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Tag: Biosynthese

Biomolekül des Monats: Steroide und Isoprenoide

Quizfrage: Was haben Cholesterin, Vitamin E, die ätherische Ölkomponente Limonen und Testosteron gemeinsam? Ihre Biosynthese beginnt mit ein und dem selben Stoff. Zumindest formal gesehen ist dieser Stoff Isopren, weshalb sie auch alle zu der Stoffklasse der Isoprenoide gehören.

Die Isoprenoide

Isopren und die Isoprenoide sind meine Biomoleküle des Monats. Wir werden uns anschauen, weshalb der Vorläufer der Isporenoide eben nur formal gesehen das Isopren ist, wie die Biosynthese funktioniert und warum vor allem die Untergruppe der Steroide extrem wichtig für unsere Gesundheit und die Pharmazie ist.

Isopren ist ein relativ kleiner Kohlenwasserstoff mit zwei Doppelbindungen, der – wenn man ihn im richtigen Winkel betrachtet – ein bisschen aussieht wie ein Pferd. Er kommt in der Natur ziemlich häufig vor, aber eben nicht (anders als der Name vermuten lässt) als Ausgangsstoff für die Biosynthese der Isoprenoide.

Struktur von Isopren

Dafür werden nämlich zwei Stoffe verwendet, die man als aktiviertes – also als für eine chemische Reaktion zugänglich gemachtes – Isopren bezeichnen könnte: IPP und DMAPP. Das steht für Isopentylpyrophosphat und Dimethylallylpyrophosphat. Aber weil ich mich dabei immer mindestens einmal verschreibe, bleibe ich bei den Abkürzungen.

Es gibt wirklich sehr viele Isoprenoide, und sie kommen in jeder Domäne des Lebens vor. Gerade Pflanzen bilden viele Terpene, eine Untergruppe der Isoprenoide, zu der z.B. ätherische Öle und einige Vitamine (und Vitamin-Vorläufer) gehören.

Aber ich möchte mich hier eher auf eine sehr wichtige Art der tierischen (und damit auch die menschlichen) Isoprenoide konzentrieren: die Steroide.

Die Steroide

Steroide entstehen im Prinzip dadurch, dass erst ein Molekül IPP und ein Molekül DMAPP miteinander verknüpft werden. Danach werden einfach nur immer mehr IPP-Einheiten angehängt, bis eine ziemlich lange Kette entstanden ist, das Squalen. Dann wird aus dieser langen Kette ein Ringsystem mit fünf Ringen gebildet, das Grundgerüst aller Steroide.

Und an dieses Grundgerüst können dann diverse „Dekorationen“, also unterschiedliche chemische Gruppen, angehängt werden. Erstmal entsteht daraus Cholesterin. Die meisten Menschen kennen Cholesterin wahrscheinlich als Risikofaktor für Herzinfarkte oder Schlaganfälle. Und das ist es auch, wenn die Konzentration an „schlechtem Cholesterin“ – dem Lipoprotein LDL – im Blut zu hoch ist. Aber Cholesterin ist auch ein extrem wichtiger Bestandteil unserer Zellmembranen, denn es verleiht ihnen unter anderem ihre Fluidität.

Und außerdem entstehen aus Cholesterin auch alle Steroidhormone. Dazu gehört das Stresshormon Cortisol, von dem wahrscheinlich auch alle schon einmal gehört haben. Die Ausschüttung von Cortisol hat sehr viele verschiedene Wirkungen auf den Körper, beispielsweise fördert es den katabolen (also den abbauenden) Stoffwechsel oder beeinflusst den Blutdruck. Und natürlich sind Cortisol und seine synthetischen Derivate aus der Arzneitherapie nicht mehr wegzudenken, wo sie extrem erfolgreich zur Entzündungshemmung verwendet werden.

Übersicht über die Biosynthese der Steroidhormone, die alle aus Cholesterol gebildet werden (Bild: Mikael Häggström derivative work (german translation): Benff, CC BY-SA 3.0)

Sehr (wirklich sehr) ähnlich zum Cortisol ist das Aldosteron, das in der Niere wirkt. Dort hemmt es die Ausscheidung von Na+-Ionen, und durch den resultierenden osmotischen Druck auch die Ausscheidung von Wasser. Dadurch wird sowohl der Elektrolythaushalt als auch der Blutdruck reguliert. Und auch hier kann natürlich mit Arzneistoffen eingegriffen werden, mit dem Aldosteron-Agonisten Fludrocortison oder verschiedenen Antagonisten, die als Diuretika eingesetzt werden.

Letztendlich sind da dann noch die Sexualhormone, die auch zu den Steroiden zählen und aus Cholesterin entstehen. Die Sexualhormone und alle in diesem Bereich wirkenden Arzneistoffe sind selbst ein so großes Thema, dass sie wohl einen eigenen Text verdienen (weshalb sie bald auch einen eigenen Beitrag von mir bekommen).

Das war ein (sehr kleiner) Überblick über die Isoprenoide und Steroide. Natürlich gäbe es noch weit mehr zu sagen, aber für den Moment möchte ich nur noch eine Sache erwähnen. Denn was wäre ein Text über Isoprenoide, ohne die Statine zu erwähnen. Das ist eine Klasse von Arzneistoffen, die sehr früh in der Biosynthese der Isoprenoide eingreifen, bei dem Enzym HMG-CoA-Reduktase. Das ist zuständig für die Herstellung von Mevalonat, aus dem dann wiederum die beiden Bausteine IPP und DMAPP gebildet werden. Durch die Hemmung der Herstellung dieser Bausteine wird die körpereigene Cholesterin-Synthese heruntergefahren und der LDL- Spiegel, also das „schlechte Cholesterin“ nimmt ab. Das macht die Statine sehr wichtig in der Behandlung und Prophylaxe von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.

Das war es jetzt aber wirklich mit diesem Biomolekül (oder eher diesen Biomolekülen) des Monats. Wenn es euch gefallen hat, schaut euch doch gerne die Texte der letzten Monate an, oder abonniert meinen Newsletter, um nichts mehr zu verpassen.

Das kleine Vitamin-ABC: Die Biologie der Vitamine

Alle von uns wissen wahrscheinlich, dass es zu einer gesunden Ernährung gehört, ausreichend Vitamine aufzunehmen. Und einige, die das hier lesen, nehmen dafür wahrscheinlich auch das ein oder andere Nahrungsergänzungsmittel. Aber Hand auf Herz: Wer weiß schon, für was diese ganzen Vitamine eigentlich da sind?

