Zeaxanthin
Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung


Zeaxanthin (abgeleitet von: zea mays "Mais" undxanthós (griech.) "sandgelb, blond") ist ein bekannter Vertreter aus der Substanzklasse der Carotinoide, die als lipophile (fettlösliche) Pigmentfarbstoffe zahlreichen Pflanzen ihre gelbe, orange und rötliche Farbe verleihen. Carotinoide gehören zur großen Gruppe der sekundären Pflanzenstoffe und stellen somit "anutritive Inhaltsstoffe" (bioaktive Substanzen, die keine lebenserhaltende nährende Funktion haben, sondern sich durch ihre gesundheitsfördernden Wirkungen auszeichnen) dar [4, 8, 21, 25, 29, 59, 63].

 
Entsprechend der Unterteilung der Carotinoide in Carotine, wie Alpha-Carotin, Beta- Carotin und Lycopin, die aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) bestehen, undXanthophylle, wie Lutein und Beta-Cryptoxanthin, die neben C- und H-Atomen zusätzlich Sauerstoff (O) enthalten, zählt Zeaxanthin zu den letzteren [4, 8, 10, 15, 21, 29, 39, 59, 63].

Strukturmerkmal von Zeaxanthin ist die symmetrische, mehrfach ungesättigte Polyenstruktur (organische Verbindung mit mehreren Kohlenstoff-Kohlenstoff (C-C)-Doppelbindungen), bestehend aus 8 Isoprenoid-Einheiten und 11 konjugierten Doppelbindungen (mehrere aufeinanderfolgende Doppelbindungen, die durch genau eine Einfachbindung getrennt sind). An beiden Enden der Isoprenoidkette ist je ein mit Sauerstoff substituierter Beta-Iononring (O-substituierter, konjugierter Trimethylcyclohexen-Ring) gebunden [4, 8, 21, 29, 39, 63]. Das System konjugierter Doppelbindungen ist sowohl für die gelborange Farbe als auch für einige physikochemische Eigenschaften des Zeaxanthins verantwortlich, die im direkten Zusammenhang mit deren biologischen Wirkungen stehen [53]. Trotz der polaren OH-Gruppe an beiden Ringsystemen ist Zeaxanthin ausgesprochen lipophil (fettlöslich), was die intestinale (den Darm betreffend) Resorption und Verteilung im Organismus beeinflusst [4].

Zeaxanthin weist eine hohe strukturelle Ähnlichkeit mit Lutein auf. Bei beiden Carotinoiden handelt es sich um dicyclische Xanthophylle mit der Summenformel C40H56O2 und einer molaren Masse von 568,8 g/mol, die sich nur in der Lage einer Doppelbindung in einem der beiden Trimethylcyclohexen-Ringe unterscheiden. Aus diesem Grund stellen Zeaxanthin und Lutein funktionell eng verwandte Isomere(Verbindungen gleicher Summenformel aber mit unterschiedlicher Gestalt) dar und sind im Organismus stets gemeinsam anzutreffen [4, 21, 29, 63].

Zeaxanthin kann in verschiedenen geometrischen Formen (cis-/trans-Isomerie, (R)-/(S)-Konfiguration) auftreten, die ineinander umwandelbar sind. In der Pflanze liegt das dicyclische Xanthophyll vorrangig (~ 98 %) als stabiles (R)-all-trans-Isomer – (3R,3´R)-all-trans-Zeaxanthin – vor. Im menschlichen Organismus können teils verschiedene isomere Formen nebeneinander vorkommen – cis-/trans-, (3R,3´R)-, (3S,3´S)- und meso- (3R,3´S)- beziehungsweise (3S,3´R)-Zeaxanthin [4, 8, 63]. Exogene Einflüsse, wie Hitze und Licht, können die Konfiguration von Zeaxanthin aus Lebensmitteln verändern [8, 63]. Die cis-Isomere des Zeaxanthins weisen im Gegensatz zu den all-trans-Isomeren eine geringere Tendenz zur Kristallisation und Aggregation, eine bessere Löslichkeit, eine höhere Absorptionsrate sowie einen schnelleren intra- und extrazellulären Transport auf [8].

Von den rund 700 identifizierten Carotinoiden sind etwa 60 durch den menschlichen Stoffwechsel in Vitamin A (Retinol) umwandelbar und weisen somit Provitamin A-Aktivität auf. Da bei Zeaxanthin beide Ringsysteme Sauerstoff enthalten, gehört es nicht zu den Provitaminen A [4, 8, 21, 29, 63].

Synthese

Carotinoide werden von allen zur Photosynthese befähigten Pflanzen, Algen und Bakterien synthetisiert (gebildet). Bei höheren Pflanzen erfolgt die Carotinoidsynthese sowohl im photosynthetisch aktiven Gewebe als auch in den Blütenblättern, Früchten und Pollen. Schließlich wurden in bisher allen untersuchten Blattteilen Carotinoide, vor allem Xanthophylle, entdeckt, insbesondere solche mit dicyclischer Struktur und einer Hydroxy (OH)-Gruppe an C-3 oder C-3´-Position – entsprechend Zeaxanthin und Lutein [8, 21, 29, 59].
Die Biosynthese von Zeaxanthin erfolgt aus Beta-Cryptoxanthin durchHydroxylierung (Reaktion zur Einführung einer oder mehrerer Hydroxygruppen) des nicht substituierten Beta-Iononrings mittels der Beta-Carotin-Hydroxylase – enzymatische Einführung einer OH-Gruppe [33]. In den Zellen des pflanzlichen Organismus wird Zeaxanthin in den Chromoplasten (durch Carotinoide orange, gelb und rötlich gefärbten Plastiden in Blütenblättern, Früchten oder Speicherorganen (Karotten) von Pflanzen) und Chloroplasten (Organellen der Zellen von Grünalgen und höheren Pflanzen, die Photosynthese betreiben) – eingebunden in eine komplexe Matrix aus Proteinen, Lipiden und/oder Kohlenhydraten – eingelagert [4, 25, 29, 59, 63]. Während das Xanthophyll in den Chromoplasten der Blütenblätter und Früchte derAnlockung von Tieren – für die Pollenübertragung und Samenverteilung – dient, bietet es in den Chloroplasten der Pflanzenblätter als Bestandteil der LichtsammelkomplexeSchutz vor photooxidativen Schäden (Oxidationsreaktionen durch Licht). Der antioxidative Schutz wird durch sogenanntes Quenching (Entgiftung, Inaktivierung) reaktiver Sauerstoffverbindungen (1O2, Singulettsauerstoff) erreicht, wobei Zeaxanthin Strahlungsenergie über den Triplettzustand direkt absorbiert (aufnimmt) und über Wärmeabgabe deaktiviert. Da die Fähigkeit zum Quenching mit der Anzahl der Doppelbindungen steigt, besitzt Zeaxanthin mit seinen 11 Doppelbindungen eine hohe Quenching-Aktivität [4, 15, 22, 29, 39, 48, 59, 63].

