Vitamin B12

Quellen und Bedarf

Resorption

Cobalamin-bindende Proteine im Blut 

Aufnahme in die Zellen und Speicherung

Synthese

Struktur und Varianten

Cobalamin-Enzyme im Vergleich

Mechanismus der Methioninsynthase

Mechanismus der Methylmalonyl-CoA-Mutase

Komplementationsgruppen

Vitamin B12 im Alter

 

Quellen und Bedarf

Menschen beziehen Vitamin B12 (Cobalamin) aus Nahrungsmitteln tierischen Ursprungs. Eine hohe Vitamin-B12-Nährstoffdichte, das ist der Gehalt an Cobalamin im Verhältnis zum Brennwert des Lebensmittels, haben Leber, Muskelfleisch, Fisch, Eier, Milch und Käse (Die Nährstoffdichte nimmt in der Reihenfolge ab). Pflanzliche Produkte sind praktisch frei von Vitamin B12. Leguminosen können wegen ihrer Knöllchenbakterien Spuren von Cobalamin enthalten. Pflanzliche Lebensmittel, die mit Hilfe von Milchsäurebakterien hergestellt werden, enthalten ebenfalls Spuren des Vitamins. Diese Mengen reichen jedoch bei ausschließlich vegetarischer Ernährung nicht zur Deckung des Bedarfs. 

Der Bedarf an Vitamin B12 wird mit 2,4 µg täglich angegeben. Allerdings führen 4 µg bis 7 µg pro Tag noch zu einer weiteren Verringerung des Methylmalonsäurespiegels [1]. Methylmalonsäure und Homocystein steigen bei Vitamin-B12-Mangel an und eignen sich auch für dessen Nachweis.

Resorption 

  • Proteinhaltige Nahrungsmittel lösen in Speicheldrüsen der Mundhöhle die Sekretion des säurefesten Glykoproteins Haptocorrin und im Magen die Bildung von der Protease Pepsin aus.
  • Die Parietalzellen bilden Magensäure und den Intrinsic Factor. Säure und Enzym spalten das Protein und lösen das Cobalamin heraus.
  • Haptocorrin bildet mit Cobalamin einen säureresistenten Komplex. Der Intrinsic Factor wird erst im Duodenum gebraucht. Dort setzt die Protease Trypsin Cobalamin aus dem Komplex mit Haptocorrin frei und Cobalamin bindet an den Intrinsic Factor. Der Intrinsic Factor hat eine höhere Affinität zu Cobalaminen, die der Mensch nutzen kann, als zu anderen in der Nahrung vorkommenden Vitamin-B12-ähnlichen Verbindungen. 
  • Im terminalen Ileum wird der Komplex von von Cubilin, einem Bestandteil des Cubam-Rezeptors auf Darm-Mukosazellen, erkannt. Der Komplex wird über rezeptorvermittelte Endozytose in die Zelle aufgenommen. Das Endosom fusioniert mit einem Lysosom, der Intrinsic Factor wird abgebaut und Cobalamin gelangt ins Zytoplasma der Darmzelle dort bindet es an Transcobalamin II. Dieser Komplex wird dann mit dem ATP-abhängigen Transporter ABCC1 (auch Multidrugresistence Protein 1) an der basolateralen Membran des intestinalen Epithels ausgeschleust und gelangt ins Pfortaderblut. 

Gibt man hohe Dosen Vitamin B12 oral, gelangen geringe, aber häufig ausreichende Mengen davon auch ohne Intrinsic Factor ins Blut. Der genaue Ablauf dieses Prozesses ist noch unklar. Möglicherweise handelt es sich einfach um Diffusionsprozesse infolge von Konzentrationsdifferenzen.

Cobalamin-bindende Proteine im Blut

Der Komplex aus Transcobalamin II und Cobalamin wird Holotranscobalamin II (HoloTCII), häufig einfach nur "HoloTC" genannt und ist das Cobalamin im Blut, das Zellen mit ihrem TC-II-Rezeptor aufnehmen können. Holo-TCII ist ein kleines Protein von 50.193 Dalton. Es wird in der Niere glomerulär filtriert und mit Hilfe des spezifischen Rezeptors tubulär rückresorbiert. Der tägliche Verlust über den Urin beträgt unter 1 µg Cobalamin. 

Von dem im Labor bestimmten Gesamt-Cobalamin bzw. "Gesamt-Vitamin-B12" stellt HoloTC II lediglich 6% bis 20%. Die größere und stark schwankende Fraktion ist Haptocorrin (Transcobalamin I) dessen Funktion außerhalb des Verdauungstrakts noch unbekannt ist. Eine Hypothese ist, dass Haptocorrin Cobalamin-ähnliche Verbindungen oder unvollständiges Cobalamin bindet (z. B. ohne Dimethylbenzimidazol) und abfängt.