Deshalb habe ich hier eine kleines (naja, eigentlich relativ langes) Vitamin-ABC aufgestellt. Darin erfahrt ihr zum Beispiel, warum wir ohne Vitamin A nichts sehen könnten, weshalb Schwangere unbedingt Folsäure brauchen oder weshalb Vitamin D ein sehr außergewöhnliches Vitamin ist.

Aber vorher müssen wir noch ganz kurz klären, was ein Vitamin überhaupt ist. Das ist gar nicht so einfach, denn es gibt einige Stoffe, die einmal so genannt wurden und heute aber nicht mehr als Vitamin zählen, oder auch andere Stoffe, die ein Vitamin sein könnten, aber nicht in diese Kategorie fallen.

Aber im Prinzip sind Vitamine Stoffe, die wir (in den meisten Fällen) nicht selbst herstellen können und über die Nahrung aufnehmen müssen. Außerdem sind (viele, aber nicht alle) Vitamine Cofaktoren für Enzyme oder Vorläufer davon (einige davon haben aber auch zusätzlich noch andere Funktionen).

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Wir beginnen am Anfang des Vitamin-Alphabets mit Vitamin A. Es ist entscheidend für das Sehen, aber auch wichtig für Stoffwechsel, Embryonalentwicklung, Immunsystem uvm. Es handelt sich dabei eigentlich um mehrere Substanzen aus der Gruppe der Retinoide. Eine dieser Substanzen ist Retinal, das Teil der Lichtrezeptoren im Auge ist. Diese Rezeptoren werden Rhodopsin genannt und ermöglichen uns, Licht wahrzunehmen. Sie bestehen aus dem Protein Opsin und aus Retinal.

Wenn ein Photon der richtigen Wellenlänge, also der richtigen Farbe, auf das Retinal fällt, verändert es seine chemische Struktur. Durch eine Doppelbindung ist das Retinal geknickt, man nennt es in dieser Form 11-cis-Retinal. Durch Licht entsteht das nicht geknickte Isomer, das all-trans-Retinal. Diese Umwandlung löst eine Signalkaskade aus, die letztlich zur Änderung des Membranpotentials der Sehzelle und zur Aktivierung der nachgeschalteten Nervenzellen führt. Anschließend wird das 11-cis-Retinal mithilfe eines Enzyms wieder regeneriert.

Außer Retinal zählen auch der korrespondierende Alkohol Retinol und dessen Ester zum Vitamin A. Und auch Carotinoide gehören dazu, die vom Körper in Retinal umgewandelt werden können (da Karotten viele Carotinoide enthalten kommt daher übrigens der (Irr-)Glaube, Karotten seien gut für die Augen).

Sowohl eine zu geringe als auch eine zu hohe Aufnahme von Vitamin A kann schädlich sein. Zu den Symptomen einer Hypovitaminose (zu wenig Vit. A) gehören u.a. Sehstörungen, Infektanfälligkeit und trockene Haut und Augen. Vit. A-Mangel ist weltweit ein verbreitetes Problem. Hypervitaminosen (zu viel Vit. A) können z. B. durch die Einnahme von Nahrungsergänzungsmitteln ausgelöst werden. Oder aber tatsächlich auch durch den Verzehr von Eisbär-Leber, da diese sehr viel Vitamin A enthält.

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Vitamin B1 wird auch als Thiamin bezeichnet. Es fungiert hauptsächlich als Cofaktor für Enzyme, die z. B. für den Kohlenhydrat-Stoffwechsel eine Rolle spielen.

Mit den B-Vitaminen tauchen wir tief ein in die Welt der Cofaktoren. Das sind organische Moleküle, die ein Enzym für seine Funktion braucht, die aber nicht Teil der Aminosäuresequenz des Proteins sind.

Vitamin B1 ist ein Vorläufer des Cofaktors Thiamindiphosphat (TDP). Thiamin spielt v. a. eine Rolle im Energiestoffwechsel oder in der Synthese von ATP und des DNA-Bausteins Desoxyribose. TDP-abhängige Enzyme katalysieren v. a. oxidative Decarboxylierungen, also Reaktionen, bei denen ein Stoff unter Verlust einer Carboxyl-Gruppe oxidiert wird.

Vitamin B1 kommt u. a. viel in Hülsenfrüchten, Vollkorngetreide oder Hefe vor. Die Thiamin-Mangelerkrankung wird Beriberi genannt. Es kommt z. B. zu Müdigkeit und Konzentrationsstörungen, später aber auch zu Parästhesien oder Lähmungen.

In Deutschland ist Vitamin B1-Mangel selten, aber Diabetiker:innen oder Patient:innen mit Morbus Crohn gelten als Risikogruppen. Auch eine Überdosierung ist möglich, dann kann es z. B. zu Kopfschmerzen oder Herzrhythmusstörungen kommen.

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Vitamin B2 wird auch Riboflavin genannt und ist wie Vit. B1 auch ein Vorläufer für Enzym-Cofaktoren. Dadurch ist es entscheidend für sehr viele Redoxreaktionen, die in unseren Körpern ablaufen und ohne Riboflavin könnte z. B. der Energiestoffwechsel nicht ablaufen.

Aus Riboflavin entstehen die beiden Cofaktoren Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) und Flavin-Mononukleotid (FMN). Beides sind Redox-Cofaktoren. Sie können Elektronen aufnehmen, also reduziert werden, und aus der reduzierten Form wieder abgeben, also oxidiert werden. Dadurch ermöglichen sie unserem Körper, Elektronen zwischen verschiedenen Molekülen zu übertragen. Unter anderem ist FMN einer der Cofaktoren der Atmungskette, bei der Elektronen auf Sauerstoff übertragen werden, um Energie zu gewinnen.

Vitamin B2 wird oft in Form von FAD oder FMN aus der Nahrung aufgenommen, die an Proteine gebunden sind. Dementsprechend enthalten viele tierische Produkte wie z. B. Milchprodukte viel Vitamin B2, aber auch pflanzliche Produkte wie Spinat oder Vollkorngetreide. FAD und FMN werden im Dünndarm gespalten, so dass Riboflavin aufgenommen werden kann. Später wird Riboflavin wieder zu FAD oder FMN umgesetzt. Ein Vit. B2-Mangel ist bei ausgewogener Ernährung sehr selten und kommt eigentlich nur bei Menschen mit Resorptionsstörungen vor.

Überdosierungen sind zwar kein Problem, da zu viel aufgenommenes Vitamin B2 einfach wieder ausgeschieden wird. Doch daher ist es auch nicht sinnvoll, Vitamin B2 zu supplementieren, wenn kein Mangel besteht.

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Als Vitamin B3 wird die Nicotinsäure (bzw. Niacin) bezeichnet. Und da wir immer noch bei den B-Vitaminen sind, handelt es sich auch dabei um einen Vorläufer für Enzym-Cofaktoren. Und nein, Vitamin B3 hat eigentlich nicht besonders viel mit Nikotin zu tun.

