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Vitamine

Abstract

Unter dem Begriff „Vitamine“ wird eine Reihe sehr unterschiedlicher organischer Verbindungen zusammengefasst, die in kleinen Mengen für den Stoffwechsel benötigt werden. Gemeinsam ist den Vitaminen, dass sie nicht zur Energiegewinnung abgebaut werden, sondern sehr spezifische Funktionen erfüllen: Die meisten Vitamine dienen als Cofaktoren verschiedenster Reaktionen (bspw. Biotin bei Carboxylierungen und Pyridoxalphosphat bei Transaminierungen); andere wirken als Antioxidantien und schützen so die Zellen und ihre Membranen vor freien Radikalen (bspw. Ascorbinsäure und Tocopherol).

Vitamine sind essentielle Nahrungsbestandteile, müssen also mit der Nahrung zugeführt werden. Eine Ausnahme ist das Vitamin D, das auch vom Organismus selbst synthetisiert werden kann. Bei "normaler" Mischkost wird der Bedarf an den einzelnen Vitaminen recht zuverlässig gedeckt; zu Mangelerscheinungen kommt es also hauptsächlich durch Mangelernährung, spezielle Ernährungsformen (bspw. Vitamin B12-Mangel bei veganer Ernährung) oder durch Störungen der Resorption. Man unterteilt die Vitamine in fettlösliche und wasserlösliche Vitamine. Fettlösliche Vitamine können im Körper gespeichert werden, wasserlösliche nicht (Ausnahme: Vitamin B12).

Grundlagen

Vitamine (von lat. vita = „Leben“ und der chemischen Stoffgruppe „Amine) sind Substanzen, die im Stoffwechsel hauptsächlich katalytische und regulatorische Funktionen ausüben und für die Aufrechterhaltung vieler Körperprozesse unerlässlich sind. Sie müssen in kleinen Mengen von außen zugeführt werden. Vitamine sind nämlich essentielle Nahrungsbestandteile, die (bis auf eine Ausnahme) nicht in relevanten Mengen vom menschlichen Organismus selbst hergestellt werden können. Nicht immer handelt es sich bei den einzelnen Vitaminen um nur eine Verbindung, häufig liegen mehrere Verbindungen (Vitamere) vor, die zu einer Vitaminklasse zusammengefasst werden.

Hypo-/Avitaminose

  • Definition
  • Mögliche Ursachen
    • Mangelernährung
    • Unzureichende Vitaminzufuhr (z.B. durch spezielle Diäten)
    • Resorptionsstörung im Darm
    • Gendefekte
  • Pathogenese: Aufbrauchen der Vitaminspeicher → Gestörter Intermediärstoffwechsel → Klinische Symptomatik → Organveränderungen
  • Symptome: Meist unspezifisch wie z.B. Müdigkeit oder Konzentrationsstörungen
  • Therapie: Vitaminsubstitution

Hypervitaminose

  • Definition: Überversorgung des Organismus (Vitaminüberschuss)
  • Ursachen: Betrifft fast nur fettlösliche Vitamine, da diese im Körper gespeichert werden → erschwerte Elimination
  • Symptome: Abhängig vom überdosierten Vitamin

Übersicht

Fettlösliche Vitamine

Bezeichnung Aktive Form Funktion Mangelerscheinung
Vitamin A (Retinoide)
  • Sehvorgang
  • Genregulation
  • Aufbau und Erhalt verschiedener Gewebestrukturen
  • Nachtblindheit (Hemeralopie)
  • Trockene Augen und Schleimhäute
  • Wachstumsstörung
Vitamin D (Calciferol)
Vitamin E (Tocopherol)
  • Störungen der neuromuskulären Übertragung
Vitamin K (Phyllochinon)
  • Vitamin-K-Hydrochinon