Zeaxanthin ist in der Natur weit verbreitet und neben Alpha- und Beta-Carotin, Beta-Cryptoxanthin, Lycopin sowie Lutein das in pflanzlichen Nahrungsmitteln meist vorkommende Carotinoid [26, 49, 63]. Es wird stets von seinem Isomer Lutein begleitet und findet sich mit diesem vorwiegend in dunkelgrünen Blattgemüsen, wie Kohl, vor allem Grühnkohl, Spinat, Salat, Rübstiel und Petersilie, wobei der Gehalt je nach Sorte, Jahreszeit, Reifegrad, Wachstums-, Ernte- und Lagerbedingungen sowie in den unterschiedlichen Teilen der Pflanze stark variieren kann [4, 8, 21, 29, 39, 59, 62, 63, 70]. Zum Beispiel ist in den äußeren Blättern von Kohl und Salat deutlich mehr Zeaxanthin enthalten als in den inneren Blättern [39, 49]. Hohe Zeaxanthingehalte lassen sich auch in Mais – dort stellt Zeaxanthin das primäre gelbe Pigment dar –, Paprika und Safran nachweisen [4, 21, 29]. Über pflanzliche Futtermittel gelangt das dicyclische Xanthophyll in den tierischen Organismus, wo es sich in Blut, Haut oder Gefieder anreichert und Lock-, Warn- beziehungsweise Tarnfunktion hat. So ist Zeaxanthin beispielsweise für die gelbe Farbe der Schenkel und Krallen von Hühnern, Gänsen und Enten verantwortlich. Auch die Farbe des Eigelbs ist auf die Anwesenheit von Xanthophyllen, vor allem von Lutein und Zeaxanthin – im Verhältnis von etwa 4:1 –, zurückzuführen [4, 8, 21, 29, 41, 53, 59, 63].

Für medizinische Zwecke – Arznei-, Nahrungsergänzungsmittel – und für den Einsatz in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie – Lebensmittelfarbstoff (E 161h), Zusatz im Tierfutter (Vor- und Futtermischungen), um Färbungen in tierischen Produktenzu erzielen – wird Zeaxanthin synthetisch hergestellt oder aus zeaxanthinhaltigen Algen und Pflanzenteilen, beispielsweise aus den Blütenblättern von Tagetes(Studentenblume, krautige Pflanze mit zitronengelben bis braunroten Blütenständen), mittels Extraktion gewonnen. Durch gentechnologische Methoden ist es möglich, Gehalt und Muster von Carotinoiden in Pflanzen zu beeinflussen und somit die Zeaxanthinkonzentration gezielt zu erhöhen [4, 13].

Resorption

Aufgrund seines lipophilen (fettlöslichen) Charakters wird Zeaxanthin im Rahmen der Fettverdauung im oberen Dünndarm resorbiert (aufgenommen). Dies macht die Anwesenheit von Nahrungsfetten (3-5 g/Mahlzeit) als Transportmittel, vonGallensäuren zur Solubilisierung (Erhöhung der Löslichkeit) und Micellenbildung und von Esterasen (Verdauungsenzymen) zur Spaltung von mit Fettsäuren verestertem Zeaxanthin notwendig [4, 15, 21, 29, 72, 76].

Nach Freisetzung aus der Nahrungsmatrix vereint sich Zeaxanthin im Dünndarmlumen mit anderen lipophilen Substanzen und Gallensäuren zu gemischten Micellen(kugelförmige Gebilde mit 3-10 nm Durchmesser, in denen die Lipidmoleküle so angeordnet sind, dass die wasserlöslichen Molekülanteile nach außen und die wasserunlöslichen Molekülanteile nach innen gekehrt sind) – Micellarphase zurSolubilisierung (Erhöhung der Löslichkeit) der Lipide –, die über einen passiven Diffusionsprozess in die Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) des Duodenums(Zwölffingerdarm) und Jejunums (Leerdarm) aufgenommen werden [2, 4, 15, 21, 29, 56, 63, 76].

Die Absorptionsrate von Zeaxanthin aus pflanzlichen Lebensmitteln ist intra- und interindividuell sehr unterschiedlich und beträgt je nach Anteil gleichzeitig zugeführter Fette zwischen 30 bis 60 % [4, 11, 15, 21, 48, 63].

Im Hinblick auf ihren fördernden Einfluss auf die Zeaxanthin-Absorption sind gesättigte Fettsäuren weitaus effektiver als mehrfach ungesättigte Fettsäuren(Polyenfettsäuren, PFS), was wie folgt begründet werden kann [15]:

  • PFS erhöhen die Größe gemischter Micellen, wodurch die Diffusionsgeschwindigkeit sinkt
  • PFS verändern die Ladung der micellaren Oberfläche und setzen somit die Affinität (Bindungsstärke) zu den Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) herab
  • PFS (Omega-3- und -6-Fettsäuren) beanspruchen in Lipoproteinen (Aggregate aus Lipiden und Proteinen – micellenähnliche Partikel –, die dem Transport lipophiler Substanzen im Blut dienen) mehr Raum als gesättigte Fettsäuren und begrenzen somit den Raum für andere lipophile Moleküle, darunter Zeaxanthin
  • PFS, vor allem Omega-3-Fettsäuren, hemmen die Lipoproteinsynthese

