L-Carnitin

Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung


L-Carnitin
(lat.: caro, carnis = Fleisch) ist ein Vitaminoid (vitaminähnliche Substanz).

L-Carnitin ist eine wasserlösliche quartäre Ammonium (NH4+)-Verbindung – Zentralatom N+ mit 4 gebundenen organischen Resten (3 Methyl (CH3)-Gruppen, 1 Hydroxycarbonsäure) [3-5, 10, 12].

Da das Vitaminoid ein chirales Kohlenstoff (C)-Atom besitzt, existieren die beiden Stereoisomere D-Carnitin und L-Carnitin, wobei nur die L-Konfiguration des Carnitins nahezu ubiquitär (lat.: ubique = überall) in der Natur vorkommt und metabolisch (den Stoffwechsel betreffend) aktiv ist [3].

L-Carnitin ist natürlicherweise sowohl in pflanzlichen als auch tierischen Lebensmitteln enthalten. Tierische Produkte, vor allem Fleisch, wie Schaf-, Lamm- und Rindfleisch, weisen deutlich höhere Mengen als Nahrungsmittel pflanzlichen Ursprungs auf [5, 6]. Während bei einer üblichen Mischkost etwa 32 mg Carnitin/Tag aufgenommen werden, führen Vegetarier nur durchschnittlich 2 mg Carnitin/Tag zu [5, 6, 10].

Synthese

Der Mensch ist in der Lage, L-Carnitin in Gehirn, Niere und insbesondere in der Leber selbst zu synthetisieren (herzustellen) [5, 6, 12]. Bei gesunden Personen erfolgt die endogene (körpereigene) Carnitinsynthese in bedarfsdeckenden Mengen (15-18 mg/Tag). Damit stellt das Vitaminoid für den Menschen keinen essentiellen (lebensnotwendigen) Nährstoff dar [5, 10].

Neben Lysin und Methionin werden für die Biosynthese von L-Carnitin auch Ascorbinsäure (Vitamin C), Niacin (Vitamin B3) und Pyridoxin (Vitamin B6) sowie das Spurenelement Eisen benötigt [1-3, 5, 9-12].

Ausgehend von proteingebundenem Lysin erfolgt die Carnitinbiosynthese über folgende Zwischenstufen [1, 11]:

  • L-Lysin → Trimethyllysin → Hydroxy-Trimethyllysin → Trimethylaminobutyraldehyd → Trimethylaminobutyrat (gamma-Butyrobetain) → L-Carnitin

Eine defizitäre Zufuhr der essentiellen Aminosäuren Lysin und Methionin sowie der Mikronährstoffe Vitamin B3, B6, C und Eisen vermindert die körpereigene L-Carnitin-Synthese und führt bei fleischarmer Kost schon frühzeitig zu einer Carnitinverarmung der Muskulatur, die sich klinisch in Form von Müdigkeit und Schwäche äußern kann [2, 3].

Bei Früh- und Neugeborenen ist die Eigensynthese noch nicht vollständig ausgereift und die tubuläre Reabsorption (Rückresorption durch die Nierenkanälchen) von L-Carnitin unzureichend. Werden Kinder dieser Altersgruppe parenteral – ohne Carnitinzusatz – ernährt oder mit einer Säuglingsnahrung auf Sojabasis gefüttert, ist eine Carnitinsubstitution – Einnahme von reinem, natürlichem Carnitin (L-Carnitin) aufgrund der mangelhaften exogenen Zufuhr (über die Nahrung) indiziert (angezeigt). Im Gegensatz dazu liefert eine Ernährung mit Muttermilch ausreichende Mengen an L-Carnitin 50-100 nmol/ml [5, 6, 10, 12].

Resorption

Die Absorption (Aufnahme) von L-Carnitin im oberen Dünndarm, vor allem im Jejunum (Leerdarm), erfolgt aktiv durch den Carnitintransporter OCTN-2 (Organic Carnitine/Cation Transporter-2) und den Aminosäuretransporter ATB (0,+) [5, 7, 13]. Bei hohen Dosen wird L-Carnitin zusätzlich durch passive Diffusion resorbiert [5].

Die Bioverfügbarkeit von L-Carnitin aus der Nahrung wird auf 100 % geschätzt [3].

Verteilung im Körper

Der Gesamtbestand an L-Carnitin im Körper beträgt etwa 20-25 g. Organe, die ihren Energiebedarf vorrangig aus Fetten decken, wie Herz- und Skelettmuskel, Leber und Nieren, weisen besonders hohe Carnitingehalte auf. Das Vitaminoid ist zu 98 % in Herz- und Skelettmuskel gespeichert. Die restlichen Carnitinreserven befinden sich in Leber und Nieren [3, 5, 12].
In den Organen und Geweben kommt L-Carnitin sowohl in freier Form als auch gebunden an kurzkettige – Acetylcarnitin – und langkettige Liganden – Acylcarnitin – vor [3, 4].

