Fettlösliche Vitamine

Vitamin A

Mit Carotinoiden angereicherte Cassava
Foto: F. J. Schweigert
Gelbe Cassava enthält viele Carotinoide

Hintergrund

Der Begriff Vitamin A beschreibt eine Gruppe von Verbindungen, die ähnliche Strukturmerkmale aufweisen (β-Iononring und Isoprenseitenkette) und alle direkt oder indirekt Vitamin-A-Wirkung entfalten können. Die Transportform und der zentrale Metabolit der Vitamin-A-Familie ist Retinol, das durch Oxidation zu den aktiven Metaboliten Retinaldehyd (Retinal) und Retinsäure verstoffwechselt werden kann. Retinal ist als Chromophor Bestandteil des Sehpurpurs (Rhodopsin und Iodopsin) in der Retina und somit von zentraler Bedeutung für den Sehvorgang. Retinsäure fungiert hingegen als Transkriptionsfaktor und ist über die Regulation der Genexpression maßgeblich an zentralen Prozessen wie der Immunfunktion, Zelldifferenzierung, Reproduktion und Embryonalentwicklung beteiligt 1,2.

Vitamin A muss diätetisch zugeführt werden und wird nach der Aufnahme über den Magen-Darm-Trakt in der Leber in Form von Retinylestern (vorwiegend Retinylpalmitat) gespeichert. Bei Bedarf können diese Speicher mobilisiert werden und das freigesetzte Retinol wird in die Zirkulation abgegeben. Dazu bindet Retinol bereits vor der hepatischen Sekretion an das Retinol-Bindungsprotein 4 (RBP4), das den Transport des lipophilen Liganden im wässrigen Milieu des Blutes gewährleistet und diesen gleichzeitig vor oxidativen Schäden schützt. Um den Verlust des niedermolekulren Komplexes aus Retinol und RBP4 (holo-RBP4, ca. 21 kDa) durch renale Filtration zu verhindern, bindet dieser darüber hinaus an das Protein Transthyretin (TTR). Über die so gebildete hochmolekulare Verbindung (ca. 75 kDa) erfolgt der Transport von Vitamin A (Retinol) zu den Zielgeweben, wo es über den Membranrezeptor STRA6 (Stimulated by Retinoic Acid 6) aufgenommen werden kann. Der verbleibende Komplex aus apo-RBP4 und TTR zerfällt und apo-RBP4 wird renal katabolisiert 1-4.

Forschung

Aufgrund der Komplexität des Vitamin-A-Stoffwechsels führen physiologische und pathophysiologische Ereignisse auf systemischer Ebene oder in isolierten Organsystemen zur Imbalance des Vitamin-A-Metabolismus und sind Gegenstand der Forschung des Lehrstuhls.

  • Zusammenhänge zwischen der Nierenreifung von normal- und frühgeborenen Säuglingen und dem Vitamin-A-Metabolismus sowie Veränderungen während der Schwangerschaft 5-8
  • Veränderungen des Vitamin-A-Metabolismus durch chronische Nierenerkrankungen und assoziierten Erkrankungen 9-14
  • Bedeutung des Vitamin-A-Status für inflammatorische Vorgänge 15,16
  • Assoziationen zwischen Vitamin-A-Stoffwechsel und metabolischem Syndrom bzw. Insulinresistenz und Diabetes mellitus 17-19
Mit Carotinoiden angereicherte Cassava
Foto: F. J. Schweigert
Gelbe Cassava enthält viele Carotinoide

