1,2-Dicarbonylverbindungen spielen aufgrund ihrer Reaktivität gegenüber Aminosäureseitenketten von Proteinen eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Maillard Reaktionsprodukten (MRP) und werden auch im Zusammenhang mit der Entstehung pathophysiologischer Konsequenzen bei metabolischen Erkrankungen diskutiert. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Frage nach der physiologischen Relevanz alimentär aufgenommener 1,2 Dicarbonylverbindungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war zunächst eine Bestandsaufnahme zum Vorkommen von 1,2-Dicarbonylverbindungen in einem Spektrum von Lebensmitteln, gefolgt von Untersuchungen zum metabolischen Transit von 3 Desoxyglucoson (3-DG) und Methylglyoxal (MGO) bzw. spezifischer Metabolite in Abhängigkeit der alimentären Aufnahme und zur Stabilität der Verbindungen während einer simulierten gastrointestinalen Verdauung. 1a Die 1,2-Dicarbonylverbindungen 3-DG, 3 Desoxygalactoson (3-DGal), MGO und Glyoxal (GO) sowie das Zuckerabbauprodukt 5-Hydroxymethylfurfural (HMF) als ein wichtiger Indikator für Erhitzungsprozesse in Lebensmitteln wurden in 173 Lebensmittelproben mittels einer optimierten RP-HPLC-Methode mit UV-Detektion bestimmt. Darunter waren neben alkoholfreien und alkoholischen Getränken auch süße Aufstriche, Brot- und Backwaren. In allen untersuchten Lebensmittelproben war 3 DG die quantitativ bedeutendste 1,2 Dicarbonylverbindung. Hohe 3-DG-Gehalte wurden in Bonbons, Honig und süßen Aufstrichen (Mediane: 165–626 mg/kg) und in Essig (Aceto balsamico bis 2622 mg/L) analysiert. Lebensmittel wie Fruchtsäfte, Bier, Brot- und Backwaren wiesen geringere 3 DG-Gehalte auf (Median: 27–129 mg/L bzw. mg/kg). In allen untersuchten Lebensmitteln lagen die Gehalte des 3-DG höher als die des HMF. 3-DGal konnte erstmals in nahezu allen Lebensmittel detektiert werden, mit einem Maximalwert von 162 mg/L in Aceto balsamico. In dieser Probe wurde auch ein hoher MGO-Gehalt (53 mg/L) gemessen. GO kommt in etwa gleichen Konzentrationsbereichen wie MGO vor. Generell lagen die Gehalte für 3-DGal höher als die für MGO. Eine Ausnahme stellt der untersuchte Manuka-Honig dar (463 mg MGO/kg). 1b Auf Basis der quantitativen Daten wurden Gehalte von 1,2-Dicarbonylverbindungen in verzehrüblichen Portionsgrößen verschiedener Lebensmittel berechnet und eine tägliche alimentäre Aufnahme von 20–160 mg (0,1–1,0 mmol) 3-DG und 5–20 mg (0,1–0,3 mmol) MGO abgeschätzt. 2a Der metabolische Transit von 3-DG und MGO wurde jeweils in einer dreitägigen Ernährungsstudie untersucht. Während der 3 Tage hatten die Probanden eine Dicarbonyl- und MRP-freie Diät (Rohkosternährung) einzuhalten. Am Morgen des zweiten Tages erhielten die Probanden eine definierte Menge 3-DG bzw. MGO (je 500 µmol), enthalten in Waldhonig bzw. Manuka-Honig. In den 24 h Urinproben der 3-DG-Interventionsstudie wurde 3-DG und dessen Metabolit 3-Desoxyfructose (3-DF) analysiert, außerdem Pyrralin und 3 DG-Hydroimidazolon (3-DG-H) als 3-DG-spezifisches MRP. In den 24 h Urinproben der MGO-Interventionsstudie wurde MGO und dessen Metabolit D-Lactat analysiert, außerdem MGO-Hydroimidazolon 1 (MG-H1) als charakteristisches MRP des MGO. Alle Verbindungen waren in den Urinproben nachweisbar. 