Erstmal zum Namen: Vit. B3 wird Nicotinsäure genannt, da es bei der Oxidation von Nikotin entsteht und so auch entdeckt wurde.

Aus Nicotinsäure werden die beiden Redox-Cofaktoren NAD und NADP gebildet. NAD speichert (als reduzierte Form NADH) Elektronen aus dem Abbau von Glucose, die dann zur Energiegewinnung durch Reduktion von Sauerstoff zu Wasser benutzt werden. NADH dient als Reduktionsmittel bei der Biosynthese von Stoffen.

Wegen dieser Rolle im Energiestoffwechsel ist der Bedarf vom Energiebedarf abhängig. Vit. B3 kommt in vielen Lebensmitteln vor, aber Nicotinsäure aus tierischen Quellen wird besser aufgenommen.

Da NAD/NADP sowohl aus Vitamin B3 als auch aus der Aminosäure Tryptophan hergestellt werden können, hat ein Vit. B3 Mangel oft keine Folgen. Erst wenn weder Nicotinsäure noch Tryptophan aufgenommen werden, kann es zu der Mangelkrankheit Pellagra kommen. Eine Überdosierung von Vit. B3 kann auch Folgen wie Gefäßerweiterung, Blutdruckabfall oder Schwindel haben.

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Wir machen einen kleinen Sprung von B3 zu Vitamin B5, auch Panthotensäure genannt. Das liegt daran, dass es ursprünglich mehr Stoffe gab, die Vitamin genannt wurden und diesen Status später wieder verloren haben.

Aus Pantothensäure wird der Cofaktor Coenzym A. Pantothensäure selbst besteht aus der nicht-proteinogenen Aminosäure β-Alanin und aus Pantoinsäure. Zusammen mit dem weiteren Aminosäurederivat Cysteamin und dem Nukleotid 3-Phospho-ADP entsteht daraus Coenzym A (CoA).

Coenzym A

CoA dient dem Körper als Überträger von Acylgruppen, das ist ein Kohlenstoff mit einer Doppelbindung zu Sauerstoff und normalerweise einem Alkylrest. Das ist nötig beim Auf- und Abbau von Fettsäuren, beim Aufbau von Cholesterin und Steroiden und beim Energiestoffwechsel. Dabei sind die Acylgruppe und das CoA über ein Schwefelatom verbunden und formt damit eine Gruppe namens Thioester. Thioester besitzen eine relativ hohe Bindungsenergie, was nötig ist, um die Acylgruppe auf andere Moleküle zu übertragen.

Pantothensäure kommt in sehr vielen Lebensmitteln vor. Vit. B5-Mangelerkrankungen sind selten. Überdosierungen sind auch selten, da überschüssige Pantothensäure schnell wieder ausgeschieden wird.

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Jetzt ist Vitamin B6 an der Reihe. So wird eine Gruppe von drei Substanzen bezeichnet, nämlich Pyridoxin, Pyridoxamin und Pyridoxal. Sie können im Körper in einander umgewandelt werden, und aus ihnen entsteht der Cofaktor Pyridoxalphosphat (PLP).

PLP ist ein Cofaktor, der an unterschiedlichen enzymatischen Reaktionen beteiligt ist. Es ist wie auch Vitamin B1 wichtig für Decarboxylierungs-Reaktionen. Es dient aber auch als Cofaktor für Transaminierungen, eine wichtige Art von Reaktionen, mit der Aminosäuren ineinander umgewandelt werden können. Es wird eine Aminogruppe (Stickstoff und zwei Wasserstoff) auf eine sog. Ketosäure übertragen, dadurch entsteht daraus eine Aminosäure und aus der ursprünglichen Aminosäure eine Ketosäure.

Allgemeine Reaktionsgleichung einer Transaminierung

Ein Vit. B6-Mangel ist sehr selten, weil es in sehr vielen Lebensmitteln enthalten ist. Überdosierungen können bei langfristiger Einnahme von zu viel Vit. B6 entstehen und ebenfalls selten zur Schädigung von Nerven führen.

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Vitamin B7 wird auch Biotin genannt und hat seine prominenteste Funktion ebenfalls als Cofaktor. Da wir davon aber schon so viele hatten, schauen wir uns heute v. a. die Funktion von Biotin bei der Regulation von Genen an.

Denn Biotin kann an sog. Histone gebunden sein. Diese Histone sind „Verpackungsproteine“ für DNA, und der DNA-Strang ist quasi um sie herum gewickelt. Wie stark die DNA an sie gebunden ist, hat einen Einfluss darauf, wie aktiv die Gene sind, die auf diesem DNA-Strang liegen. Hier kommt jetzt das Biotin ins Spiel: Wenn ein Histon mit Biotin modifiziert ist, führt das zum „Silencing“ von Genen, die Gene verlieren also ihre Aktivität. Außerdem spielt Biotin wohl eine Rolle bei der Kondensation des Erbguts in dichter gepackte Formen.

Die Funktion von Biotin als Enzym-Cofaktor wird beim Aufbau von Glucose (der Gluconeogenese), dem Aufbau von Fetten sowie beim einiger Fette und Aminosäuren benötigt. Biotin-abhängige Enzyme katalysieren Carboxylierungen (Übertragung einer Carbonsäure-Funktion)

Interessanterweise kann ein Vit. B7-Mangel durch den Verzehr von viel rohem Eiweiß (also Eiklar, nicht Proteine!) entstehen. Denn Eiweiß enthält ein Protein namens Avidin, das sehr stark an Biotin binden kann. Dadurch wird das Biotin nicht mehr aufgenommen. Dieses Prinzip macht man sich übrigens auch in der Molekularbiologie zunutze: Zum Beispiel kann man nämlich Proteine mit Biotin versehen und diese dann über die Bindung an Biotin-bindende Proteine (man nimmt aber meistens das bakterielle Streptavidin und nicht Avidin) immobilisieren, reinigen oder nachweisen.

Ansonsten kommen nur durch die Nahrung bedingte Vit. B7-Mangel sehr selten vor. Auch Überdosierungen sind wohl so gut wie nicht existent.

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Wir machen einen weiteren kleinen Sprung zu Vitamin B9 bzw. Folsäure. Es ist ein Vorläufer für (wär hätte es gedacht) einen weiteren Cofaktor. Aber vor allem ist es ein Vitamin, bei dem Mangelerkrankungen und Supplementierung eine große Rolle spielen.

