Cobalamine sind chemische Verbindungen, die in allen Lebewesen vorkommen und auch als Vitamin-B12-Gruppe (vereinfachend Vitamin B12) bezeichnet werden. Der wichtigste Vertreter aus der Cobalamin-Gruppe ist das umgangssprachlich ebenfalls als Vitamin B12 bezeichnete Adenosylcobalamin, welches auch als Coenzym B12 bekannt ist. Es ist als Kofaktor (Coenzym) Teil mehrerer Enzyme. Beim Menschen sind zwei Cobalamin-abhängige Enzyme bekannt, die am Stoffwechsel der Aminosäuren teilnehmen. Cobalamine enthalten das Spurenelement Cobalt als Zentralatom.Hans Beyer: Lehrbuch der organischen Chemie. Leipzig 1968, S. 617–618.UniProt-Suchergebnis
Zur Vitamin-B12-Gruppe gehören auch die Speicherformen Aquocobalamin bzw. Aquacobalamin (Vitamin B12a, die konjugierte Säure des Hydroxocobalamins), Hydroxocobalamin bzw. Hydroxycobalamin (Vitamin B12b) und Nitritocobalamin (Vitamin B12c).
Die Medizin verwendet die biologisch inaktiven Formen Cyanocobalamin und Hydroxocobalamin zur Vitamin-B12-Supplementierung und für andere therapeutische Zwecke. Im menschlichen Organismus werden diese Vorstufen in 5-Desoxyadenosylcobalamin und Methylcobalamin umgewandelt. Beide sind als Coenzyme biologisch aktiv.
Definitionen Das Lexikon der medizinischen Laboratoriumsdiagnostik definiert Vitamin B12 als Hierbei wird „Vitamin B12 oder Cobalamin“ als eine Gruppe eng verwandter Moleküle bezeichnet, die als charakteristisches Strukturelement ein Corrinringsystem mit zentral gebundenem Kobaltatom enthalten. Cyanocobalamin wird manchmal speziell für den Begriff „Vitamin B12“ verwendet.
Forschungsgeschichtlich bedingte Synonymbezeichnungen des Vitamin B12 sind Antiperniziosa-Faktor und Extrinisic-Faktor. Die Definition des Pschyrembel betont die Beteiligung der Vitamingruppe an der Zellteilung, der Erythropoese und der Myelinbildung.Vitamin B12 In: Pschyrembel Online, Walter de Gruyter GmbH, Juni 2018.
Die International Union of Nutritional Sciences (IUNS) und die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) geben an, dass „Vitamin B12“ als allgemeine Beschreibung für alle Corrinoide verwendet werden sollte, die qualitativ die biologische Aktivität von Cyanocobalamin aufweisen.M. Jägerstad & K. Arkbåge: Cobalamins - Properties and Determination. In: Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition, 2. Auflage, 2003, S. 1419–1427. doi:10.1016/b0-12-227055-x/00257-1. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) beschreibt allgemeiner, dass „Vitamin B12“ alle Corrinoide mit biologisch qualitativer Aktivität des Cobalamins umfasst.
In PubChem steht Vitamin B12 synonym für das Cyanocobalamin, Cyanocobalamin In: PubChem. ebenso in verschiedener Fachliteratur.
Nicht zu verwechseln mit den eigentlichen Cobalaminen sind die Transcobalamine, bei denen es sich lediglich um Transportproteine für Vitamin B12 handelt.
Pseudovitamin B12 Neben den metabolisch verwertbaren Vitamin-B12-Vitameren gibt es Cobalaminanaloga, die keine biologische Aktivität im Menschen aufweisen. In der Literatur werden diese als Pseudovitamin B12 bezeichnet, sie und echtes Vitamin B12 unterscheiden sich im 5. Liganden (5,6-Dimethylbenzimidazol, siehe Abschnitt „Beschreibung“). So trägt das von Cyanobakterien synthetisierte Pseudovitamin B12 dort eine Adeningruppe als Base. Daneben wurden weitere physiologisch unwirksame Analoga wie Cobinamid identifiziert oder bei denen der 5. Ligand ersetzt ist durch Kresol, 2-Methyladenin, 2-Methyl-S-adenin oder 5-Hydroxybenzimidazol.
Mikroorganismen wie Cyanobakterien können diese Formen als Cofaktor verwenden. Teilweise können sie auch Pseudovitamin B12 in Vitamin B12 überführen.
Die im Menschen unwirksamen Formen werden moderat an den intrinsischen Faktor gebunden, der für die Aufnahme von Vitamin B12 nötig ist. Dadurch besteht die Gefahr, dass sie die Aufnahme von echtem Vitamin B12 blockieren. Bei der Lebensmittelanalyse besteht kein Standardverfahren, um bioverfügbares Vitamin B12 von dessen unwirksamen Analoga zu unterscheiden. Daher gibt es für Verbraucher derzeit keinen wirksamen Schutz vor falsch-positiven Mengenangaben bei Lebensmitteln.