Die Halbwertszeit von HoloTC II im Plasma beträgt 1–2 Stunden, während Haptocorrin eine Halbwertszeit von ca. 9 Tagen hat. Die Cobalamin-bindenden Proteine in Muttermilch, Erythrozyten, das Transcobalamin I im Plasma und Transcobalamin III in Leukozyten sind letztlich Haptocorrine, haben aber möglicherweise unterschiedliche Aufgaben. 

Bei einigen Krebs-, Leber- und Nierenerkrankungen wurden extrem hohe Gesamt-Cobalaminmengen im Blut nachgewiesen, die sich nicht durch Ernährung oder Supplemente erklären lassen [3]. Daten der dänischen Arbeitsgruppe, die seit Jahren an diesem Thema arbeitet, deuten darauf hin, dass diese Laborwerte durch einen extrem hohen Haptocorrin-Anteil zustande kommen [4-5]. Wie es dazu kommt ist unbekannt. Man weiß aber, dass einige Tumore Haptocorrin exprimieren. Die dänischen Wissenschaftler sehen in solchen extremen Gesamt-Cobalamin-Spiegeln einen potentiellen frühen Risikomarker und schlagen vor, bei betroffenen Patienten zuerst nach Neoplasien und dann nach Leber- und Nierenerkrankungen zu suchen [6].

[1] Bor MV et al.: Daily intake of 4 to 7 microg dietary vitamin B-12 is associated with steady concentrations of vitamin B-12-related biomarkers in a healthy young population. Am J Clin Nutr 2010 

[2] Marianne J. Nielsen, Mie R. Rasmussen, Christian B. F. Andersen, Ebba Nexø & Søren K. Moestrup. Vitamin B12 transport from food to the body's cells - a sophisticated, multistep pathway. Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology 2012, 9, 345-354.

[3] Arendt JF, Pedersen L, Nexo E, Sørensen HAT. Elevated plasma vitamin B12 levels as a marker for cancer. a population-based cohort study. J Natl Cancer Inst 2013, 105(23).1799-805.

[4] Arendt JF, Nexo E. Cobalamin related parameters and disease patterns in patients with increased serum cobalamin levels.PLoS One 2012;7(9).e45979.    

[5] Lildballe DL, Nguyen KQ, Poulsen SS, Nielsen HO, Nexo E. Haptocorrin as marker of disease progression in fibrolamellar hepatocellular carcinoma. Eur J Surg Oncol 2011 37(1).72-9.

[6] Arendt JF, Nexo E. Unexpected high plasma cobalamin, proposal for a diagnostic strategy. Clin Chem Lab Med 2013, 51(3).489-96 Review.

Aufnahme in die Zellen und Speicherung

In die Zellen gelangt HoloTCII, das an den HoloTCII-Rezeptor gebunden ist, durch rezeptorvermittelte Endozytose.

Das Endosom fusioniert mit einem Lysosom, wo Transcobalamin-II abgebaut wird. Cobalamin wird dann freigesetzt und ins Zytoplasma transportiert. Dort werden nach heutigem Kenntnisstand die Cobalt-Liganden, also Methyl-, Adenosyl-, Cyanid- und Hydroxyl-Resten entfernt und das Cobalt in den zweiwertigen Zustand gebracht.

Die Umwandlung zu Methylcobalamin (als prosthetische Gruppe der Methioninsynthase) erfolgt im Zytoplasma, die zu 5'-Desoxyadenosyl-Cobalamin (als prosthetische Gruppe der Methylmalonyl-CoA-Mutase) in den Mitochondrien.

Eine hohe HoloTCII-Rezeptordichte für haben Leber, Muskulatur und Niere. Diese Organe speichern auch viel Cobalamin. 

Der Gesamtbestand an Cobalamin im Körper liegt bei etwa 3 bis 5 mg. Den größten Anteil daran hat die Leber. Sie gibt 3-8 µg Cobalamin pro Tag in die Galle ab. Der größte Teil davon wird im Ileum wieder resorbiert. Der enterohepatische Kreislauf ist ein dynamischer Speicher für Cobalamin. 

Von der Methioninsynthase gebundenes Co2+-Cobalamin wird zunächst von einer Methioninsynthase-Reduktase mit NADPH und S-Adenosyl-Methionin zu Co+-Cobalamin reduziert. In diesem Oxidationszustand erfolgt dann die reduktive Methylierung des Cobalts mit 5-Methyltetrahydrofolat, wobei das Cobalt+ zu Cobalt3+ oxidiert wird (s. Grafik unten).

Die Übertragung des 5‘-Desoxyadenosylrests auf das Cobalamin erfolgt durch das homotrimere Enzym „ATP-abhängige Co1+-Cobalamin Adenosyltransferase“ (ATR). Dieses Enzym überträgt den fertigen Kofaktor 5'Adenosylcobalamin (haüfig AdoCbl abgekürzt) auch auf die Methylmalonyl-CoA-Mutase

Gherasim C, Lofgren M, Banerjee R. Navigating the B(12) road: assimilation, delivery, and disorders of cobalamin. J Biol Chem 2013;288(19):13186-93.

