Thiamin (Vitamin B1) – Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Thiamin (Vitamin B1) ist ein wasserlösliches Vitamin und gehört zur Gruppe der B-Vitamine. Aufgrund der Beobachtung durch den niederländischen Arzt Christiaan Eijkman Ende des 19. Jahrhunderts [7], dass bei Hühnern nach Verfütterung von geschältem und poliertem Reis Beriberi-ähnliche Symptome auftraten, nicht jedoch nach Gabe von ungeschältem und unpoliertem Reis beziehungsweise Reiskleie, wird Thiamin auch als "Antiberiberi-Vitamin" bezeichnet. Nach Isolierung des Beriberi-Schutzstoffes aus Reisschalen und Benennung des Vitamins als Aneurin im Jahre 1926 durch Jansen und Donath, erfolgte im Jahre 1936 durch Williams und Windaus [22] die Strukturaufklärung und Synthese des Vitamins B1 durch Verknüpfung beider Ringstrukturen sowie die Bezeichnung des B-Vitamins als Thiamin [3, 16].

Das Thiaminmolekül besteht aus einem Pyrimidin- und Thiazol-Ring, die über eine Methylengruppe miteinander verbunden sind [3, 13, 16].
Thiamin selbst findet keine therapeutische Anwendung, sondern nur deren hydrophile (wasserlösliche) Salze, wie Thiaminchloridhydrochlorid, Thiaminmononitrat und Thiamindisulfid, beziehungsweise deren lipophile (fettlösliche) Derivate (Allithiamine), wie Benfotiamin (S-Benzoylthiamin-o-Monophosphat; BTMP), Bentiamin (Dibenzoylthiamin) und Fursultiamin (Thiamintetrahydrofurfuryldisulfid) [3, 16, 18].

Trockenes Vitamin B1 ist bei 100 °C stabil. Wässrige Vitamin B1-Lösungen sind bei einem pH-Wert < 5,5 am stabilsten, jedoch nicht in neutralem oder alkalischem Milieu. Thiamin ist sowohl thermolabil (hitzeempfindlich) als auch licht- und oxidationsempfindlich und weist eine hohe Struktur- beziehungsweise Konstitutionsspezifität auf. Geringfügige Veränderungen am Molekülaufbau gehen mit einer Minderung der Vitaminwirksamkeit, Unwirksamkeit oder – in bestimmten Fällen – mit einer antagonistischen (gegensätzlichen) Wirkungsweise einher [3, 13, 16, 18]. Thiaminantagonisten, wie Oxythiamin, Pyrithiamin und Amprolium, können die Thiaminase I und II (Thiamin-spaltende und -inaktivierende Enzyme) inhibieren (hemmen) und die Bindung des biologisch aktiven Thiaminpyrophosphats (TPP; Synonyme: Thiamindiphosphat (TDP), Cocarboxylase) an sein Apoenzym beziehungsweise die Decarboxylierung (Abspaltung eines Kohlendioxid (CO₂)-Moleküls) von 2-Oxosäuren kompetitiv hemmen [3, 16]. Infusionslösungen, die Sulfit (SO₂) enthalten, führen zum vollständigen Abbau von Vitamin B1 [16].

Resorption

Thiamin findet sich sowohl in pflanzlichen als auch tierischen Lebensmitteln, jedoch nur in geringer Konzentration. Während Thiamin in Pflanzen in freier, nicht phosphorylierter Form vorliegt, kommt das B-Vitamin in tierischen Geweben zu 80-85 % als biologisch aktives TPP beziehungsweise TDP und zu 15-20 % als Thiaminmonophosphat (TMP) und Thiamintriphosphat (TTP) vor [13, 16].