Die Bioverfügbarkeit von Zeaxanthin ist neben der Fettzufuhr auch von folgenden endogenen und exogenen Faktoren abhängig [4, 11, 14, 15, 21, 29, 48, 55-57, 72, 76]:

  • Menge an alimentär (über die Nahrung) zugeführtem Zeaxanthin – mit steigender Dosis nimmt die relative Bioverfügbarkeit des Carotinoids ab
  • Isomere Form – Zeaxanthin wird im Gegensatz zu anderen Carotinoiden, wie Beta-Carotin, in seiner cis-Konfiguration besser resorbiert als in seiner all-trans-Form; Hitzebehandlung, wie Kochen, fördert die Umwandlung von all-trans- zu cis-Zeaxanthin [4, 8]
  • Nahrungsquelle – aus Supplementen (isoliertes Zeaxanthin in öliger Lösung – frei vorliegend oder mit Fettsäuren verestert) ist das Carotinoid besser verfügbar als aus pflanzlichen Lebensmitteln (natives, komplexgebundenes Zeaxanthin), was sich in einem deutlich höheren Anstieg des Zeaxanthin-Serumspiegels nach Einnahme von Supplementen gegenüber der Aufnahme gleicher Mengen aus Obst und Gemüse äußert [72, 76]
  • Lebensmittelmatrix, in die Zeaxanthin eingebunden ist – aus verarbeitetem Gemüse (mechanische Zerkleinerung, Hitzebehandlung, Homogenisierung) wird Zeaxanthin deutlich besser resorbiert (> 15 %) als aus rohen Lebensmitteln (< 3 %), da das Carotinoid in rohen Gemüsen in der Zelle kristallin vorliegt und von einer festen, schwer resorbierbaren Cellulose- und/oder Proteinmatrixumschlossen ist [72, 76]; da Zeaxanthin hitzeempfindlich ist, sollten zeaxanthinhaltige Nahrungsmittel schonend zubereitet werden, um die Verluste so gering wie möglich zu halten [4, 15]
  • Interaktionen mit anderen Nahrungsmittelinhaltsstoffen
    • Ballaststoffe, wie Pektine aus Früchten, setzen die Bioverfügbarkeit von Zeaxanthin herab, indem diese schwerlösliche Komplexe mit dem Carotinoid bilden
    • Olestra (synthetischer Fettersatzstoff, bestehend aus Estern von Saccharose und langkettigen Fettsäuren (→ Saccharosepolyester), der von den körpereigenen Lipasen (fettspaltende Enzyme) aufgrund sterischer Hinderung nicht gespalten werden kann und unverändert ausgeschieden wird) reduziert die Zeaxanthin-Resorption [15, 47]; nach Koonsvitsky et al (1997) resultiert aus einer täglichen Zufuhr von 18 g Olestra über einen Zeitraum von 3 Wochen ein Abfall des Carotinoid-Serumspiegels um 27 % [34]
    • Phytosterine und -stanole (in fettreichen Pflanzenteilen, wie Samen, Keime und Kerne, vorkommende chemische Verbindungen aus der Klasse der Sterine, die der Struktur des Cholesterins sehr ähnlich sind und deren Absorption kompetitiv hemmen) können die intestinale Aufnahme von Zeaxanthin beeinträchtigen; so kann die regelmäßige Verwendung vonphytosterolhaltigen Brotaufstrichen, wie Margarine, zu einem mäßig erniedrigten (um 10-20 %) Carotinoid-Serumspiegel führen [30, 75]; durch eine gleichzeitig erhöhte tägliche Zufuhr carotinoidreicher Obst- und Gemüsesorten lässt sich eine Reduktion der Carotinoidkonzentration im Serum durch den Verzehr phytosterolhaltiger Margarine verhindern [49, 50]
    • Die Aufnahme von Carotinoidgemischen, wie Zeaxanthin, Lutein, Beta-Carotin, Cryptoxanthin und Lycopin, kann die intestinale Zeaxanthin-Aufnahme – auf Ebene der Inkorporation in die gemischten Micellen im Darmlumen, der Enterozyten während des intrazellulären Transports und des Einbaus in Lipoproteine – sowohl hemmen als auch fördern, wobeistarke interindividuelle Unterschiede auftreten [14, 63, 71]; nach Olsen (1994) führt die Verabreichung hoher pharmakologischer Beta-Carotin-Dosen zu einer verminderten Zeaxanthinabsorption und einem Abfall des Zeaxanthin-Serumspiegels – vermutlich aufgrund vonkinetischen Verdrängungsvorgängen entlang der intestinalen Mukosa (Darmschleimhaut) [52]; dabei scheint die bevorzugte Monosupplementierung hoher Dosen von Beta-Carotin die intestinale Aufnahme insbesondere solcher Carotinoide zu hemmen, die ein höheres protektives Potential als Beta-Carotin besitzen, wie Zeaxanthin, Lutein und Lycopin [54], und im Serum in signifikanten Mengen vorliegen [52]; Wahlquist et al (1994) konnten bei täglicher Gabe von 20 mg Beta-Carotin über einen Zeitraum von einem Jahr keine Beeinflussung der Zeaxanthin-Serumkonzentration feststellen [73]
    • Proteine und Vitamin E steigern die Zeaxanthin-Resorption [48]
  • Individuelle Verdauungsleistung, wie mechanische Zerkleinerung im oberen Verdauungstrakt, pH-Wert des Magens, Gallenfluss – gründliches Kauen und ein niedriger pH-Wert des Magensaftes fördern den Zellaufschluss und die Freisetzung von gebundenem beziehungsweise verestertem Zeaxanthin, was die Bioverfügbarkeit des Carotinoids erhöht; ein verminderter Gallenfluss senkt die Bioverfügbarkeit aufgrund der beeinträchtigten Micellenbildung
  • Versorgungsstatus des Organismus
  • Genetische Faktoren