Geschichte Nachdem schon Anfang der 1920er Jahre der US-amerikanische Pathologe George H. Whipple entdeckt hatte, dass Hunde, die an perniziöser Anämie (bösartige Blutarmut) litten, durch Fütterung mit roher Leber von dieser sonst tödlich verlaufenden Krankheit geheilt werden konnten, führte die Suche nach der essenziellen Komponente dieser Heilmethode schließlich 1926 zur Beschreibung eines auch beim Menschen wirksamen Antiperniziosa-Faktors durch die beiden US-amerikanischen Ärzte George R. Minot und William P. Murphy, die dafür zusammen mit Whipple 1934 den Nobelpreis für Medizin erhielten.
Die Isolierung des Wirkstoffs in kristalliner Form gelang erst 1948, und das unabhängig voneinander sowohl einem Team amerikanischer Biochemiker um Karl A. Folkers (MSD)K. Folkers: Perspectives from research on vitamins and hormones. In: Journal of Chemical Education. Band 61, 1984, S. 747. doi:10.1021/ed061p747. als auch einem britischen Forscherteam um den Chemiker E. Lester Smith (Glaxo). Die rot-kristalline Verbindung wurde „Vitamin B12“ genannt. Noch im selben Jahr wurde Vitamin B12 in Milchpulver, in Rindfleischextrakt und Flüssigkulturen verschiedener Bakteriengattungen gefunden.H. Martens, M. Barg, D. Warren, J.-H. Jah (2002): Microbial production of vitamin B 12. In: Applied Microbiology and Biotechnology, 58(3), S. 275–285. doi:10.1007/s00253-001-0902-7. PMID 11935176. Der US-amerikanische, 1902 in England geborene Mediziner Samuel Goldblatt beschrieb erstmals die „hypovitaminosis B12 neuropathica“.Albert Faulconer, Thomas Edward Keys: Samuel Goldblatt. In: Foundations of Anesthesiology. 2 Bände, Charles C Thomas, Springfield (Illinois) 1965, Band 1, S. 586–587. In den 1950er Jahren bot das Unternehmen Pharmazell den Wirkstoffkomplex T-Vitamin Goetsch, zusammengesetzt aus „Vitamin B12, Folsäure, folinic acid, Bulgaricus Faktor und anderen noch unidentifizierten Stoffen“ an, der die elementaren Zellfunktionen der Nukleinsäure und Proteinsynthese sowie die Energiegewinnung fördern sollte.T-Vitamin Goetsch. In: Münchener Medizinische Wochenschrift. Band 95, Nr. 1, 2. Januar 1953, S. LIV.
Das Unternehmen Cassella Farbwerke Mainkur hatte in den 1950er Jahren ein zur Vitamin-B-12-Gruppe gehörende Kobaltverbindung Methylcobalamin enthaltendes Präparat namens Cobaltin forte als Arzneimittel „bei Anämien verschiedenster Genese“ angeboten.Arzneimittel Cassella. In: Münchener Medizinische Wochenschrift. Band 95, Nr. 1, 2. Januar 1953, S. LXXIV.Vgl. auch W. Oergel: Erfahrungen mit Cobaltin forte bei der Behandlung hypochromer Anämien [Experiences with cobaltin forte in therapy of hypochromic anemia]. In: Medizinische. Band 21, Nr. 18, Mai 1953, S. 620–622.
Im Jahr 1955 konnte die britische Biochemikerin Dorothy C. Hodgkin mit Hilfe der Röntgenbeugung an Cyanocobalamin-Einkristallen deren Molekülstruktur aufklären, wofür sie u. a. 1964 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurde.Manuskript ihres Festvortrages anlässlich der Verleihung des Nobelpreises (PDF; 343 kB).
Um 1956 glaubte man im Cyanocobalamin das Vitamin B12 gefunden zu haben, was angesichts seiner Verwendung in wirksamen Vitaminpräparaten zur Begriffsverwirrung beitrug, obwohl es tatsächlich eine biologisch inaktive Form ist.
Die darauf aufbauende Totalsynthese des Cyanocobalamins, damals als „das Vitamin B12“ verstanden, gelang 1972 Albert Eschenmoser und Robert B. WoodwardWalter Schilling (1974) Totalsynthese von Vitamin B-12: Darstellung von Zwischenprodukten und partialsynthetische Endstufen, Doktorarbeit (aus dem Labor von Eschenmoser / ETH), abgerufen am 25. Aug. 2019 und noch heute gilt diese Vitamin-B12-Form als eines der größten jemals in einem Labor totalsynthetisierten Moleküle.
Beschreibung mini|links|300px|Strukturformel der Cobalamine mini|250px|Methylcobalamin als kristallines Pulver und in wässriger Lösung.