Folsäure wird bei vielen Prozessen benötigt, u.a. für den Aufbau von Bestandteilen der DNA, den Nukleobasen. Daher wird es eigentlich immer gebraucht, wenn neue Zellen und Gewebe gebildet werden. Eine Zeit, in der das besonders viel geschieht, ist die Schwangerschaft. Daher ist der Vit. B9-Bedarf bei Schwangeren erhöht und es sollte supplementiert werden. Und da es selbst bei regelmäßiger Einnahme ca. zwei Monate geht, bis ein entsprechender Folsäurespiegel aufgebaut ist, ist die Supplementierung tatsächlich schon vor der Schwangerschaft sinnvoll.

Ansonsten ist es auf jeden Fall möglich, den eigenen Vit. B9-Bedarf nur über die Nahrung zu decken. Allerdings ist eine Unterversorgung trotzdem sehr häufig. Vit. B9 kommt z. B. in Hefe, Getreide oder Hülsenfrüchten vor.

Biologisch aktiv ist die reduzierte Form der Folsäure, das Tetrahydrofolat. Es dient als Cofaktor für die Übertragung von C1-Gruppen, also Molekülfragmenten aus einem Kohlenstoffatom. Die C1-Gruppen können in unterschiedlicher Oxidationsstufe übertragen werden.

Es gibt auch einige Arzneistoffe, die auf Folsäure basieren. Methotrexat z.B. ist ein solches Folsäure-Analogon und hemmt das Enzym Dihydrofolatreduktase (DHFR). Die DHFR ist dafür zuständig, das biologisch aktive Tetrahydrofolat herzustellen. Wenn das nicht mehr stattfinden kann, können auch nicht mehr alle Bausteine für die DNA hergestellt werden und Zellen können sich nicht mehr teilen. Daher wird Methotrexat sowohl als Immunsuppressivum (es können keine Immunzellen mehr hergestellt werden) als auch als Zytostatikum (die Krebszellen können sich nicht mehr vermehren) eingesetzt.

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Wir sind bei Cobalamin, dem letzten B-Vitamin angekommen. Auch Vitamin B12 dient als Cofaktor, hat aber einige Besonderheiten, die es von den anderen Vitaminen unterscheiden. Außerdem ist es mein Lieblings-Vitamin.

Cobalamin mit Cobalt als Zentralatom

Cobalamin ist eine organometallische Verbindung, die das Metall Cobalt enthält. Dieses Cobalt-Atom hat sechs Bindestellen, mit denen es an den Rest des Moleküls gebunden ist. Fünf davon sind von Stickstoff-Atomen des Cobalamins besetzt. Die sechste Bindung ist variabel. Es gibt nämlich verschiedene Cobalamine, die sich darin unterscheiden, was an dieser sechsten Bindungsstelle ist. Biologisch aktiv sind Adenosyl- und Methylcobalamin. Am stabilsten und deshalb oft in Vit. B12-Präparaten verwendet ist Cyanocobalamin.

Es gibt beim Menschen außerdem nur zwei Enzyme, die Cobalamin als Cofaktor verwenden. Eines davon, die Methionin-Synthase, stellt die Aminosäure Methionin her, indem mithilfe von Cobalamin eine Methylgruppe übertragen wird. Das andere Enzym ist am Abbau einiger Fettsäuren und Aminosäuren beteiligt und ist besonders für das zentrale Nervensystem wichtig.

Nur weil es nur zwei Cobalamin-abhänge Enzyme gibt, heißt das nicht, dass ein Mangel keine Folgen hätte. Denn einerseits kommt es zu neurologischen Symptomen und andererseits entsteht durch den Vit. B12-Mangel immer auch ein Mangel an dem Folsäure-Metabolit THF. Dadurch wird die Neubildung von Zellen gestört und es kommt zur Anämie.

Vit. B12 kommt tatsächlich vor allem in tierischen Lebensmitteln wie Fleisch oder Milchprodukten vor. Deshalb ist es bei veganer Ernährungsweise sinnvoll, Vit. B12 zu supplementieren.

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Mit Vitamin C bzw. Ascorbinsäure lassen wir die B-Vitamine endlich hinter uns. Über Vit. C könnte man wirklich viel schreiben. Es dient als Antioxidans und als Cofaktor. Aber dass es für Menschen überhaupt ein Vitamin ist, ist eigentlich eine ziemliche Ausnahme. Die allermeisten Wirbeltiere können Ascorbinsäure selbst herstellen und müssen es nicht über die Nahrung aufnehmen. Aber bei Menschen fehlt durch eine Mutation fehlt bei Menschen das Enzym L-Gulonolactonoxidase. Dieses Enzym ist für den letzten Schritt der Biosynthese von Ascorbinsäure aus Glucose verantwortlich.

Ascorbinsäure ist zusammen mit Glutathion das wichtigste Antioxidans. Es fängt reaktive Sauerstoffspezies ab, die zu Schäden z.B. an DNA und Proteinen führen können. Die reaktiven Sauerstoffspezies sind Radikale, d.h. sie besitzen ein ungepaartes Elektron. Ascorbinsäure kann leicht Elektronen abgeben, dadurch wird aus dem ungepaarten Elektron ein Elektronenpaar, das deutlich weniger reaktiv ist.

Die Vit. C-Mangelerkrankung heißt Skorbut. An Skorbut sind z.B. Seeleute früher oft gestorben, da sie nicht genügend Nahrung mitführten, die Vitamin C enthält. Allerdings ist die Versorgung mit Ascorbinsäure bei ausgewogener Ernährung ausreichend. Viele Gemüse- und Obstsorten sowie Leber enthalten viel Vitamin C. Vitamin C, das über den Bedarf hinaus aufgenommen wurde, wird über den Urin einfach wieder ausgeschieden. Das kann bei Harnwegseffekten ausgenutzt werden. Denn die viele Ascorbinsäure im Urin senkt den pH-Wert, und bei einem niedrigen pH-Wert können die krankmachenden Bakterien nicht mehr so gut wachsen.

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Kommen wir zum großen Thema Vitamin D. Warum nenne ich es ein großes Thema? Einerseits ist die Biologie von Vit. D so anders als die der anderen Vitamine und andererseits ist es wohl das Vitamin, bei dem Bedarf und Supplementierung am heftigsten diskutiert werden.

Als Vitamin D (bzw. D3) wird das Prohormon Cholecalciferol bezeichnet. Prohormon bedeutet, dass daraus irgendwann ein Hormon entsteht. Diese Hormon ist das Calcitriol, und wie der Name schon andeutet, ist es an der Regulation des Calciumstoffwechsels beteiligt. Es führt dazu, dass im Darm mehr Calcium aufgenommen wird. Außerdem wird weniger Calcium über die Nieren ausgeschieden. Calcium ist wichtig für den Knochenaufbau, der somit durch Calcitriol gefördert wird. Und es Einfluss auf ein anderes Hormon, PTH, und dieses Zusammenspiel verstärkt diese Effekte.

