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GLUCOSINOLATE

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von Gunter Metz, Blaubeuren

Glucosinolate sind Organoschwefelverbindungen, die vor allem in Cruciferen-Gemüse vorkommen. Sie bilden Isothiocyanate, deren antikarzinogenes Potenzial unter den chemopräventiv wirksamen Phytaminen einen Spitzenplatz einnimmt.

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Viele Pflanzen betreiben Arterhalt über Sauerstoffverbindungen wie Polyphenole, nur einige sind auf Schwefelverbindungen als charakteristische Phytoalexine spezialisiert. Außer den Allium-Gewächsen sind dies vor allem häufig die Gemüsesorten der Brassicaceen. Sie bilden Glucosinolate und in getrennten Zellkompartimenten Myrosinase. Das Enzym wird durch Ascorbinsäure aktiviert und spaltet die Glucosinolate zu Isothiocyanaten (Senfölen).

Der enzymatische Abbau setzt bei Verletzung der Zelle ein, wobei aus dem instabilen Aglykon durch weiteren chemischen Umbau hauptsächlich Isothiocyanate entstehen. Daneben werden auch Thiocyanate und Schwefel gebildet, ebenso Carbonsäuren, Hydroxylamin und Nitrile. Isothiocyanate schützen Pflanzen auf Grund ihres scharfen Geschmacks vor Fraß und sie sind auch für viele Insekten toxisch.

Aminosäuren bestimmen die Strukturvielfalt

Als gemeinsames Strukturprinzip enthalten Glucosinolate eine Hydroximinogruppe und zwei Schwefelatome, einmal als Sulfonsäurerest und weiterhin als b-Thioglucopyranosid. In den Isothiocyanaten bleibt das organische Schwefelatom erhalten, das anionische Sulfat wird abgespalten. Es gibt aber auch Isothiocyanate mit einer weiteren Thiogruppe wie Sulforaphan aus Broccoli-Sprossen oder dessen olefinisches Derivat Sulforaphen, das in Rettich- und Radischensamen vorkommt.

Die Strukturvielfalt entsteht durch Biosynthese aus Aminosäuren, wobei proteinogene Aminosäuren wie Phenylalanin, Tyrosin oder Methionin ebenso Vorstufen sind wie nicht proteinogene (kettenverlängerte) Homoaminosäuren.

Die unterschiedliche Aminosäureverteilung der Pflanzen bedingt, dass in Brassicaceen wie Raps, allen Kohlarten, ebenso in Kresse, Kapuzinerkresse, Meerrettich, Senf, aber auch in verschiedenen Rübensorten variable Mengen vieler unterschiedlicher Glucosinolate vorkommen. Typischerweise ist meist ein Glucosinolat Hauptprodukt und charakteristisches Sortenmerkmal.

Neben Glucosinolaten enthalten Brassicaceen wie Broccoli, Kohlrabi und alle Kohlsorten noch eine weitere Thioverbindung, das S-Methyl-L-Cysteinsulfoxid (SMCSO). Dieses Sulfoxid entsteht vermutlich aus der Methylierung von Cystein durch Methionin und ist auch in verschiedenen Bohnensorten wie Stangenbohnen, Rüben, Allium-Arten oder Rettich anzutreffen.

Bei Dürre bildet Raps viel mehr Glycosinolate

Innerhalb der Kohlgewächse variiert der Gehalt an Glucosinolaten und SMCSO erheblich. So enthält beispielsweise frischer roher Broccoli 15,4 µg/g Glucoiberin, 2,5 µg/g Progoitrin, 3,2 µg/g epi-Progoitrin, 1,6 µg/g Sinigrin, 42,6 µg/g Glucobrassicin und 8,1 µg/g Gluconasturtiin.

Beim Erhitzen gehen epi-Progoitrin und Sinigrin verloren, alle anderen nehmen in der Konzentration erheblich ab. Der Gehalt an Glucobrassicin fällt zum Beispiel nach 30-minütigem Erhitzen auf 5,5 µg/g, liegt dafür aber in tiefgefrorenem Broccoli um etwa 75 Prozent höher als im Frischprodukt.

