Cholin [62-49-7], auch bekannt als Trimethyl(2-hydroxyethyl)ammoniumhydroxid, ist eine quartäre Ammoniumverbindung mit der Summenformel C5H15O2N. Es wurde erstmals 1849 von Stecker aus Schweinegalle isoliert und anschließend im Gehirngewebe gefunden.
Die chemische Struktur von Cholin lässt sich wie folgt darstellen: (CH3)3N+CH2CH 2OH∙OH–. Freies Cholin kommt in biologischen Materialien in geringen Mengen vor. Zu den häufigeren Formen gehören Phosphorylcholin, Phosphatidylcholin (Lecithin) und Acetylcholin.
Inhaltsverzeichnis
Cholin spielt eine Rolle beim Stoffwechsel und der Synthese von Glycin, Betain, Cystein, Serin, Methionin und verschiedenen anderen methylhaltigen biologischen Verbindungen.
Cholin hat im Körper vier Hauptfunktionen:
- Strukturbestandteil: Cholin bildet als Phosphatidylcholin (Lecithin) und Sphingomyelin einen wichtigen Bestandteil der Zellmembranen.
- Lipotroper Wirkstoff: Cholin verhindert Fettlebererkrankungen.
- Neurotransmitter: Acetylcholin, ein Derivat von Cholin, wirkt als Neurotransmitter.
- Methylgruppenspender: Cholin dient als Quelle labiler Methylgruppen.
Obwohl Cholin früher als Vitamin bezeichnet wurde, erfüllt es die Definition nicht genau, da es keine Funktion als enzymatischer Cofaktor hat. Ähnlich wie Vitamine spielt Cholin jedoch eine wichtige Rolle in der Ernährung. Die täglichen Verzehrempfehlungen liegen für Cholin im Vergleich zu Vitaminen deutlich höher (siehe Tabelle 1).
| Bevölkerung | Kategorie | Ausreichende Zufuhr (mg/Tag) |
|---|---|---|
| Kleinkinder | 0 – 5 Monate | 125 |
| Kleinkinder | 6 – 11 Monate | 150 |
| Kinder und Jugendliche | 1 – 3 Jahre | 200 |
| 4 – 8 Jahre | 250 | |
| 9 – 13 Jahre | 375 | |
| Männer (14–18 Jahre) | 550 | |
| Frauen (14 – 18 Jahre) | 400 | |
| Erwachsene | Männer (19 Jahre und älter) | 550 |
| Frauen (19 Jahre und älter) | 425 | |
| Schwangerschaft | Alle Altersgruppen | 450 |
| Stillzeit | Alle Altersgruppen | 550 |
Die United States Pharmacopeia entwickelt Monographien für Cholinchlorid und Cholinbitartrat zur Aufnahme in USP 24-Nahrungsergänzungsmittel.
Fettleber und verminderte Wachstumsrate sind die Hauptsymptome eines Cholinmangels bei sich entwickelnden Tieren. Studien haben gezeigt, dass verschiedene Arten, darunter Ratten, Mäuse und Geflügel, Cholin für optimales Wachstum und eine gesunde Leberfunktion benötigen.
Cholinsalze (Chlorid, Dihydrogencitrat und Bitartrat) werden häufig als Nahrungsergänzungsmittel dem Tierfutter zugesetzt.
1. Eigenschaften von Cholin
Cholin ist eine basische Verbindung mit einem pKa-Wert von 5,06, die Kohlendioxid und Wasserdampf aus der Atmosphäre absorbieren kann. Im Handel erhältliches Cholin liegt typischerweise als Lösung in Methanol oder Wasser vor, wobei die Konzentration im Allgemeinen 45 Vol.-% nicht überschreitet.
Löslichkeit:
- Löslich in Ethanol
- Schwer löslich in Aceton und Chloroform
- Unlöslich in Ether, Benzol , Toluol und Tetrachlorkohlenstoff
Cholin reagiert leicht mit Säuren unter Bildung stabiler Salze. Allerdings ist die Kristallisation für die meisten Cholinsalze mit Ausnahme der Chlorid-, Bitartrat- und Dihydrogencitratformen eine Herausforderung. Darüber hinaus kann Cholin mit Säuren unter Bildung von Estern reagieren.