Über die Nahrung aufgenommenes, phosphoryliertes Vitamin B1 wird durch unspezifische Phosphatasen der Darmwand dephosphoryliert (enzymatisches Entfernen von Phosphatgruppen) und somit in einen resorbierbaren Zustand überführt. Die Resorption von freiem Thiamin ist im Jejunum (Leerdarm) am höchsten, gefolgt vom Duodenum (Zwölffingerdarm) und Ileum (Krummdarm). Im Magen und Colon (Dickdarm) werden nur geringe Mengen resorbiert [3, 16, 18].
Die intestinale Aufnahme (Aufnahme über den Darm) von Thiamin unterliegt einem dosisabhängigen dualen Mechanismus. Physiologische Mengen des B-Vitamins unterhalb einer Konzentration von 2 µmol/l werden durch einen energieabhängigen Natrium-vermittelten Carriermechanismus resorbiert. Der Transport von Vitamin B1 in die intestinalen Mukosazellen (Schleimhautzellen) ist somit aktiv und sättigbar [3, 5, 6, 13, 16, 18]. Strukturanaloga, wie beispielsweise Pyrithiamin, können die aktive Vitamin B1-Resorption hemmen, indem sie Thiamin von seinen Transportproteinen, die sich in der apikalen (dem Darminneren zugewandten) Zellmembran befinden, verdrängen. Der Einfluss von Alkohol beziehungsweise Ethanol (Äthanol) besteht hingegen in einer Inhibierung der Natrium-Kalium-Adenosintriphosphatase (Na⁺/K⁺-ATPase; Enzym, das unter ATP-Spaltung den Transport von Na⁺-Ionen aus der Zelle und K⁺-Ionen in die Zelle katalysiert) in der basolateralen (dem Darminneren abgewandten) Zellmembran, wodurch es zur Downregulation (Herunterregulierung) der thiaminspezifischen Transportproteine kommt [3, 17].
Oberhalb einer Konzentration von 2 µmol/l erfolgt die Resorption von Vitamin B1 durch passive Diffusion, die weder natriumabhängig ist noch durch Thiaminantagonisten beziehungsweise Ethanol gehemmt werden kann [3, 6, 13, 16].

Mit steigender applizierter (verabreichter) Dosis sinkt der prozentuale Anteil an resorbiertem Thiamin. Ursache ist zum einen die Downregulation (Herunterregulierung) der transmembranen Transportproteine für Thiamin in den intestinalen Mukosazellen (Schleimhautzellen) ab einer Vitamin B1-Dosis > 2 µmol/l und zum anderen die Ineffektivität des passiven Resorptionsweges gegenüber dem aktiven carriervermittelten Transportmechanismus [3, 16, 18]. Nach Untersuchungen mit oral verabreichtem radioaktiv markiertem Thiamin beträgt die Resorptionsrate bei einer Zufuhr von 1 mg ~ 50 %, von 5 mg ~ 33 %, von 20 mg ~ 25 % und von 50 mg ~ 5,3 % [6, 16, 18]. Insgesamt können nur maximal 8-15 mg Vitamin B1 pro Tag resorbiert werden [2, 9].
Der Vergleich von Biopsien (Gewebeproben) der Darmschleimhaut von Patienten mit und ohne Thiaminmangel ergab eine deutlich höhere intestinale Vitamin B1-Aufnahme bei den Probanden mit schlechtem Thiaminstatus [15]. Die gesteigerte Resorption von Vitamin B1 im Mangelzustand resultiert aus der Upregulation (Hochregulierung) der apikalen Thiamintransporter in den intestinalen Mukosazellen (Schleimhautzellen) [20, 21].

Absorbiertes Thiamin wird in den Mukosazellen (Schleimhautzellen) des Darms teilweise durch die zytosolische Pyrophosphokinase unter Spaltung von Adenosintriphosphat (ATP) zum coenzymatisch wirksamen TPP phosphoryliert (enzymatisches Anhängen von Phosphatgruppen). Es wird angenommen, dass neben dem Natrium-vermittelten Carriermechanismus auch die intrazelluläre Pyrophosphokinase der geschwindigkeitslimitierende Schritt im aktiven Transport von Thiamin in und durch die Mukosazelle ist [3, 4].

Freies und phosphoryliertes Thiamin gelangt über die Pfortader in die Leber, von wo aus es über die Blutbahn zu den Zielorganen und -geweben entsprechend ihres Bedarfs transportiert wird [3, 4].

Transport und Verteilung im Körper

Der Vitamin B1-Transport im Vollblut erfolgt hauptsächlich in den Blutzellen – zu 75 % in den Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und zu 15 % in den Leukozyten (weiße Blutkörperchen). Nur 10 % des Vitamins B1 im Blut wird plasmatisch transportiert, vorrangig an Albumin gebunden [3, 16, 18]. Die Zufuhr hoher Vitamin B1-Dosen führt zur Überschreitung der Bindungskapazität, sodass überschüssiges Thiamin ausgeschieden wird [16]. Der Gesamtblutspiegel schwankt zwischen 5-12 µg/dl [3].