Synthese von Cobalamin

Cobalamin kann nur von Bakterien synthetisiert werden. Es wird auch von Darmbakterien im Dickdarm produziert. Menschen resorbieren Cobalamin jedoch im terminalen Ileum. Das von den Darmbakterien im Colon produzierte Cobalamin kann nach heutigem Kenntnisstand nicht oder nur ungenügend resorbiert werden.

Struktur und Varianten

Vitamin B12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Das Formelbild stammt von der Wikibooks-Seite WIBO Biochemie: http://de.wikibooks.org/wiki/Datei:Cobalamin.svg

In den beiden Cobalaminen des Menschen, die als prosthetische Gruppen der Methioninsynthase bzw. Methylmalonyl-Coenzym-A-Mutase dienen (Methylcobalamin bzw. 5‘-Desoxyadenolsyl-Cobalamin),  wird das Kobalt von vier Stickstoff-Elektronenpaaren koordiniert. Sie stammen von den vier Pyrrolringen, die den für Cobalamine typischen ebenen Corrinring bilden. Die „unter“ dieser Ebene liegende alpha-Position des Kobalts wird von der Base 5,6-Dimethylbenzimidazol (DMB) koordiniert, allerdings nur, wenn die Cobalamine frei in Lösung, also nicht an das jeweilige Enzym gebunden im sind.

Im aktiven Enzym wird die alpha-Koordinierungsstelle des Kobalts von einem Histidin koordiniert, also einer Aminosäure, die wie DMB einen Imidazol-Ring hat. Es gibt noch einen Zwischenzustand "base-off" genannt, in dem dort ein Wassermolekül koordiniert ist.

In den beiden Enzymen des Menschen sind die beta-Substituenten am Kobalt (R in der Molekülstrutur oben) 5'-Desoxyadenosin oder -CH3; eine Methylgruppe. Ansosten können an die  „obere“ beta-Position Hydroxyl- oder Cyano-Gruppen binden. 

5'-Desoxyadenosin ist ein "ungewöhnliches" Desoxyribonukleosid, bei dem nicht, wie bei Nukleosiden für die DNA-Synthese, die 2'-OH-Gruppe desoxyliert wurde, sondern die 5'-OH-Gruppe des Ribose-Rings.

Die Cobalamin-bindenden Enzyme im Vergleich

 

 

Cobalamin-Enzyme des Menschen

 

Enzym

Methioninsynthase

(5-Methyl-Tetrahydrofolat-Homocystein-Methyltransferase)

Methylmalonyl-CoA-Mutase

(L-Methylmalonyl-CoA-Succinyl-CoA-Mutase)

Kofaktor

(prosthetische Gruppe)

Methylcobalamin

5‘-Desoxy-Adenosylcobalamin (AdoCbl)

 

Zelluläre Lokalisation

Zytoplasma

Mitochondrien

Biochemische

Reaktionen

Methylierung von Homocystein (Hcy) zu Methionin:

2 Schritte (nukleophile Substitutionen)

 

1. Die Bindung zwischen Co3+ und der Methylgruppe, des Methylcobalamins wird hetereolytisch gespalten (beide Elektronen werden dem Cobalt zugeordnet, Co3+ wird also zu Co+ reduziert. Das Prinzip ist ein nukleophiler Angriff des Homocystein-Thiolats (–S-) auf die an Cobalt gebundene Methylgruppe.

 

2. Reduktive Methylierung des Co+  mit der Methylgruppe des mit N5-Methyl-Tetrahydrofolats. Dabei wird das Co+  wieder zu Co3+ oxidiert. Damit ist die Methioninsynthase wieder bereit für die Methylierung von Homocystein. Tetrahydrofolat wird in den allgemeinen Folatstoffwechsel zurückgeführt

Isomerisierung von Methylmalonyl-CoA zu Succiniyl-CoA:

Das Enzym reduziert das Co3+ seines Kofaktors 5‘-Desoxy-Adenosylcobalamin zu Co2+, indem es die Elektronenpaarbindung zwischen der 5‘-CH2-Gruppe und Co3+ homolytisch spaltet. Dabei entsteht aus der 5‘-Methylgruppe des 5‘-Desoxyadenosyl-Cobalamins ein Radikal (also mit einem Elektron).