Als quartäres Ammoniumhydroxid unterliegt Cholin beim Erhitzen einer Selbstzersetzung. Diese als Hofmann-Eliminierung bekannte Reaktion läuft wie folgt ab:
Das instabile Vinylalkohol-Zwischenprodukt kann sich entweder zu Acetaldehyd umlagern oder mit Wasser unter Bildung von Ethylenglykol reagieren. Acetaldehyd kann einer weiteren Aldolkondensation unterliegen, was zu farbigen Produkten führt. Das freigesetzte Trimethylamin verleiht der Lösung einen starken „fischigen“ Geruch.
2. Cholinsalze
Cholin bildet verschiedene Salze mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Hier ist eine Beschreibung einiger gängiger Cholinsalze:
2.1. Cholinchlorid [67-48-1]
- Formel: C5H14ONCl
- Molmasse: 139,63 g/mol
- Aussehen: Ein weißer, kristalliner Feststoff mit leicht aminartigem Geruch und starkem Brackgeschmack.
- Löslichkeit:
- Es ist sehr gut wasserlöslich
- Frei löslich in Alkohol
- Schwer löslich in Aceton und Chloroform
- Fast unlöslich in Ether und Benzol
- Eigenschaften: Hygroskopisch; Zersetzt sich bei ca. 180°C.
- pH-Wert: neutral gegenüber Lackmuspapier.
2.2. Cholintartrat [87-67-2]
- Formel: C9H19O7N
- Molmasse: 253,26 g/mol
- Schmelzpunkt: 149 – 153 °C
- Aussehen: weißes kristallines Pulver mit saurem Geschmack und leichtem Amingeruch.
- Löslichkeit:
- Es ist sehr gut wasserlöslich
- Schwer löslich in Alkohol
- Fast unlöslich in Ether, Benzol und Chloroform
- pH-Wert: Eine 25 %ige wässrige Lösung hat einen pH-Wert von etwa 3,5.
2.3. Cholincitrat [77-91-8]
- Formel: C11H21O8N
- Molmasse: 295,30 g/mol
- Schmelzpunkt: 105 – 107,5 °C
- Aussehen: weißes körniges bis feinkristallines Pulver mit schwach aminartigem Geruch und saurem Geschmack.
- Löslichkeit:
- Hygroskopisch und sehr gut wasserlöslich
- Löslich in Alkohol
- Fast unlöslich in Ether, Benzol und Chloroform
- pH-Wert: Eine 25 %ige wässrige Lösung hat einen pH-Wert von etwa 4,3.
2.4. Cholinbikarbonat [78-73-9]
- Formel: C6H15NO4
- Molmasse: 165,2 g/mol
- Aussehen: Klare Flüssigkeit, farblos bis leicht gelb, mit charakteristischem aminartigem Geruch.
- Löslichkeit:
- Es ist sehr gut wasserlöslich
- Frei löslich in Alkohol
- Schwer löslich in Benzol
- pH-Wert: Die wässrige Lösung (75 % Cholinbicarbonat) hat einen pH-Wert zwischen 9,0 und 11,5.
2.5. Cholin-Gluconat [608-59-3]
- Formel: C11H25O8N
- Molmasse: 299,33 g/mol
- Aussehen: hygroskopische gelbe Masse.
- Löslichkeit:
- Wasserlöslich
- Schwer löslich in Ethanol
3. Produktion von Cholin
Cholin wird kommerziell hauptsächlich durch die Reaktion von Trimethylamin, Ethylenoxid und Wasser hergestellt. Dieser Prozess kann angepasst werden, um Cholinsalze zu erhalten, indem während der Reaktion eine Säure eingebaut wird. Die Produktion erfolgt typischerweise entweder in Chargen- oder kontinuierlichen Fertigungskonfigurationen.