Transport und Verteilung im Körper

In den Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) des oberen Dünndarms wird Zeaxanthin gemeinsam mit anderen Carotinoiden und lipophilen Substanzen, wie Triglyceride, Phospholipide und Cholesterin, in Chylomikronen (CM, lipidreiche Lipoproteine) eingebaut, die durch Exocytose (Stofftransport aus der Zelle) in die Zwischenräume der Enterozyten sezerniert (abgesondert) und über die Lympheabtransportiert werden. Über den Truncus intestinalis (unpaarer Lymphsammelstamm der Bauchhöhle) und Ductus thoracicus (Lymphsammelstamm der Brusthöhle) gelangen die Chylomikronen in die Vena subclavia (Schlüsselbeinvene) beziehungsweise Vena jugularis (Halsader), die zur Vena brachiocephalica (linke Seite) zusammenfließen – Angulus venosus (Venenwinkel). Die Venae brachiocephalicae beider Seiten vereinen sich zur unpaaren Vena cava superior (obere Hohlvene), die in den rechten Herzvorhof (Atrium cordis dextrum) mündet. Durch die Pumpkraft des Herzens werden die Chylomikronen in den peripheren Blutkreislaufeingebracht [4, 15, 21, 29, 46, 59, 63, 76].

Durch eine einmalige Gabe der halophilen Meeresalge Dunaliella salina, die beträchtliche Mengen an Carotinoiden, darunter (all-trans-, cis-)Beta-Carotin, Alpha-Carotin, Cryptoxanthin, Lycopin, Lutein und Zeaxanthin, produzieren kann, konnte im Blut gesunder Personen gezeigt werden, dass Chylomikronen bevorzugt die Xanthophylle Lutein und Zeaxanthin gegenüber den Carotinen, wie Alpha- und Beta-Carotin, einlagern. Als Ursache wird die höhere Polarität von Xanthophyllen aufgrund derer freien Hydroxy (OH)-Gruppen diskutiert, die zu einer effizienteren Aufnahmevon Zeaxanthin sowohl in die gemischten Micellen als auch in die Lipoproteine im Vergleich zu Beta-Carotin führt [11, 18, 21, 63].

Chylomikronen haben eine Halbwertszeit (Zeit, in der sich ein exponentiell mit der Zeit abnehmender Wert halbiert hat) von etwa 30 Minuten und werden während des Transports zur Leber zu Chylomikronen-Remnants (CM-R, fettarme Chylomikronen-Restpartikel) abgebaut. In diesem Zusammenhang spielt die Lipoproteinlipase (LPL)eine entscheidende Rolle, die sich auf der Oberfläche von Endothelzellen der Blutkapillaren befindet und durch Lipidspaltung zur Aufnahme freier Fettsäuren und geringer Mengen an Zeaxanthin in verschiedene Gewebe, zum Beispiel Muskel-, Fettgewebe und Milchdrüse, führt. Der überwiegende Teil des Zeaxanthins verbleibt jedoch in den CM-R, die an spezifische Rezeptoren der Leber binden und mittels rezeptorvermittelter Endozytose (Einstülpungsvorgang der Zellmembran → Abschnürung CM-R-haltiger Vesikel (Zellorganellen) ins Zellinnere) in die Parenchymzellen der Leber aufgenommen werden. In den Leberzellen wird Zeaxanthin teilweise gespeichert, ein anderer Teil wird in VLDL (very low density lipoproteins; lipidhaltige Lipoproteine sehr geringer Dichte) eingelagert, durch die das Carotinoid über den Blutkreislauf zuextrahepatischen ("außerhalb der Leber") Geweben gelangt [15, 21, 29]. Indem im Blut zirkulierendes VLDL an periphere Zellen bindet, werden die Lipide durch Einwirkung der LPL gespalten und die dabei freiwerdenden lipophilen Substanzen, darunter Zeaxanthin, durch passive Diffusion internalisiert (nach innen aufgenommen). Daraus resultiert der Katabolismus (Abbau) von VLDL zu IDL (intermediate density lipoproteins). IDL-Partikel können entweder von der Leber rezeptorvermittelt aufgenommen und dort abgebaut oder im Blutplasma durch eine Triglyceridlipase (fettspaltendes Enzym) zum cholesterinreichen LDL (low density lipoproteins; cholesterinreiche Lipoproteine geringer Dichte) metabolisiert (verstoffwechselt) werden. An LDL gebundenes Zeaxanthin wird einerseits über rezeptorvermittelte Endozytose in Leber und extrahepatische Gewebe aufgenommen und andererseits auf HDL (high density lipoproteins; proteinreiche Lipoproteine hoher Dichte) übertragen, die am Transport von Zeaxanthin und anderen lipophilen Molekülen, vor allem Cholesterin, aus peripheren Zellen zurück zur Leber beteiligt sind [4, 15, 21, 29, 63].