Wasserlösliche Vitamine

Bezeichnung Aktive Form Funktion Mangelerscheinungen
Vitamin B1 (Thiamin)
Vitamin B2 (Riboflavin)
  • Entzündung von Haut und Schleimhäuten
Niacin (früher: Vitamin B3)
Pantothensäure (Vitamin B5)
  • Sehr selten, unspezifisch
Vitamin B6 (Pyridoxin)
  • Sehr selten, unspezifisch
Biotin (Vitamin B7; Vitamin H)
  • Cofaktor einiger Carboxylasen, Transcarboxylasen und Decarboxylasen
  • Dermatitis
  • Depressive Verstimmung
  • Muskelschmerzen
Folsäure (Vitamin B9)
  • Cofaktor für C1-Gruppen-Übertragungen in verschiedenen Synthese- und Stoffwechselwegen

Vitamin B12 (Cobalamin)

  • Methylcobalamin
  • Adenosylcobalamin
  • Cofaktor bei Remethylierungen (Methylcobalamin) und Alkylumlagerungen (Adenosylcobalamin)
Vitamin C (Ascorbinsäure)
  • Hydrophiles Antioxidans
  • Cofaktor wichtiger Redoxprozesse und Hydroxylierungen
  • Begünstigung der Eisenaufnahme im Darm
  • Skorbut

Fettlösliche Vitamine

Fettlösliche Vitamine sind apolare Moleküle, die aus der Nahrung gemeinsam mit den Lipiden resorbiert werden. Sie können im Körper an unterschiedlichen Stellen gespeichert und bei Bedarf freigesetzt werden.

Fettlösliche Vitamine: EDeKA

Im Gegensatz zu wasserlöslichen Vitaminen werden fettlösliche Vitamine im Körper gespeichert!

Vitamin A (Retinoide)

Leitsubstanz des Vitamin A ist das Retinol; jedoch werden auch Substanzen mit derselben biologischen Wirkung wie z.B. Retinal und Retinoat zum Vitamin A gezählt. Diese Verbindungen werden unter dem Begriff „Retinoide“ zusammengefasst.

Chemische Grundlagen

Physiologie

  • Natürliche Quellen
    • Pflanzliche Quellen: Als inaktive Vorstufe (v.a. β-Carotin) in gelben und grünen Gemüsesorten (z.B. Möhren, Spinat, Fenchel, Grünkohl)
    • Tierische Quellen: Als Speicherformen (Retinylester) z.B. in Leber, Fisch, Eiern
  • Aktivierung: Carotinoid wird in zwei Retinalmoleküle gespalten; Retinal kann reversibel zu Retinol reduziert und irreversibel zu Retinoat oxidiert werden
  • Transport: Neben dem für fettlösliche Vitamine üblichen Mechanismus (s.o.) als Retinol über Transportproteine
  • Speicherung: In den Ito-Zellen der Leber
    • Speicherform: Retinylester (z.B. Retinylpalmitat )
      • Reduktion von Retinal zu Retinol → Veresterung zu Retinylester (z.B. mit Palmitat zu Retinylpalmitat)
      • Bei Bedarf Freisetzung von Retinol durch Esterase
  • Ausscheidung: Über Galle und Urin

Funktion

Während Retinal vor allem für den Sehvorgang wichtig ist, spielen Retinoat und Retinol eher eine Rolle bei der Genregulation sowie der Aufrechterhaltung von Geweben!

Retinoide bei Hauterkrankungen
Retinoide regulieren die normale Entwicklung von Hautzellen und tragen so zu einer gesunden Haut bei. Aus diesem Grund werden sie auch als Therapeutika bei Hauterkrankungen wie bspw. der Acne vulgaris oder der Rosazea (Kupferflechte) eingesetzt.

Teratogenes Potential
Vitamin-A-Derivate sind teratogen und führen zu Missbildungen des Skeletts, der Ohren und des ZNS. Entsprechende Wirkstoffe sind deswegen bei Kinderwunsch und Schwangerschaft absolut kontraindiziert.

