mini|alt=|Strukturformel der wichtigsten K-Vitamine: Vitamin K1 = Phyllochinon. Vitamin K2 = Menachinon-n. Vitamin K3 = Menadion
K-Vitamine (K für Koagulation) gehören neben den Vitaminen A, D und E zu den fettlöslichen Vitaminen und werden unter dem Sammelbegriff Vitamin K zusammengefasst. Das gemeinsame Grundgerüst der K-Vitamine ist eine 2-Methyl-1,4-naphthochinon-Struktur (Menadion). Sie sind ein Kofaktor in Reaktionen der γ-Glutamylcarboxylase. Über diesen Mechanismus werden mehrere Gerinnungsfaktoren in einen aktivierbaren Zustand versetzt und gerinnungshemmende Faktoren aktiviert und reguliert.
Ferner spielen K-Vitamine für die Aktivierung von Osteocalcin (ein Knochenprotein), Calbindin und der Liganden für einige Rezeptor-Tyrosinkinasen wie zum Beispiel das Growth-arrest-specific gene-6 eine wichtige Rolle für das Zellwachstum.
In Pflanzen ist Vitamin K1 für die Photosynthese unverzichtbar.
Geschichte Der Entdeckung des Vitamins gingen Beobachtungen von Landwirten voraus: Nachdem Hausrinder mit verdorbenem oder siliertem Süßklee gefüttert wurden, zeigten sie schwere Blutungen mit tödlichem Ausgang (sogenanntes „sweet clover poisoning“, Süßkleekrankheit). Dies dokumentierte erstmals 1922 der kanadische Tierarzt Frank W. Schofield vom Ontario Veterinary College, später auch der amerikanische Tierarzt Lee Roderick der North Dakota Agricultural Experiment Station. Sie zeigten, dass die Blutungen aufhörten, wenn verdorbene Silage abgesetzt wurde und die Tiere Bluttransfusionen von gesunden Rindern erhielten. Die Tierärzte schlossen daraus, dass mit Schimmelpilzen befallenes Süßkleeheu (Weißer oder Gelber Steinklee) für die Erkrankung verantwortlich sein könnte. Erst viele Jahre später wurde die dafür verantwortliche Substanz als Dicumarol identifiziert, ein Vitamin K-Antagonist, der sich aus dem im Süßklee enthaltenen Cumarin über eine Zwischenstufe bildet.
Die Existenz eines „Vitamins K“ (Koagulationsvitamin, antihämorrhagisches Vitamin) wurde durch den dänischen Forscher Henrik Dam postuliert. Bei Untersuchungen zur Cholesterinsynthese von Küken war ihm 1929 aufgefallen, dass es bei diesen durch die dabei verabreichte besondere cholesterinfreie Diät nach mehr als zwei bis drei Wochen zu Blutungen unter der Haut sowie in Muskeln und anderen Organen kam. Zudem standen diese Symptome mit einem geringen Gehalt des Blutgerinnungsfaktors Prothrombin (Faktor II) in Verbindung. Dass diese Erscheinungen durch einen Mangel an den damals bekannten Vitaminen (z. B. A, D oder B1) selbst entstünden, konnte er mit seinen Arbeiten ausschließen.
1931 berichteten die kanadischen Forscher William McFarlane, William Graham Jr. und Frederick Richardson am Ontario Agricultural College anlässlich Untersuchungen zum Vitamin-A- und -D-Bedarf von Hühnern über Blutungen und eine verzögerte Blutgerinnung, nachdem sie die Hühner an den Flügeln markiert hatten. Diese Beobachtung wurde jedoch zunächst nicht weiter untersucht. 1933 fanden die US-amerikanischen Forscher Walther Holst und Everett Halbrook an der University of California heraus, dass diese Blutungsneigung bei Küken durch Verfüttern von frischem Kohl verhindert werden konnte, führten dies aber fälschlicherweise auf einen Mangel an Vitamin C zurück.
Nachdem bald darauf auch reines Vitamin C zur Verfügung stand, verabreichte Dam den Hühnern dieses parenteral, um noch auszuschließen, dass eine beeinträchtigte Resorption aus dem Verdauungstrakt (als Folge einer durch die Diät gestörten Darmfunktion) für die Blutungen verantwortlich gemacht werden könne. Und nachdem die Verfütterung von Weizenkeimöl keinen Schutz bot, andererseits die Verabreichung von Getreidekörnern und Samen die Gerinnungsstörung verhinderte, fühlte er sich 1934 berechtigt, den Mangel einer bestimmten, wenn auch noch unbekannten Substanz in der Nahrung für die beobachteten Probleme verantwortlich zu machen. Zudem konnte er Hämorrhagien bei Hühnern durch die Gabe eines Etherextraktes aus Luzernen behandeln.