Literatur

  1. Blaner and Olson: The retinoids - Biology, chemistry, and medicine. S. 229-255 (Raven Press, New York, 1994)
  2. Blomhoff and Blomhoff: Overview of retinoid metabolism and function. J Neurobiol. 2006 Jun;66(7):606-30.
  3. Blaner: STRA6, a cell-surface receptor for retinol-binding protein: the plot thickens. Cell Metab. 2007 Mar;5(3):164-6.
  4. Harrison: Mechanisms involved in the intestinal absorption of dietary vitamin A and provitamin A carotenoids. Biochim Biophys Acta. 2012 Jan;1821(1):70-7.
  5. Longardt et al: Characterization of the vitamin A transport in preterm infants after repeated high-dose vitamin A injections. Eur J Clin Nutr. 2014 Dec;68(12):1300-4.
  6. Schmiedchen et al: The relative dose response test based on retinol-binding protein 4 is not suitable to assess vitamin A status in very low birth weight infants. Neonatology. 2014;105(2):155-60.
  7. Raila et al: Excretion of vitamin A in urine of women during normal pregnancy and pregnancy complications. Ann Nutr Metab. 2004 Sep-Oct;48(5):357-64.
  8. Nagl et al: Urinary vitamin A excretion in very low birth weight infants. Pediatr Nephrol. 2009 Jan;24(1):61-6.
  9. Raila et al: Microalbuminuria is a major determinant of elevated plasma retinol-binding protein 4 in type 2 diabetic patients. Kidney Int. 2007 Aug;72(4):505-11.
  10. Henze et al: Alterations of retinol-binding protein 4 species in patients with different stages of chronic kidney disease and their relation to lipid parameters. Biochem Biophys Res Commun. 2010 Feb 26;393(1):79-83.
  11. Frey et al: Effect of renal replacement therapy on retinol-binding protein 4 isoforms. Clin Chim Acta. 2009 Mar;401(1-2):46-50.
  12. Frey et al: Isoforms of retinol binding protein 4 (RBP4) are increased in chronic diseases of the kidney but not of the liver. Lipids Health Dis. 2008 Aug;7:29.
  13. Espe et al: Impact of vitamin A on clinical outcomes in haemodialysis patients. Nephrol Dial Transplant. 2011 Dec;26(12):4054-61.
  14. Danquah et al: Vitamin A: potential misclassification of vitamin A status among patients with type 2 diabetes and hypertension in urban Ghana. Am J Clin Nutr. 2015 Jul;102(1):207-14.
  15. Bobbert et al: Increased plasma retinol binding protein 4 levels in patients with inflammatory cardiomyopathy. Eur J Heart Fail. 2009 Dec;11(12):1163-8.
  16. Schweigert: Inflammation-induced changes in the nutritional biomarkers serum retinol and carotenoids. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2001 Nov;4(6):477-81.
  17. Henze et al: Evidence that kidney function but not type 2 diabetes determines retinol-binding protein 4 serum levels. Diabetes. 2008 Dec;57(12):3323-6.
  18. Espe et al: High-normal C-reactive protein levels do not affect the vitamin A transport complex in serum of children and adolescents with type 1 diabetes. Pediatr Res. 2007 Dec;62(6):741-5.
  19. Thawnashom, K. et al. Association between retinol-binding protein and renal function among Asian subjects with type 2 diabetes mellitus: A cross-sectional study. Southeast Asian J Trop Med Public Health. 2011 Jul;42(4):936-45.

Carotinoide

Hintergrund

Carotinoide sind gelbe und orangene, organische Pigmente, die ausschließlich von Pflanzen und Mikroalgen synthetisiert werden können, wo sie v.a. der Lichtbündelung für die Photosynthese dienen. Die über 800 bekannten Carotinoide werden in die Gruppe der Carotine und die Gruppe der Xanthophylle unterteilt.  Für den Menschen sind dabei v.a. die Carotine α-Carotin, β-Carotin, β-Cryptoxanthin und Lycopen sowie die Xanthophylle Lutein und Zeaxanthin von Bedeutung und Gegenstand der Forschung am Lehrstuhl für Physiologie und Pathophysiologie der Ernährung. α- und β-Carotin sowie β-Cryptoxanthin tragen hierbei als Provitamin-A-Carotinoide zur Deckung der Vitamin-A-Versorgung des Menschen bei. Lutein und Zeaxanthin spielen hingegen eine besondere Rolle für den Schutz der Retina vor oxidativen Schäden und somit zur Prävention der Altersbedingten Makuladegeneration (AMD). Darüber hinaus sind alle Carotinoide als natürliche Antioxidanzien ein wertvoller Bestandteil von Lebensmitteln 1-3.

Forschung

 

Die Bedeutung der Carotinoide für den menschlichen Organismus wird im Lehrstuhl für Physiologie und Pathophysiologie der Ernährung unter den unterschiedlichsten Gesichtspunkten untersucht.