2b Am ersten Tag der 3-DG-Interventionsstudie betrug der Median der renalen 3-DG- und 3 DF-Exkretion aller 9 Probanden 4,6 bzw. 77 µmol/d. Am Tag der definierten 3-DG-Aufnahme (Tag 2) stieg der Median der renalen 3-DG- und 3-DF-Exkretion signifikant auf 7,5 bzw. 147 µmol/d an. An Tag 3 unterschieden sich die täglichen renalen Ausscheidungen von 3-DG und 3-DF nicht signifikant von denen an Tag 1 (P > 0,05). Der Median der renalen Wiederfindung des an Tag 2 alimentär aufgenommenen 3-DG wurde mit 14 % abgeschätzt (Spannweite: 6–25 %). Der Median der renalen Exkretion von Pyrralin und 3-DG-H sank im Verlauf der dreitägigen Studie von 2,5 bzw. 1,0 auf 1,2 µmol/d bzw. 0,5 µmol/d. Diese Ergebnisse deuten erstmalig darauf hin, dass 3-DG aus der Nahrung resorbiert, resorbiertes 3 DG zu 3-DF metabolisiert und resorbiertes 3-DG hauptsächlich als 3-DF renal eliminiert wird. Die Exkretion der untersuchten MRP erwies sich in dieser Studie als nicht abhängig von der alimentären Aufnahme des 3 DG. 2c Die renale MGO- sowie D-Lactat-Ausscheidung wies keinen Zusammenhang mit der oralen Aufnahme einer hohen MGO-Menge auf. An allen 3 Tagen der MGO-Interventionsstudie lag die renale MGO-Exkretion aller 4 Probanden zwischen 0,11 und 0,30 µmol/d und die D-Lactat-Ausscheidung zwischen 52 und 224 µmol/d. Der Median der renalen MG-H1-Ausscheidung sank im Verlauf der dreitägigen Studie von 3,8 auf 1,2 µmol/d an Tag 3. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass keine Resorption des MGO in die Zirkulation erfolgte. 3a Zur Beurteilung der Stabilität von 3-DG und MGO während der gastrointestinalen Verdauung wurde ein zweistufiges System von Hellwig et al. (2013b) adaptiert, bestehend aus einer zweistündigen „Magenstufe“ (Pepsin, pH = 2) und einer sechsstündigen „Darmstufe“ (Pankreatin/Trypsin, pH = 7,5). Für die Verdauungssimulation wurden jeweils wässrige 3 DG- und MGO-Standardlösungen mit Konzentrationen im lebensmittelrelevanten Bereich eingesetzt. Weiterhin wurde die simulierte Verdauung in Anwesenheit von Casein als Modellprotein, durchgeführt. 3b Nach achtstündiger simulierter Verdauung war im Verdauungsansatz noch 70 ± 10 % der initialen 3-DG-Menge bestimmbar. Die Anwesenheit des Caseins zeigte keinen Effekt auf die 3-DG-Konzentration. Damit dürfte nach gastrointestinaler Verdauung ein Großteil des alimentär aufgenommenen 3-DG zur Resorption zur Verfügung stehen. 3c Im Gegensatz zum 3-DG sank die MGO-Konzentration im Verlauf der achtstündigen simulierten Verdauung auf 15 ± 4 % der Ausgangskonzentration. In Anwesenheit von Casein verstärkte sich die Abnahme der MGO-Konzentration auf 9 ± 1 %. Es konnte gezeigt werden, dass die Abnahme der MGO-Konzentration auf Reaktionen mit den in den Verdauungsansätzen enthaltenen Enzymen und Proteinen zurückzuführen ist. MGO wird damit nach gastrointestinaler Verdauung nur noch in begrenztem Maße zur Resorption zur Verfügung. Die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Resultate lassen den Schluss zu, dass die biologische Verfügbarkeit alimentärer 1,2-Dicarbonylverbindungen gering (3-DG) bis vernachlässigbar (MGO) ist und selbst stark erhitzte Lebensmittel damit keinen maßgeblichen Beitrag zum „Gesamtpool“ an Dicarbonylverbindungen in vivo und den damit möglicherweise einhergehenden physiologischen Konsequenzen leisten.