Untypischerweise kann unser Körper Vitamin D selber herstellen, und zwar entsteht es aus Cholesterin. Ein Schritt in der Biosynthese von Cholecalciferol findet in der Haut statt und benötigt UV-Strahlung. Daher kann es auch nur gebildet wenn wir Sonnenlicht ausgesetzt sind. Aus Cholecalciferol kann dann bei Bedarf dann Calcitriol gebildet werden. Das geschieht in zwei Schritten in der Leber und dann der Niere durch jeweils zwei Hydroxylierungen.

Zusammengefasst heißt das also: Vitamin D wird mit Hilfe von Sonnenlicht gebildet und kann dann bei Bedarf zu dem Hormon Calcitriol umgesetzt werden. Das steuert dann wiederum die den Calciumspiegel im Blut und den Knochenaufbau, indem es Einfluss auf die Aufnahme und Ausscheidung von Calcium nimmt und andere Hormone beeinflusst.

Ob eine generelle Supplementierung mit Vitamin D sinnvoll ist, ist umstritten. Zwar kann unser Körper Vitamin D selbst herstellen, allerdings benötigt er dazu Sonnenlicht. Ob diese endogene Synthese ausreicht, ist individuell stark unterschiedlich.

Offensichtlich hat die Zeit, die eine Person in der Sonne verbringt, einen großen Einfluss, aber auch der Hauttyp, etwaiger Sonnenschutz und die Ernährung, da auch in manchen Lebensmitteln Vitamin D enthalten ist. Bei den meisten Erwachsenen wird der Bedarf im Sommer durch die endogene Synthese gedeckt. Im Winter sieht die Sache etwas anders aus. Durch weniger Sonnenlicht, eine geringere Intensität und mehr Kleidung ist der Bedarf im Winter in manchen Fällen nicht mehr gedeckt. Je nach Hauttyp ist es im Winter nötig, etwa eine bis mehrere Stunden im Sonnenlicht zu verbringen.

Allerdings ist auch zu viel Vitamin D nicht gesund. Die DGE gibt einen Vitamin D-Bedarf von 800 IE an (bei fehlender endogener Synthese). Eine Einnahme von mehr als 800 IE Vitamin D ist also grundsätzlich nicht nötig, bis zu 2000 IE Vitamin D pro Tag sind aber sicher. Bei zu hoher Dosis kann es langfristig zu Osteoporose und Nierenschäden kommen.

Ein Mangel an Vitamin D hingegen führt zu einer Erweichung der Knochen und geht mit vielen unspezifischen Symptomen einher. Falls ihr den Verdacht habt, einen Vit. D-Mangel zu haben, könnt ihr euren Serumspiegel bestimmen lassen.

Zusammengefasst: Eine Unterversorgung im Winter ist relativ häufig und eine Supplementierung von Vitamin D kann sinnvoll sein. Es ist allerdings empfehlenswert, vorher den Vitamin D-Spiegel zu messen und zu viel (mehr als 2000 IE/Tag) solltet ihr auf keinen Fall einnehmen.

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Ähnlich wie auch Vitamin C ist auch Vitamin E ein Radikalfänger und Antioxidans. Dabei ist Vit. E ein Sammelbegriff für mehrere Stoffe, die Tocopherole und Tocotrienole. Das häufigste davon ist alpha-Tocopherol. Vit. E ist aber, im Gegensatz zu Vit. C, fettlöslich. Daher kommt es auch vor allem in den Zellmembranen vor. Die bestehen aus Phospholipiden mit einem hydrophilen Kopf und langen lipophilen Resten. Diese Reste zeigen in das innere der Membran, und in dieser lipophilen Umgebung findet man Vitamin E.

Ungesättigte Fettsäuren in den Membranen werden leicht oxidiert und dadurch zerstört. Eine der Hauptaufgaben von Vitamin E ist es, das zu verhindern. Das macht es, indem es das ungepaarte Elektron eines freien Radikals aufnimmt, das ansonsten zur Lipidoxidation führt. Dabei entsteht zwar aus dem Vitamin E auch ein Radikal mit ungepaartem Elektron, aber beim Vitamin E kann dieses Elektron über einen großen Bereich des Moleküls „verteilt“ werden. Dadurch ist das Vit. E-Radikal deutlich weniger reaktiv. Vit. E kann dann aus dem Radikal mit Hilfe von Vit. C wieder regeneriert werden.

Da Vitamin E ein fettlösliches Vitamin ist, kommt es vor allem in fettreichen Nahrungsmitteln vor. Außerdem enthalten pflanzliche Öle mehr davon als tierische Öle. Tocopherol wird auch Lebensmitteln oder auch Arzneimitteln häufig als Antioxidans zugesetzt, um sie haltbarer zu machen.

Ein Mangel an Vitamin E kommt sehr selten vor. Eine Überdosierung hingegen ist nicht ungefährlich und kann zu gesundheitlichen Folgen führen.

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Zum Abschluss schauen wir uns noch Vitamin K an. Das ist ein Sammelbegriff für drei Stoffe, die das gleiche Grundgerüst haben und sich in ihrer Seitenkette unterscheiden. Vitamin K ist mal wieder ein Cofaktor und u.a. für die Blutgerinnung unverzichtbar.

Die Blutgerinnung beruht auf einer ganz schön komplizierten Kaskade aus vielen Proteinen, die einander gegenseitig aktivieren. Um manche dieser Gerinnungsfaktoren zu aktivieren braucht es allerdings noch etwas mehr: Das Enzym gamma-Glutamylcarboxylase (GGCX) und Vitamin K.

Damit diese Gerinnungsfaktoren funktionieren können, müssen sie nämlich ein Calcium-Ion binden können. Und dafür muss eine Aminosäure der Gerinnungsfaktoren chemisch verändert werden. Genauer gesagt muss die Aminosäure Glutamin carboxyliert werden. Das übernimmt die GGCX zusammen mit Vitamin K. Carboxyliertes Glutamin kann jetzt Magnesium-Ionen binden und ermöglicht damit die Funktion der Gerinnungsfaktoren; die Blutgerinnung, z. B. nach einer Verletzung, kann stattfinden.

