Coenzym Q10 – Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Coenzym Q10 (CoQ10; Synonym: Ubichinon) ist ein Vitaminoid (vitaminähnliche Substanz), das im Jahre 1957 an der Universität Wisconsin entdeckt worden ist. Die Aufklärung dessen chemischer Struktur erfolgte ein Jahr später von der Arbeitsgruppe um den Naturstoffchemiker Prof. K. Folkers [24].

Bei den Coenzymen Q handelt es sich um Verbindungen aus Sauerstoff (O₂), Wasserstoff (H) und Kohlenstoff (C)-Atomen, die eine sogenannte ringförmige Chinonstruktur bilden. An dem Benzochinonring ist eine lipophile (fettlösliche) Isoprenoid-Seitenkette gebunden [9, 10, 20, 25]. Der chemische Name von Coenzym Q lautet 2,3-Dimethoxy-5-methyl-6-polyisopren-parabenzochinon [4]. Je nach Anzahl der Isopreneinheiten sind die Coenzyme Q1-Q10 zu unterscheiden, die alle in der Natur vorkommen. Beispielsweise wird das Coenzym Q9 von Pflanzen für die Photosynthese benötigt. Für den Menschen ist nur das Coenzym Q10 von wesentlicher Bedeutung [4, 9, 10, 17, 20, 25].

Da die Coenzyme Q in allen Zellen – Mensch, Tier, Pflanze, Bakterien – vertreten sind, werden sie auch als Ubichinone (lat. "ubique" = "überall") bezeichnet [24]. Tierische Lebensmittel, wie Muskelfleisch, Leber, Fisch und Eier, enthalten hauptsächlich Coenzym Q10, während Nahrungsmittel pflanzlicher Herkunft überwiegend Ubichinone mit einer geringeren Anzahl an Isopreneinheiten aufweisen – zum Beispiel findet sich in Vollkornprodukten eine hohe Menge an Coenzym Q9 [10, 17, 20, 25].

Ubichinone haben strukturelle Ähnlichkeiten zu Vitamin E und Vitamin K [10, 17, 20, 25].

Synthese

Der Humanorganismus ist in der Lage, Coenzym Q10 in nahezu allen Geweben und Organen selbst herzustellen. Hauptsyntheseorte sind die Membranen der Mitochondrien ("Energiekraftwerke" der eukaryotischen Zellen) in der Leber [3, 9, 20]. Vorstufe für den Benzochinonanteil ist die Aminosäure Tyrosin, die endogen (im Körper) aus der essentiellen (lebensnotwendigen) Aminosäure Phenylalanin synthetisiert wird. Die am Chinonring gebundenen Methyl (CH₃)-Gruppen stammen aus dem universellen Methylgruppendonator (Abgabe von CH₃-Gruppen) S-Adenosylmethionin (SAM). Die Synthese der isoprenoiden Seitenkette folgt dem allgemeinen Biosyntheseweg isoprenoider Substanzen über Mevalonsäure (verzweigtkettige, gesättigte Hydroxyfettsäure) – sogenannter Mevalonatweg (Bildung von Isoprenoiden aus Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA)) [3, 4, 9, 17, 20, 24, 25].
Für die Coenzym Q10-Eigensynthese werden zusätzlich verschiedene Vitamine der B-Gruppe, wie Niacin (Vitamin B3), Pantothensäure (Vitamin B5), Pyridoxin (Vitamin B6), Folsäure (Vitamin B9) und Cobalamin (Vitamin B12), benötigt [3, 13, 25]. So ist beispielsweise Pantothensäure an der Bereitstellung von Acetyl-CoA, Pyridoxin an der Biosynthese des Benzochinons aus Tyrosin und Folsäure und Cobalamin an der Remethylierung (Übertragung einer CH₃-Gruppe) von Homocystein zu Methionin (→ Synthese von SAM) beteiligt [12, 28].

Eine ungenügende Versorgung mit den Ubichinonvorstufen Tyrosin, SAM und Mevalonsäure und den Vitaminen B3, B5, B6, B9 und B12 kann die körpereigene Q10-Synthese signifikant vermindern und das Risiko eines Coenzym Q10-Mangels erhöhen [3, 24]. Ebenso kann eine defizitäre (mangelhafte) Zufuhr von Vitamin E die Eigensynthese von Q10 reduzieren und zu einem deutlichen Abfall des Ubichinongehaltes der Organe führen [3].