Cobalamine sind organometallische Verbindungen mit einem zentralen ein-, zwei- oder dreifach positiv geladenen Cobalt-Ion und als solche die bisher einzigen bekannten cobalthaltigen Naturstoffe. Natürliche vorkommende Cobalamine mit Vitamin-B12-Wirkung sind das Adenosylcobalamin, das Methylcobalamin und das Hydroxocobalamin. Cyanocobalamin ist hingegen die industriell hergestellte, stabile Cobalamin-Form, die in der Natur nicht vorkommt.
Alle Cobalamine besitzen dieselbe Grundstruktur eines Cobaltkomplexes, in dem das Cobaltkation von fünf Stickstoffatomen und einem sechsten, i. d. R. austauschbaren Liganden umgeben ist, siehe nebenstehende Abbildung. Vier der Stickstoffatome gehören zu einem ebenen Corrin-Ringsystem (blau markiert), das das Cobaltkation so fest umschließt, dass es nur durch Zerstörung des Ringsystems wieder herausgelöst werden kann, während das fünfte Stickstoffatom zu einem nucleotidartig an den Corrinring gebundenen 5,6-Dimethyl-benzimidazol-Ring gehört.
Namensgebend für das jeweilige Cobalamin indes ist der sechste, austauschbare Ligand, der in den chemischen Strukturformeln meist mit R (für Rest) abgekürzt wird: Ist R eine Hydroxygruppe, handelt es sich bei dem Cobalamin um Hydroxycobalamin, ist R eine Cyanogruppe, um Cyanocobalamin, und bei einem 5'-Desoxyadenosylliganden als Rest um 5'-Desoxyadenosylcobalamin, kurz Coenzym B12.
Meist ist der sechste Ligand R nur schwach an das Cobaltkation gebunden, so dass er leicht durch andere Liganden austauschbar ist und der menschliche Organismus zum Beispiel das therapeutisch eingesetzte Hydroxycobalamin oder Cyanocobalamin (Vitamin B12) durch Austausch der Hydroxy- gegen eine Cyanogruppe und dieser wiederum gegen eine 5'-Desoxyadenosylgruppe in das eigentlich biochemisch aktive Coenzym B12 umwandeln kann.
Cyanocobalamin selbst ist eine geruchlose, tief dunkelrote, kristalline hygroskopische Substanz, die sich nur mäßig in Wasser und niederen Alkoholen, dagegen gar nicht in (apolaren) organischen Lösungsmitteln wie Aceton, Chloroform oder Ether löst.
Im leicht sauren pH-Bereich von 4–6 ist Vitamin B12 recht temperaturstabil. In basischen Lösungen oder in Gegenwart von Reduktionsmitteln wie Ascorbinsäure (Vitamin C) und SO2 können jedoch größere Verluste auftreten. So wurde die Halbwertszeit von Vitamin B12 bei einem pH-Wert von 5,5 und 30-mal so viel Vitamin C in Dunkelheit auf unter 15 Stunden bestimmt (Classic Mineralwasser hat pH 5,5 und Multivitamin-Tabletten enthalten teils 32 000-mal so viel Vitamin C wie B12).
In der Zelle kommen Cobalamine im Cytosol vor allem als Methylcobalamin, in den Mitochondrien dagegen überwiegend als 5'-Desoxyadenosylcobalamin (Coenzym B12) vor. Die Abbildung oben zeigt die allgemeine Strukturformel der Cobalamine mit R als austauschbarem Liganden.
Herstellung Für die chemische Reindarstellung von Vitamin B12 aus Streptomyces-Kulturen oder aus Leber wird Cyanid hinzugesetzt.Eckhart Buddecke: 8. Cobalamin In: Grundriss der Biochemie: Für Studierende der Medizin, Zahnmedizin und Naturwissenschaften, Walter de Gruyter GmbH & Co KG, Reprint 2018; S. 363. ISBN 978-3-11-163720-4. Die chemische Synthese von Vitamin B12 ist wegen der Komplexität der Cobalamine sehr aufwendig. Supplemente für den menschlichen Verzehr oder zum Einsatz in Tiernahrung (Geflügel und Schweine) werden daher meist mittels gentechnisch veränderten Mikroorganismen hergestellt.transgen.de Website des Forum Bio- und Gentechnologie e. V. zu Vitamin B12 (Cobalamin) Da lediglich das gereinigte Endprodukt auf den Markt kommt, besteht hierfür keine Kennzeichnungspflicht. Funktion im Organismus Vereinfachend zusammengefasst ist Vitamin B12 wichtig für die Zellteilung und Blutbildung sowie die Funktion des Nervensystems. Vitamin B12 nimmt im humanen Organismus als Coenzym an nur zwei enzymatischen Reaktionen teil: N5-Methyl-Tetrahydrofolat-Homocystein-S-Methyltransferase (Methionin-Synthase, ) und Methylmalonyl-CoA-Mutase ()