An den Zielorganen und -geweben wird Thiamin über einen Thiamintransporter mit hoher Affinität (Bindungsstärke) in die Zielzellen und Mitochondrien ("Energiekraftwerke" der Zellen) aufgenommen. Aufgrund der physiologischen Bedeutung von Vitamin B1 im Kohlenhydrat- und Energiestoffwechsel weisen insbesondere Herzmuskel (3-8 µg/g), Niere (2-6 µg/g), Leber (2-8µg/g), Gehirn (1-4 µg/g) und Skelettmuskel hohe Thiaminkonzentrationen auf [3, 4, 13, 16]. Im Thiaminmangel ist aufgrund der Upregulation (Hochregulierung) der transmembranen Transportproteine die Aufnahme von Vitamin B1 in die Zielzellen erhöht [20, 21].

Freies Thiamin kann in allen Organen und Geweben durch die intrazelluläre Pyrophosphokinase unter ATP-Verbrauch und Anlagerung zweier Phosphatreste zum biologisch aktiven TPP phosphoryliert werden. Alkohol beziehungsweise Ethanol unterbindet die Aktivierung des freien Thiamins zum Coenzym TPP durch kompetitive Hemmung der Pyrophosphokinase. Die Übertragung einer weiteren Phosphatgruppe auf TPP mittels einer Kinase unter Spaltung von ATP führt zum TTP, das unter Einwirkung von Phosphatasen wieder zu TPP, TMP beziehungsweise freiem, unphosphoryliertem Thiamin umgewandelt werden kann.
Während Vitamin B1 im Blutplasma, in der Muttermilch und der zerebrospinalen (Gehirn und Rückenmark betreffenden) Flüssigkeit hauptsächlich in freier Form oder als TMP vorkommt, enthalten die Blutzellen (Leukozyten; Erythrozyten) und das Gewebe vorwiegend TPP [3, 13, 16]. Für das intrazellulär coenzymatisch wirksame TPP ist die Zellmembran impermeabel (undurchlässig). TPP kann erst nach Hydrolyse (Spaltung durch Reaktion mit Wasser) über TMP zu freiem Thiamin die Zelle verlassen. Die intrazelluläre Phosphorylierung (enzymatisches Anhängen von Phosphatgruppen) und das Herabsetzen der Membranpermeabilität (Membrandurchlässigkeit) für phosphoryliertes Thiamin dient schließlich als Schutzmechanismus, um Vitamin B1-Verluste von physiologischen Dosen (1-2 mg/d) zu verhindern [3, 16].

Der Gesamtkörperbestand an Vitamin B1 beträgt bei gesunden Menschen 25-30 mg, wovon sich circa 40 % in der Muskulatur befinden. Ein Thiaminspeicher im engeren Sinne existiert nicht. Aufgrund seiner Funktion als Coenzym ist Vitamin B1 immer mit dem entsprechenden Enzym assoziiert (verbunden) und wird nur in dem Umfang retiniert (von der Niere zurückgehalten), wie es aktuell erforderlich ist. Die biologische Halbwertszeit von Thiamin ist relativ kurz und wird beim Menschen mit 9,5-18,5 Tagen angegeben. Die begrenzte Speicherkapazität und hohe Umsatzrate des B-Vitamins machen eine tägliche Zufuhr ausreichender Thiaminmengen zur Bedarfsdeckung notwendig, insbesondere bei erhöhtem Vitamin B1-Verbrauch infolge eines gesteigerten Metabolismus, wie beim Sport, bei schwerer körperlicher Arbeit, innerhalb der Schwangerschaft und Stillzeit, bei chronischem Alkoholabusus sowie bei Fieber [3, 13, 16, 18].

Ausscheidung

Die Vitamin B1-Ausscheidung ist dosisabhängig. Im physiologischen (für den Stoffwechsel normalen) Bereich wird Thiamin zu etwa 25 % renal (über die Niere) eliminiert. Bei hohen applizierten Dosen erfolgt die Ausscheidung von Vitamin B1 nach Gewebesättigung nahezu vollständig über die Niere, wobei zugleich der Anteil des über die Galle ausgeschiedenen und des nicht resorbierten Thiamins in den Fäzes ansteigt [4, 5, 10, 16]. Dieser renale Überlaufeffekt ist Ausdruck der Selbstdepression nicht renaler Clearance-Prozesse (Ausscheidungsprozesse) sowie Sättigung der tubulären Reabsorption (Rückresorption in den Nierenkanälchen) [16].