Mit einem Gesamtgehalt zwischen 600 und 3900 µg/g Glucosinolaten nimmt Rosenkohl unter den Brassicaceen einen Spitzenplatz ein. Auch der Gehalt an SMCSO liegt mit 70 mg pro 100 g Frischprodukt etwa drei- bis fünfmal höher als in anderen Brassicacea-Arten (1).

Der Gehalt ist vor allem von den Umweltbedingungen abhängig unter denen die Pflanze heranreift. So wurde erst kürzlich entdeckt, dass Raps bei Dürre-Stress mehr als die doppelte Menge Glucosinolate als üblich bildet (2).

Isothiocyanate aktivieren Phase-II-Enzyme

Aus heutiger Sicht ist das Gleichgewicht zwischen den Karzinogen-aktivierenden CYP-450-Phase-I- und den entgiftenden Phase-II-Enzymen einer der bestimmenden Faktoren in der Krebsentwicklung. Beim Menschen stehen Defizite der Phase-II-Enzymaktivität, insbesondere an Glutathion-S-Transferase (GST), eindeutig in Zusammenhang mit erhöhtem Risiko für Colon- und Lungenkrebs.

Isothiocyanate induzieren ausgeprägt Phase-II-Enzyme beim Nager und erhöhen die Glutathionspiegel im Gewebe. Erhalten die Tiere ein mit 3 bis 34 µmol/g Isothiocyanaten angereichertes Futter, steigen die GST- und Chinonreduktase-Spiegel im Schnitt um das zwei- bis vierfache in Geweben wie Nieren, Colon, Lunge oder Leber; aber auch bis zu neunfache Aktivitätssteigerungen wurden gefunden (3).

Dagegen scheinen die Wirkungen der Isothiocyanate auf Phase-I-Enzyme von den experimentellen Bedingungen, der Struktur des Isothiocyanats oder dem spezifischen Messenzym abhängig zu sein. Einige Enzymaktivitäten werden gesteigert, andere vermindert. Mit Hilfe von CYP-450-spezifischen Antikörpern konnte jedoch gezeigt werden, dass Phenethylisothiocyanat CYP 2B1 und CYP 2B2 hemmt, aber nicht CYP 1A1 oder CYP 2E1 induziert, die für die metabolische Aktivierung von Karzinogenen wichtig sind.

Einzige Ausnahme ist Glucobrassicin, dessen instabiles Isothiocyanat völlig umgebaut wird. Es setzt jedoch Indol-3-carbinol frei, das die Arylhydrocarbon (AH)-Hydroxylaseaktivität um bis zu den Faktor 25 steigert. Dies beruht vor allem auf der Bildung polymerer Indole, die mit hoher Spezifität an den AH-Rezeptor binden und die Transkription von CYP 1A1 erhöhen.

Dieses Phytestrogen zeigt gerade bei hormonabhängigen Tumoren gute Wirksamkeit und sein beachtliches antikarzinogenes Potenzial steht zu diesen Befunden im Widerspruch (4), auch wenn vereinzelt Erhöhungen der Tumorgenese berichtet wurden.

Starkes antikarzinogenes Wirkprofil

Bei Nagetieren blockieren Isothiocyanate und Glucosinolate (ebenfalls SMCSO) die chemisch induzierte Tumorentwicklung in verschiedenen Organen wie Galle, Leber, Darm, Magen, Ösophagus, Nieren oder Lunge. In erster Linie ist dies auf die günstige Modifizierung der Phase-I- und Phase-II-Enzyme zurückzuführen.

Es scheint aber, dass zusätzlich Tandem- und möglicherweise synergistische Mechanismen das antikarzinogene Potenzial der Isothiocyanate erweitern. Viel spricht dafür, dass die elektrophilen Isothiocyanate die ebenfalls elektrophilen Karzinogene in Art einer elektrophilen Gegenattacke von Reaktionszentren oder Andockstellen verdrängen. Fast alle Isothiocyanate sind chemopräventiv nur wirksam, wenn sie vor oder gleichzeitig mit dem Karzinogen verabreicht werden.

