenprodukte, die nach der eigentlichen Umsetzung von Ascorbinsäure mit Peroxynitrit entstanden waren. Diese Reaktion ist ausserordentlich schwer zu beobachten, weil sie in weniger als 0.2 Sekunden abläuft und dabei nur ein sehr schlecht physikalisch detektierbar ist. Damit ist Ascorbinsäure eindeutig ein Stoff, der uns vor den schädlichen Wirkungen des Stoffwechsel-Nebenprodukts Peroxynitrit schützen kann. Ähnlich schnelle Reaktionen wurden mit vergleichbar aggressiven Substanzen wie ypochlorit, das auch in biologischer Umgebung entstehen kann, gemessen. Reinhard Kissner 3

4 Das Vitamin C Molekül (Ascorbinsäure) Ascorbinsäure Glucose 4

5 Reduktionssequenz des Sauerstoffs + e Sauerstoff Superoxid + e Wasserstoffperoxid + 2 e x Wasser 5

6 Peroxynitrit Bildung: 2 + N N Gleichgewicht: N N Abbau: N + Ascorbat N 2 + Dehydroascorbat N + Ascorbat N 3 + Ascorbat (Katalyse) N + C 2 N 3 + C 2 N N 3 + 6

7 Ascorbinsäure ydrogenascorbat Ascorbylradikal Dehydroascorbinsäure 7

8 Kurve A: ptische Eigenschaft der reagierenden Lösung, Kurve B: Magnetische Eigenschaft. Die magnetische Messung ist etwa 10'000 mal empfindlicher als die optische, d.h. die Konzentration des magnetischen Produkts ist unbedeutend! 8