Reaktion von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-verknüpfter Disaccharide Im Verlauf der Reaktion von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-glycosidisch verknüpfter Disaccharide entsteht ein Hauptderivatisierungsprodukt des Arginins, welches aus Inkubationsansätzen von Lactose mit N-(tert-Butoxycarbonyl)-L-arginin (Boc-Arg) bzw. N-a-Hippuryl-L-arginin (Hip-Arg) isoliert und als N-d-[5-(3-Hydroxypropyl)-4-oxo-imidazolon-2-yl]-L-ornithin (PIO) identifiziert werden konnte. PIO stellt ein spezifisches Reaktionsprodukt von Arginin mit Abbauprodukten 1,4-glycosidisch verknüpfter Disaccharide dar. Zum Nachweis des Precursors von PIO wurden die Bildung und der Abbau von 1,2-Dicarbonylverbindungen in Inkubationsansätzen von Lactose mit und ohne Hip-Arg nach der Hitzebehandlung mit o-Phenylendiamin untersucht. Es zeigte sich, dass ein als 1,2-Dicarbonylverbindung identifiziertes Abbauprodukt von Lactose nur in Abwesenheit von der Aminokomponente (Hip-Arg) als Hauptabbauprodukt bestimmbar war. Nach Isolierung dieser 1,2-Dicarbonylverbindung in Form ihres stabilen Chinoxalin-Derivates und der Strukturaufklärung ist es gelungen, dieses Hauptabbauprodukt der Lactose als (3'-Hydroxypropyl)-chinoxalin also das Chinoxalin der 3,4-Didesoxypentosulose (3,4-DDPs) zu identifizieren. Bestimmung von 1,2-Dicarbonylverbindungen in Lebensmitteln Glyoxal (GO), Methylglyoxal (MGO), 3-Desoxyglucosulose (3-DG) und 3-Desoxypentosulose (3-DPs) konnten nach Umsetzung mit o-Phenylendiamin erstmals in Milch- und Milchprodukten quantifiziert werden. Für Glyoxal wurden Gehalte von 0,06 bis 3,5 mg/ l und für Methylglyoxal von 0,2 bis 4,7 mg/ l bestimmt. 3-Desoxyglucosulose wurde mit Gehalten von 0,7 bis 3,5 mg/ l und 3-Desoxypentosulose von 0,1 bis 4,7 mg/ l bestimmt. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung von Glyoxal, Methylglyoxal und 3-Desoxyglucosulose in käuflich erworbenen deutschen Honigen, in Honigen des Imkerverbandes Dresden und in neuseeländischen Honigen. Im Vergleich zu den Milchprodukten wurden deutlich höhere Gesamtgehalte an 1,2-Dicarbonylverbindungen (124 bis 1550 mg/ kg) bestimmt. Für 3-Desoxyglucosulose wurden 119 bis 1451 mg/ kg, für Glyoxal 0,2 bis 4,6 mg/ kg und für Methylglyoxal 0,5 bis 743 mg/ kg ermittelt. Ein Zusammenhang zwischen hohen Gehalten an 1,2-Dicarbonylverbindungen und der antibakteriellen Aktivität der Honige wurde untersucht. Hier stellten die neuseeländischen Manuka-Honige (Manuka: Leptospermum scoparium, Teebaum) den Schwerpunkt der Untersuchung dar. Für die untersuchten Manuka-Honige konnten ungewöhnlich hohe Gehalte an Methylglyoxal bestimmt werden (von 347 bis 743 mg/ kg). Von 12 verschiedenen Honigen deutscher und neuseeländischer Herkunft konnten nur Manuka-Honige als antibakteriell wirksam eingestuft werden. Bezogen auf den Gehalt an Methylglyoxal liegen die MIC-Werte für Staphylococcus aureus bei 1,5 mmol/ l für Manuka-Honig (35 % v/v), 1,4 mmol/ l für Manuka-Honig "active" (30 % v/v), 1,1 mmol/ l für Manuka-Honig UMF 10+ (25 % v/v) bzw. 1,8 mmol/ l für Manuka-Honig UMF 20+ (20 % v/v). Es zeigte sich, dass die antibakterielle Aktivität des Honigs unmittelbar auf den Methylglyoxal-Gehalt zurückführbar war.