Lediglich Benzylisothiocyanat stoppte die Brusttumorentwicklung der Ratte, wenn es nach dem Induktor DMBA gegeben wurde.

Die etwa 20 natürlichen Isothiocyanate aus Nahrungspflanzen sind alle antikarzinogen wirksam. Ihr Potenzial hängt von Strukturelementen wie der Aromatensubstitution oder Kettenlänge ab. Außerdem ist eine Aktivitätsabhängigkeit im Bezug auf das Organ und Karzinogen festzustellen. So hemmen Benzyl- und Phenethylisothiocyanat besonders effizient die Entwicklung von Lungentumoren durch die Hauptkarzinogene des Tabakrauchs.

Phenethylisothiocyanat hemmt aber auch die Entwicklung von Ösophaguskrebs. Mit 3 µmol/g im Futter wird die durch NMBA induzierte Tumorentwicklung bei Ratten völlig gehemmt und die minimale Hemmkonzentration, die zu einer signifikanten Reduktion der Tumorzahl führt, liegt zwischen 0,325 und 0,75 µmol/g.

Broccoli- und Blumenkohlsprossen

Unter den natürlichen Isothiocyanaten nimmt Sulforaphan bereits strukturell eine Sonderstellung ein, da es mit der Sulfinylgruppe ein weiteres Schwefelatom enthält. Das große Interesse der medizinischen Forschung gründet jedoch darauf, dass es unter den getesteten Isothiocyanaten mit weitem Abstand das potenteste Antikarzinogen ist (6).

Sulforaphan induziert mit am stärksten Phase-II-Enzyme und ist bereits im ppm-Bereich wirksam. Sein Einfluss auf Phase-I-Enzyme scheint ebenfalls günstig; zumindest wird das Karzinogen-aktivierende CYP 2E1 gehemmt. Sulforaphan blockiert sowohl die DMBA-induzierte Brusttumorbildung bei Ratten als auch die Bildung neoplastischer Knoten im Brustdrüsenpräparat der Maus.

Anstelle der indolhaltigen Glucosinolate enthalten Broccolisprossen Glucoraphanin in 10 bis 100-fach höherer Menge als die reife Pflanze. Dieses Glucosinolat lässt sich auch ohne enzymatischen Abbau in Sprossenextrakte überführen. Im Experiment zeigen solche Extrakte von drei Tage alten Broccoli- und Blumenkohlsprossen die höchste enzymatische Induktoraktivität unter den Brasicaceen-Sprossen und ihr tumorhemmendes Potenzial entspricht der von 75 µmol synthetischem Sulforaphan.

Enorm vielseitiges Wirkspektrum

Nach heutigem Erkenntnisstand sind Glucosinolate die Prodrugs und Isothiocyanate die wichtigsten wirksamkeitsbestimmenden Stoffe der Brassicaceen. Diese Senfölderivate haben nicht nur einen stechenden Geruch und schmecken scharf, sie besitzen auch ein sehr vielseitiges Wirkspektrum, was sich eindrucksvoll in der breiten volksmedizinischen Anwendung widerspiegelt.

Isothiocyanate werden vollständig resorbiert und hauptsächlich über die Nieren als Dithiocarbamate (N-Acetylcystein-Derivate) ausgeschieden. Kocht man die Pflanzen, wird die Myrosinase partiell oder komplett inaktiviert. Studien am Menschen mit Brunnenkresse ergaben, dass nur etwa 7 Prozent der aufgenommenen Glucosinolatmenge aus der gekochten Pflanze als Isothiocyanat ausgeschieden werden, dagegen bis zu 80 Prozent aus der rohen Pflanze (7).

Allerdings kann bei Ausfall der Myrosinase auch die Darmflora Glucosinolate zu Isothiocyanaten spalten. Mit frischen Stuhlproben wurde eine Konversionsrate von 18 Prozent in zwei Stunden ermittelt.

