Der Kobold in mir - Was das Kobalt unseres Körpers von der Geschichte des Lebens erzählt

Das Kobalt enthaltende Vitamin B12 ist essentiell für die normale Funktion von Gehirn und Nervensystem spielt eine zentrale Rolle in der Blutbildung. Für die nötige Zufuhr sind wir direkt oder indirekt auf Mikroorganismen- die einzigen Produzenten des Vitamins - angewiesen.

Gottfried Schatz für den Science-Blog

Die Fabelwelt der Alpen war stets reich an Schreckensgestalten. In Winternächten bedrohten Perchten, Habergeissen und Krampusse einsame Wanderer, und tief unter Tag spiegelten die Berggeister Kobold und Nickel in Gestalt gleissender Erze den Knappen Silberadern vor. Anstatt des begehrten Edelmetalls lieferten diese Erze bei der Schmelze jedoch nur unansehnliche Schlacke – und der Kobold dazu noch hochgiftiges Arsenoxid, das unter dem Namen «Hüttrauch» als heimtückisches Mordgift berüchtigt war. Erst als die Silberminen sich erschöpften, lernten schlesische Bergleute auch das einst verachtete Kobolderz schätzen, weil es Gläsern und Glasuren eine tiefblaue Farbe verlieh. Im Jahre 1737 zeigte schliesslich der schwedische Chemiker George Brandt, dass die giftigen Kobolderze neben den bereits bekannten Elementen Arsen und Schwefel ein bis dahin unbekanntes metallisches Element enthielten, das seither unter dem Namen Kobalt den Platz 27 im Periodensystem der Elemente besetzt.

Ein molekularer Käfig

Die schlesischen Bergleute hatten den Wert des Kobalts allerdings nicht als Erste erkannt. Die Ägypter waren ihnen dabei um mindestens drei Jahrtausende zuvorgekommen – und auch sie waren nur späte Epigonen einzelliger Lebewesen, die vor etwa drei Milliarden Jahren die Zauberkräfte des Kobalts für schwierige chemische Reaktionen einsetzten wie die Verknüpfung oder Trennung zweier Kohlenstoffatome. Die Zellen hefteten dazu das Kobalt an bestimmte Proteine an und konnten mit diesen kobalthaltigen «Enzymen» neuartige Stoffwechselprozesse entwickeln. Um einige dieser Enzyme noch wirksamer zu gestalten, umgaben die Zellen das Kobalt mit einem kunstvollen molekularen Käfig.

Abb. 1: Der molekulare Kobalt-Käfig. Der aus 183 Atomen bestehende Molekülkomplex hat im Zentrum ein Kobalt  (Co,gelb), Kohlenstoffatome sind grau, Stickstoffe blau, Sauerstoffe rot, der  Phosphor einer Phosphatgruppe ist grün. (Struktur: PDB1D 1DDY)

Dieser Kobalt-Käfig ist eine chemische Glanzleistung des Lebens. Er gleicht einem molekularen Spinnennetz aus über tausend Atomen, in dessen Mittelpunkt ein Kobalt-Atom sich wie eine sechsbeinige Spinne mit fünf Beinen festhält und mit dem sechsten chemische Reaktionen vermittelt. Vieles spricht dafür, dass dieser Käfig vor etwa 2,75 bis 3 Milliarden Jahren entstand, als die Urmeere noch kein Sauerstoffgas enthielten. Chemiker tauften den mit Kobalt beladenen Käfig «Cobalamin». Sie versuchten vergeblich, seine Struktur aufzuklären, und mussten mit neidischer Bewunderung zusehen, wie dies der britischen Biophysikerin Dorothy Crowfoot Hodgkin nicht mit chemischen Methoden, sondern mit Röntgenstrahlen gelang. Im Jahre 1972 konnten dann der Schweizer Albert Eschenmoser und der US-Amerikaner Robert B. Woodward den Kobalt-Käfig im Laboratorium herstellen. Diese Synthese beschäftigte über hundert Chemiker elf Jahre lang und gilt als eine der schwierigsten und virtuosesten Totalsynthesen aller Zeiten.