  • Carotinoide als Provitamin-A-Quelle und zur Bewertung des Vitamin-A-Status 4-8
  • Bedeutung von Carotinoiden für inflammatorische Prozesse 9,10
  • Bedeutung von Carotinoiden als Antioxidantien und zur Prävention chronischer Erkrankungen (z.B. AMD) 11-13

Literatur

  1. Hinds et al: Carotenoids and retinoids: a review of research, clinical, and public health applications. J Clin Pharmacol. 1997 Jul;37(7):551-8.
  2. Li and Tso: Vitamin A uptake from foods. Curr Opin Lipidol. 2003 Jun;14(3):241-7.
  3. Schweigert: in Carotenoids. S. 249-284 (Birkhäuser Verlag, Basel, 1998).
  4. Andert et al: Nutritional status of pregnant women in Northeast Thailand. Asia Pac J Clin Nutr. 2006;15(3):329-34.
  5. Gouado et al: Systemic levels of carotenoids from mangoes and papaya consumed in three forms (juice, fresh and dry slice). Eur J Clin Nutr. 2007 Oct;61(10):1180-8.
  6. Schweigert et al: Effect of the stage of lactation in humans on carotenoid levels in milk, blood plasma and plasma lipoprotein fractions. Eur J Nutr. 2004 Feb;43(1):39-44.
  7. Schweigert et al: Vitamin A, carotenoid and vitamin E plasma concentrations in children from Laos in relation to sex and growth failure. Nutr J. 2003 Nov;2:17.
  8. Macias and Schweigert: Changes in the concentration of carotenoids, vitamin A, alpha-tocopherol and total lipids in human milk throughout early lactation. Ann Nutr Metab. 2001;45(2):82-5.
  9. Schweigert: Inflammation-induced changes in the nutritional biomarkers serum retinol and carotenoids. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. 2001 Nov;4(6):477-81.
  10. Schweigert and Raila: Entzündungen führen infolge der Akute-Phase-Reaktionen zu einem funktionellen Mangel an Retinol, alpha-Tocopherol und Carotinoiden. Ernährung & Medizin 21, 77-81 (2006).
  11. Carlsohn et al: Exercise increases the plasma antioxidant capacity of adolescent athletes. Ann Nutr Metab. 2008;53(2):96-103.
  12. Carlsohn et al: Physical activity, antioxidant status, and protein modification in adolescent athletes. Med Sci Sports Exerc. 2010 Jun;42(6):1131-9.
  13. Schweigert and Reimann: [Micronutrients and their relevance for the eye--function of lutein, zeaxanthin and omega-3 fatty acids]. Klin Monbl Augenheilkd. 2011 Jun;228(6):537-43.

Vitamin D

Hintergrund

An keinem anderen Vitamin wird derzeit so intensiv geforscht wie an Vitamin D. Dieses Forschungsinteresse ist besonders darauf zurückzuführen, dass in den letzten Jahren neue Effekte von Vitamin D auf den Organismus beschrieben wurden, in Ergänzung zu den bekannten Effekten auf die Knochengesundheit.
Besonders während der Wintermonate der nördlichen Hemisphäre ist in großen Teilen der Bevölkerung ein verminderter Vitamin-D-Status nachweisbar1,2. Die in jüngerer Zeit häufig untersuchten und diskutierten Erkrankungen in Folge eines verminderten Vitamin-D-Status bzw. eines Vitamin-D-Mangels werden auf sogenannte nicht-kalzämische Effekte des Vitamin D zurückgeführt. Dazu zählen bspw. Diabetes mellitus, Krebserkrankungen, Herz-Kreislauferkrankungen und Erkrankungen des Immunsystems3. Die in diesem Kontext verantwortlichen Mechanismen sind bislang nur unvollständig bekannt4 und daher Gegenstand zahlreicher Forschungsaktivitäten.

Forschung

Ein Forschungsschwerpunkt am Lehrstuhl der Physiologie und Pathophysiologie der Ernährung sind Untersuchungen zur Assoziation von Vitamin D und Nierenerkrankungen. Die Quantifizierung verschiedener Vitamin-D-Metabolite stellt einen Ansatz dar, über den sich die Arbeitsgruppe dieser Fragestellung nähert.
Weitere Forschungstätigkeiten widmen sich der Untersuchung des Zusammenhangs von Vitamin-D-Status, Nierenerkrankungen und Herz-Kreislauferkrankungen. Diese Untersuchungen erfolgen unter Verwendung von Modell-Organismen, in vitro. Dabei wird die Gefäßintegrität untersucht und deren Veränderung in Abhängigkeit von der Vitamin-D-Versorgung und unter Simulation einer Nierenerkrankung.