The reactive 1,2-dicarbonyl compound methylglyoxal (MGO) is consumed with food and its concentrations decrease during digestion. In the present paper, the reaction of MGO with creatine, arginine, and lysine during simulated digestion, and its reaction with creatine during the digestion in human volunteers, was studied. Therefore, simulated digestion experiments with a gastric and an intestinal phase were performed. Additionally, an intervention study with 12 subjects consuming MGO-containing Manuka honey and creatine simultaneously or separately was conducted. Derivatization with o-phenylenediamine and HPLC–UV was used to measure MGO, while creatine and glycated amino compounds were analyzed via HPLC–MS/MS. We show that MGO quickly reacts with creatine and arginine, but not lysine, during simulated digestion. Creatine reacts with 56% of MGO to form the hydroimidazolone MG-HCr, and arginine reacted with 4% of MGO to form the hydroimidazolone MG-H1. In the intervention study, urinary MG-HCr excretion is higher in subjects who consumed MGO and creatine simultaneously compared to subjects who ingested the substances separately. This demonstrates that the 1,2-dicarbonyl compound MGO reacts with amino compounds during human digestion, and glycated adducts are formed. These contribute to dietary glycation products consumed, and should be considered in studies investigating their physiological consequences.

Kohlenhydrate und Proteine gehören neben Wasser und Fetten zu den quantitativ bedeutendsten Grundbestandteilen biologischer Systeme und der Lebensmittel. Unter milden Bedingungen in lebenden Organismen oder unter thermischer Belastung bei der Lebensmittelverarbeitung können reduzierende Kohlenhydrate amin-katalysiert durch die Abspaltung von Wasser und Fragmentierungen des Kohlenstoffgerüsts abgebaut werden, wobei die noch reaktiveren 1,2-Dicarbonylverbindungen entstehen. Aus der Reaktion der N-α-Aminogruppe und funktioneller Gruppen der Seitenketten von Aminosäuren mit Kohlenhydraten bzw. 1,2-Dicarbonylverbindungen können stabile Endprodukte entstehen. In vivo können proteingebundene Maillard-Produkte (MRPs) aus der Reaktion mit Glucose (Amadori-Produkte) oder 1,2-Dicarbonylverbindungen (Advanced Glycation Endproducts: AGEs) entstehen. Beispielsweise ist das „N-terminale“ N-α-Fructosylderivat der β-Kette des Hämoglobins ein etablierter Parameter zur Diagnose von Diabetes mellitus (HbA1c-Wert). Diese nicht-enzymatische, posttranslationale Modifizierung von Proteinen wird allgemein als Glykierung bezeichnet und kann die Funktionalität von Proteinen beeinträchtigen. Deshalb wird untersucht, ob die Trübung der Augenlinsen, die Versteifung von Blutgefäßen oder Schädigungen von Nervenzellen durch eine erhöhte Glykierung verursacht werden. Diese Veränderungen treten im Alter und bei Stoffwechselkrankheiten wie Diabetes mellitus und Urämie auf, die durch eine erhöhte Glucosekonzentration bzw. die Anreicherung von 1,2-Dicarbonylverbindungen im Blut gekennzeichnet sind. Zwar gibt es Publikationen zum Vorkommen N-terminaler Amadori-Produkte an Hämoglobin und in Lebensmitteln, aber die Bildung N-terminaler AGEs wurde bisher nur in wenigen Studien untersucht. Deshalb waren die Bildung und das Vorkommen N-terminaler AGEs im physiologischen Modell, in Hämoglobin und in Backwaren Gegenstand der vorliegenden Arbeit. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals systematisch die Sequenzabhängigkeit der Bildung der Fructosylderivate bzw. der CM-Derivate in Konkurrenz zu den Glyoxal-2(1H)-Pyrazinonen am N-Terminus von Peptiden unter physiologischen und backtechnologischen Bedingungen untersucht. Dabei wurde nachgewiesen, dass die Variation der C-terminalen Aminosäure in Dipeptiden den Glykierungsgrad und das Produktspektrum erheblich beeinflusst. Mit dem konsequenten Nachweis der N-terminalen von Glyoxal und Methylglyoxal ableitbaren Carboxyalkylderivate und 2(1H)-Pyrazinone in humanen Hämoglobin wurde die Relevanz der N-terminalen Glykierung in vivo untermauert. Damit wird eine umfassendere Beurteilung des Dicarbonylstresses und der Glykierung insbesondere bei Urämikern und Diabetikern ermöglicht. Am Beispiel von Backwaren wurde für Lebensmittel gezeigt, dass unter trockenen Reaktionsbedingungen die 2(1H)-Pyrazinone und in wasserhaltigen Systemen die Carboxyalkylderivate bevorzugt zu erwarten sind.