Thiamin wird zu etwa 50 % in freier Form oder mit einer Sulfatgruppe verestert eliminiert. Bei den restlichen 50 % handelt es sich um bisher noch nicht identifizierte Metabolite sowie um Thiamincarbonsäure, Methylthiazolessigsäure und Pyramin. Je höher die Vitamin B1-Zufuhr, desto geringer die Metabolisierung und desto stärker die Ausscheidung an freiem, unverändertem Thiamin [1, 6, 8, 16].

Allithiamine

Allithiamine, wie Benfotiamin, Bentiamin und Fursultiamin, sind lipophile (fettlösliche) Thiaminderivate, die – entsprechend der Entdeckung von der japanischen Forschergruppe um Fujiwara Anfang der 50er Jahre [11, 12] – unter physiologischen Bedingungen spontan durch die Verbindung von Thiamin mit Allicin, dem Wirkstoff aus Knoblauch und Zwiebeln, entstehen [4]. Bei den Allithiaminderivaten ist der für die Vitaminwirkung essentielle Thiazol-Ring geöffnet und das Schwefelatom mit einer lipophilen Gruppe substituiert. Erst nach Schluss des Thiazol-Rings durch SH-Gruppen-haltige Verbindungen, wie Cystein und Glutathion, in den intestinalen Mukosazellen (Schleimhautzellen) und nach Phosporylierung (enzymatisches Anhängen von Phosphatgruppen) zum biologisch aktiven Thiaminpyrophosphat in den Zielzellen können die Allithiamine im Organismus ihre Vitaminwirkung entfalten [16].

Aufgrund ihrer apolaren Struktur unterliegen Allithiamine anderen Resorptionsbedingungen als wasserlösliche Thiaminderivate, die nach einer Sättigungskinetik energie- und natriumabhängig mit Hilfe eines Carriermechanismus resorbiert werden. Die Aufnahme der Allithiamine in die Mukosazellen (Schleimhautzellen) des Darms erfolgt nach vorheriger Dephosphorylierung (Entfernen von Phosphatgruppen) durch unspezifische Phosphatasen an der Darmmukosa (Darmschleimhaut) dosisproportional durch passive Diffusion, wobei die Allithiamine im Vergleich zu den wasserlöslichen Thiaminderivaten die intestinale Resorptionsschranke wegen ihrer besseren Membranpermeabilität (Membrangängigkeit) schneller und leichter passieren [3, 4, 13, 16]. Die Bioverfügbarkeit des lipophilen Benfotiamins ist etwa 5- bis 10-fach höher als die von Thiamindisulfid beziehungsweise Thiaminmononitrat [3, 19].
Darüber hinaus erzielen Allithiamine nach oraler Gabe höhere Thiamin- und TPP-Spiegel in Vollblut, Zielorganen und -geweben bei vergleichsweise niedrigen Dosen und werden im Körper länger retiniert (zurückgehalten) [16]. Hilbig und Rahmann (1998), die die Gewebeverteilung und den Verbleib von radioaktiv markiertem Benfotiamin und Thiaminhydrochlorid im Blut und in verschiedenen Organen untersucht haben, konnten nach Gabe von Benfotiamin deutlich höhere Radioaktivitäten in allen Organen messen, insbesondere in Leber und Niere [14]. In Gehirn und Muskulatur fand sich eine 5- bis 25-fach höhere Konzentration an Benfotiamin. In allen anderen Organen lag der Benfotiamingehalt 10-40 % über dem von Thiaminhydrochlorid [14].

Des Weiteren wurden die folgenden Fachbücher für die Verfassung dieses Artikels herangezogen [23, 24].