Das Radikal entzieht der Methylgruppe des Methyl-Malonyl-CoA ein Wasserstoffatom (also mit "seinem" Elektron). Das führt zur Bildung eines Methyl-Malonyl-CoA-Radikals. Die CO-S-CoA-Gruppe und das ungepaarte Elektron tauschen dann ihre Position. Damit ist die CO-S-CoA an die Methylgruppe des Moleküls gebunden und ein Succinyl-CoA-Radikal entstanden. Dessen ungepaartes Elektron entzieht der 5‘-Methylgruppe des 5‘-Desoxyadenosyl-Cobalamins ein Wasserstoffatom (mit Elektron), woraufhin wieder ein 5‘-Desoxyadenosyl-Cobalamin entsteht. Das entzieht dem Co2+ ein Elektron, so dass wieder Co3+ entsteht. Damit kann der Zyklus von vorn beginnen. Der gesamte Prozess wird von einer einer GTPase, (Chaperone) „betreut“. Die GTP-Hydrolyse der GTPase liefert auch einen Teil der Energie für die Redaktionen.

Regeneration des Kofaktors

 

Co+ des Cobalamins, das nach der Synthese des Methionins vorliegt, ist oxidationsempfindlich und oxidiert spontan zu Cobalt2+.

Das Enzym Methioninsynthase-Reduktase reduziert das Cobalt2+ des Cobalamins mit Hilfe von NADPH, FADH und S-Adenosyl-Methionin, wobei Co+-Cobalamin und S-Adenosylhomocystein entstehen

Das 5‘-Desoxy-Adenosylcobalamin-Radikal verliert gelegentlich den 5‘-Desoxy-Adenosylrest. Die Mutase mit Co2+-Cobalamin ist dann inaktiv. Sie kann wieder reaktiviert werden, indem das Co2+-Cobalamin aus dem Enzym entfernt wird. Auch dies wird von o. g. GTPase gesteuert.

Anschließend wird von der Adenosyltransferase neu synthetisiertes 5‘-Desoxy-Co3+Adenosylcobalamin in das Enzym Methylmalonyl-CoA-Mutase eingebaut. Die Adenosyltransferase katalysiert die Synthese des Kofaktors 5‘-Desoxy-Adenosylcobalamin und den Einbau in das Enzym in Kooperation mit der o. g. GTPase.

Bedeutung

C1-Stoffwechsel und Biosynthesen

Synthese von Methionin

Zum Abbau von Homocystein

Aminosäure für Proteinsynthese

Als Substrat für die Synthese von S-Adenosylethionin (SAM; Kosubstrat für fast alle Methyltransferasen)           

Rückführung von Tetrahydrofolat (THF) zur Biosynthese der Folate:

N-10-Formyl-THF (Purin-Nukleosid Synthese)

5,10-Methylen-THF (Thymidinsynthese und 5-Methyl-THF-Synthese) 

 

Fettstoffwechsel

Umwandlung des Endprodukts Propionyl-CoA aus der Metabolisierung von Fettsäuren mit ungerader Anzahl von C-Atomen zu Succinyl-CoA

Abbau des verzweigten Kohlenstoffgerüsts der lipophilen Aminosäuren Valin, Leucin und Isoleucin zu Succinyl-CoA.

Biosynthesen und Energiegewinnung ausgehend vom Zitratzyklus:

Zulieferung von Succinyl-CoA an den Zitratzyklus (anaplerotische Reaktion)

 

 

 

Methioninsynthase: Mechanismus

Die Methioninsynthase ist Teil des Synthesewegs vom S-Adenosylmethionin (SAM), dem Kosubstrat der meisten Methyltransferasen. 

Methylcobalamin ist der Kofaktor der Methioninsynthase. 

Die Reaktionen folgen dem Mechanismus einer "nukleophilen Substitution am gesättigten C-Atom" (SN2 s. Grafik).

1. Die nucleophile Sulfohydrylgruppe des Homocysteins greift die Elektronenpaarbindung des Methylcobalamins an. Dabei wird die Bindung heterolytisch gespalten. Die Methylgruppe bildet mit Homocystein Methionin, die beiden Bindungselektronen bleiben beim Cobalamin, das Cobalt-Ion geht somit vom dreifach-positiven (Co3+)  in den einfach-positiv geladenen Zustand (Co1+) über und wird dadurch zu einem starken Nucleophil. Für die zweite nukleophile Substitution liefert die N5-Methylen-Tetrahydrofolatreduktase das Substrat N5-Methyltetrahydrofolat. Die Elektronenpaarbindung zwischen dem Pteridinring des Folats und der Methylgruppe wird heterolytisch gespalten, die Elektronen verbleiben im Pteridinringsystem. Das Co1+ liefert die beiden Bindungselektronen für das Methylcobalamin und das Co-Ion wird wieder zu Co3+.  

Mechanismus der Methioninsynthase

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Methylmalonyl-CoA-Mutase: Mechanismus

Das Enzym ist in den Mitochondrien lokalisiert. Beim Abbau der Aminosäuren Valin, Leucin, Isoleucin und dem ungradzahliger Fettsäuren ist das Endprodukt Propionyl-CoA. Das wird carboxyliert zu D-Methylmalonyl-CoA und dann isomerisiert zu L-Methylmalonyl-CoA.

