Hydroxylierung

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 14. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Hydroxylierungen sind chemische Reaktionen, bei denen es zur Einführung von Hydroxylgruppen in ein Molekül kommt. Im Rahmen des Stoffwechsels sorgen Enzyme für die Katalyse der Hydroxylierungen. Die entsprechenden Enzyme werden als Hydroxylasen bezeichnet.

Was ist die Hydroxylierung?

Im Rahmen des Stoffwechsels sorgen Enzyme für die Katalyse der Hydroxylierungen. Die entsprechenden Enzyme werden als Hydroxylasen bezeichnet.

Hydroxylierungen sind in der Chemie und Biochemie sehr weit verbreitet. Allgemein bedeutet eine Hydroxylierung eine Einführung von einer oder mehreren Hydroxylgruppen in ein Molekül. Die Hydroxylgruppe besteht aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom. So entsteht unter anderem bei der katalytischen Oxidation von Methan der Alkohol Methanol. Durch katalytische Anlagerung eines Wassermoleküls an Ethen entsteht Ethanol.

Bei biochemischen Prozessen wird die Anlagerung einer Hydroxylgruppe katalytisch durch die sogenannten Hydroxylasen unterstützt. Mithilfe der Hydroxylasen können beispielsweise bestimmte Aminosäuren zu wichtigen Wirkstoffen im Organismus umgewandelt werden. So wird durch Hydroxylierungen beispielsweise Phenylalanin in Tyrosin und Tyrosin wiederum in DOPA umgewandelt. Die entsprechenden Enzyme sind die Phenylalaninhydroxylase und die Tyrosinhydroxylase. Mithilfe von Tryptophanhydroxylase wird Tryptophan in 5-Hydroxytryptophan umgewandelt.

Im Bindegewebe werden die Aminosäuren Prolin und Lysin durch Hydroxylierungen in Hydroxyprolin beziehungsweise Hydroxylysin umgewandelt. Die hydroxylierten Aminosäuren sorgen dort für die starke Vernetzung von Kollagen und damit auch für die Stärke des Bindegewebes.

Eine weitere wichtige Hydroxylierungsreaktion stellt die Umwandlung von Progesteron zu den Kortikosteroiden dar.

Funktion & Aufgabe

Hydroxylierungen sind sehr wichtige biochemische Reaktionen. So ist die Stärke des Bindegewebes von Hydroxylierungsreaktionen abhängig. Im Kollagen des Bindegewebes sind die Aminosäuren Prolin und Lysin in hoher Konzentration vorhanden. Beide Verbindungen lassen sich gut unter der Verwendung von Hydroxylasen mit einer zusätzlichen Hydroxylgruppe versehen. Dabei findet die Hydroxylierung innerhalb des Proteins statt. Aus Prolin bildet sich Hydroxyprolin und aus Lysin dementsprechend Hydroxylysin. Dafür sind die Enzyme Prolinhydroxylase und Lysinhydroxylase unter der Mitwirkung von Ascorbinsäure (Vitamin C) verantwortlich. Die Hydroxylgruppen bilden Anheftstellen für Zuckerreste oder sie sorgen gleich für eine Vernetzung der einzelnen Proteinmoleküle. Diese Vernetzung ergibt ein kräftiges und flexibles Bindegewebe.

Eine weitere Hydroxylierungsreaktion stellt die Umsetzung der Aminosäure Phenylalanin in Tyrosin dar. Diese Reaktion ist für eukaryontische Lebewesen wichtig, da hohe Phenylalaninkonzentrationen in der Zelle schädlich sind. Tyrosin wird weiter zu L-DOPA hydroxyliert. L-DOPA ist ein Katecholamin und die Vorstufe von Dopamin. So werden durch Hydroxylierungen wichtige Aminosäuren schließlich in Neurotransmitter umgewandelt.

Das Gleiche gilt für die Hydroxylierung der Aminosäure Tryptophan zu 5-Hydroxytryptophan. Diese Verbindung stellt wiederum eine Vorstufe von Serotonin, einem weiteren Neurotransmitter und Gewebshormon, dar.

Schließlich wird das Sexualhormon Progesteron durch Hydroxylierung in die Kortikosteroide umgewandelt, die als Hormone vielfältige Aufgaben im Körper übernehmen. Dazu gehören das Glukokortikoid Kortisol und das Mineralokortikoid Aldosteron. Diese Hormone werden durch Hydroxylierungen von Progesteron und Umwandlungen der Hydroxylgruppen in Keto- oder Aldehydgruppen synthetisiert.