Vitamin K bei der Carboxylierung von Gerinnungsfaktoren

Vitamin K muss dafür allerdings „vorbereitet“ werden (es wird zum Vitamin K-Hydrochinon reduziert), das macht eine Reduktase. Dass Vitamin K so „vorbereitet“  werden muss kann man sich bei gerinnungshemmenden Arzneimitteln zu Nutze machen. Die sog. Vitamin K-Antagonisten hemmen nämlich die Reduktase, die dafür zuständig ist. Dadurch kann die GGCX nicht mehr arbeiten, die Gerinnungsfaktoren können nicht mehr aktiviert werden und die Blutgerinnung kann nicht mehr stattfinden. Zu den Vitamin K-Antagonisten gehören z.B. Phenprocoumon oder Warfarin (interessanterweise wird in Europa fast nur ersteres und in den USA v. a. letzteres verwendet). Natürlich sollten Patient:innen, die Vitamin K-Antagonisten nehmen, nicht zu viel Vitamin K zu sich nehmen, da sonst die gerinnungshemmende Wirkung verloren gehen kann.

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Und bei K endet bei den Vitaminen auch schon das Alphabet. Natürlich gäbe es zu jedem einzelnen noch viel mehr zu sagen, aber das würde den Rahmen ziemlich schnell sprengen.

Und auch zum Thema Vitamin-Mangel und Supplementierung könnte man noch mehr erzählen. Deshalb möchte ich zum Abschluss noch sagen: Wenn ihr den Verdacht habt, an einem Vitamin-Mangel zu leiden, dann redet am besten mit eine:r Ärzt:in oder Apother:in und lasst euch beraten. Das mag zwar erstmal aufwändiger sein als einfach ein paar Vitaminpillen zu kaufen, aber es ist trotzdem besser als unnötig Geld dafür zu verschwendet oder gar eine Überdosierung zu riskieren.

Pflanzen gegen Krebs? Pflanzliche Zytostatika

Man hört ja oft (vor allem in der Werbung für die entsprechenden Präparate), pflanzliche Arzneimittel seien besonders schonend und nebenwirkungsarm. Sie kämen schließlich direkt aus der Natur, und etwas natürliches müsse ja verträglicher sein als das chemisch hergestellt Pendant. Aber zu erkennen, dass es sich dabei – zumindest, wenn man es so allgemein formuliert – um Quatsch handelt, ist nicht weiter schwer. Man muss nur mal rausgehen, in die Natur, und die Augen offen halten. Dann sieht man sie: Eisenhut, Gefleckter Schierling, Herbstzeitlose, Fingerhut, Hundspetersilie. Alles komplett natürlich, alles potentiell tödlich. Und allein in dieser sehr unvollständigen Liste sind zwei Pflanzen, deren Inhaltsstoffe in Arzneimitteln verwendet werden: Digoxin und Digitoxin aus dem Wolligen Fingerhut (Digitalis lanata) und Colchicin aus der Herbstzeitlosen (Colchicum autumnale). Denn gerade die giftigen Inhaltsstoffe sind es manchmal, die sich als Arzneistoff eignen.

Diesen Beitrag möchte ich deshalb den pflanzlichen Zytostatika widmen. Pflanzlichen Zellgiften also, die es geschafft haben, wegen genau dieser Eigenschaft als Arzneistoffe eingesetzt zu werden.

Welche Zytostatika aus Pflanzen stammen

Im Prinzip existieren vier Substanzgruppen, die tatsächlich auch klinisch relevant sind. Das sind:

  • die Taxane aus der Pazifischen Eibe.
  • Die Vinca-Alkaloide, die aus dem Madagaskar-Immergrün stammen.
  • Die Derivate des Podophyllotoxin aus dem Schildförmigen Fußblatt.
  • Und schließlich noch die Derivate des Camptothecin, das im Chinesischen Glücksbaum vorkommt.

Diese vier Stoffgruppen werden im klinischen Alltag eingesetzt, um Krebserkrankungen zu behandeln. Zugegebenermaßen sind nicht alle Stoffe, die verwendet werden, auch natürliche Pflanzeninhaltsstoffe. Denn es gibt von allen sogenannte halbsynthetische Derivate. Das sind Wirkstoffe, die auf dem natürlich vorkommenden Stoff beruhen, aber chemisch so verändert wurden, dass sie bestimmte Eigenschaften aufweisen. Trotz dieser „verbesserten“ Versionen sind aber auch die echten Pflanzeninhaltsstoffe weiterhin in Verwendung.

Strukturformel von Paclitaxel, einem Zytostatikum aus der Gruppe der Taxane aus der Eibe

Und wo wir gerade beim Stichwort Verwendung sind, möchte ich nachfolgend ein paar Beispiele geben, wie die verschiedenen pflanzlichen Zytostatika eingesetzt werden.

Paclitaxel (auch Taxol genannt) gehört zu den Taxanen und wird unter anderem bei Brustkrebs oder nicht-kleinzelligem Bronchialkarzinom (einer häufigen Form des Lungenkrebs) verwendet. Vincristin, ein Vinca-Alkaloid, wird bei einer Vielzahl von Tumoren eingesetzt, zum Beispiel bei akuter Leukämie oder Non-Hodgkin-Lymphomen (eine Krebserkrankung bestimmter Immunzellen). Und zum Abschluss noch das Podophyllotoxin-Derivat Etoposid, das ebenfalls bei Bronchialkarzinomen oder Lymphomen eingesetzt werden kann.

Wer aufmerksam gelesen hat, wird bemerkt haben, dass ich nur für drei der vier Stoffgruppen Beispiele genannt habe. Das liegt daran, dass es kein rein natürliches Camptothecin-Derivat gibt, das als Arzneistoff zugelassen ist. Die halbsynthetische Variante Topotecan wird aber beispielsweise bei Ovarialkarzinomen (Tumoren der Eierstöcke) eingesetzt.

Wie immer gilt hier: in den allermeisten Fällen werden Krebserkrankungen mit einer Kombination von mehreren Arzneimitteln therapiert. Auch die pflanzlichen Stoffe werden nicht für sich allein verwendet, sondern sind Teil eines komplizierten Therapieschemas.

Leider würde dieser Beitrag sehr lang werden, wenn ich ausführlicher auf alle diese Stoffe eingehen würde (auch wenn alle davon spannend genug wären). Deshalb habe ich Paclitaxel ausgewählt, um ein bisschen tiefer in das Thema einzutauchen.

Wo Paclitaxel herkommt

Wie schon gesagt stammt Paclitaxel aus der Pazifischen Eibe, deren lateinischer Name Taxus brevifolia ist. Die Pazifische Eibe ist wächst in Nordamerika, und zwar (wie der Name schon verrät) an der Pazifikküste im westlichen Teil des Kontinents. Am meisten Paclitaxel befindet sich in der Rinde des Baumes, die übrigens eine sehr auffällige rote Farbe hat.