Höhere Lebensformen

In seiner Frühzeit experimentierte das Leben nicht nur mit Kobalt, sondern auch mit Nickel, Eisen und Mangan, weil diese Metalle in den Urmeeren reichlich vorhanden waren. So entstanden metallhaltige Enzyme, die ungewöhnliche chemische Reaktionen ermöglichten und dem Leben immer neue biologische Nischen erschlossen. Als jedoch einige Lebewesen mit Hilfe des Sonnenlichts Sauerstoffgas aus dem Meerwasser freisetzten, liess dieses Gas schwefelhaltige Gesteine verwittern, so dass ihr Schwefel in die Meere spülte und Kobalt, Nickel, Mangan und Eisen als unlösliche Sulfide zum Meeresboden sanken. An ihrer Stelle reicherten sich nun Zink und Kupfer im Meerwasser an.

Die damaligen Lebewesen konnten zwar ihre bereits vorhandenen Metall-Enzyme weiterhin herstellen, ersetzten jedoch deren Metalle allmählich durch Zink oder Kupfer oder entwickelten völlig neue zink- oder kupferhaltige Enzyme. Die höheren Lebensformen, die sich nach dem Auftreten von Sauerstoffgas entwickelten, erfanden kaum noch neue Kobalt-Enzyme, sondern begnügten sich mit denen, die sie von ihren Vorfahren erbten. Allmählich verlernten sie sogar, das lebenswichtige Cobalamin herzustellen. Sie überliessen diese Aufgabe einfachen Bakterien und mussten diese nun essen oder mit ihnen zusammenleben, um nicht zugrunde zu gehen. Nur höhere Pflanzen können heute ohne Cobalamin auskommen. Algen, Protozoen, Tiere und Menschen müssen es jedoch in winzigen Mengen mit ihrer Nahrung zu sich nehmen. Für sie ist es das lebenswichtige Vitamin B 12 – ein Erbe aus dem fernen «Kobaltzeitalter» des Lebens.
Ich muss täglich nur ein bis zwei Millionstel Gramm dieses Vitamins essen, um langfristig zu überleben. Kein anderes Vitamin wirkt in so geringer Menge, vielleicht weil nur zwei der zahllosen chemischen Reaktionen in meinem Körper Vitamin B 12 benötigen. Doch ohne diese zwei Reaktionen wären meine Zellen gegen Sauerstoff überempfindlich und könnten weder genügend Energie noch Erbmaterial für Tochterzellen produzieren. Ich beziehe mein Vitamin B 12 zum Teil von meinen Darmbakterien, hauptsächlich aber von Fleisch, Milch und Eiern. Die Tiere, von denen diese Produkte stammen, bekommen das Vitamin wiederum von den in ihnen lebenden Bakterien oder von Pflanzen, die mit Bakterien oder an Vitamin B 12 reichen Tierexkrementen verunreinigt sind.

Ein Tausendstelgramm

Strikte Vegetarier oder Veganer, die auf alle tierischen Produkte verzichten und auf gut gewaschene Nahrung achten, könnten deshalb an Vitamin B 12 verarmen. Dies kann Jahrzehnte dauern, da die Leber einen mehrjährigen Vorrat speichert und der Dünndarm einen Grossteil des Vitamins vor seiner Ausscheidung in den Körper zurückrettet. Vitamin-B 12 -Mangel schädigt Nerven und Gehirn und verursacht die tödliche Blutarmut «perniziöse Anämie». Ihre Ursache ist meist nicht eine ungenügende Zufuhr des Vitamins, sondern die fehlende Bildung eines Proteins, das von den Zellen der Magenwand in den Magen abgeschieden wird und die Aufnahme des Vitamins im Dünndarm vermittelt. Wir können diesen Proteinmangel zwar nicht heilen, durch Injektion des Vitamins in die Muskeln jedoch wirksam überbrücken und so den betroffenen Menschen ein normales Leben sichern.