In den menschlichen Geweben und Organen findet sich ein komplexes Gemisch von Carotinoiden, das sowohl qualitativ (Muster der Carotinoide) als auch quantitativ (Konzentration der Carotinoide) starken individuellen Schwankungen unterworfen ist [4, 32]. Lutein und Zeaxanthin, Alpha- und Beta-Carotin, Lycopin sowie Alpha- und Beta-Cryptoxanthin sind die Hauptcarotinoide im Organismus und tragen etwa 80 % zum Gesamtcarotinoidgehalt bei [4, 15, 29].
Zeaxanthin kommt – stets begleitet von Lutein – in allen Geweben und Organen des Menschen vor, wobei es deutliche Konzentrationsunterschiede gibt. Neben Leber, Nebennieren, Testes (Hoden) und Ovarien (Eierstöcke) – vor allem der Corpus luteum (Gelbkörper) – weist insbesondere der Gelbe Fleck des Auges (lat.: Macula lutea, dünnes, transparentes, licht-sensitives Nervengewebe mit der größten Dichte an Photorezeptorzellen (Stäbchen und Zapfen) → "der Punkt des schärfsten Sehens") einen hohen Gehalt an Zeaxanthin auf [4, 21, 29, 35, 40, 59, 61, 63, 65]. Der Gelbe Fleck befindet sich in der Mitte der Retina (Netzhaut) temporal (schläfenseitig) der Sehnervenpapille gelegen und hat einen Durchmesser von 3-5 mm. Vom äußeren (Perifovea) zum inneren Bereich (Parafovea) der Macula nimmt der Anteil an Stäbchen ab, so dass im Zentrum des Gelben Flecks, in der Fovea centralis (seichte Vertiefung – "Sehgrube", Bereich des schärfsten Sehens (höchste Ortsauflösung)), ausschließlich Zapfen (für die Farbwahrnehmung verantwortliche Sehzellen) vorhanden sind. Mit der Menge an Zapfen steigt von der Perifovea zur Fovea centralis hin auch der Gehalt an Lutein und Zeaxanthin stark an – Konzentrierung des makulären Pigments (Lutein und Zeaxanthin) auf einen Bereich  von circa 1,5 mm Radius um die Fovea centralis [4, 16, 60]. Die Macula enthält Lutein und Zeaxanthin als einzige Carotinoide [69], wobei Zeaxanthin an einem spezifischen Bindungsprotein (GSTP1, Glutathion-S-Transferase aus der Klasse pi) gebunden ist [40] und hauptsächlich in Form seines (3R,3´R)-Isomers und als meso-Zeaxanthin ((3R,3´S)- beziehungsweise (3S,3´R)-Zeaxanthin) auftritt. Es wird vermutet, dass meso-Zeaxanthin ein Umwandlungsprodukt von Lutein darstellt [5]. In der Fovea centralis scheint Lutein eine chemische Reaktion durchzumachen. Durch reaktive Verbindungen könnte es zu Oxo-Lutein oxidiert und anschließend zu Zeaxanthin beziehungsweise meso-Zeaxanthin reduziert werden. Die dafür benötigten Enzyme konnten bisher nicht identifiziert werden [31]. Da die Retina von Kindern im Vergleich zu der von Erwachsenen mehr Lutein und weniger meso-Zeaxanthin enthält, scheint dieser Mechanismus im kindlichen Organismus noch nicht so stark ausgeprägt zu sein [6].
Lutein und Zeaxanthin geben dem Gelben Fleck seine Farbe und sind funktionell alsLichtfilter und Antioxidans bedeutsam [4, 22, 28, 35, 40, 44, 59, 61, 63, 65, 69]. Beide Xanthophylle können aufgrund ihrer konjugierten Doppelbindungen mit hoher Effizienz den blauen (energiereichen kurzwelligen) und potentiell schädlichen Anteil des sichtbaren Lichts absorbieren (aufnehmen) und somit die Photorezeptoren vor photooxidativen Schäden schützen, die bei der Pathogenese (Entstehung) dersenilen (altersbedingten) Makuldegeneration (AMD) eine Rolle spielen [4, 21, 22, 28, 35, 36, 40, 59, 61-63, 65, 69]. Die AMD ist durch einen allmählichen Funktionsverlust der Netzhautzellen gekennzeichnet und die Hauptursache für eine Erblindung bei Menschen im Alter von > 50 Jahren in den Industrieländern [27, 59]. Untersuchungen an verstorbenen AMD-Patienten konnten zeigen, dass deren Netzhäute signifikant erniedrigte Zeaxanthin- und Luteingehalte aufwiesen. Epidemiologischen Studien zur Folge ist eine erhöhte Zufuhr von Lutein und Zeaxanthin (mindestens 6 mg/Tag aus Früchten und Gemüsen) mit einem Anstieg der Pigmentdichte in der Macula und einem bis zu 82 % verminderten Risiko, an AMD zu erkranken, assoziiert [3, 7, 21, 29, 37, 40, 42, 43, 59, 63-67, 69]. Schließlich läßt sich mit einer vermehrten Aufnahme beider Xanthophylle über die Nahrung deren Konzentrationen im Gelben Fleck deutlich steigern, die mit den Lutein- und Zeaxanthin-Serumspiegeln korrelieren [1, 3, 7, 17]. Die Anreicherungsprozesse benötigen bis zu mehrere Monate, so dass die erhöhte Lutein- und Zeaxanthin-Zufuhr langfristig angelegt sein muss. In entsprechenden Studien waren die Konzentrationen beider Xanthophylle nach einem Monat noch nicht signifikant gestiegen [20, 38, 61, 65]. Die bisherige Datenlage weist neben der Reduktion des AMD-Risikos auch auf eine positive Beeinflussung auf den Verlauf der AMD durch Lutein und Zeaxanthin hin, so dass die Xanthophylle sowohl in der Prävention als auch in der Therapie dieser Augenerkrankung von Nutzen sein könnten [21].

Neben der Macula lutea kommt Zeaxanthin auch in der Augenlinse vor, in der es gemeinsam mit Lutein die einzigen Carotinoide darstellt. Indem die dicyclischen Xanthophylle die photochemische Erzeugung reaktiver Sauerstoffspezies hemmen und somit unter anderem eine Modifizierung der Linsenproteine und die Ansammlung von Glycoproteinen und Oxidationsprodukten verhindern, können sie die Progression (Fortschreiten) des Katarakts (Grauer Star, Trübung der Augenlinse) unterbinden beziehungsweise verlangsamen [17, 19-21, 26, 31, 53, 55]. Dafür sprechen mehrere prospektive Studien, in denen eine vermehrte Aufnahme lutein- und zeaxanthinreicher Lebensmittel, wie Spinat, Grünkohl und Brokkoli, die Wahrscheinlichkeit, eine Katarakt zu entwickeln [19, 24, 41, 45, 59] beziehungsweise eine Kataraktextraktion(operativer Eingriff, bei dem die getrübte Augenlinse entfernt und durch eine Kunstlinse ersetzt wird) zu benötigen [9, 12, 24, 29], um 18-50 % senken konnte. Voraussetzung ist eine regelmäßig und langfristig hohe Zufuhr von Lutein und Zeaxanthin über die Nahrung, um ausreichende Konzentrationen der Xanthophylle im Auge zu erzielen.Hohe Lutein- und Zeaxanthin-Gehalte in der Retina korrelieren mit transparenten Augenlinsen [23].