Weitere Fütterungsversuche folgten, und 1935 wurde diese Substanzgruppe schließlich als ein essentielles Vitamin mit lipophilen Eigenschaften erkannt. Der Buchstabe K wurde ursprünglich der Einfachheit halber gewählt, weil das Fehlen dieser Substanz eine ausreichende Ko-agulationfähigkeit (Gerinnung) des Blutes behinderte. Zudem waren die vorausgehenden Buchstaben bereits durch andere Vitamine vergeben. Die Reinigung und chemische Synthese von Vitamin K1 wurde 1939 durch die Arbeiten von Herman J. Almquist und Klose an der University of California in Berkeley, Louis F. Fieser & Kollegen an der Harvard University sowie insbesondere die Strukturbestimmung durch die Arbeitsgruppe um Edward Adelbert Doisy erreicht. 1943 erhielten Dam für die Entdeckung sowie Doisy für die Entdeckung der chemischen Natur dieser Vitamingruppe gemeinsam den Nobelpreis für Medizin.
Harold A. Campbell aus der Arbeitsgruppe um Karl Link an der University of Wisconsin gelang es nach mehreren Jahren der Extraktion und Fraktionierung von verdorbenem Süßkleeheu 1939, die gerinnungshemmende Substanz in kristalliner Form zu isolieren. Die Verbindung wurde als Dicumarol identifiziert und später strukturell aufgeklärt. Damit war die Ursache der Süßkleekrankheit erstmals chemisch erklärt. In den folgenden Jahren wurden zahlreiche verwandte Cumarin-Derivate synthetisiert. Besonders wirksam erwies sich dabei eine Verbindung mit der späteren Bezeichnung Warfarin, deren Name sich aus dem Akronym der „Wisconsin Alumni Research Foundation“ (WARF) und der Endung „-arin“ von Cumarin zusammensetzt. Warfarin wurde zunächst als Rodentizid entwickelt und ab den 1950er Jahren als Arzneistoff zur Antikoagulation eingeführt. Es zählt bis heute zu den bekanntesten Vitamin-K-Antagonisten.
Die genaue biochemische Funktion des Vitamin K wurde schließlich Ende der 1970er Jahre aufgeklärt.
Vertreter Bei Vitamin-K handelt es sich um fettlösliche Substanzen, sogenannte Vitamere. Allen gemeinsam ist das Grundgerüst 2-Methyl-1,4-Naphthochinon (Menadion), das an der C3-Position unterschiedlich substituiert ist. Voraussetzungen für die Vitamin-K-Aktivität sind neben dem unsubstituierten, aromatischen Ring die Methylgruppe; die lipophile Seitenkette (die je nach K-Vitamin unterschiedlich lang sein kann) bestimmt die Fettlöslichkeit und andere Eigenschaften.H.K. Biesalsky (Hrsg.): Ernährungsmedizin. 2. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-13-100292-1. Optimal sind natürliche Terpenketten mit 20 Kohlenstoffatomen. Seitenketten unter 8 Kohlenstoffatomen führen außer bei Menadion zur Inaktivität.
Von Bedeutung im (menschlichen) Stoffwechsel sind nur das Vitamin K1 und K2. mini|Strukturformel von Vitamin K1 (Phylloquinon) Vitamin K1 bzw. Phyllochinon kommt in unterschiedlichen Konzentrationen in den Chloroplasten der Grünpflanzen als normaler struktureller und funktioneller Bestandteil des Photosyntheseapparates (Photosystem I) vor und zum Teil in deren Früchten. Zudem können es auch Algen und manche Cyanobakterien synthetisieren. Es ist das wichtigste natürlich vorkommende K-Vitamin und macht 75–90 % des durch die Nahrung aufgenommenen Vitamin K aus. Jedoch zeigt es eine geringe Bioverfügbarkeit. Vitamin K1 enthält eine Phytylkette von 20 Kohlenstoffatomen. mini|Allgemeine Strukturformel von Vitamin K2 (Menachinon), der Index n gibt die Anzahl der Isoprenoid-Einheiten an Vitamin K2 bzw. Menachinon wird von Bakterien (z. B. von auch im Darm vorkommenden Stämmen wie von Escherichia coli oder Bacteroides fragilis) und einigen Archaeen produziert. Vitamin K2 bildet eine Gruppe von Menachinonen unterschiedlicher Länge ihrer mehrfach ungesättigter Isoprenoid-Seitenkette; sie werden als MK-n bezeichnet. Hierbei steht n für die Anzahl der Isoprenoid-Einheiten (n=4 bis 13). Die meisten Bakterien bilden Menchinone mit mittellanger bis langer Seitenketten (MK-6 aufwärts). Wichtigste Vertreter der Vitamin K2-Gruppe sind MK-7 (ehemalige Bezeichnung Vitamin K35) sowie MK-4. Letzteres wird aber nicht von Mikroorganismen synthetisiert, stattdessen ist es eine ursprünglich aus Vitamin K1 metabolisierte Verbindung. Vitamin K3 bzw. Menadion ist eine synthetisch hergestellte Substanz ohne Seitenkette (diese wird vom menschlichen Organismus nach der Aufnahme ergänzt). Das wasserunlösliche Vitamin K3 wurde früher in Form des wasserlöslichen Hydrogensulfit-Addukts als künstliches „Provitamin K“ angewandt. Die Zufuhr als z. B. Nahrungsergänzungsmittel ist aufgrund dessen toxischer Eigenschaften verboten, es wird nur noch in der Tiernahrung verwendet. In der Literatur werden ferner noch weitere synthetische K-Vitamine (K4, K5, K6,...) erwähnt. So wird z. B. entweder 2-Methyl-1,4-naphthohydrochinon (Menadiol) oder dessen Ester wie Menadioldiacetat (Acetomenaphthon) als Vitamin K4 bezeichnet.