Ich trage lediglich ein Tausendstelgramm Kobalt in mir. Sein Anteil an meinem Körpergewicht entspricht dem eines menschlichen Haars auf meinem Auto. Doch dieses Haar ist einer der unzähligen Fäden, die mich in das Netz des Lebens einbinden. Ich wurde Biochemiker, um das chemische Geschehen in mir zu verstehen, und ahnte nicht, dass es mir von meinen fernen Ahnen und der atemberaubenden Geschichte des Lebens erzählen würde. Diese Geschichte lässt mir die Kriege, Krönungen und Reichsgründungen meines Schulunterrichts klein und unwichtig erscheinen. Ist es noch berechtigt, unsere Geschichtsschreibung mit dem Erscheinen von Homo sapiens zu beginnen, da nun das molekulare Palimpsest lebender Materie unseren Zeithorizont um fünf Grössenordnungen erweitert hat? Sollten die Geschichtswissenschaften nicht ihre Scheuklappen ablegen und den Blick viel weiter als bisher in die Vergangenheit wagen?

 

Anmerkungen der Redaktion

Weiterführende Links

Vitamin B12 (Gesundheits-Wiki) http://www.youtube.com/watch?v=mqDvb4AyMT4&feature=related

Foods high in Vitamin B12
http://www.youtube.com/watch?v=wEWRCj3U33c

Der Autor

Gottfried Schatz wird hier vorgestellt

Leser-Kommentare
clothing factory | 03. Mai 2015 19:38
Um Himmels willen, bitte nicht "bessern"! Bitte genau in diesem Stil weitermachen. Für einen Hauptbeitrag wäre dieses Niveau vielleicht tatsächlich etwas zu happig. Aber für einen Kommentar dazu ist das eine absolute Bereicherung. Und ein wenig zusätzliche Recherche hat noch niemandem geschadet.
Gary | 13. März 2015 13:02
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Fritzotto | 24. Juni 2012 12:13
Noch bis nach dem 2. Weltkrieg verordneten Ärzte bei Perniciöser Anämie große Mengen an roher, geschabter Leber zu essen. So konnte Vitamin B12 in zwar vergleichsweise geringer, aber ausreichender Ausbeute zufgeührt werden, um diese Bluterkrankung zu bessern. Dann kam die ungleich angenehmere, injizierbare Form der Vitamin B12-Therapie. Heute werden aber wieder häufig orale Darreichungsformen gewählt. Eine skandinavische, prospektive Studie hatte mit oralem Vitamin B12 mit der Injektionstherapie vergleichbar gute Ergebnisse gezeigt. In Deutschland sind im Arzneimittelverzeichnis "Rote Liste 2011" unter 23 Präparaten 18 als Injektionslösung und 5 als Tabletten oder Tropfen angeführt.
leopold | 03. Juli 2012 17:00
Bei der sehr hohen Konzentration von Vitamin B12 in der Leber reichen von dieser vermutlich 150 g pro Mahlzeit (= rund 120 microgram Vitamin B12)um jeweils rund 1,2 microgram des Vitamins aus dem Darm aufzunehmen, auch wenn der Transport/Aufnahme Mechanismus (Intrinsic Factor-Rezeptor System) für das Vitamin defekt ist. Diese Intrinsic-Faktor unabhängige Aufnahme gilt ebenso für therapeutische Anwendungen, wobei einzelne orale Dosen bis zu 6000 microgram Vitamin B12 enthalten.

Bei längerdauernden Therapien ist die orale Form gegenüber der Inject-Form sicherlich von Vorteil (bessere Compliance).
xzgy2b | 04. Juli 2012 16:02
warum heisst das eigentlich so oft 6000 microgramm und nicht einfach 6 milligramm? Das wär doch viel einfacher...
Matthias Wolf | 05. Juli 2012 16:27
Das wäre es wohl. Das hat aber nicht nur damit zu tun, dass man gerne »in den gewohnten Größenordnungen« bleibt (was auch Ablese- und Übertragungsfehler minimiert), sondern auch und vor allem damit, dass für Naturwissenschaftler und Ingenieure »6000 µ-etwas« und »6 milli-etwas« nicht ganz dasselbe sind. Ebensowenig »6« und »6,0«« oder »6,000«.

Wie das?

Alle Messungen beinhalten eine gewisse Unschärfe oder anders gesagt: kaum ein Ergebnis ist exakt. Deswegen wird (tunlichst) immer die Zahl angegeben, die einen gemessenen Wert am besten beschreibt. Wenn es also heißt: »6«, so bedeutet das nicht, das es exakt 6 sind, und kein bisschen mehr oder weniger, sondern dass das wahre (unbekannte) Ergebnis näher an 6 als an 5 oder 7 - also irgendwo im Intervall 5,5..6,5 - liegt. Man spricht von »signifikanten Stellen«. »6« einfach so als Zahl genannt wäre ein Ergebnis mit 1 signifikanten Stelle.