Im Hinblick auf die absolute Konzentration und den Beitrag des Gewebes zum Gesamtgewicht des Organismus ist Zeaxanthin größtenteils im Fettgewebe (circa 65 %) und in der Leber lokalisiert. Daneben findet sich Zeaxanthin geringfügig in Lunge, Gehirn, Herz, Skelettmuskulatur und Haut [4, 29, 48, 59, 63]. Zwischen der Gewebespeicherung und oralen Zufuhr des Carotinoids herrscht eine direkte jedoch nicht lineare Korrelation (Beziehung). So wird Zeaxanthin nach Aussetzen der Zufuhr nur sehr langsam über mehrere Wochen aus den Gewebedepots freigesetzt [59].

Im Blut wird Zeaxanthin durch Lipoproteine transportiert, die sich aus lipophilen Molekülen und Apolipoproteinen (Proteinanteil, Funktion als strukturelles Gerüst und/oder Erkennungs- und Andockmolekül, beispielsweise für Membranrezeptoren), wie Apo A-I, B-48, C-II, D und E, zusammensetzen. Das Carotinoid ist zu 75-80 % an LDL, zu 10-25 % an HDL und zu 5-10 % an VLDL gebunden [15, 29, 55, 59, 63, 68]. Bei normaler Mischkost liegt die Zeaxanthin-Serumkonzentration zwischen 0,05-0,5 µmol/l und variiert je nach Geschlecht, Alter, Gesundheitszustand, Gesamtkörperfettmasse sowie Höhe des Alkohol- und Tabakkonsums [8, 10, 26, 59, 63]. Die Supplementierung standardisierter Zeaxanthindosen konnte bestätigen, dass bezüglich der Zeaxanthin-Serumkonzentration große interindividuelle Schwankungen auftreten [59].

Im menschlichen Serum und in der Muttermilch wurden von den rund 700 bekannten Carotinoiden bisher 34, einschließlich 13 geometrischer all-trans-Isomere, identifiziert [10, 32, 58, 59, 74]. Dabei konnten Zeaxanthin, Lutein, Cryptoxanthin, Alpha- und Beta-Carotin sowie Lycopin am häufigsten nachgewiesen werden [15, 48, 58, 74].

Ausscheidung

Nicht resorbiertes Zeaxanthin verlässt den Körper mit den Fäzes (Stuhl), während deren Metabolite über den Urin eliminiert werden [15, 63]. Um die Metabolite in eine ausscheidbare Form zu überführen, werden diese – wie alle lipophilen (fettlöslichen) Substanzen – der Biotransformation unterzogen [15, 21, 59].

Die Biotransformation findet in vielen Geweben, vor allem in der Leber, statt und kann in zwei Phasen unterteilt werden [29, 59]
  • In Phase I werden die Metabolite des Zeaxanthins zur Erhöhung der Löslichkeit durch das Cytochrom-P-450-System hydroxyliert (Einfügen einer OH-Gruppe)
  • In Phase II erfolgt die Konjugation mit stark hydrophilen (wasserlöslichen) Stoffen – dazu wird mit Hilfe der Glucuronyltransferase Glucuronsäure auf die zuvor eingefügte OH-Gruppe der Metabolite übertragen

Ein Großteil der Metabolite des Zeaxanthins ist noch nicht aufgeklärt. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass es sich bei den Ausscheidungsprodukten vorwiegend um glucuronidierte Metabolite handelt [29, 59].

Nach einmaliger Gabe beträgt die Verweildauer der Carotinoide im Körper zwischen 5-10 Tagen [59, 63].