Die B12-abhängige Mutase wandelt L-Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA um (s. Grafik). Succinyl-CoA wird als energiereiche Verbindung im Zitratzyklus weiter verwertet, denn der Schritt von Succinyl-CoA zum Succinat liefert ein Molekül ATP oder GTP. Der Zitratzyklus als ganzes produziert u. a.  den Wasserstoff für die Atmungskette in Form von NADH und FADH. 

Bei Vitamin-B12-Mangel kann die Methylmalonyl-CoA-Mutase kein Succinyl-CoA bilden und Methylmalonsäure wird ohne Enzymbeteiligung freigesetzt. Methylmalonsäure (MMA) im Blut oder Urin gehört zu den Laborparametern, die sich zum Nachweis von Vitamin-B12-Mangel eignen.

Die Methylmalonyl-CoA-Mutase ist eine  Isomerase: Sie katalysiert den Austausch von Wasserstoff gegen Coenzym-A im gleichen Molekül. Der Wasserstoff und Coenzym-A sind an benachbarte C-Atome gebunden.  

Synthese von Succinyl-CoA aus Methylmalonyl-CoA

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1. Ausgangszustand: 5‘-Desoxyadenolsyl-Cobalamin. Das Kobalt-Ion im Corrinring des Cobalamins ist dreiwertig (Co3+) und an die die 5‘-Methylgruppe des Liganden 5‘ Desoxyadenosin gebunden.

2. Die Bindung zwischen dem Kobalt im Corrinring und dem 5‘ Desoxyadenosin-Rest wird homolytisch (also durch Trennung des Elektronenpaars) gespalten. Es entsteht ein Cobalamin mit Co2+ und ein 5‘-Desoxyadenolsyl-Radikal. 

3. Das 5‘-Desoxyadenolsyl-Radikal entzieht der Methylgruppe des Substrats Methylmalonyl-CoA ein Wasserstoff-Atom (also ein H mit (s)einem Elektron). Es entsteht 5‘ Desoxyadenosin und das Substratradikal (Methylmalonyl-CoA-Radikal).

4. Das Methylmalonyl-CoA-Radikal lagert sich um: Die CO-S-CoA-Gruppe setzt sich an die Position des Radikals an der Methylgruppe, tauscht also den Platz mit dem ungepaarten Elektron.

5. Es entsteht das Produktradikal (Succinyl-CoA-Radikal).

6. Das entzieht der 5‘-Methylgruppe des 5‘-Desoxyadenosins ein Wasserstoffatom, es entsteht das Reaktionsprodukt Succinyl-CoA…

7. …und wieder ein 5‘-Desoxyadenolsyl-Radikal.

8. Das 5‘-Desoxyadenolsyl-Radikal geht mit dem Co2+-Cobalamin eine Bindung ein. Das zweite Elektron der Elektronenpaarbindung liefert das Kobalt-Ion, es wird zu Co3+. Der Ausgangszustand ist wieder hergestellt.

Gherasim C, Lofgren M, Banerjee R. Navigating the B(12) road: assimilation, delivery, and disorders of cobalamin. J Biol Chem 2013;288(19):13186-93. 

Jost M, Cracan V, Hubbard PA, Banerjee R, Drennan CL. Visualization of a radical B12 enzyme with its G-protein chaperone. Proc Natl Acad Sci U S A 2015;112(8):2419-24.

Tabelle: B12-Komplementationsgruppen (intrazelluläre Genprodukte betroffen)

 

Station

Proteine

Komplementationsgruppen

Genetisch bedingte Defizite

Transport aus dem Lysosom ins Zytoplasma

 

LMBD1 Transmembranprotein

cblF

 

ABCD4 Transportprotein

cblJ

 

Cobalamine gelangen nicht aus dem Lysosom ins Zytoplasma

Aufnahme von Cobalamin im Zytoplasma

MMACHC

Bindet Methyl-, Adenosyl-, Cyano-, Hydroxyl-Cobalamime

(base-off)

Kann Co-C-Bindungen abhängig vom beta-Liganden homo- und heterolytisch spalten

cblc

Patienten können weder Methyl- noch Adenosyl-Cobalamin bilden. Labor: Homocystinurie (HCU) und Methylmalonylacidurie (MMAU)

Unterstützt wahrscheinlich den Transfer der Cobalamine in Richtung der beiden Synthesewege in Zytoplasma bzw. Mitochondrien

MMADHC

Bindet Cobalamine nicht direkt, interagiert mit Glutathion

cblD

Labor: je nach Mutation HCU und MMAU oder nur einer der beiden Parameter erhöht

Methylierung von Homocystein zu Methionin

MS

Methioninsynthase

cblG Labor: HCU

Reduktion von durch Oxidation entstandenem Co2+ mittels reduktiver Methylierung mit NADPH, FAD2 und
S-Adenosylmethionin zu Co+-CH3, also Methylcobalamin