Literatur

1. Bässler KH, Grühn E, Loew D, Pietrzik K: Vitamin-Lexikon für Ärzte, Apotheker und Ernährungswissenschaftler. 3. Auflage. Urban & Fischer, München
2. BfArM (1999) Musterfachinformation: Thiaminchlorid, Nr. Fi3800fz.rtf, Stand: 06.07.1999
3. Biesalski HK: Vitamine, Spurenelemente und Minerale. Indikationen, Diagnostik, Therapie. 3. Auflage, Georg Thieme Verlag, München 2024
4. Biesalski HK, Bischoff SC, Pirlich M, Weimann A (Hrsg.): Ernährungsmedizin. Nach dem Curriculum Ernährungsmedizin der Bundesärztekammer. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2017
5. Bitsch R: Vitamin B1 (Thiamin). In: Vitamine – Physiologie, Pathophysiologie, Therapie. Biesalski HK, Schrezenmeir J, Weber P, Weiß H (Hrsg.). Thieme Verlag, Stuttgart-New York 1997, S. 67-74
6. Deutsche Gesellschaft für Ernährung, Österreichische Gesellschaft für Ernährung, Schweizerische Gesellschaft für Ernährungsforschung, Schweizerische Vereinigung für Ernährung: Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr. 5. Auflage. In: DGE/ÖGE/SGE/SVE. Umschau- Braus-Verlag, Frankfurt/Main (2013)
7. Eijkman C: Ein Versuch zur Bekämpfung der Beri-Beri. Virchows Arch path Anat; 149: 187 (1897)
8. FNB (1998) Food and Nutrition Board. Institute of Medicine. Dietary Reference Intakes for Thiamin, Riboflavin, Niacin, Vitamin B6, Folate, Vitamin B12, Pantothenic Acid, Biotin, and Choline. National Academy Press, Washington, DC.
9. Food Standards Agency (2000) Expert Group on Vitamins and Minerals (EVM): Review of Thiamin. EVM/00/14/P, London
10. Frank T, Bitsch R, Maiwald J, Stein G: Alteration of thiamine pharmacokinetics by end-stage renal disease (ESRD). Int J Clin Pharmacol Ther. 1999 Sep;37(9):449-55.
11. Fujiwara M, Watanabe H, Matsui K: "Allithiamine" a newly found derivative from Vitamin B1. Discover of allithiamine.The Journal of Biochemistry Vol. 41 (1954) No. 1 P 29-39
12. Fujiwara M, Nanjo H, Arai T, Suzuoki-Ziro: "Allithiamine" a newly found derivative from Vitamin B1. The effect of allithiamine on living organism. J Biochem (Tokyo) 41(2), 273-285, 1954
13. Hahn A, Ströhle A, Wolters M. Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. 4. Auflage, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 2023
14. Hilbig R, Rahmann H: Comparative autoradiographic investigations on the tissue distribution of benfotiamine versus thiamine in mice. Arzneimittelforschung. 1998 May;48(5):461-8.
15. Laforenza U, Patrini C, Alvisi C et al.: Thiamine uptake in human intestinal biopsy specimens, including observations from a patient with acute thiamine deficiency. Am J Clin Nutr. 1997 Aug;66(2):320-6.
16. Pietrzik K, Golly I, Loew D: Handbuch Vitamine. Für Prophylaxe, Beratung und Therapie. Urban & Fischer Verlag, München 2008
17. SCF: Opinion of the Scientific Committee on Food on the Tolerable Upper Intake Level of Vitamin B1 (expressed on 11 July 2001) SCF/CS/NUT/UPPLEV/46 Final 16 July 2001
18. Schmidt E, Schmidt N: Leitfaden Mikronährstoffe. Orthomolekulare Prävention und Therapie. 1. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München 2004
19. Schreeb KH, Freudenthaler S, Vormfelde SV et al.: Comparative bioavailability of two vitamin B1 preparations: benfotiamine and thiamine mononitrate.Eur J Clin Pharmacol. 1997;52(4):319-20.
20. Singleton CK, Martin PR: Molecular effects of thiamine deficiency. Curr Mol Med. 2001 May;1(2):197-207.
21. Song Q, Singleton CK: Mitochondria from cultured cells derived from normal and thiamine-responsive megaloblastic anemia individuals efficiently import thiamine diphosphate. BMC Biochem. 2002 Apr 25;3:8.
22. Williams RR, Cline JK: Synthesis of Vitamin B1. J. Am. Chem. Soc., 1936, 58 (8), pp 1504–1505.doi: 10.1021/ja01299a505
23. Hidgon J, Drake VJ: An Evidence-Based Approach to Vitamins and Minerals. Health Benefits and intake recommendations. 2nd Edition, Georg Thieme Verlag, München 2022
24. Matissek R, Hahn A: Lebensmittelchemie. 10. Auflage, Springer Spektrum Verlag, Heidelberg 2023