Resorption und Stoffwechsel Aufgrund der Hitzestabilität der Vitamin-K-Gruppe treten beim Zubereiten, insbesondere beim Garen nur wenig Vitaminverluste auf. Der Vitamin K1-Gehalt von Lebensmitteln, auch Speiseölen, wird größtenteils weder durch Erhitzen in einer Mikrowelle, noch durch Kochen beeinträchtigt. Vitamin K ist auch gegenüber Sauerstoff stabil. Unter Einstrahlung von Sonnen- oder UV-Licht kommt es zu starken Verlusten an Vitamin K1 (46 % bzw. 87 % nach zwei Tagen), weswegen eine Lagerung im Dunkeln empfohlen wird.
Alle natürlich vorkommenden (fettlöslichen) Vitamin K-Formen sind in Alkohol wenig, in Wasser unlöslich. Das mit der Nahrung aufgenommene Vitamin K wird unter Mitwirkung von Gallensäure und Pankreaslipase als Emulgatoren in gemischte Mizellen überführt, was eine funktionierende Bauchspeicheldrüse voraussetzt. Diese werden durch aktiven Transport in die Enterozyten des proximalen Ileums aufgenommen. Vitamin K2 gelangt dagegen durch Diffusion in das Darmgewebe.
Hierbei verbessern die in der Nahrung befindlichen Öle und Fette die Aufnahme. 3 bis 50 % des verzehrten Vitamin K1 werden aufgenommen, bei MK-7 liegt die Aufnahme höher. Die Aufnahme von in der Nahrung enthaltenem Vitamin K2 (gerade längerkettige Menachinone) ist hoch, wenn nicht sogar durch die Anwesenheit anderer Fette vollständig. Ferner ist die Bioverfügbarkeit reinen Vitamin K1 besser als im Vergleich zu reinen MK-4 oder MK-9, aber geringer als bei reinem MK-7. Dies liegt daran, dass in der Nahrung vorkommendes Vitamin K1 fest im Pflanzengewebe gebunden ist. Es gibt jedoch keinen Unterschied in der Bioverfügbarkeit von Vitamin K1 verschiedener Nahrungsmittel, auch die Zubereitung wie Kochen verbessert diese nicht. (Pflanzen-)Fette können jedoch diese um den Faktor 3 erhöhen. Außerdem hängt der Grad der Aufnahme vom jeweiligen Individuum ab. Die Aufnahme von Vitamin K wird ferner durch bestimmte Medikamente beeinflusst: Cholestyramin und Rifampicin senken die Absorption. Bei Orlistat sollen Patienten den Fettgehalt ihrer Diät reduzieren, um gewissen Nebenwirkungen zu vermeiden, was sich indirekt auf die Vitamin K-Aufnahme negativ auswirkt.
Von den Enterozyten wird Vitamin K1, an Chylomikronen gebunden, über die Lymphe in die Vena cava inferior transferiert und gelangt damit schließlich in die Gewebe, in denen es verwendet wird (insbesondere in Form von Chylomikronenresten in die Leber). Hier kann eine Speicherung bis zu 14 Tagen erfolgen. Vitamin K2 wird in VLDL/LDL-Partikel transportiert und findet sich insbesondere in Knochen, Knorpel und Gefäßwänden. In allen Fällen wird die zelluläre Aufnahme von Vitamin K durch Lipoprotein-Rezeptoren vermittelt.