Weiß man aber, dass ein Ergebnis genauer als das ist, so würde man bspw. »6.00« schreiben - jetzt ist die wahre (unbekannte) Zahl näher an 6.00 als an 5.99 oder an 6.01 (also irgendwo in 5,995..6,005). »6.00« hätte somit 3 signifikante Stellen.

Und damit ist auch klar, dass 6000µg nicht weniger als 5999,5 und nicht mehr als 6000,5 sein können, 6 milligramm allerdings irgendetwas zwischen 5500 und 6500µg wären.
inge schuster | 06. Juli 2012 12:47
@xzgy2b

Laien haben möglicherweise wenig Ahnung von Gewichtseinheiten - man darf also nicht voraussetzen, daß der Faktor 1000, der Gramm auf Milligramm, auf Mikrogramm, auf Nanogramm, auf Pikogramm, usw. reduziert, bekannt ist.

Es ist daher einfacher, wenn man - wie Matthias Wolf schreibt -, in derselben Einheit bleibt.
Kobold | 22. Juni 2012 15:57
Bezüglich des ersten Youtube Links würde mich interessieren, warum hier nur von Methylcobalbamin die Rede ist. Generell würde ich mich über einen wirklich fundierten Artikel zu den bioverfügbaren Arten von Cobalbamin freuen, hierzu geistert ja so manches im Netz herum.
inge schuster | 25. Juni 2012 16:13
Sie haben recht; Methylcobalamin ist nur eine der Formen des Vitamin B12 (siehe unten). Das empfohlene Video zeigt zwar am ersten Bild nur Methylcobalamin, der Inhalt gilt aber ebenso für die anderen Formen. Leider gibt es im Netz kaum wirklich gute Übersichtsartikel (in Deutsch und ohne zu viel Chemie).

Empfehlenswert sind vor allem die Seiten von Behörden:

http://www.food.gov.uk/multimedia/pdfs/evm_b12.pdf
http://ods.od.nih.gov/factsheets/VitaminB12-QuickFacts/
http://ods.od.nih.gov/factsheets/VitaminB12-HealthProfessional/

Wenn man sich über Bioverfügbarkeiten informieren will, muß man allerdings in die Primärliteratur zurückgehen, die z.T. aus den 60-er bis 70-er Jahren stammt. Eine kurze Zusammenfassung zu

Molekülstruktur:

Im Vitamin B12 liegt das Kobalt-Atom zentral in einem Porphyrinähnlichen-Ringsystem („Corrin“) vor, gebunden an die 4 Stickstoffatome der Pyrrolringe (Die Natur verwendet Porphyrin-Metallkomplexe auch als essentielle Zentren von Hämoglobin, von Cytochromen und von Chlorophyll). Eine fünfte Wechselwirkung des Kobalts findet mit einer Seitenkette eines der Pyrrolringe statt.

Unterschiedliche Formen von Vitamin B12:

An der sechsten Koordinationsstelle des Kobalts werden unterschiedliche Gruppen gefunden: biologisch aktive Formen haben als 6. Gruppe einen 5-Deoxyadenosylrest (Funktion als Coenzym der mitochondrialen Methylmalonyl-CoA-mutase) oder einen Methylrest (Funktion als Cofaktor der Methioninsynthase). In Nahrungsmitteln (Leber, Fleisch, Fisch, Milch) liegt Vitamin B12 vorwiegend als 5-Deoxyadenosylcobalamin und Methylcobalamin vor. Aus diesen lichtempfindlichen Formen bildet sich beim Zubereiten Aquocobalamin/Hydroxocobalamin (Austausch an der sechsten Koordinationsstelle durch Wasser/-OH). Diese Gruppe kann leicht durch andere Reste (wie Cyanid (-CN) zu Cyanocobalamin) ausgetauscht werden.

Vitamin B12 Supplemente und Therapeutika zur Behandlung von Vitamin B12-Mangel enthalten häufig Hydroxocobalamin oder Cyanocobalamin, vor allem gegen Neuropathien findet Methylcobalamin verstärkt Anwendung.