Antibiotisch und sekretionsfördernd

Zu den markantesten Wirkungen der Isothiocyanate zählt ihr antibiotischer Effekt. Benzylsenföl wirkt noch in einer Verdünnung von 1:50000 antimikrobiell gegen Staphylococcus, Pseudomonas, Proteus sowie gegen Hautpilze. Bereits der Verzehr von etwa 10g Kapuziner- oder Gartenkresse sowie Meerrettich verleiht dem Urin bakteriostatische Eigenschaften. Pflanzenprodukte mit Benzylsenföl aber auch mit Allyl- und Phenethylisothiocyanaten werden daher seit langem mit Erfolg zur Adjuvanstherapie bei Infektionen der Atem- und Harnwege eingesetzt.

Die tägliche Portion Kressesalat, mit Zitronensaft angemacht, ist gerade in Erkältungs- und Grippezeiten ein Vorbeugungsmittel der ersten Wahl. Da nach peroraler Gabe von Benzylisothiocyanat der Antikörpertiter steigt, dürfte die Stimulation unspezifischer Immunreaktionen hieran maßgeblich beteiligt sein.

Mehrere Isothiocyanate steigern die Sekretion und Motorik im Verdauungssystem, erhöhen das Herzschlagvolumen, wirken blutdrucksteigernd und lokal gefäßerweiternd, senken die Thrombozytenzahl oder aktivieren die Fibrinolyse. Diese Wirkungen sind jedermann bekannt: Meerrettich oder Senf können in größeren Portionen flushartige Symptome auslösen; nach zu großen Mengen Sauerkraut leiden empfindliche Personen mitunter an Durchfall. Andererseits sind einige dieser Effekte auch dafür verantwortlich, dass Krautwickel oder Sauerkraut lokal bei Furunkel oder Entzündungen besser abheilend wirken als manches etablierte Antiphlogistikum.

Mehr Rohkost und Sprossen

Das Nahrungsangebot an Glucosinolat-haltigen Pflanzen ist groß, wird aber im Westen nur ungenügend genutzt. Nach Untersuchungen nehmen Engländer täglich etwa 30 mg Glucobrassicin und 10 mg Indole zu sich, was auf eine sehr einseitige Gemüseselektion hindeutet.

Auch Deutsche schneiden nicht viel besser ab, obwohl sie im Ausland als Sauerkrautesser typisiert werden. Dagegen sind Japaner nicht nur bei Soja führend. Sie nehmen täglich mehr als 110 mg Glucosinolate zu sich, was auch einer vielseitigeren Ernährung entspricht.

Da das spaltende Enzym beim Kochen zerstört wird, sollten Kohlgewächse besser gedünstet, blanchiert oder gleich im Dampfgerät zubereitet werden. Noch wichtiger ist der Verzehr als Rohkost oder in Salaten, da dann die Isothiocyanate optimal zur Verfügung stehen (8).

Vor allem sollten öfters Sprossen verzehrt werden (siehe Kasten). Wegen ihres hohen Wirkstoffgehaltes können sie nicht nur Gemüse quantitativ ersetzen oder seine Auswahl variabler gestalten helfen, sie sind auch als Beilage und in Salaten eine interessante Geschmacksvariante. Vor voreiligen Versuchen mit Broccoli- oder Blumenkohlsprossen muss allerdings wegen der pestizidbelasteten Samen gewarnt werden. Geeignete Samen sind rar oder noch nicht im Handel.

Die Kehrseite der Medaille

Einige Risiken der Glucosinolat-haltigen Pflanzen sind dem Verbraucher meist unbekannt und hier ist die Beratung des Apothekers besonders gefragt. An erster Stelle steht die kropferzeugende Wirkung einiger Glucosinolate, die stabile Carbeniumionen (mit Allyl-, Benzyl-, Methylindolresten) bilden. Sie reagieren bevorzugt zu Thiocyanaten, die kompetitiv die Jodaufnahme der Schilddrüse hemmen. Die Thiocyanatbildung ist zwar unterschiedlich stark ausgeprägt, beträgt aber in Wirsing bis zu 30 und in Blumenkohl bis zu 10 mg/Prozent.