Literatur

  1. Antioxidant status and neovascular age-related macular degeneration. Eye Disease Case-Control Study Group. Arch Ophthalmol; 111(1): 104-109; 1993
  2. Bässler K.-H., Golly I., Loew D., Pietrzik K. (2002) Vitamin-Lexikon für Ärzte, Apotheker und Ernährungswissenschaftler. 3. Auflage. Urban & Fischer, München
  3. Beatty S., Murray I.J., Henson D.B. (2001) Macular pigment and risk for age-related macular degeneration in subjects from a Northern European population. Invest Ophthalmol Vis Sci; 42(2): 439-446
  4. Biesalski H. K., Köhrle J., Schümann K. (2002) Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Prävention und Therapie mit Mikronährstoffen. Georg Thieme Verlag, Stuttgart
  5. Bone R.A., Landrum J.T., Hime G.W. et al (1993) Stereochemistry of the human macular carotenoids. Investigative Ophthalmology and visual Science; 34: 2033-2040
  6. Bone R.A., Landrum J.T., Friedes L., Wang W. (1997) Distribution of lutein and zeaxanthin stereoisomers in the human retina. Exp Eye Res; 64: 211-218
  7. Bone R.A., Landrum J.T., Mayne S.T., Twaroska E.E. (2001) Macular pigment in donor eyes with and without AMD: a case-control study. Investigative Ophthalmology and visual Science; 42: 235-240
  8. Britton G. (1995) Structure and properties of carotenoids in relation to function. FASEB J; 9: 1551-1558
  9. Brown L., Rimm E.B., Seddon J.M. et al (1999) A prospective study of carotenoid intake and risk of cataract extraction in US men. Am J Clin Nutr; 70(4): 517-524
  10. Bundesinstitut für Risikobewertung: Domke A., Großklaus R., Niemann B. et al (Hrsg.) (2004) Verwendung von Vitaminen in Lebensmitteln - Toxikologische und ernährungsphysiologische Aspekte Teil 1. BfR-Hausdruckerei Dahlem
  11. Castenmiller J.J.M., West C.E. (1998) Bioavailability and bioconversion of carotenoids. Annu Rev Nutr; 18: 19-38
  12. Chasan-Taber L., Willett W.C., Seddon J.M. et al (1999) A prospective study of carotenoid and vitamin A intakes and risk of cataract extraction in US women. Am J Clin Nutr; 70(4): 509-516
  13. Ebermann R., Elmadfa I. (2007) Lehrbuch Lebensmittelchemie und Ernährung. Springer Verlag, Wien
  14. Elmadfa I., König J. (Hrsg.) (2002) Nährstoffanreicherung von Lebensmitteln. Wissenschaftliche Schriftenreihe der Ernährungsgesellschaften Deutschland, Österreich, Schweiz
  15. Elmadfa I., Leitzmann C. (2004) Ernährung des Menschen. 4. Auflage. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart
  16. Fessler B. (2000) Altersbezogene Makuladegeneration - Mit photodynamischer Therapie gegen den Sehverlust. Deutsche Apotheker-Zeitung (DAZ); 42: 4824-4825
  17. Gale C.R., Hall N.F., Phillips D.I., Martyn C.N. (2003) Lutein and zeaxanthin status and risk of age-related macular degeneration. Invest Ophthalmol Vis Sci; 44(6): 2461-2465
  18. Gartner C., Stahl W., Sies H. (1996) Preferential Increase in Chylomicron Levels of the Xanthophylls Lutein and Zeaxanthin Compared to Beta-Carotene in the Human. Internat J Vit Nutr Res; 66: 119-125
  19. Gaßmann B. (2000) Dietary Reference Intakes, Report 3: Vitamine C und E, Selen, Carotinoide. Ernährungs-Umschau; 47: 265-270
  20. Grünwald J., Jänicke C., Freder J. (2002) Lycopin. DAZ; 8: 856-869
  21. Hahn A., Ströhle A., Wolters M. (2006) Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart
  22. Halliwell B., Gutteridge J.M.C. (1999) Free Radicals in Biology and Medicine. Third ed. New York, Oxford University Press
  23. Hammond B.R., Wooten B.R., Snodderly D.M. (1997) Density of the Human Crystalline Lens is related to the Macular Pigment Carotenoids, Lutein and Zeaxanthin. Optom Vis Sci; 74: 499-504
  24. Hankinson S.E., Stampfer M.J., Seddon J.M. et al (1992) Nutrient intake and cataract extraction in women: a prospective study. Br Med J; 305: 335-339
  25. International Agency for Research on Cancer (1998) IARC Handbooks of Cancer Prevention: Carotenoids. International Agency for Research on Cancer, Lyon
  26. IOM (2000) Institute of Medicine, Food and Nutrition Board: Beta-carotene and other carotenoids. Dietary reference intakes for vitamin C, vitamin E, selenium, and carotenoids. National Academy Press; Washington DC, 325-400
  27. Jager R.D., Mieler W.F., Miller J.W. (2008) Age-related macular degeneration. N Engl J Med; 358(24): 2606-17
  28. Junghans A., Sies H., Stahl W. (2001) Macular Pigments Lutein and Zeaxanthin as Blue Light Filters Studied in Liposomes. Arch Biochem Biophys; 391: 160-164
  29. Kasper H. (2004) Ernährungsmedizin und Diätetik. 10. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München
  30. Katan M.B., Grundy S.M., Jones P. et al (2003) Efficacy and safety of plant stanols and sterols in the management of blood cholesterol levels. Mayo Clin Proc; 78(8): 965-978
  31. Khachik F., Bernstein P.S., Garland D.L. (1997) Identification of lutein and zeaxanthin oxidation products in human and monkey retinas. Investigative Ophthalmology and visual Science; 38: 1802-1811
  32. Khachik F., Spangler C.J., Smith J.C. et al (1997) Identification, quantification, and relative concentrations of carotenoids and their metabolites in human milk and serum. Anal Chem; 69: 1873-1881
  33. Kim S.H., Ahn Y.O., Ahn M.J. et al (2012) Down-regulation of β-carotene hydroxylase increases β-carotene and total carotenoids enhancing salt stress tolerance in transgenic cultured cells of sweetpotato. Phytochemistry; 74: 69-78
  34. Koonsvitsky B.P., Berry D.A., Jones M.B. et al (1997) Olestra affects serum concentrations of alpha-tocopherol and carotenoids but not vitamin D or vitamin K status in free-living subjects. J Nutr; 127(8 Suppl): 1636S-1645S
  35. Krinsky N.I., Landrum J.T., Bone R.A. (2003) Biologic mechanisms of the protective role of lutein and zeaxanthin in the eye. Annu Rev Nutr; 23: 171-201
  36. Krishnadev N., Meleth A.D., Chew E.Y. (2010) Nutritional supplements for age-related macular degeneration. Current Opinion in Ophthalmology; 21(3): 184-9
  37. Landrum J.T., Bone R.A., Kilburn M.D. (1997) The macular pigment: a possible role in protection from age-related macular degeneration. Adv Pharmacol; 38: 537-56
  38. Landrum J.T., Bone R.A. (2001) Lutein, Zeaxanthin, and the Macular Pigment. Arch Biochem Biophys; 385: 28-40