Für Cholin gibt es alternative Synthesemethoden, aber diese spezifische Reaktion bleibt aufgrund ihrer Effizienz und Skalierbarkeit der dominierende industrielle Prozess.
Cholinchlorid kann durch die Reaktion von Trimethylamin mit Chlorhydrin hergestellt werden.
4. Verwendung von Cholin
4.1. Tierernährung
Cholinmangel bei domestizierten Tieren ist allgemein bekannt und kann durch Nahrungsergänzung mit Cholinsalzen wirksam verhindert werden.
4.2. Humantherapeutika
Forschung in der menschlichen Ernährung erforscht das Potenzial von Cholin zur Linderung verschiedener Krankheiten. Obwohl sich viele Untersuchungen noch im Anfangsstadium befinden, versprechen sie ein tieferes Verständnis der Rolle von Cholin für die menschliche Gesundheit.
Cholinsalze wie Chlorid, Hydrogentartrat, Dihydrogencitrat und Gluconat werden therapeutisch bei Patienten mit Leberzirrhose (nicht-fibrotisches Stadium) eingesetzt. Die orale Verabreichung von Cholin scheint die Fettleberinfiltration wirksam umzukehren und das Fortschreiten der Leberzirrhose zu stoppen.
Die Behandlung umfasst typischerweise eine fettarme, proteinreiche und kalorienreiche Diät, ergänzt durch Vitamine und Cholin. Darüber hinaus können orale Cholinsalze verwendet werden, um die empfohlene Tagesdosis für den Menschen zu decken.
4.3. Pharmakologische Anwendungen
Mehrere Cholinderivate besitzen unterschiedliche pharmakologische Eigenschaften:
- Acetylcholin wird als Vasodilatator verwendet.
- Methacholinchlorid wirkt als Parasympathikus-Stimulans und Anti-Epinephrin-Substanz.
- Carbamoylcholinchlorid fördert die periphere Durchblutung bei Gefäßkrämpfen, die durch periphere Gefäßerkrankungen verursacht werden.
4.4. Industrielle Anwendungen
Die wachsende Nachfrage nach sicheren und wirksamen oberflächenaktiven Mitteln hat in der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie die Aufmerksamkeit auf Cholin gelenkt. Acylcholinverbindungen wie Stearoylcholinchlorid wurden als Inhaltsstoffe in Haarspülungen vorgeschlagen.
4.5. Landwirtschaftliche Anwendungen
Das Cholinderivat Chlorcholinchlorid wird in der Landwirtschaft als Pflanzenwachstumsregulator eingesetzt und fördert die Pflanzenkompaktheit im Gegensatz zu den wachstumsbeschleunigenden Wirkungen von Gibberellinsäure. Es wird für Zierpflanzen wie Weihnachtssterne und Azaleen verwendet.
Es wird auch verwendet, um das Ablagern und windbedingte Abflachen von Weizenkulturen zu verhindern, und in Gewächshäusern, um die Ätiolation (Längenausdehnung aufgrund von unzureichendem Licht) bei Tomaten zu verhindern, was zu früheren und größeren Fruchterträgen führt.
5. Toxikologie von Cholin
Cholin weist eine geringe inhärente Toxizität auf. Studien haben gezeigt, dass die orale Verabreichung von Cholinchlorid bei Ratten zu einem LD50-Wert (tödliche Dosis, 50 %) zwischen 3 und 6 Gramm pro Kilogramm Körpergewicht führte.
Aufgrund seines stark basischen Charakters kann Cholin jedoch bei direktem Kontakt ätzend auf das Gewebe wirken. Dies erfordert Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung, um Haut- und Augenreizungen zu vermeiden.
Referenzen
- Choline; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a07_039
- Choline; Present Knowledge in Nutrition, Tenth Edition. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781119946045.ch26
- Choline; Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/0471238961.0308151207090404.a01
- Choline: an essential nutrient for public health. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1753-4887.2009.00246.x