Patienten mit langfristiger totaler parenteraler Ernährung (künstliche Ernährung unter Umgehung des Magen-Darmtraktes) weisen aufgrund einer unzureichenden endogenen (körpereigenen) Synthese häufig einen Coenzym Q10-Mangel auf. Ursache für die mangelhafte Q10-Eigensynthese ist das Ausbleiben des First-pass-Metabolismus (Umwandlung eines Stoffes währenddessen erster Passage durch die Leber) von Phenylalanin zu Tyrosin und die bevorzugte Verwendung von Tyrosin zur Proteinbiosynthese (körpereigene Herstellung von Eiweiß). Zudem entfällt der First-pass-Effekt von Methionin zu SAM, sodass Methionin vornehmlich außerhalb der Leber zu Sulfat transaminiert (Verschiebung beziehungsweise Abgabe einer Amino (NH₂)-Gruppe) wird [24].

Im Zuge von Erkrankungen, wie der Phenylketonurie (PKU), kann die Q10-Syntheserate ebenfalls herabgesetzt sein. Bei dieser Erkrankung handelt es sich um die häufigste angeborene Stoffwechselstörung mit einer Inzidenz (Anzahl der Neuerkrankungen) von etwa 1:8.000. Betroffene Patienten weisen eine fehlende oder verminderte Aktivität des Enzyms Phenylalaninhydroxylase (PAH) auf, das für den Abbau von Phenylalanin zu Tyrosin zuständig ist. Die Folge ist eine Akkumulation (Anhäufung) von Phenylalanin im Körper, was zur Beeinträchtigung der Hirnentwicklung führt. Durch den fehlenden Stoffwechselpfad zum Tyrosin tritt ein relativer Mangel an dieser Aminosäure auf, der neben der Biosynthese des Neurotransmitters Dopamin, des Schilddrüsenhormons Thyroxin und des Pigmentsfarbstoffs Melanin die Synthese von Coenzym Q10 vermindert [10].

Eine Therapie mit Statinen (Medikamente zur Senkung des Cholesterinspiegels), die bei Hypercholesterinämie (erhöhter Cholesterin-Serumspiegel) zum Einsatz kommt, geht mit einem erhöhten Coenzym Q10-Bedarf einher. Statine, wie Simvastatin, Pravastatin, Lovastatin und Atorvastatin, gehören der pharmakologischen Substanzklasse der 3-Hydroxy-3-Methylglutaryl-Coenzym-A-Reduktase (HMG-CoA-Reduktase)-Hemmer an, die durch Enzymblockierung die Umwandlung von HMG-CoA zu Mevalonsäure – geschwindigkeitsbestimmender Schritt bei der Cholesterinsynthese – inhibieren (hemmen). Statine werden daher auch als Cholesterin-Synthese-Enzym (CSE)-Hemmer bezeichnet. Über die Blockade der HMG-CoA-Reduktase, die zu einer verminderten Bereitstellung von Mevalonsäure führt, verhindern Statine neben der Cholesterinbiosynthese die körpereigene Ubichinonsynthese [6, 9, 10, 11, 19, 20, 25]. Bei Patienten, die mit CSE-Hemmern behandelt werden, ist häufig eine reduzierte Q10-Serumkonzentration zu beobachten [4, 8, 14, 18, 22, 26]. Es ist jedoch unklar, ob der verminderte Q10-Gehalt im Serum aus der erniedrigten Eigensynthese oder aus der statininduzierten Senkung des Lipid-Serumspiegels beziehungsweise aus beidem resultiert, denn die Serumkonzentration von Ubichinon-10, das im Blut durch Lipoproteine transportiert wird, korreliert mit der der im Blut zirkulierenden Lipide [11, 14].
Die eingeschränkte Eigensynthese von Q10 unter Verwendung von Statinen erhöht bei gleichzeitig geringer alimentärer (die Nahrung betreffend) Q10-Zufuhr das Risiko eines Coenzym Q10-Mangels [6, 9, 8, 15, 19, 20, 25, 26]. Aus diesem Grund sollten Patienten, die regelmäßig HMG-CoA-Reduktasehemmer einnehmen müssen, auf eine ausreichende Coenzym Q10-Zufuhr über die Nahrung achten beziehungsweise zusätzlich eine Q10-Supplementierung (Nahrungsergänzung) erhalten [4, 9, 10, 19, 20, 25]. Durch den Einsatz von Coenzym Q10 lassen sich die Nebenwirkungen der CSE-Hemmer wesentlich reduzieren, da diese zum Teil auf ein Defizit an Ubichinon-10 zurückzuführen sind [25].

