Stoffwechsel und Bioverfügbarkeit
Endogene Biosynthese
Bei gesunden Menschen wird die Carnitin-Homöostase durch endogene Biosynthese von L-Carnitin und die Absorption von Carnitin aus Nahrungsquellen, sowie Abbau und Resorption durch die Nieren geregelt (5).
Der Mensch kann L-Carnitin aus den Aminosäuren Lysin und Methionin synthetisieren. Protein-gebundenes Lysin wird enzymatisch zu epislon-N-Trimethyllysin methyliert; drei Moleküle von Methionin spenden die Methylgruppen für die Reaktion. Epsilon-N-trimethyllysine wird dann für die Carnitin-Synthese durch die normalen Mechanismen der Protein-Hydrolyse bereitgestellt (5, 6).
Mehrere Enzyme sind an der endogenen L-Carnitin-Biosynthese beteiligt. Das Enzym Gamma-butyrobetaine Hydroxylase fehlt jedoch in der Herz-und Skelettmuskulatur und kommt in hohen Konzentrationen nur in den menschlichen Leber-, Hoden und Nierenzellen vor (7).
Der Umsatz der L-Carnitin-Biosynthese beim Menschen wurde bei Vegetariern studiert und wird dort auf 1,2 Mikromol pro kg Körpergewicht pro Tag geschätzt (8). Änderungen der ernährungsbedingten Carnitinzufuhr oder Nierenrsorption scheinen nicht die Wirkung der endogenen Carnitin-Synthese zu beeinflussen (1).
Absorption von exogenem L-Carnitin
Dietäres L-Carnitin
L-Carnitin wird von Lebensmitteln über aktiven und passiven Transport über die Membranen der Enterozyten (Darmzellen) absorbiert (5). Die Bioverfügbarkeit von L-Carnitin kann je nach restlicher Zusammensetzung der Nahrung schwanken. Zum Beispiel berichtet eine Studie, dass die Bioverfügbarkeit von L-Carnitin bei Vegetariern höher ist, als bei einer carnitinreichen Ernährung (also bei regelmäßigem Verzehr von rotem Fleisch; 66% -86% vs. 54 %-72%) (9).
L-Carnitin als Nahrungsergänzung
Während die Bioverfügbarkeit von L-Carnitin aus der Nahrung recht hoch ist, ist die Absorption von L-Carnitin als Nahrungsergänzung wesentlich niedriger. Es wird hauptsächlich durch passive Diffusion absorbiert (1). Gemäß einer Studie liegt die Bioverfügbarkeit von L-Carnitin als Nahrungsergänzung (0.5-6 Gramm-Dosis) bei 14% -18% der Gesamtdosis (5).
Weniger bekannt ist jedoch über den Stoffwechsel der acetylierten Form von L-Carnitin, Acetyl-L-Carnitin (ALCAR). Die Bioverfügbarkeit von ALCAR gilt jedoch als höher gegenüber der von L-Carnitin. Ergebnisse von In-vitro-Experimenten deuten darauf hin, dass ALCAR nur teilweise bei der Resorption hydrolysiert wird und damit in höherem Ausmaß zur Verfügung steht (10).
Beim Menschen kann die Gabe von 2 Gramm ALCAR pro Tag für 50 Tage den ALCAR Plasmaspiegel um 43% erhöhen, was darauf hindeutet, dass einiges an Acetyl-L-Carnitin ohne Hydrolyse absorbiert wird, oder dass L-Carnitin in den Darmzellen reacetyliert wird (5).<
Elimination und Reabsorption
L-Carnitin und kurzkettige Acylcarnitine (die Ester von L-Carnitin) werden ebenso wie Acetyl-L-Carnitin durch die Nieren ausgeschieden. Die renale Resorption von L-Carnitin ist in der Regel sehr effizient; in der Tat werden geschätzte 95% durch die Nieren resorbiert (1).
Daher ist die Netto-Ausscheidung von Carnitin durch die Nieren in der Regel sehr niedrig. Jedoch können mehrere Bedingungen die Resorption von Carnitin verringern und entsprechend die Ausscheidung erhöhen. Diese umfassen beispielsweise eine fettreiche oder proteinreiche Ernährung, Schwangerschaft und bestimmte Krankheiten (11).
Zusätzlich kann zirkulierendes L-Carnitin erhöht sein, zum Beispiel bei der Einnahme von Nahrungsergänzung. Die Nieren-Resorption von L-Carnitin wird dabei gesättigt, dies wiederum führt zu erhöhter renaler Ausscheidung von L-Carnitin (5). Zusätzliches L-Carnitin, welches nicht im Darm absorbiert wird, wird durch Darmbakterien zu den zwei Hauptprodukten Trimethylamin und Gamma-Butyrobetain abgebaut. Gamma-Butyrobetain wird direkt ausgeschieden; Trimethylamin kann effizient absorbiert und zu Trimethylamin-N-oxid metabolisiert werden, welches über den Urin ausgeschieden wird (9).
Biologische Aktivität
Regulation des Energie-Stoffwechsels durch Modulation des Acyl-CoA / CoA Verhältnisses
Coenzym A wird als Kofaktor für eine Vielzahl von zellulären Reaktionen benötigt (1). Innerhalb der mitochondrialen Matrix, katalyiseren Carnitin Acetyl-Transferasen (CAT) die Umesterung (Übertragung) der kurz- und mittelkettigen Fettsäuren aus CoA zu Carnitin. Die Acylcarnitin Ester können dann aus den Mitochondrien über CACT Transporter exportiert werden, und das resultierende freien Coenzym A kann nun an anderen Reaktionen teilnehmen. Beispielsweise katalysiert Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) die Bildung von Acetyl-CoA aus Pyruvat und freiem CoA (13). Acetyl-CoA kann wiederum oxidiert werden, um Energie (ATP) im Zitratzyklus (TCA) zu erzeugen. Carnitin erleichtert hier die Oxidation von Glucose durch die Beseitigung von Acyl Gruppen, die aus der beta-Oxidation stammen, und setzt CoA zur Teilnahme an der PDH-Reaktion frei (1).