Biotin

Physikalische und chemische Eigenschaften

Biotin ist eine in farblosen Nadeln kristallisierende, bei Zimmertemperatur feste Substanz. Die Verbindung löst sich wenig in kaltem Wasser, Ethanol oder verdünnten Säuren, ist jedoch in heißem Wasser und Laugen besser löslich. In den meisten organischen Lösungsmitteln ist Biotin unlöslich.

Das Vitamin ist beständig gegen Luftsauerstoff oder erhöhte Temperaturen; bei 232–233 °C schmilzt Biotin. Starke Basen oder Säuren, Oxidationsmittel und UV-Licht zersetzen die Verbindung. Wässrige, neutrale Lösungen des Biotin in Wasser sind bis etwa 100 °C beständig. Bei richtiger Lagerung und Zubereitung betragen die Verluste beim Kochen pflanzlicher und tierischer Lebensmittel unter 20 %.

Biotinstoffwechsel

Biotin ist die prosthetische Gruppe mehrerer Carboxylase-Enzyme, die wichtige Aufgaben im Eiweiß-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel erfüllen. Um die in der Nahrung enthaltenen, relativ geringen Mengen an Biotin effektiv zu nutzen, hat sich ein Recycling-Mechanismus entwickelt. Der Einbau des Biotins in die Carboxylasen erfolgt, indem ein spezieller Lysinrest der noch funktionsunfähigen Apocarboxylasen durch das Enzym Holocarboxylase-Synthetase mit einem Biotinmolekül verbunden wird, wodurch funktionsfähige Holocarboxylasen entstehen. (Siehe auch Apo- und Holoenzym.) Wenn diese biotinhaltigen Carboxylasen durch Proteolyse wieder abgebaut werden, bleibt Biocytin übrig, eine Verbindung aus Biotin und der Aminosäure Lysin. Im nächsten Schritt wird Biocytin durch das Enzym Biotinidase gespalten und so Biotin zurückgewonnen.

Dieser Biotin-Kreislauf ist allerdings nicht völlig geschlossen, da sowohl Biotin als auch Biocytin in den Urin gelangen und auf diese Weise ausgeschieden werden können. Außerdem kann die Seitenkette des Biotins durch β-Oxidation verkürzt werden. Die so entstehenden Abbauprodukte sind nicht biologisch aktiv und werden ebenfalls mit dem Urin ausgeschieden. Ein Ausgleich dieser Verluste ist beim gesunden Menschen mit normaler Ernährung aber kein Problem. Da der überwiegende Teil des in der Nahrung enthaltenen Biotins nicht in freier Form, sondern proteingebunden vorkommt, ist selbst nach vollständiger Proteolyse von Nahrungsproteinen die Wirkung der Biotinidase für die Freisetzung und Aufnahme von Biotin erforderlich. Daneben kommt der Biotinidase im Blutkreislauf noch eine speichernde Funktion zu, da sie Biotin in gewissem Maße an sich bindet und so vor Ausscheidung durch die Niere schützt. Für die Aufnahme des Biotins aus dem Darm und dessen Weitergabe in die Körpergewebe sind Transporterproteine verantwortlich, von denen aber bislang nur der natriumabhängige Multivitamintransporter (SMVT) allgemein als identifiziert gilt. Bei Biotinmangel kann durch vermehrte Bildung des SMVT die Aufnahme aus dem Darm wie auch die Rückresorption in den Nierentubuli intensiviert werden. Auf die Existenz weiterer Transporter gibt es Hinweise.

Biotin als prosthetische Gruppe

Biotin ist die prosthetische Gruppe von Carboxylasen, genauer der Carboxy-Transferasen. Durch deren Aktion kann auch im tierischen Organismus Kohlendioxid fixiert werden. Im Menschen sind folgende vier Biotin-abhängigen Enzyme bekannt:

• die Pyruvat-Carboxylase, ein Schlüsselenzym der Gluconeogenese, das Pyruvat in Oxalacetat, einem Metaboliten des Citratzyklus umwandelt;
• die Acetyl-CoA-Carboxylase, welche das Malonyl-CoA für den Startschritt der Fettsäurebiosynthese und für die Elongation von Fettsäuren liefert.
• die Propionyl-CoA-Carboxylase, welche für den Abbau der Aminosäuren Valin, Isoleucin, Methionin und Threonin sowie ungeradzahliger und verzweigter Fettsäuren nötig ist.
• die Methylcrotonoyl-CoA-Carboxylase, die für den Abbau der Aminosäure Leucin notwendig ist.

Die Abbildung zeigt die Funktion des Biotins als prosthetische Gruppe in der durch die Pyruvat-Carboxylase katalysierten Reaktion. Vor der Addition an den Stickstoff des Biotins wird das Kohlendioxid, welches als Hydrogencarbonat vorliegt, mit ATP in eine aktive Form, das Carboxyphosphat, ein gemischtes Anhydrid der Phosphor- und Kohlensäure, überführt. Als prosthetische Gruppe ist Biotin fest an einen Lysinrest des Enzyms gebunden. Diese post-translationale Modifikation erfordert die Aktivität der Protein-Biotin Ligase, die im Menschen auch Holocarboxylase-Synthetase genannt wird. Die Einheit (auch Biocytin genannt) fungiert als eine Art Drehscheibe (Propeller-Prinzip), über welche die Pyruvatbindungsstelle bedient werden kann. Das Pyruvat ist dort in seiner Enolform gebunden, was direkt die unmittelbare Übernahme des CO₂-Restes ermöglicht. Die Reaktion zeigt beispielhaft den Einsatz und die Regenerierung einer prosthetischen Gruppe an ein und demselben Enzym.