Insgesamt sind Hydroxylierungen für den Aufbau unterschiedlicher biologischer Wirkstoffe im Organismus verantwortlich. Störungen bei diesen Reaktionen können zu schweren gesundheitlichen Problemen führen.

Krankheiten & Beschwerden

Viele Hydroxylierungen stellen wichtige Zwischenschritte im Stoffwechsel dar. Wenn Störungen bei der Hydroxylierung auftreten, werden auch die nachfolgenden Reaktionsschritte gehemmt. So können in der Folge solcher Störungen erhebliche gesundheitliche Beeinträchtigungen auftreten. Beispielsweise führt eine Hemmung der Hydroxylysierung von Prolin und Lysin im Kollagen des Bindegewebes zu einer Bindegewebsschwäche. In einigen Fällen lässt sich das Bindegewebe überdehnen. Es kann zu herabhängender Haut kommen, wobei die inneren Organe durch das Bindegewebe nicht mehr optimal geschützt sind.

Es gibt vielfältige, jedoch jeweils sehr seltene Mutationen, die zu Defekten im Aufbau der Enzyme Lysinhydroxylase oder Prolinhydroxylase führen. Jeder einzelne genetische Defekt zeigt andere Symptomatiken. Allen gemeinsam ist jedoch die Schwäche des Bindegewebes. Die weiteren Symptome sind vielfältig.

Eine erworbene Bindegewebsschwäche stellt der Skorbut dar. Skorbut entsteht bei einem Mangel an Vitamin C. Vitamin C oder auch Ascorbinsäure unterstützt die beiden oben genannten Hydroxylasen. Wird dem Körper kein Vitamin C zugeführt, können Lysin- und Prolinhydroxylase kaum noch Hydroxylierungen von Lysin und Prolin unterstützen. Das Bindegewebe ist wie die anderen Gewebe im Körper ständigen Auf- und Abbauprozessen unterlegen. Bei längerem Fehlen von Vitamin C entsteht schwaches Bindegewebe, da die Hydroxylierungen nicht mehr funktionieren. Es kommt zu vielfältigen schwerwiegenden Symptomen mit häufigen Infekten, Erschöpfung, schlecht heilenden Wunden, Hautproblemen, Muskelabbau, Zahnfleischbluten, hohem Fieber und vielem mehr. Diese Symptome verschwinden jedoch nach Verabreichung von Vitamin C.

Eine andere Erkrankung im Zusammenhang mit Störungen von Hydroxylierungen stellt die Phenylketonurie dar. Bei der Phenylketonurie kann die Aminosäure Phenylalanin nicht mehr in ausreichendem Maße abgebaut werden, da des Enzym Phenylalaninhydroxylase (PAH) entweder fehlt oder eine Fehlfunktion aufweist. Phenylalanin wirkt in höheren Konzentrationen schädlich. Es kommt zu einer Beeinträchtigung der Hirnentwicklung. Auch das Wachstum des Schädels wird gestoppt. Die Folge ist eine geistige Behinderung. Eine phenylalaninarme Diät im Kindesalter kann den Ausbruch der Erkrankung verhindern.

Kann Tyrosin nicht hydroxyliert werden, da die Tyrosinhydroxylase (TYH) fehlt, entwickelt sich das sehr seltene Segawa-Syndrom. Der Neurotransmitter Dopamin wird nicht mehr in ausreichendem Maße gebildet. Als Symptome treten Gangunsicherheiten und parkinsonähnliche Symptome auf.

Wenn Tryptophan durch das Fehlen des Enzyms Tryptophanhydroxylase nicht mehr hydroxyliert werden kann, wird zu wenig Serotonin gebildet. Es kommt häufig zu Depressionen. Schließlich können Störungen bei der Hydroxylierung von Progesteron zu hormonell bedingten Erkrankungen führen.

Quellen

Königshoff, M. et al.: Kurzlehrbuch Biochemie. Thieme, Stuttgart 2012
Löffler, G., Petrides, P.-E., Heinrich, P.-C.: Biochemie und Pathobiochemie. Springer, Berlin 2006
Piper, W.: Innere Medizin. Springer, Berlin 2013

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