  39. Leitzmann C., Müller C., Michel P. et al. (2005) Ernährung in Prävention und Therapie. Hippokrates Verlag in MVS Medizinverlage Stuttgart GmbH & Co. KG
  40. Loane E., Nolan J.M., O'Donovan O. et al (2008) Transport and retinal capture of lutein and zeaxanthin with reference to age-related macular degeneration. Surv Ophthalmol; 53(1): 68-81
  41. Lyle B.J., Mares-Perlman J.A., Klein B.E. et al (1999) Antioxidant intake and risk of incident age-related nuclear cataracts in the Beaver Dam Eye Study. Am J Epidemiol; 149: 801-809
  42. Mares-Perlman J.A,. Fisher A.I., Klein R. et al. (2001) Lutein and zeaxanthin in the diet and serum and their relation to age-related maculopathy in the third national health and nutrition examination survey. Am J Epidemiol; 153(5): 424-432
  43. Mares-Perlman J.A., Millen A.E., Ficek T.L., Hankinson S.E. (2002) The body of evidence to support a protective role for lutein and zeaxanthin in delaying chronic disease. Overview. J Nutr; 132(3): 518S-524S
  44. Miller N.J., Sampson J., Rice-Evans C.A. (1996) Antioxidant activities of carotenes and xanthophylls. FEBS Lett; 384: 240-242
  45. Moeller S.M., Voland R., Tinker L. et al (2008) Associations between age-related nuclear cataract and lutein and zeaxanthin in the diet and serum in the Carotenoids in the Age-Related Eye Disease Study, an Ancillary Study of the Women's Health Initiative. Arch Ophthalmol; 126(3): 354-364
  46. Moll K.-J., Moll M. (2006) Anatomie: Kurzlehrbuch zum Gegenstandskatalog 1. 18. Ausgabe. Elsevier, Urban & Fischer Verlag, München
  47. Neuhouser M.L., Rock C.L., Kristal A.R. et al (2006) Olestra is associated with slight reductions in serum carotenoids but does not markedly influence serum fat-soluble vitamin concentrations. Am J Clin Nutr; 83(3): 624-631
  48. Niestroj I. (2000) Praxis der Orthomolekularen Medizin. Hippokrates Verlag GmbH, Stuttgart 2000  
  49. Nikoleit D. (1997) Carotinoide natürlichen Ursprungs: wichtige physiologische Modulatoren, mehr als nur Provitamin A. Vita Min Spur; 12: 5-19
  50. Noakes M., Clifton P., Ntanios F. et al (2002) An increase in dietary carotenoids when consuming plant sterols or stanols is effective in maintaining plasma carotenoid concentrations. Am J Clin Nutr; 75(1): 79-86
  51. Ntanios F.Y., Duchateau G.S. (2002) A healthy diet rich in carotenoids is effective in maintaining normal blood carotenoid levels during the daily use of plant sterol-enriched spreads. Int J Vitam Nutr Res; 72(1): 32-39
  52. Olson J. (1994) Absorption, transport and metabolism of Carotenoids in humans. Pure Appl Chem; 66: 1101-1116
  53. Olson J.A., Krinsky N.I. (1995) The colorful fascinating world of the carotinoids: important physiologic modulators. FASEB J; 9: 1547-50
  54. Palozza P., Krinsky N.I. (1992) Antioxidant effects of carotenoids in vivo and in vitro: an overview. Methods Enzymol; 213: 403-20
  55. Parker R.S. (1996) Absorption, metabolism, and transport of carotenoids. FASEB J; 10: 542-51
  56. Parker R.S. (1997) Bioavailability of carotenoids. Eur J Clin Nutr; 51: S86-S90
  57. Parker R.S., Swanson J.E., You C.S. et al (1999) Bioavailability of carotenoids in human subjects. Proc Nutr Soc; 58: 155-162
  58. Pelz R., Schmidt-Faber B., Heseker H. (1998) Die Carotinoidzufuhr in der Nationalen Verzehrsstudie. Z Ernährungswiss; 37: 319-327
  59. Pietrzik K., Golly I., Loew D. (2008) Handbuch Vitamine. Für Prophylaxe, Beratung und Therapie. Urban & Fischer Verlag, München
  60. Rapp L.M., Maple S.S., Choi J.H. (2000) Lutein and Zeaxanthin Concentrations in Rod Outer Segment Membranes from Perifoveal and Peripheral Human Retina. Investigative Ophthalmology and visual Science; 41: 1200-1209
  61. Roberts R.L., Green J., Lewis B. (2009) Lutein and zeaxanthin in eye and skin health. Clin Dermatol; 27(2): 195-201
  62. SanGiovanni J.P., Chew E.Y., Clemons T.E. et al (2007) The relationship of dietary carotenoid and vitamin A, E, and C intake with age-related macular degeneration in a case-control study: AREDS Report No. 22. Archives of Ophthalmology; 125(9): 1225–1232
  63. Schmidt E., Schmidt N. (2004) Leitfaden Mikronährstoffe. Orthomolekulare Prävention und Therapie. 1. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München
  64. Seddon J.M., Ajani U.A., Sperduto R.D. et al. (1994) Dietary carotenoids, vitamins A, C, and E, and advanced age-related macular degeneration. Eye Disease Case-Control Study Group. JAMA; 272(18): 1413-1420
  65. Semba R.D., Dagnelie G. (2003) Are lutein and zeaxanthin conditionally essential nutrients for eye health? Med Hypotheses; 61(4): 465-72
  66. Snellen E.L., Verbeek A.L., Van Den Hoogen G.W. et al (2002) Neovascular age-related macular degeneration and its relationship to antioxidant intake. Acta Ophthalmol Scand; 80(4): 368-371
  67. Snodderly D.M. (1995) Evidence for protection against age-related macular degeneration by carotenoids and antioxidant vitamins. Am J Clin Nutr; 63(Suppl.): 1448S-1461S
  68. Solomons N.W. (2001) Vitamin A and carotenoids. In: Present Knowledge and Nutrition. 8th Edition. Bowman B.A., Russel R.M. (Eds.) ILSI
  69. Stahl W. (2005) Macular carotenoids: lutein and zeaxanthin. Dev Ophthalmol; 38: 70-88
  70. U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service (2008) USDA Nutrient Database for Standard Reference, Release 21. Available at: http://www.nal.usda.gov/fnic/foodcomp/search/
  71. van den Berg H. (1999) Carotenoid interactions. Nutr Rev; 57(1): 1-10
  72. van het Hof K.H., West C.E., Weststrate J.A., Hautvast J.G. (2000) Dietary factors that affect the bioavailability of carotenoids. J Nutr; 130(3): 503-506
  73. Wahlquist M.L., Wattanapenpaiboon N., Macrae F.A. et al (1994) Changes in serum carotenoids in subjects with colorectal adenomas after 24 mo of beta-carotene supplementation. Australian Polyp Prevention Project Investigators. Am J Clin Nutr; 60(6): 936-43
  74. Watzl B., Bub A. (2001) Carotinoide. Ernährungs-Umschau; 48: 71-74
  75. Weststrate J.A., Meijer G.W. (1998) Plant sterol-enriched margarines and reduction of plasma total- and LDL-cholesterol concentrations in normocholesterolaemic and mildly hypercholesterolaemic subjects. Eur J Clin Nutr; 52(5): 334-343
  76. Yeum K.J., Russell R.M. (2002) Carotenoid bioavailability and bioconversion. Annu Rev Nutr; 22: 483-504