Zur Bioverfügbarkeit:

Oral aus Nahrung/Supplement zugeführtes Vitamin B12 benötigt den sogenannten Intrinsic Factor (IF), der von der Magenschleimhaut abgesondert wird und an den gebunden das Vitamin über einen spezifischen Rezeptor im Darmtrakt aufgenommen wird. Infolge der limitierten Sekretion des IF ist – trotz hoher Bioverfügbarkeit von B12 – die aus einer einzelnen Mahlzeit/Gabe aufgenommene Menge auf 1,5 – 2,5 microgram beschränkt. Allerdings kann rund 1% der verabreichten Dosis auch passiv – d.i. ohne auf IF/Transportprozesse angewiesen zu sein – die Darmwand passieren; das wird bei sehr hoher Zufuhr (beispielsweise bei Verzehr von Leber oder hochdosierten Supplementen) ausschlaggebend.

Wird Hydroxocobalamin injiziert, so werden 90 % einer 100 microgram Dosis und 30 % einer 1000 microgram Dosis im Organismus zurückgehalten (der Rest rasch über die Nieren filtriert und ausgeschieden).

In den Organismus gelangtes B12 wird praktisch von allen Zellen aufgenommen und dort in die aktiven Formen 5-Deoxyadenosylcobalamin und Methylcobalamin übergeführt.

Untersuchungen mit radioaktiv markiertem B12 haben bei einem Gesamtkörper-Pool von 5 milligram B12 (wobei rund 60 % in der Leber gespeichert sind) und unter einer Mischdiät eine Ausscheidungsrate von 2 - 5 microgram/Tag ergeben.

(Falls Sie an detaillierten Untersuchungen interesssiert sind, kann ich Ihnen entsprechende Literatur zukommen lassen.)
Zraxl | 06. Juli 2012 13:13
@ inge schuster
Ihre Antwort ist für mich, dessen Kenntnisse der Organischen Chemie bei der Sturkturformel des Ethylalkohols enden, der Überhammer. Ich habe eine ganze Weile recherchiert, um Ihren Text überhaupt lesen zu können. Aber ich glaube, ich habe eine Menge dazugelernt, auch wenn ich noch immer lange nicht alles verstanden habe und mich dieser Text noch eine Weile beschäftigen wird. Kommentare dieser Art sind für mich mindestens ebenso wichtig wie der Hauptartikel, weil dieser notwendig näher an der Oberfläche bleiben muss.

[Lobhudelei ist mir grundsätzlich verhasst, hier aber der Sorge geschuldet, dass derartige Kommentare mit der Zeit aussterben, wenn sie keine Rückmeldung finden. Daher: Posten Sie und kommentieren Sie munter darauf los, Sie dienen damit Volksbildung.]
inge schuster | 07. Juli 2012 15:56
@Zraxl

Vielen Dank für die Anerkennung! Ihre Rückmeldung ist für mich äusserst wertvoll, da sie mir zeigt, inwieweit unsere Texte verständlich sind.

Es ist ja Ziel des blogs wichtige Themen möglichst umfassend, dabei aber kurz und allgemeinverständlich zu präsentieren und vielleicht auch noch die Diskussion darüber anzuregen. Wenn man nicht weiß, was man voraussetzen darf, ist dies natürlich eine Gratwanderung. Zu simplifizierte Darstellungen sind halt oft nur mehr beinahe richtig. (Ein Ausnahmeautor ist hier Jeff Schatz, der in unvergleichlicher Weise auch komplexeste Sachverhalte anschaulichst und "state of the art" beschreibt.)

Im gegebenen Fall - Frage von Kobold - war ich durch seine offensichtliche Kenntnis des Begriffs "Bioverfügbarkeit" verleitet, in biochemisch-/pharmakologischen Termen zu antworten. Ich verspreche - großes ungarisches Ehrenwort - mich zu bessern.
Zraxl | 07. Juli 2012 17:37
@inge schuster
Um Himmels willen, bitte nicht "bessern"! Bitte genau in diesem Stil weitermachen. Für einen Hauptbeitrag wäre dieses Niveau vielleicht tatsächlich etwas zu happig. Aber für einen Kommentar dazu ist das eine absolute Bereicherung. Und ein wenig zusätzliche Recherche hat noch niemandem geschadet.