Andere Eibenarten stellen kein Paclitaxel her. Allerdings ist es nicht der einzige Giftstoff aus der Klasse der Taxane, daher sind die anderen Eibenarten auch ohne es hoch giftig. Der einzige Teil der Eibe, der theoretisch genießbar ist, ist der rote Samenmantel. Allerdings sollte man auch diesen auf keinen Fall essen, denn der Samen selbst ist wieder giftig. Und auch wenn man auf die Idee kommen sollte, den Samen vorher zu entfernen, können schon kleine Reste davon für eine schwere Vergiftung ausreichen.

Pazifische Eibe
(JOE BLOWE from Bountiful, Utah, Iran – Taxus brevifolia bark, CC BY-SA 2.0)

Wie Paclitaxel wirkt

Es gibt in Zellen Moleküle, die (ein bisschen vereinfacht gesagt) Zeug von einem Ort zum anderen bewegen können, und der Zelle außerdem Stabilität verleihen. Eine Art dieser Moleküle sind die Mikrotubuli, die lange röhrenförmige Strukturen bilden, die sich durch die gesamte Zelle erstrecken können. Und unter anderem ist das „Zeug“, das die Mikrotubuli transportieren, die DNA während eine Zelle sich teilt.

Mikrotubuli sind extrem dynamische Strukturen. Sie bestehen aus kleineren Einheiten, dem Tubulin, und werden ständig auf- und wieder abgebaut, um ihre Aufgaben erfüllen zu können. Paclitaxel kann an das Tubulin binden und stabilisiert die Mikrotubuli dadurch. Der Abbau der Mikrotubuli-Röhren wird gestört, und damit können die Mikrotubuli ihren Transport-Aufgaben nicht mehr nachkommen.

Sich teilende Zellen, bei denen die Chromosomen (rot) durch Mikrotubuli zu entgegengesetzten Enden der Zelle gezogen werden
(Ian P Newton & Paul L Appleton – Own work, CC BY-SA4.0)

Wenn man jetzt weiß, dass sich Tumorzellen sehr schnell teilen, viel schneller als die meisten anderen Zellen, und dass Mikrotubuli bei der Zellteilung zum Transport der DNA benötigt werden, lässt sich erahnen, wieso Paclitaxel zur Behandlung von Tumorerkrankungen eingesetzt wird. Aber auch Zellen, die sich gerade nicht teilen, sind von der Paclitaxel-Wirkung betroffen, weil die Mikrotubuli sehr viele unterschiedliche Aufgaben haben.

Wie Paclitaxel hergestellt wird

Wenn man Paclitaxel gewinnen möchte, dann könnte man natürlich die Arbeit der Pazifischen Eibe überlassen, die es ja sowieso herstellt, und den Stoff einfach aus dem Baum (v.a. aus der Rinde) isolieren. Leider wäre das aber furchtbar ineffizient, da die Pazifische Eibe einer der am langsamsten wachsenden Bäume überhaupt ist.

Die geradlinigste Alternative ist es daher, einfach statt des gesamten Baumes nur kultivierte Pflanzenzellen zu verwenden, mit denen man Paclitaxel im Fermenter (also einem Bioreaktor) herstellen kann. Die zweite Möglichkeit ist, Paclitaxel semisynthetisch herzustellen. Dazu nimmt man einen Vorläuferstoff, der schon relativ nahe am fertigen Paclitaxel ist. Dieser Stoff (10-Deacetylbaccatin) wird nämlich auch von der Europäischen Eibe gebildet, die deutlich schneller wächst. Und aus dem isolierten 10-Deacetylbaccatin kann dann relativ einfach mit chemischen Methoden Paclitaxel hergestellt werden.

Nur der Vollständigkeit halber möchte ich auch noch eine dritte Möglichkeit erwähnen. Denn nicht nur die Pazifische Eibe bildet Paclitaxel, sondern auch ein Pilz, der in der Pazifischen Eibe lebt. Daher kann man auch aus dem Pilz Paclitaxel gewinnen.

Welche Nebenwirkungen Paclitaxel hat

Mir ist es wichtig zu betonen, dass Paclitaxel im Grunde ein Zytostatikum wie jedes andere ist. Es spielt keine Rolle, ob es ursprünglich aus einer Pflanze, einem Tier oder einem Bakterium stammt, oder ob es rein synthetisch gewonnen wurde. Zytostatika sind Zellgifte, die Aufgrund dieser Wirkung eingesetzt werden, um Krebszellen zu töten. Und dementsprechend hat auch Paclitaxel wie alle anderen Zytostatika nicht zu vernachlässigende Nebenwirkungen.

Es führt zu einer Suppression des Knochenmarks, und dadurch zu einer verminderten Bildung von allen möglichen Blutzellen. Es kann zu Neuropathien, also Nervenschäden kommen, die sich zum Beispiel durch Missempfindungen äußern. Außerdem können Haarausfall, Schleimhautentzündungen, Übelkeit und allergische Reaktionen auftreten.

Aber wie bei allen anderen Zytostatika auch ist der Einsatz von Paclitaxel eine Abwägung der Nebenwirkungen gegen die vielen Leben, die durch die Behandlung gerettet werden können. Und da muss klar gesagt werden: es lohnt sich.

Ein Männlein steht im Walde – Das Gift des Fliegenpilzes

Fliegenpilze sind DAS Paradebeispiel, was Giftpilze angeht. Der rote Hut mit den weißen Punkten ist ikonisch, und jedes Kind weiß, dass man Fliegenpilze nicht essen sollte. In diesem Beitrag schauen wir uns gemeinsam das Gift des Fliegenpilzes etwas genauer an. Aus welchen Stoffen das Gift besteht, wie es gebildet wird, und wie es wirkt.

Der wissenschaftliche Name des Fliegenpilzes lautet Amanita muscaria. Er wächst in Nadelwäldern ebenso wie in Laubwälder, vor allem zwischen Juli und Oktober. Besonders häufig ist er wohl in der Nähe von Birken. Außerdem ist er der Pilz des Jahres 2022 (falls das irgendjemanden interessiert).

Ein Fliegenpilz

Ibotensäure und Muscimol: Das Gift des Fliegenpilzes

Sein Gift besteht hauptsächlich aus dem Inhaltsstoff Ibotensäure. Ibotensäure ist allerdings nicht sonderlich stabil, und bei der „Zubereitung“ zerfällt es zu der noch potenteren Substanz Muscimol. Außerdem enthält der Pilz in geringen Mengen auch Muscarin. Das ist zwar nach Amanita muscaria benannt, spielt für die Giftwirkung beim Fliegenpilz aber eigentlich keine Rolle.