Funktion im Zellkern

Biotin spielt auch im Zellkern eine Rolle, wo es Histone modifizieren kann. Es ist bekannt, dass mehrere Lysinreste der Histone H2A, H3 und H4 biotinyliert vorkommen können. Durch diese Histonmodifikation hat Biotin Einfluss auf die Struktur des Chromatins und die momentane Ablesbarkeit der genetischen Information (Gen-Silencing). Biotin ist an der Regulation der Expression einer großen Anzahl von Genen, wahrscheinlich mehr als 2000, beteiligt. Es gibt Hinweise darauf, dass die Enzyme Holocarboxylase-Synthetase und Biotinidase Biotin auf Histone übertragen können, wobei die Biotinidase wohl auch in der Lage ist, Histone zu debiotinylieren. Wie diese Vorgänge im Detail verlaufen, ist Gegenstand der aktuellen Forschung.

Biotinmangel

Ein Biotinmangel wirkt sich auf den Kohlenhydrat-, den Eiweiß- und den Fettstoffwechsel aus. Diese Folgen resultieren vor allem aus einer Funktionseinschränkung der biotinabhängigen Carboxylasen. Das Krankheitsbild wird deshalb allgemein als multipler Carboxylasemangel bezeichnet. Neben einem eigentlichen Biotinmangel kommen aber auch Gendefekte im Bereich des Biotinstoffwechsels als Auslöser dafür infrage.

Überdosierung

Bisher sind beim Menschen keine schädlichen Wirkungen von Biotin in Erscheinung getreten. Alles spricht dafür, dass die therapeutische Breite sehr groß ist. Bei Patienten mit verschiedenen Störungen des Biotinstoffwechsels existieren langjährige Beobachtungen zur Einnahme von täglich bis zu 10 mg Biotin pro Kilogramm Körpergewicht. Negative Auswirkungen der hohen Biotindosis wurden nicht beobachtet. Ein Teil der Patienten weist allerdings irreversible Schäden auf, weil die Behandlung mit Biotin zu spät einsetzte. Die Übertragung solcher Ergebnisse von Stoffwechselkranken auf Gesunde ist empirisch nicht ohne weiteres möglich.

Aufgrund der unzureichenden Datenlage wird bisher von offizieller Seite kein LOAEL-Wert angegeben. (Das ist die niedrigste Dosis, die negative Effekte nach sich ziehen kann.) Es existieren nur wenige Studien an Tieren, bei denen Biotinmengen verabreicht wurden, die groß genug waren, um negative Auswirkungen zu erzeugen. Beispielsweise wurde in einem mehrwöchigen Versuch an jungen Ratten festgestellt, dass bei einer über das Futter zugeführten täglichen Biotindosis von ungefähr 80 mg pro Kilogramm Körpergewicht deren Futteraufnahme und Wachstum beeinträchtigt wurden, was sich bei weiter steigender Dosis noch verstärkte. Umgerechnet auf einen durchschnittlich schweren Menschen von 65 kg ergäbe das eine tägliche Einnahmemenge von mehr als 5 g Biotin, was dem 100.000-fachen physiologischen Bedarf entspricht.

Obwohl Biotin von Ratten in 5000- bis 10.000-facher Normaldosis ohne Beeinträchtigungen vertragen wurde, trat bei trächtigen Rattenweibchen nach Injektionen von mehr als 1 mg Biotin pro Kilogramm Körpergewicht eine Resorption von Föten, verbunden mit einer Störung der Östrogenbildung auf.

Biotin kann Laborwerte verfälschen, die mit immunologischen Verfahren bestimmt werden, die auf der Biotin-Streptavidin-Wechselwirkung beruhen. Je nach Testaufbau kann es dabei zu falsch hohen oder falsch niedrigen Resultaten kommen. Diese Störungen können bei Biotin-Dosierungen von mehr als 5 mg pro Tag auftreten. In diesen Fällen soll die Biotin-Zugabe mindestens 48 Stunden vor den Tests (z. B. zu Schilddrüsenhormonen) unterbrochen werden.

Biotin als Medikament

Biotinpräparate werden zur Behandlung und Prophylaxe eines Biotinmangels eingesetzt. Zur Prophylaxe sind 0,2 mg/Tag ausreichend. Um einen bestehenden Mangel innerhalb kurzer Zeit sicher auszugleichen, kann aber eine wesentlich höhere Dosis erforderlich sein. Oft ist Biotin Bestandteil der Multivitaminpräparate, die Infusionslösungen zugegeben werden, wenn Patienten über einen längeren Zeitraum parenteral, also unter Umgehung des Magen-Darm-Trakts, ernährt werden müssen.

Bei folgenden genetisch bedingten seltenen Stoffwechselkrankheiten ist eine lebenslange Behandlung mit sehr hoch dosiertem Biotin die gängige und eine äußerst wirksame Therapie:

• Biotinidasemangel
• Holocarboxylase-Synthetase-Mangel
• Biotin-ansprechende Basalganglienerkrankung

Aktuell wird Biotin in hoher Dosis unter der Bezeichnung MD1003 gegen progressive Multiple Sklerose in Pilotstudien erprobt.

Biotin in der molekularen Biotechnologie

Biotin kann zur Markierung verschiedener Moleküle verwendet werden (Biotinylierung). Zum Nachweis nutzt man die Wechselwirkung zwischen Biotin und Avidin bzw. Streptavidin.