Vitamin-A-Mangel

  • Ursachen: Mangelernährung oder Unfähigkeit des Körpers, das Provitamin β-Carotin zu spalten
  • Symptomatik
    • Leitsymptom: Nachtblindheit (Hemeralopie)
    • Bei ausgeprägtem, chronischem Mangel fehlt die protektive Wirkung von Vitamin A auf das Gewebe
      • Trockene Augen und Schleimhäute
      • Wachstumsstörung (bei Jugendlichen)

Vitamin D (Calciferol)

Vitamin D ist ein fettlösliches Vitamin, das im Körper als Hormon fungiert. Neben Vitamin D3, das der Körper selbst herstellen kann und das neueren Studien zufolge als das potentere D-Vitamin gilt, gibt es das Vitamin D2, das vorwiegend in Pflanzen und in einigen Vitaminpräparaten vorkommt . Vitamin D kann sowohl vom Körper selbst hergestellt als auch aus der Nahrung verwertet werden. In beiden Fällen ist jedoch eine Aktivierung notwendig, da nur die aktivierte Form die natürlichen Funktionen erfüllen kann.

Chemische Grundlagen

Physiologie

Vitamin D3 kann völlig eigenständig vom menschlichen Organismus synthetisiert oder v.a. als Cholecalciferol mit der Nahrung aufgenommen werden. Bei der körpereigenen Synthese muss Cholecalciferol zunächst in mehreren Schritten in Haut und Leber gebildet werden. Das synthetisierte bzw. mit der Nahrung aufgenommene Cholecalciferol wird dann über mehrere Schritte unter Beteiligung von Leber und Niere zum funktionsfähigen Calcitriol aktiviert.

Vitamin D ist das einzige Vitamin, das der Organismus komplett selbst produzieren kann!

Vitamin-D-Substitution
In der Wachstumsphase besteht ein erhöhter Bedarf an Vitamin D. Besonders in der dunklen Jahreszeit kann es vorkommen, dass die Vitamin-D-Vorstufen nicht ausreichend vom Sonnenlicht zu Cholecalciferol umgewandelt werden. Der gesteigerte Bedarf kann in diesem Falle nicht immer durch ausgewogene Ernährung gedeckt werden. Bei Säuglingen und Kleinkindern wird deshalb empfohlen, in den ersten zwei Lebensjahren – zumindest im Winter – Vitamin D zu substituieren.

Funktion

Vitamin-D-Mangel

  • Ursachen: Da von der Vitaminaufnahme bzw. Synthese bis zur Aktivierung mehrere Schritte durchlaufen werden müssen, kann ein Vitamin-D-Mangel sehr vielfältige Gründe haben
    • Geringe UV-Strahlung im Winter
    • Mangelernährung
    • Resorptionsstörungen (z.B. bei chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen)
    • Hydroxylierungsstörungen infolge einer Leber- oder Niereninsuffizienz
  • Symptome
    • Bei Kindern: Rachitis (durch mangelnde Knochenmineralisierung kommt es hauptsächlich zu Wachstumsstörungen und Skelettdeformierungen)
    • Bei Erwachsenen: Osteomalazie (schmerzhafte Knochenerweichung, ggf. mit Deformationen und pathologischen Frakturen)

Vitamin E (Tocopherol)

Leitsubstanzen des Vitamin E sind die Tocopherole, wobei beim Menschen durch eine Selektion in der Leber das α-Tocopherol dominiert.

Chemische Grundlagen

  • Stoffklasse: Tocopherole
  • Chemische Leitstruktur: Chromanring mit isoprenoider Seitenkette
  • Inaktive Vorstufe (Provitamin): /
  • Aktive Form: Tocopherol

Physiologie

Funktion

  • Lipophiles Antioxidans: Schützt als Radikalfänger empfindliche Substanzen (z.B. mehrfach ungesättigte Fettsäuren der Zellmembranen) vor Oxidation
  • Weitere Funktionen
    • Hemmung der Plättchenaggregation, Zellproliferation und Monozytenadhäsion
    • Hemmung einiger Proteine (z.B. Proteinkinase C, Phospholipase A2)
    • Hemmung der Transkription einiger Gene (z.B. α-TTP, α-Tropomyosin)

Vitamin-E-Mangel
Ein Vitamin-E-Mangel ist sehr selten und kommt vor allem bei Gendefekten (α-TTP-Genort) oder bei Resorptionsstörungen vor. Ein ausgeprägter Vitamin-E-Mangel führt zu Störungen der neuromuskulären Übertragung, die sich in Form einer spinocerebellären Ataxie oder als Myopathien äußern können.