Bei Ibotensäure handelt es sich um eine nicht proteinogene Aminosäure. Aminosäuren sind im Allgemeinen als die Grundbausteine von Proteinen bekannt. Aber tatsächlich werden nur 20 (naja, eigentlich ja 22) davon für den Aufbau von Proteinen eingesetzt. Und die restlichen, die nicht in Proteinen vorkommen, werden eben als nicht proteinogen bezeichnet.

Ibotensäure
Muscimol

Muscimol entsteht wie schon gesagt aus Ibotensäure. Dementsprechend ähnlich ist auch die chemische Struktur, aber es handelt sich nicht mehr um eine Aminosäure. Die Reaktion, bei der Muscimol aus Ibotensäure entsteht, wird als Decarboxylierung bezeichnet, da hier eine Carbonsäure genannte funktionelle Gruppe verloren geht.

Erstaunlicherweise wurde die Biosynthese von Ibotensäure erst vor kurzem aufgeklärt, tatsächlich von einem ehemaligen Professor von mir, und seiner Gruppe. Dabei ist die Existenz von Ibotensäure sowie ihre chemische Struktur schon seit Jahrzehnten bekannt. Fast genauso lange wurde auch schon gemutmaßt, dass Ibotensäure aus einer der beiden proteinogenen Aminosäuren Glutaminsäure oder Glutamin gebildet wird. Aber erst in diesem Paper von 2020 konnte bestätigt werden, dass die Ausgangssubstanz wirklich Glutaminsäure ist.

Aber wie genau stellt der Fliegenpilz jetzt Ibotensäure her? Vermutlich (ganz genau ist das noch nicht bekannt) geschieht die Biosynthese aus Glutaminsäure in fünf Schritten, die jeweils von einem anderen Enzym katalysiert werden. Dabei wird aus der Carbonsäure-Gruppe der Glutaminsäure der auffällige Ring der Ibotensäure (ein Isoxazolring, um genau zu sein) gebildet.

Wenn euch das jetzt noch zu vereinfacht war und ihr es genauer wissen wollt, kann ich euch diesen Artikel in Chemie in unserer Zeit empfehlen.

Die Wirkung des Giftes

Nachdem wir jetzt also geklärt haben, wie das Fliegenpilzgift hergestellt wird, können wir uns damit beschäftigen, wie es wirkt.

Nehmen wir einmal an, eine unwissende Person durch geht durch den Wald und findet bei ihrem Spaziergang einen lecker anmutenden roten Pilz mit kleinen weißen Pünktchen. Sie nimmt den Pilz mit nach Hause, bereitet sich ein Pilzragout daraus zu und isst es. Was wird diese Person daraufhin erleben?

Sie würde nach etwa 30 Minuten bis 2 Stunden die ersten Symptome spüren. Sie könnte sich verwirrt fühlen, die Wahrnehmung von Zeit könnte beeinträchtigt sein und sie könnte eine Hypersensitivität gegenüber visuellen und akustischen Reizen entwickeln. All das würde von Müdigkeit und einem sehr trockenen Mund begleitet sein, wahrscheinlich auch von Übelkeit und Erbrechen. Nach einiger Zeit würde wohl die Müdigkeit zunehmen, bis die Person in einen tiefen Schlaf mit sehr lebhaften Träumen fällt.

Der Grund für all das „könnte“ und „würde wahrscheinlich“ ist, dass die Symptome einer Vergiftung sehr verschieden sein können. Das korreliert stark mit dem variablen Gehalt an Ibotensäure in den Pilzen, der sehr unterschiedlich sein kann. Welche Vergiftungserscheinungen auftreten, und wie stark, hängt aber auch noch von vielen anderen Faktoren ab. Ob durch Fliegenpilze auch Halluzinationen entstehen können, ist in der Literatur tatsächlich umstritten.

Die Vergiftungssymptome enden üblicherweise nach etwa 8 Stunden mit einer vollständigen Erholung. Damit ist eine Vergiftung mit Fliegenpilzen im Normalfall auch nicht tödlich. Interessant ist aber auf jeden Fall, dass es wohl einen Zusammenhang zwischen der Symptomatik und dem Zeitpunkt des Pflückens geben könnte. Es gibt Hinweise, dass Pilze, die im August gepflückt werde, eine stärker narkotische Wirkung haben, während Pilze aus dem September schlimmere Übelkeit verursachen.

Ibotensäure und Muscimol ahmen körpereigene Botenstoffe nach

Jetzt stellt sich aber natürlich die Frage, weshalb der Fliegenpilz giftig ist. Ja klar, er enthält Ibotensäure und Muscimol. Aber wie verursachen zwei so simple Moleküle diese Symptome?

Ibotensäure und Muscimol können quasi körpereigene Botenstoffe nachahmen. Sie binden an die gleichen Rezeptoren, und lösen damit die gleichen Effekte aus. Da es für den Körper damit aber aussieht, als seien plötzlich viel mehr dieser Botenstoffe vorhanden als normalerwiese, werden dadurch die normalen Körperfunktionen durcheinander gebracht.

Muscimol ähnelt dabei sehr dem Neurotransmitter GABA (das steht für γ-Hydroxybuttersäure). Ibotensäure hingegen gleicht der Aminosäure Glutamat, die auch als Neurotransmitter eine Rolle spielt. Neurotransmitter sind Botenstoffe, die Signale von einer Nervenzelle zur nächsten  weiterleiten (oder zu einer Muskelzelle, oder diversen anderen Zellen, ihr wisst schon…).

Wie ahmen die Giftstoffe jetzt körpereigene Botenstoffe nach? Durch etwas, das sich Bio-Isosterie nennt. Das ist ein kompliziertes Wort für ein eigentlich gar nicht so kompliziertes Konzept. Es geht dabei darum, dass eigentlich sehr unterschiedliche chemische Strukturen ähnliche Eigenschaften besitzen können. Vor allem sind das sterische Eigenschaften, also quasi die Größe und Form der Struktur, und elektronische Eigenschaften, also die Ladung und die „Anordnung“ der Elektronen. Wenn diese Bedingungen zutreffen, können sich die unterschiedlichen chemischen Strukturen sehr ähnlich verhalten und die gleiche biologische Wirkung auslösen. Im Fall des Fliegenpilzgifts ist es vor allem der oben schon erwähnte Isoxazolring, der bio-isoster zu der Carbonsäure der Neurotransmitter ist.

Die Ähnlichkeit von Muscimol und GABA, verdeutlicht durch die Überlagerung der beiden Strukturformeln

Und jetzt nach all der Chemie noch ein kleiner Fun Fact: Weil Glutamat-Rezeptoren auch auf der Zunge vorkommen und maßgeblich an der Wahrnehmung des Geschmacks Umami beteiligt sind, hat Ibotensäure angeblich einen sehr starken Umami-Geschmack.

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