MSR

Methioninsynthase-Reduktase

cblE Labor: HCU

Synthese von 5‘-Adenosylcobalamin

Einbau in die Methylmalonyl-CoA-Mutase

ATR

ATP-abhängige Co+-Adenosyltransferase (Reduktionsweg Co2+ zu Co+ ungeklärt)

cblB

Isomerisierung von Methylmalonyl-CoA zu Succinyl-CoA

MCM

Methylmalonyl-CoA-Mutase

mut

MMAU Typ A

Erhöht die MCM-Enzymaktivität,

Entfernt inaktives  Co2+-Adenosylcobalamin und kooperiert dann mit der ATR zur Reaktivierung der MCM

MMAA

P-Loop-GTPase (Chaperone)

 

cblA

MMAU Typ A

 

Vitamin B12 im Alter

(aus Newsletter 2016/3)

Niedrig normales Vitamin B12 nicht ausreichend für das Gehirn Älterer

Über den Grenzwert für einen Vitamin-B12-Mangel wird seit einigen Jahren diskutiert. Derzeit gilt als Mangel ein Gesamt-B12-Wert (tB12) um 140-150 pmol/L. (Beispiele für Referenzbereiche: Labor der Charité: 141-490 pmol/L; Universitätslabor Homburg Saar 146 - 570 pmol/L)Der Referenzbereich eines Laborparameters schließt 95% der in einer Studie gemessenen Werte einer gesunden Population ein. Die restlichen 5% liegen zu je 2,5% unterhalb bzw. oberhalb des Referenzbereichs. Da Vitamin B12 als Kofaktor der Methioninsynthase und der Methylmalonyl- CoA-Mutase dient, spielt auch die Aktivität dieser Enzyme eine Rolle bei der Beurteilung des Vitamin-B12-Status: Bei Aktivitätsdefiziten aufgrund von Vitamin-B12-Mangel steigen in der Regel Homocystein (Hcy) und Methylmalonsäure (MMA) an. 

Anämie ist keine notwendige Voraussetzung für die Diagnose „Perniziöse Anämie“, denn ein Drittel der Patienten mit Vitamin-B12-Mangel hat ausschließlich neurologische Symptome, z. B. Neuropathien, kognitive oder psychiatrische Störungen [1].

Es gibt Hinweise, dass schon niedrige, aber derzeit nicht als defizitär eingeschätzte Vitamin B12-Spiegel (150 -300 pmol/L) das Nervensystem älterer Menschen negativ beeinflussen können. Dies wurde kürzlich in einer Querschnittstudie von Wissenschaftlern der Charité, des Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften in Leipzig, der Universitäten Hannover und Halle mit Unterstützung einer Berliner Praxis für Neurologie und Psychiatrie untersucht.

In der Studie mit 100 leicht kognitiv beeinträchtigten (MCI)- Patienten zwischen 50 und 80 Jahren wurde die kognitive Leistungsfähigkeit der Teilnehmer mit niedrig-normalem und hoch normalem tB12 verglichen [2]. Sie wurden nach dem Median von 304 pmol/L tB12 der Gruppe mit niedrig (<304) bzw. hoch normalen Werten (≥304) zugeordnet. Die beiden Gruppen waren in Bezug auf Alter, BMI, Blutdruck, körperliche Aktivität, kardiovaskuläre Risikofaktoren und den Ergebnissen des Tests „Mini-Mental State Examination“; MMSE, vergleichbar. Unterschiede gab es bei Holotranscobalamin (Holo-TC; die zellulär verfügbare Fraktion der Cobalamine im Blut), Hcy und MMA. Der cB12-Status [3], ein Algorithmus, in den die Messwerte von tB12-, Holo-TC, MMA und Hcy-Konzentrationen einfließen, deutete nicht auf einen Mangel hin.

MCI-Patienten mit niedrig-normalem tB12 zeigten in Testverfahren, die nach den verschiedenen kognitiven Domänen differenzieren, signifikant schlechtere Leistungen bei Gedächtnis, Lernfähigkeit und Wiedererkennung sowie einen Trend zu schlechteren Leistungen im „Delayed-Recall“-Test, in dem die Testperson z. B. eine Liste von Wörtern zeitversetzt aufzählen soll. Potentielle Störgrößen (Alter, Geschlecht, Bildung, Apoprotein-e4-Status, Hcy, Folat und Kreatinin) veränderten den Effekt auf die kognitiven Leistungen nicht.