Mit zunehmendem Alter kann eine abnehmende Q10-Konzentration in verschiedenen Organen und Geweben beobachtet werden [5, 10, 17, 25]. Als Ursache wird unter anderem eine verminderte Eigensynthese diskutiert, die vermutlich aus einer ungenügenden Versorgung mit den Ubichinonvorstufen und/oder mit verschiedenen Vitaminen der B-Gruppe resultiert [25]. So findet sich bei Senioren häufig eine Hyperhomocysteinämie (erhöhter Homocysteinspiegel) infolge eines Mangels an Vitamin B12, Folsäure beziehungsweise Vitamin B6, die mit einer reduzierten Bereitstellung von SAM einhergeht [10, 12, 29].

Resorption

Ähnlich wie die fettlöslichen Vitamine A, D, E und K werden auch die Coenzyme Q aufgrund ihrer lipophilen isoprenoiden Seitenkette im Rahmen der Fettverdauung im oberen Dünndarm resorbiert (aufgenommen), d.h. die Anwesenheit von Nahrungsfetten als Transportmittel der lipophilen Moleküle, von Gallensäuren zur Solubilisierung (Erhöhung der Löslichkeit) und Micellenbildung (Bildung von Transportkügelchen, welche fettlösliche Substanzen in wässriger Lösung transportierbar machen) und von Pankreasesterasen (Verdauungsenzymen aus der Bauchspeicheldrüse) zur Spaltung von gebundenen Ubichinonen ist für eine optimale intestinale Aufnahme (Aufnahme über den Darm) notwendig.

Nahrungsgebundene Ubichinone unterliegen im Darmlumen zunächst einer Hydrolyse (Spaltung durch Reaktion mit Wasser) mittels Esterasen (Verdauungsenzymen) aus dem Pankreas (Bauchspeicheldrüse). Die dabei freiwerdenden Coenzyme Q gelangen als Bestandteil der gemischten Micellen (Aggregate aus Gallensalzen und amphiphilen Lipiden) an die Bürstensaummembran der Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) und werden internalisiert (in die Zellen aufgenommen). Intrazellulär (innerhalb der Zellen) erfolgt die Inkorporation (Aufnahme) der Ubichinone in Chylomikronen (fettreiche Lipoproteine), die die lipophilen Vitaminoide über die Lymphe in den peripheren Blutkreislauf transportieren [2, 4, 11, 14, 17].

Aufgrund des hohen Molekulargewichts und der Lipidlöslichkeit ist die Bioverfügbarkeit der zugeführten Ubichinone gering und liegt vermutlich zwischen 5-10 %. Die Absorptionsrate sinkt mit ansteigender Dosis. Die gleichzeitige Aufnahme von Fetten und sekundären Pflanzenstoffen, wie Flavonoiden, erhöht die Bioverfügbarkeit von Coenzym Q10 [1, 9, 25, 27].

Transport und Verteilung im Körper

Während des Transports zur Leber werden freie Fettsäuren (FFS) und Monoglyceride aus den Chylomikronen unter Einwirkung der Lipoproteinlipase (LPL), die sich auf Zelloberflächen befindet und Triglyceride spaltet, an periphere Gewebe, wie Fettgewebe und Muskulatur, abgegeben. Durch diesen Prozess werden die Chylomikronen zu Chylomikronen-Remnants (fettarmen Chylomikronen-Restpartikeln) abgebaut, die an spezifische Rezeptoren der Leber binden. Die Aufnahme der Coenzyme Q in die Leber erfolgt mittels rezeptorvermittelter Endozytose (Aufnahme in die Zellen durch Einstülpung der Biomembran unter Bildung von Vesikeln) [2, 4, 11, 14, 17, 27].

In der Leber werden alimentär zugeführte niedrigkettige Coenzyme (Coenzyme Q1-Q9) in Coenzym Q10 umgewandelt [3, 9, 17, 25]. Ubichinon-10 wird im Anschluss in VLDL (very low density lipoproteins; fetthaltige Lipoproteine sehr geringer Dichte) einlagert. VLDL wird von der Leber sezerniert (abgesondert) und in den Blutkreislauf eingebracht, um Coenzym Q10 auf extrahepatische (außerhalb der Leber) Gewebe zu verteilen [2, 4, 11, 14].