Weiterhin reagieren Glucosinolate, die in Position 2 des Substituenten eine Hydroxygruppe tragen wie Progoitrin, unter Ringschluss zu Oxazolidin-2-thionen (Goitrin). Diese blockieren die Jodierung von Tyrosin und fördern besonders die Bildung von Struma. In erhitztem Gemüse sind kaum Goitrogene vorhanden, sie werden aber auch durch die Darmflora gebildet.

Kohlkropf durch Jodprophylaxe verhindern

Personen mit Schilddrüsenvergrößerung oder Jodmangel sollten nicht übermäßig viele Brassicaceen verzehren. Seit langem ist bei Vegetariern mit einseitiger Ernährung der so genannte Kohlkropf bekannt. Die Gefahr durch Thiocyanate kann durch zusätzliche Jodidgaben völlig beseitigt werden, bei den Goitrogenen sind Jodgaben wirkungslos.

Es wäre sicherlich falsch, deswegen in Panik zu verfallen. Immerhin sind auch in Kuhmilch bis zu 0,1 Prozent Goitrogene enthalten. Bei gefährdeten Personen wäre prinzipiell eine Jodidsubstitution zu empfehlen und der Verzehr gewisser Kohlarten und von Rapsöl einzuschränken. Auch die Jahreszeit spielt dabei eine Rolle. Im Frühjahr enthält Weißkohl nur 1 mg/kg Goitrogene, im Herbst dagegen die 20-fache Menge.

Pflanzen mit hohem Glucosinolatgehalt wie Kressesorten oder Sprossen können zwar zu Saft verarbeitet werden, den man aber nicht unverdünnt trinken sollte. Konzentrierter Saft wirkt stark schleimhautreizend und kann zu Verätzungen führen. Insbesondere bei Brunnenkresse sind solche Ereignisse aufgetreten.

Antikarzinogener Nutzen beim Menschen

Epidemiologische Studien belegen, dass Menschen. die viel Obst und Gemüse verzehren, signifikant seltener an Krebs erkranken. In besonderem Maße trifft dies zu, wenn größere Anteile an Brassicaceen-Gemüse beteiligt waren. Solche auf Abfragen der Nahrungsgewohnheiten beruhenden Befunde sind kein echter Beweis. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit groß, nicht zuletzt wegen der eindeutigen experimentellen Ergebnisse.

Aus klinischen Untersuchungen liegen bisher nur wenige Ergebnisse vor. Diese geben jedoch deutliche Hinweise, dass auch beim Menschen CYP-450-Enzyme günstig beeinflusst werden. In einer älteren Studie wurde bereits festgestellt, dass bei Gesunden der Verzehr von Weißkraut oder Rosenkohl die metabolische Oxidation von Acetaminophen vermindert und die Glucuronidierung und Clearancerate erhöht (9). Dieser Befund unterstreicht andererseits, dass bei Arzneimitteleinnahme nach oder während dem Verzehr von Gemüse auch unbedingt auf eventuelle Interaktionen geachtet werden sollte.

Eine neuere Studie beweist, dass Isothiocyanate vor allem die Oxidation toxischer Metabolite von Acetaminophen unterbinden. Dabei erhielten Probanden 10 Stunden vor Gabe von Acetaminophen eine Portion Brunnenkresse, entsprechend etwa 13 mg Phenethylisothiocyanat (10). Danach wurde signifikant weniger Cystein-Acetaminophen gebildet; Brunnenkresse kann also deutlich die Lebertoxizität von Acetaminophen senken.

Auch zur Risikominderung von Krebs liegen erste Ergebnisse vor. Bei Patienten mit oralen Tumoren wurde in einer Fall-Kontroll-Studie festgestellt, dass der Verzehr von Brassicaceen im Vergleich zu Personen, die solches Gemüse nicht konsumierten, das Risiko für Folgetumoren um 40 bis 60 Prozent mindert (11).