Keine Unterschiede im Hippocampus-Volumen, aber in dessen Mikrostruktur 

In der Magnetresonanz-Tomografie unterschieden sich die beiden Gruppen nicht hinsichtlich des Volumens von Hippocampus und dessen separat vermessenen Substrukturen Cornu ammonis (CA), Gyrus dentatus Hippocampus-Schwanz und Subiculum. In der Mikrostruktur einer der vier Cornu ammonis-Bereiche (CA4) und des Gyrus dentatus (DG) gab es jedoch Unterschiede zwischen den beiden Gruppen: Die Mittlere Diffusivität (MD; s. Kasten) in diesen Regionen war in der Gruppe mit niedrig-normalem tB12 signifikant stärker. Das deutet auf eine gestörte Integrität der Mikrostruktur dieser Substrukturen hin. Auch hier änderte sich an dem Ergebnis nichts, wenn die Confounder Alter, BMI, Blutdruck, körperliche Aktivität MMSE und kardiovaskulären Risikofaktoren in die Berechnung einbezogen wurden. Im Gegenteil: die Bereinigung führte dazu, dass auch die Cornu ammonis-Bereiche CA2 und CA3 signifikante Unterschiede in den beiden Gruppen aufwiesen. 

Mittlere Diffusivität (MD)

Diffusion kann in einem strukturierten Organ wie dem Gehirn nicht frei und gleichermaßen in alle Richtungen stattfinden. Deshalb kann man die Diffusion des Wassers bzw. deren Einschränkung im Gehirn für die Analyse des Gewebes nutzen. Die Messung der Diffusivität erfolgt mit Magnetresonanztomografie und Diffusionstensor-Bildgebung.

Der ausgewählte Bereich wird in Voxel (Volumen+Pixel) in der Größenordnung von Kubikmillimetern eingeteilt. In jedem Voxel der Gehirnregion, in der die MD gemessen werden soll, wird der Diffusionskoeffizient des Wassers in verschiedene Richtungen bestimmt (mindestens 6 Messwerte pro Voxel). Aus diesen Daten wird für jedes Voxel ein Diffusionstensor berechnet.

Daraus wiederum werden Maßzahlen für die Diffusivität errechnet, die es ermöglichen, die Eigenschaften des untersuchten Hirngewebes zu beschreiben, z. B. Dichte, Membranstrukturen, Myelinisierung, altersbedingte Veränderungen. In [2] wurden Regionen des Hippocampus der MCI- Patienten mit dieser Technik analysiert und Karten der Diffusivität erstellt. Hohe MD-Werte bedeuten stärkere Diffusion des Wassers durch Verlust von Gewebestrukturen z. B. aufgrund zerstörter Membranen.

Niedrig-normales tB12 → veränderte Hippocampus-Mikrostruktur → schlechtere kognitive Leistung

Eine Mediatioranalyse mit dem Programm „Statistical Package for the Social Sciences“ (SPSS) zeigte, welche durch niedrig-normale tB12-Konzentration geschädigten Substrukturen des Hippocampus die kognitiven Leistungen beeinflusst haben könnten. Das Programm errechnete, dass niedrig-normale Vitamin-B12-Konzentrationen über die Mediator-Variable MD der Bereiche CA4 und DG signifikant zu Defiziten bei Lernfähigkeit (48%) und Wiedererkennung (32%) beitragen.

Zum Vergleich: die VITACOG-Studie: Baseline im Mittel hoch normales tB12

Bei den Teilnehmern der VITACOG-Studie [4-8] mit Personen, die ebenfalls leicht kognitiv beeinträchtigt waren, ermittelten die Forscher Baseline-Konzentrationen (geometrische Mittelwerte) von 333 pmol/L in der Placebogruppe und 350 pmol/L in der Vitamingruppe, also nach der o. g. Definition im Mittel hoch normale Werte.

Die Studienmedikation war Folsäure (0,8 mg/d), Vitamin B12 (0,5 mg/d) und Vitamin B6 (20 mg/d) oder Placebo.

Die Analyse des Gehirns erfolgte in dieser Studie ebenfalls mit Magnetresonanztomografien, die zu Beginn der Interventionsstudie und am Ende durchgeführt wurden [4, 6]. Das Volumen der für M. Alzheimer relevanten Grauen Substanz des Gehirns wurde mit Voxel-basierter Bildgebung analysiert. Bei Personen der Vitamingruppe mit Homocystein-Ausgangswerten >13 waren die Atrophieraten um 53% pro Jahr geringer als in der entsprechenden Placebo-Gruppe [6]. Also war ein hoher Homocysteinspiegel entscheidend für die Wirksamkeit der Vitaminbehandlung.

Bei Teilnehmern der Vitamingruppe, die zu Beginn der Studien Homocysteinwerte über dem Median (>11,3 µmo/L) hatten, verlangsamte sich der kognitive Abbau in den Domänen episodisches und semantisches Gedächtnis, exekutive Funktion und globale Kognition im Vergleich zur Placebogruppe. Bei Plasmakonzentrationen >13 µmol/L (höchstes Quartil) verbesserte sich auch das Clinical Dementia Rating (CDR) im Vergleich zu Placebo. Im CDR werden 6 kognitive Domänen getestet: Gedächtnis, Orientierung, Urteilsvermögen, Problemlösung, Umgang mit Haushalt, Hobbies und Umfeld. Teilweise wurden normale Scores erreicht.  