Coenzym Q10 ist in Membranen und lipophilen subzellulären Strukturen, besonders in der inneren Mitochondrienmembran, aller Körperzellen lokalisiert – vorrangig in solchen mit hohem Energieumsatz [4, 24]. Die höchsten Q10-Konzentrationen finden sich in Herz, Leber und Lungen, gefolgt von Nieren, Pankreas (Bauchspeicheldrüse) und Milz [13, 24, 25]. In Abhängigkeit von den jeweiligen Redoxverhältnissen (Reduktions-/Oxidationsverhältnissen) liegt das Vitaminoid in oxidierter (Ubichinon-10, kurz: CoQ10) beziehungsweise reduzierter Form (Ubichinol-10, Ubihydrochinon-10, kurz: CoQ10H₂) vor und beeinflusst damit sowohl die Struktur als auch die enzymatische Ausstattung der Zellmembranen [4, 10]. So wird zum Beispiel die Aktivität der transmembranen Phospholipasen (Enzyme, die Phospholipide und andere lipophile Substanzen spalten) durch den Redoxstatus kontrolliert [4]. Ubiquinon wird nach der oralen Einnahme von den Schleimhautzellen in der Dünndarmwand resorbiert und in Ubiquinol umgewandelt, bevor es in den Blutkreislauf gelangt. Das im Blutplasma enthaltene Coenzym Q10 besteht üblicherweise zu etwa 95 % aus Ubiquinol und zu weniger als 5 % aus Ubiquinon. Die orale Aufnahme von Ubiquinol, z. B. als Nahrungsergänzung, führt – verglichen mit der gleichen Menge Ubiquinon – zu einer signifikant höheren Plasmakonzentration von Coenzym Q10 [30, 31].

Die Aufnahme von Coenzym Q10 durch die Zielzellen ist eng an den Lipoproteinkatabolismus (Abbaustoffwechsel der Lipoproteine) gekoppelt. Indem VLDL an periphere Zellen bindet, werden durch Einwirkung der Lipoproteinlipase ein Teil des Q10, freie Fettsäuren und Monoglyceride durch passive Diffusion internalisiert (in die Zellen aufgenommen). Daraus resultiert der Katabolismus von VLDL zu IDL (intermediate density lipoproteins) und anschließend zu LDL (low density lipoproteins; cholesterinreiche Lipoproteine geringer Dichte). An LDL gebundenes Ubichinon-10 wird einerseits über rezeptorvermittelte Endozytose in Leber und extrahepatische Gewebe aufgenommen und andererseits auf HDL (high density lipoproteins; proteinreiche Lipoproteine hoher Dichte) übertragen. HDL ist wesentlich am Transport lipophiler Substanzen aus peripheren Zellen zurück zur Leber beteiligt [2, 4, 11, 14, 17, 27].

Der gesamte Ubichinon-10-Bestand im menschlichen Körper ist versorgungsabhängig und beträgt vermutlich 0,5-1,5 g [24].

Bei verschiedenen Krankheiten beziehungsweise Prozessen, wie Herzmuskel- und Tumorerkrankungen, Diabetes mellitus, neurodegenerativen Erkrankungen, Strahlenbelastung, chronischem Stress und zunehmendem Alter oder Risikofaktoren, wie Rauchen und UV-Strahlen, kann die Coenzym Q10-Konzentration im Blutplasma, in Organen und Geweben, wie in der Haut, reduziert sein. Als Ursache werden freie Radikale beziehungsweise pathophysiologische Bedingungen diskutiert. Dabei scheint der Ubiquinolspiegel stärker reduziert zu sein als der Ubiquinonspiegel, da oxidativer Stress insbesondere den Verbrauch von Ubiquinol erhöht und die Reduktion von Ubiquinon zu Ubiquinol in den Zellen stört. Das Ubiquinol/Ubiquinon-Verhältnis im Blutplasma scheint daher ein empfindlicher Biomarker für das Ausmaß an oxidativem Stress im Körper zu sein [32]. Unklar bleibt, ob der erniedrigte Q10-Gehalt selbst pathogene Auswirkungen hat oder nur eine Begleiterscheinung darstellt [4, 17, 24].
Der verminderte Ubichinon-10-Ganzkörperbestand mit zunehmendem Alter macht sich neben Leber und Skelettmuskel vor allem im Herzmuskel bemerkbar. Während 40-Jährige etwa 30 % weniger Q10 im Herzmuskel aufweisen als gesunde 20-Jährige, liegt die Q10-Konzentration 80-Jähriger um 50-60 % unter der gesunder 20-Jähriger [16, 17, 25]. Bei einem Q10-Defizit von 25 % ist mit Funktionsstörungen, bei einem Abfall der Q10-Konzentration über 75 % mit lebensbedrohlichen Störungen zu rechnen [25]. Als Ursache für eine Abnahme des Ubichinon-10-Gehaltes im Alter kommen mehrere Faktoren in Betracht. Neben einer verminderten körpereigenen Synthese und einer mangelhaften Zufuhr über die Nahrung scheint eine Abnahme der Mitochondrienmasse und ein erhöhter Verbrauch durch oxidativen Stress eine Rolle zu spielen [7, 21, 23, 25].

Des Weiteren wurde folgendes Fachbuch für die Verfassung dieses Artikels herangezogen [33].

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