Die Aufnahme von L-Carnitin in die Zielzellen erfolgt durch OCTN-2 [7, 13, 14]. Intrazellulär (innerhalb der Zelle) fungiert L-Carnitin hauptsächlich als "Biocarrier" und ist für den Transport langkettiger Fettsäuren vom Cytosol durch die innere Membran der Mitochondrien ("Energiekraftwerke" der Zellen) in die Mitochondrienmatrix – den Ort der beta-Oxidation (Fettsäureabbau) – zuständig. Bei diesem Prozess wird L-Carnitin nicht "verbraucht", sondern regeneriert, um seine Funktion als Carrier (Transporter) erneut wahrnehmen zu können [3, 5, 6, 8, 10].

Ausscheidung

Carnitin wird überwiegend über die Nieren ausgeschieden. Über 90 % der glomerulär filtrierten Menge gelangt zur tubulären Reabsorption (Rückresorption durch die Nierenkanälchen) und steht dem Organismus für erneute biochemische Prozesse zur Verfügung [5].

Folgende Faktoren hemmen die tubuläre Reabsorption und erhöhen die renale Ausscheidung von L-Carnitin [5, 8, 10, 12]:

  • Erkrankungen, wie Diabetes mellitus
  • Metabolischer Stress, wie er im Postaggressionsstoffwechsel typisch ist – nach großen Traumata und Operationen, ausgedehnten Verbrennungen und schweren Infektionen durch Bakterien, Viren oder Pilze
  • Hohe körperliche Belastungen, wie schwere körperliche Arbeit oder Leistungssport
  • Medikamente, insbesondere Antikonvulsiva (Medikamente zur Behandlung epileptischer Krampfanfälle), wie Valproinsäure
  • Hungerzustand

Infolge vermehrter Carnitinverluste können die aufgeführten Faktoren zu einer Carnitinverarmung der Organe und Gewebe führen – sekundärer Carnitinmangel [5, 8, 10, 12].

Patienten, die aufgrund eines chronischen Nierenversagens dialysepflichtig sind, weisen ein besonders hohes Risiko für eine Carnitinunterversorgung auf. Eine Hämodialyse (Blutwäsche) kann mit einem Carnitinverlust von bis zu 350 mg einhergehen, der die endogene Biosynthese bei weitem übersteigt und zu einem Abfall der Carnitin-Serumkonzentration um etwa 50 % führt. Da dieser Carnitinverlust durch eine vermehrte Zufuhr über die Nahrung nicht ausgeglichen werden kann, ist eine Supplementierung (Nahrungsergänzung) indiziert [5, 6]. Eine Supplementierung mit L-Carnitin verhindert den sonst zu beobachtenden Anstieg freier Fettsäuren im Serum, wodurch die Bedeutung des Vitaminoids für die Einschleusung langkettiger Fettsäuren in die Mitochondrienmatrix und den anschließenden oxidativen Fettsäureabbau bestätigt wird [6].

Literatur

  1. Bach A. (1982) Carnitine biosynthesis in mammals. Reprod Nutr Dev; 22(4): 583-96
  2. Biesalski H. K., Köhrle J., Schümann K. (2002) Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Prävention und Therapie mit Mikronährstoffen. Georg Thieme Verlag, Stuttgart
  3. Biesalski H. K., Fürst P., Kasper H. et al. (2004) Ernährungsmedizin. Nach dem Curriculum Ernährungsmedizin der Bundesärztekammer. 3. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart
  4. Hahn A. (2001) Nahrungsergänzungsmittel. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart
  5. Hahn A., Ströhle A., Wolters M. (2006) Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart
  6. Kasper H. (2004) Ernährungsmedizin und Diätetik. 10. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München
  7. Klaassen C.D., Aleksunes L.M. (2010) Xenobiotic, bile acid, and cholesterol transporters: function and regulation. Pharmacol Rev; 62(1): 1-96
  8. Luppa D. (2004) Beteiligung von L-Carnitin an der Regulation des Fett- und Kohlenhydratstoffwechsels [Contribution of L-Carnitine in the Regulation of Metabolism of Lipids and Carbohydrates]. Klinische Sportmedizin/ Clinical Sports Medicine-Germany (KCS); 5(1): 25-34
  9. Otsuka M., Matzusawa M., Ha T.Y., Arakawa N. (1999) Contribution of a high dose of L-ascorbic acid to carnitine synthesis in guinea pigs fed high-fat diets. J Nutr Sci Vitaminol; 45: 163-71
  10. Pietrzik K., Golly I., Loew D. (2008) Handbuch Vitamine. Für Prophylaxe, Beratung und Therapie. Urban & Fischer Verlag, München
  11. Rebouche C.J., Engel A.G. (1980) Tissue distribution of carnitine biosynthetic enzymes in man. Biochim Biophys Acta; 630(1): 22-9
  12. Schmidt E. und Schmidt N. (2004) Leitfaden Mikronährstoffe. Orthomolekulare Prävention und Therapie. 1. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München
  13. Srinivas S.R., Prasad P.D., Umapathy N.S. et al (2007) Transport of buryryl-L-carnitine, a potential prodrug, via the carnitine transporter OCTN2 and the amino acid transporter ATB(0,+). Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol; 293(5): G1046-53
  14. Tamai I., Ohashi R., Nezu J. et al (1998) Molecular and functional identification of sodium ion-dependent, high affinity human carnitine transporter OCTN2. J Biol Chem; 273(32): 20378-82
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