Literatur

  1. Ovesen et al: Geographical differences in vitamin D status, with particular reference to European countries. Proc Nutr Soc, 2003 Nov; 62(4):813-21
  2. Mithal et al: Global vitamin D status and determinants of hypovitaminosis D.
    Osteoporos Int. 2009 Nov; 20(11):1807-1820
  3. Jones: Extrarenal Vitamin D Activation and Interactions Between Vitamin D2, Vitamin D3, and Vitamin D Analogs. Annu Rev Nutr. 2013; 33:23-44
  4. Bikle: Nonclassic actions of vitamin D. J Clin Endocrinol Metab. 2009 Jan; 94(1):26-34

Vitamin E

Hintergrund

Der Begriff Vitamin E umfasst alle natürlichen und synthetischen Tocopherol- und Tocotrienolderivate, die qualitativ die biologische Aktivität von α-Tocopherol zeigen. In tierischen Zellen ist α-Tocopherol ein Bestandteil von biologischen Membranen, wo es als fettlösliches Antioxidans wirkt. Die biologische wichtige antioxidative Funktion besteht darin, Membranlipide, aber auch Lipoproteine und Depotfette durch Lipidperoxidation zu schützen.
Vitamin E ist essenziell und muss daher mit der Nahrung zugeführt werden. Die Adsorption von Vitamin E erfolgt zusammen mit anderen Nahrungslipiden im Dünndarm. Der Transport im Blut erfolgt, im Gegensatz zu den Vitaminen A und D, unspezifisch durch Bindung an alle Lipoprotein-Fraktionen (VLDL/LDL, HDL). Die Aufnahme von Vitamin E in die Zellen ist daher eng mit dem Lipoprotein-Metabolismus verbunden.

Forschung

Aufgrund der zentralen Stellung von Vitamin E als lipophiles Antioxidans stehen Untersuchungen zum Einfluss unterschiedlicher physiologischer und pathophysiologischer Zustände auf den Vitamin-E-Stoffwechsel im Fokus unserer Arbeitsgruppe. Grundlage bilden Bestimmungen von Tocopherol- und Tocotrienolderivaten in Blut und Geweben von Menschen und Haustieren mittels HPLC. So konnte in einer prospektiven Studie gezeigt werden, dass dialysepflichtige Patienten mit Typ-2-Diabetes und erniedrigten α-Tocopherol-Konzentrationen im Blut einem erhöhten Schlaganfallrisiko ausgesetzt sind1. Weitere Studien beschäftigten sich mit dem Transfer von α-Tocopherol aus dem Blut in den Ovarialfollikel bei der Frau2 sowie der Bestimmung von α-Tocopherol-Verlusten über die Aszitesflüssigkeit von Frauen mit fortgeschrittenem Ovarialkarzinom3. Ob  eine Nahrungsergänzung mit Vitamin E Einfluss auf den Verlauf der Erkrankung hat, bleibt Gegenstand der Forschung.
Die adäquate Zufuhr von Vitamin E mit der Nahrung spielt auch für die Gesunderhaltung unserer Heimtiere eine zentrale Rolle. In diesem Zusammenhang konnte unsere Arbeitsgruppe zeigen, dass Hunde in der Lage sind, verschiedene Tocopherol- bzw. Tocotrienolderivate im Darm zu absorbieren und dass der damit verbundene Anstieg im Blut mit einer Erhöhung der antioxidativen Kapazität einhergeht4. Inwiefern eine diätetische Supplementation mit Tocotrienolen einen positiven Effekt auf den Verlauf von Erkrankungen mit erhöhtem oxidativen Stress besitzt, soll in weiteren Studien untersucht werden.

Literatur

  1. Espe et al: Low Plasma α-Tocopherol Concentrations and Adverse Clinical Outcomes in Diabetic Hemodialysis Patients. Clin J Am Soc Nephrol. 2013 Mar;8(3):452-8
  2. Schweigert et al: Carotenoids and α-tocopherol in plasma and follicular fluid of women undergoing in-vitro fertilisation. Hum Reprod. 2003 Jun;18(6):1259-64.
  3. Schweigert et al: Accumulation of selected carotenoids, α-tocopherol and retinol in human ovarian carcinoma ascitic fluid. Ann Nutr Metab. 2004;48(4):241-5.
  4. Raila et al: Increased antioxidant capacity in plasma of dogs after a single oral dosage of tocotrienols. Br J Nutr. 2011 Oct;106 Suppl 1:S116-9.