Vitamin K (Phyllochinon)

Vitamin K ist ein fettlösliches Vitamin, das insb. für die Blutgerinnung von entscheidender Bedeutung ist. Vitamin-K-Antagonisten (Cumarine) spielen im klinischen Alltag eine wichtige Rolle bei der Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen.

Chemische Grundlagen

  • Stoffklasse: Naphthochinone
  • Chemische Leitstruktur: Menadion (=2-Methyl-1,4-Naphthochinon), ggf. mit isoprenoider Seitenkette
  • Inaktive Vorstufe (Provitamin): /
  • Aktive Form: Vitamin-K-Hydrochinon

Physiologie

  • Quellen
    • Als Phyllochinon in grünem Gemüse
    • Kann in geringen Mengen von der Darmflora synthetisiert werden
  • Transportprotein zu den Zielzellen: Kein spezifisches Protein, Transport über Lipoproteine
  • Speicherung: In der Leber
  • Ausscheidung: Über Galle und Urin

Vitamin-K-Mangel-Blutung und Vitamin-K-Prophylaxe
Beim Neugeborenen kann es aus mehreren Gründen zu einem Vitamin-K-Mangel kommen: Zum einen ist die unreife Leber noch nicht in der Lage, Vitamin K in seine aktive Form zu überführen; zum anderen wird Vitamin K kaum über die Plazenta übertragen. Auch die Besiedlung des Darms mit Vitamin-K-produzierenden Bakterien fehlt noch. Um einer Gerinnungsstörung mit Blutungen (Vitamin-K-Mangel-Blutung) vorzubeugen, erhalten alle Neugeborenen eine Vitamin-K-Prophylaxe (eine Gabe direkt nach der Geburt, eine zur U2 und eine zur U3).

Funktion

  • Cofaktor für die posttranslationale Modifikation (=Carboxylierung von Glutamylresten) in Vitamin-K-abhängigen Proteinen
    • Beispiel für Vitamin-K-abhängige Proteine
    • Mechanismus: Vitamin K dient als Cofaktor einer Carboxylase, die Glutamylreste von Proteinen in γ-Carboxy-Glutamylreste umwandelt
      1. Aktivierung des Vitamin K zu Vitamin-K-Hydrochinon
      2. Carboxylierung des Glutamylrests eines Vitamin-K-abhängigen Proteins über die γ-Glutamyl-Carboxylase
        • Hierbei wird Vitamin-K-Hydrochinon zu Vitamin-K-Epoxid oxidiert
      3. Regeneration von Vitamin K: Vitamin-K-Epoxid wird zu Vitamin K bzw. Vitamin-K-Hydrochinon über die Vitamin-K-Epoxid-Reduktase
    • Ziel der Carboxylierung von Gerinnungsfaktoren: Negative Ladung an Gerinnungsfaktoren ermöglicht ihnen die Bindung von Calcium aus dem Blut, das wiederum die Bindung der Gerinnungsfaktoren an Zellmembranen vermittelt und sie so überhaupt erst aktivierbar macht

Gerinnungsfaktoren, deren Synthese auf Vitamin K angewiesen ist: 1972 (Neun-Zehn-Sieben-Zwei) – das Jahr der Olympischen Spiele in München!

Das „K“ in Vitamin K steht für „Koagulation“!

Vitamin-K-Mangel bei Antibiotikatherapie
Zusätzlich zum Vitamin K aus der Nahrung benötigt der Organismus auch das von den Darmbakterien synthetisierte Vitamin K2. Bei einer langwierigen Antibiotikatherapie kann es zur Schädigung der Darmbakterienflora und damit einhergehend zu einer mangelnden Versorgung mit Vitamin K kommen.