Bei niedrigen oder niedrig normalen Baseline-tB12-Werten: wäre dann allein ein hoher Baseline Homocysteinwert immer noch das entscheidende Kriterium für die Verlangsamung von Atrophie und Kognitionsabbau?

[1] Lindenbaum J, Healton EB, Savage DG et al. Neuropsychiatric disorders caused by cobalamin deficiency in the absence of anemia or macrocytosis. The New England journal of medicine 1988; 318(26): 1720–1728.

[2] Köbe T, Witte AV, Schnelle A, Grittner U, Tesky VA, Pantel J, Schuchardt JP, H ahn A, Bohlken J, Rujescu D, Flöel A. Vitamin B-12 concentration, memory performance, and hippocampal structure in patients with mild cognitive impairment. Am J Clin Nutr 2016;103(4):1045-54.

[3] Fedosov SN, Brito A, Miller JW, Green R, Allen LH. Combined indicator of vitamin B12 status: modification for missing biomarkers and folate status and recommendations for revised cut-points. Clin Chem Lab Med 2015;53(8):1215-25.

[4] Smith AD, Smith SM, de Jager CA, Whitbread P, Johnston C, Agacinski G, Oulhaj A, Bradley KM, Jacoby R, Refsum H. Homocysteine-lowering by B vitamins slows the rate of accelerated brain atrophy in mild cognitive impairment: a randomized controlled trial. PLoS One. 2010 Sep 8;5(9):e12244.

[5] de Jager CA, Oulhaj A, Jacoby R, Refsum H, Smith AD. Cognitive and clinical outcomes of homocysteine-lowering B-vitamin treatment in mild cognitive impairment: a randomized controlled trial. Int J Geriatr Psychiatry 2012;27(6):592-600.

[6] Douaud G, Refsum H, de Jager CA, Jacoby R, Nichols TE, Smith SM, Smith AD. Preventing Alzheimer's disease-related gray matter atrophy by B-vitamin treatment. Proc Natl Acad Sci U S A 2013;110(23):9523-8.

[7] de Jager CA. Critical levels of brain atrophy associated with homocysteine and cognitive decline. Neurobiol Aging 2014; 35 Suppl 2:S35-9. Review

[8] Jernerén F, Elshorbagy AK, Oulhaj A, Smith SM, Refsum H, Smith AD. Brain atrophy in cognitively impaired elderly: the importance of long-chain ω-3 fatty acids and B vitamin status in a randomized controlled trial. Am J Clin Nutr 2015;102(1):215-21.

Gehirnalterung: Niedriges Vitamin-B12 und hohes Homocystein

In einer Kooperation des Karolinska Instituts und den Universitäten Jönköping, Oxford, Oslo und der LMU München wurde die Assoziation von Vitamin B12, Erythrozyten-Folat, schwefelhaltigen Aminosäuren mit dem Verlust an Hirnvolumen und Veränderungen des Volumens der Weißen Substanz des Gehirns untersucht [1].

Die Magnet-Resonanz-Tomografien (MRT) der Studie kamen von der Schwedischen Studie „National Study on Aging and Care“, an der kognitiv gesunde Personen >60 Jahren teilnahmen. 299 der Teilnehmer unterzogen sich zwischen 2001 und 2009 mehrfach MRT-Scans des Gehirns. Anhand dieser Daten berechneten die Wissenschaftler die Entwicklung des Volumens von Hirngewebe und dem von Hyperintensitäten der Weißen Substanz.

Die Ergebnisse:

·     Höhere Baseline-Werte von tB12 und Holotranscobalamin waren mit geringeren Verlustraten an Hirnvolumen assoziiert.

·     Erhöhte Homocysteinwerte waren mit erhöhten Verlustraten an Hirnvolumen assoziiert.

·     Erhöhte Homocysteinwerte in Verbindung mit Bluthochdruck über 140 mm Hg waren mit der Progression von Hyperintensitäten der Weißen Substanz assoziiert.

Es sieht so aus, als spielten sowohl niedrige Vitamin-B12- als auch hohe Homocystein-Werte eine Rolle bei beschleunigter Hirnalterung

Hooshmand B, Mangialasche F, Kalpouzos G, Solomon A, Kåreholt I, Smith AD, Refsum H, Wang R, Mühlmann M, Ertl-Wagner B, Laukka EJ, Bäckman L, Fratiglioni L, Kivipelto M. Association of Vitamin B12, Folate, and Sulfur Amino Acids With Brain Magnetic Resonance Imaging Measures in Older Adults: A Longitudinal Population-Based Study. JAMA Psychiatry 2016;73(6):606-13.