Auch zur Lungenkrebsprävention bei Rauchern sind Kombinationen von Benzyl- und Phenethylisothiocyanat beziehungsweise Brunnen- und Gartenkresse besonders aussichtsreiche Kandidaten. Zumindest favorisieren Experten diese Möglichkeit bei Rauchern als Erfolg versprechende Präventivmaßnahme.

Literatur:

  1. Stoewsand, G. S., Bioactive organosulfur phytochemicals in Brassica oleracea vegetables - a review. Fd. Chem. Toxic. 33 (1995) 537 - 543.
  2. Novak, W. K., Haslberger, A. G., Substantial equivalence of antinutrients and inherent plant toxins in genetically modified novel foods. Fd. Chem. Toxic. 38 (2000) 473 - 483.
  3. Zhang, Y., Talalay, P., Anticarcinogenic activities of organic isothiocyanates: chemistry and mechanisms. Cancer Res. 54 (1994), Suppl., 1976s - 1981s.
  4. Fong, A. T., et al., Mechanisms of anti-carcinogenesis by indole-3-carbinol. Biochem. Pharmacol. 39 (1990) 19 - 26.
  5. Hecht, S. S., Chemoprevention of lung cancer by isothiocyanates. Adv. Exp. Med. Biol. 401 (1996) 1 - 11.
  6. Fahey, J. W., Zhang, Y., Talalay, P., Broccoli sprouts: An exceptional rich source of inducers of enzymes that protect against chemical carcinogens. Proc. Natl. Acad. Sci. 94 (1997) 10367 - 10372.
  7. Getahun, S. M., Chung, F. L., Conversion of glucosinolates to isothiocyanates in humans after ingestion of cooked watercress. Cancer Epidem. Biomark. Prev. 8 (1999) 447 - 451.
  8. Shapiro, T. A., et al., Human metabolism and excretion of cancer chemoprotective glucosinolates and isothiocyanates of cruciferous vegetables. Cancer Epidem. Biomark. Prev. 7 (1998) 1091 - 1100.
  9. Pantuck, E. J., et al., Effect of brussels sprouts and cabbage on drug conjugation. Clin. Pharmacol. Ther. 35 (1984) 161 - 169.
  10. Chen, L., Mohr, S. N., Yang, C. S., Decrease of plasma and urinary oxidative metabolites of acetaminophen after consumption of watercress by human volunteers. Clin. Pharmacol. Ther. 60 (1996) 651 - 660.
  11. Day, G. L., et al., Dietary factors and secondary primary cancers: a follow-up on oral and pharyngeal cancer patients. Nutr. Cancer 21 (1994) 223 - 232.

Anschrift des Verfassers:
Dr. Gunter Metz,
Auf dem Rucken 29,
89143 Blaubeuren

Tipps für die gesunde Ernährung

  • optimal ist ein Gesamtgemüseverzehr von täglich 250 g, davon mindestens 100 g als Rohkost oder Salat
  • als Gemüse möglichst alle Kohlsorten wie Blumenkohl, Broccoli, Kohlrabi, Wirsing, Rosenkohl, Grünkohl, Kohl- und Steckrüben sowie Meerrettich und Sauerkraut
  • Rot- und Weißkraut als Rohkost möglichst klein schnitzeln und gut ziehen lassen, zusätzlich als Rohkost Rettich, Meerrettich, Sauerkraut sowie alle Vertreter auch als Saft (Kresse- und Rettichsaft nur verdünnt mit anderen Gemüsesäften trinken)
  • Rot- und Weißkraut sowie Brunnenkresse, Gartenkresse und Rettich eignen sich auch als Salat
  • Sprossen zur Eigenzucht: Radieschen-, Rettich-, Kressesamen; falls im Handel: pestizidfreie Broccoli- und Blumenkohlsamen; drei bis maximal fünf Tage alte Sprossen als Salatbeigabe
  • Gewürze: Senf; Kapern oder grüne Früchte beziehungsweise Knospen von Kapuzinerkresse als Kapernersatz; zur Geschmacksanreicherung in Salaten (auch zu Fisch)

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Beitrag erschienen in Ausgabe 44/2000

 

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