Vitamin-K-Antagonisten (Cumarine)
Bei der Prophylaxe von thromboembolischen Ereignissen (etwa des ischämischen Schlaganfalls oder der Lungenembolie) werden Medikamente eingesetzt, die Vitamin K antagonisieren, indem sie die Vitamin-K-Epoxid-Reduktase bzw. die Vitamin-K-Reduktase hemmen und damit die Synthese der Gerinnungsfaktoren beeinträchtigen (Vitamin-K-Antagonisten bzw. Cumarinderivate) . Eine Überdosierung dieser Vitamin-K-Antagonisten kann zu Gerinnungsstörungen führen, die sich allerdings erst 3–4 Tage nach der ersten Gabe bemerkbar machen, wenn die zuvor synthetisierten Gerinnungsfaktoren aufgebraucht sind.

Wasserlösliche Vitamine

Wasserlösliche Vitamine sind polare Moleküle, die i.d.R. nicht im Körper gespeichert (Ausnahme: Vitamin B12!) und leicht ausgeschieden werden. Vorwiegend dienen sie dem Körper als Cofaktoren bei verschiedenen chemischen Reaktionen.

Vitamin B1 (Thiamin)

Chemische Grundlagen

Physiologie

  • Natürliche Quellen: Vorwiegend als Thiaminpyrophosphat in Vollkornprodukten, Hülsenfrüchten und Schweinefleisch
  • Resorption: Über Thiamintransporter-2 (THTR2)
    • In der Nahrung liegt hauptsächlich Thiaminpyrophosphat (aktive Form des Thiamins) vor, das nicht resorbiert werden kann → "Deaktivierung" vor Aufnahme durch Abspaltung des Pyrophosphats (PPi) mittels Pyrophosphatasen
  • Aktivierung: Intrazelluläre Phosphorylierung von Thiamin zu Thiaminpyrophosphat
  • Transport im Blut: Vorwiegend in den Blutzellen, nur etwa 10% frei bzw. an Albumin gebunden

Funktion

Vitamin-B1-Mangel
Thiamin ist Cofaktor verschiedener Enzyme des Kohlenhydratstoffwechsels; bei Thiaminmangel ist dieser entsprechend beeinträchtigt. Da das Gehirn in besonderem Maße auf Glucose angewiesen ist, kommt es zu einer Störung der zerebralen Energieversorgung und zu neurologischen Ausfällen. Diese Erkrankung wird als Wernicke-Enzephalopathie bezeichnet. Hierzulande sind davon insb. Alkoholiker sowie Patienten mit Mangelernährung wegen anderer Ursachen, mit Krebserkrankungen oder nach operativen Eingriffen im Verdauungstrakt betroffen. Die Patienten sind verwirrt; häufig ist die Koordination der Augenbewegung und des Gehens gestört (Ataxie). Erfolgt keine Therapie mit Thiamin, ist der Übergang in ein sog. Wernicke-Korsakow-Syndrom möglich. Bei diesem Defektsyndrom besteht v.a. eine ausgeprägte Störung der Merkfähigkeit. Insbesondere aus Asien ist darüber hinaus die sog. Beriberi-Krankheit bekannt, die auf einen Thiaminmangel durch Ernährung mit geschältem Reis zurückgeht. Die Symptome sind eher unspezifisch wie Appetitmangel, Abgeschlagenheit oder neurologische Auffälligkeiten.

Vitamin B2 (Riboflavin)

Chemische Grundlagen

Physiologie

  • Natürliche Quellen: In vielen tierischen und pflanzlichen Nahrungsmitteln v.a. als Flavoproteine
  • Resorption
    • Aufnahme mit der Nahrung als Flavoproteine → Im oberen GI-Trakt Spaltung zu Riboflavin (nur so resorbierbar)
    • Periphere Aufnahme in die Zellen nur als Riboflavin möglich → Intrazellulär wieder Phosphorylierung zu aktiver Form
  • Transport im Blut: Über Albumin und Immunglobuline v.a. als FAD

Riboflavin liegt im Organismus in Form der Cofaktoren FMN und FAD vor!