Kohlenhydrate und Proteine gehören neben Wasser und Fetten zu den quantitativ bedeutendsten Grundbestandteilen biologischer Systeme und der Lebensmittel. Unter milden Bedingungen in lebenden Organismen oder unter thermischer Belastung bei der Lebensmittelverarbeitung können reduzierende Kohlenhydrate amin-katalysiert durch die Abspaltung von Wasser und Fragmentierungen des Kohlenstoffgerüsts abgebaut werden, wobei die noch reaktiveren 1,2-Dicarbonylverbindungen entstehen. Aus der Reaktion der N-α-Aminogruppe und funktioneller Gruppen der Seitenketten von Aminosäuren mit Kohlenhydraten bzw. 1,2-Dicarbonylverbindungen können stabile Endprodukte entstehen. In vivo können proteingebundene Maillard-Produkte (MRPs) aus der Reaktion mit Glucose (Amadori-Produkte) oder 1,2-Dicarbonylverbindungen (Advanced Glycation Endproducts: AGEs) entstehen. Beispielsweise ist das „N-terminale“ N-α-Fructosylderivat der β-Kette des Hämoglobins ein etablierter Parameter zur Diagnose von Diabetes mellitus (HbA1c-Wert). Diese nicht-enzymatische, posttranslationale Modifizierung von Proteinen wird allgemein als Glykierung bezeichnet und kann die Funktionalität von Proteinen beeinträchtigen. Deshalb wird untersucht, ob die Trübung der Augenlinsen, die Versteifung von Blutgefäßen oder Schädigungen von Nervenzellen durch eine erhöhte Glykierung verursacht werden. Diese Veränderungen treten im Alter und bei Stoffwechselkrankheiten wie Diabetes mellitus und Urämie auf, die durch eine erhöhte Glucosekonzentration bzw. die Anreicherung von 1,2-Dicarbonylverbindungen im Blut gekennzeichnet sind. Zwar gibt es Publikationen zum Vorkommen N-terminaler Amadori-Produkte an Hämoglobin und in Lebensmitteln, aber die Bildung N-terminaler AGEs wurde bisher nur in wenigen Studien untersucht. Deshalb waren die Bildung und das Vorkommen N-terminaler AGEs im physiologischen Modell, in Hämoglobin und in Backwaren Gegenstand der vorliegenden Arbeit. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals systematisch die Sequenzabhängigkeit der Bildung der Fructosylderivate bzw. der CM-Derivate in Konkurrenz zu den Glyoxal-2(1H)-Pyrazinonen am N-Terminus von Peptiden unter physiologischen und backtechnologischen Bedingungen untersucht. Dabei wurde nachgewiesen, dass die Variation der C-terminalen Aminosäure in Dipeptiden den Glykierungsgrad und das Produktspektrum erheblich beeinflusst. Mit dem konsequenten Nachweis der N-terminalen von Glyoxal und Methylglyoxal ableitbaren Carboxyalkylderivate und 2(1H)-Pyrazinone in humanen Hämoglobin wurde die Relevanz der N-terminalen Glykierung in vivo untermauert. Damit wird eine umfassendere Beurteilung des Dicarbonylstresses und der Glykierung insbesondere bei Urämikern und Diabetikern ermöglicht. Am Beispiel von Backwaren wurde für Lebensmittel gezeigt, dass unter trockenen Reaktionsbedingungen die 2(1H)-Pyrazinone und in wasserhaltigen Systemen die Carboxyalkylderivate bevorzugt zu erwarten sind.