Funktion

Vitamin-B2-Mangel
Bis zu 20% der älteren Menschen in Europa leiden Studien zufolge unter einem Riboflavinmangel. Aufgrund der vielfältigen Beteiligung von Flavoproteinen an verschiedenen Stoffwechselwegen sind die Symptome eher unspezifisch. Insbesondere Entzündungen der Haut und Schleimhäute (z.B. Glossitis, Stomatitis angularis) sind typisch. Bei schwerem Mangel können auch weitere Symptome wie Anämie, Neurodegeneration sowie eine Beeinträchtigung des Visus und gastrointestinale Symptome vorkommen.

Niacin (früher: Vitamin B3)

Chemische Grundlagen

Physiologie

  • Natürliche Quellen
    • Hauptsächlich in tierischen Nahrungsmitteln als Nicotinsäureamid
    • In geringeren Mengen auch in pflanzlichen Nahrungsmitteln (insb. gerösteten Kaffeebohnen) als Nicotinsäure
  • Resorption: Aktive Resorption im Darm (u.a. mittels sekundär-aktivem Na+-Symporter)
  • Synthese: Niacin kann aus Tryptophan vom Organismus selbst synthetisiert werden
  • Transport im Blut: Als Nicotinsäure

Funktion

Pellagra
Nicotinsäuremangel kommt hauptsächlich bei Bevölkerungsgruppen mit einseitiger, maisreicher Ernährung vor, da Mais – v.a. unbehandelt – sehr niacinarm ist. Besteht zusätzlich auch eine eiweißarme Ernährung, kann sich die Erkrankung noch ausgeprägter zeigen, da hierdurch zusätzlich die körpereigene Synthese von Niacin aus Tryptophan gestört ist . Ein ausgeprägter Nicotinsäuremangel führt zum Krankheitsbild „Pellagra“, welches durch Dermatitis, Diarrhö und Demenz („die drei Ds“) gekennzeichnet ist.

Pantothensäure (Vitamin B5)

Chemische Grundlagen

Physiologie

Funktion

Vitamin B6 (Pyridoxin)

Chemische Grundlagen

Physiologie

  • Natürliche Quellen
  • Resorption: Ggf. Spaltung durch intestinale Phosphorylasen und anschließende Aufnahme im Darm (Rephosphorylierung in den Mucosazellen)
  • Transport im Blut: Teils frei, teils albumingebunden

Funktion

Als PALP ist Pyridoxin ein wichtiger Cofaktor für Transaminierungen, Decarboxylierungen und Eliminierungen, der v.a. im Aminosäurestoffwechsel eingesetzt wird.

PALP ist der wichtigste Cofaktor vieler Enzyme im Aminosäurestoffwechsel!

Biotin (Vitamin B7; Vitamin H)

Chemische Grundlagen

Physiologie

  • Quellen
    • In freier Form in pflanzlichen Nahrungsmitteln (z.B. Hülsenfrüchte, Nüsse)
    • Proteingebunden in tierischen Produkten (z.B. Innereien, Hühnerei, Lachs)
    • Kann in geringen Mengen von der Darmflora synthetisiert werden
  • Resorption: Spaltung des proteingebundenen Biotins in freies Biotin über das Pankreasenzym Biotinidase und anschließend aktive Resorption im Darm
  • Transport im Blut: Vor allem frei

Biotinidasemangel
Das Pankreasenzym Biotinidase setzt das Biotin aus Nahrungsproteinen frei und macht es damit für den Körper verwertbar. Auch für das Recycling des Biotins innerhalb des Körpers wird die Biotinidase benötigt. Ist das Enzym defekt, wie es bei der extrem seltenen Stoffwechselstörung "Biotinidasemangel" der Fall ist, so kommt es bereits in den ersten Wochen nach der Geburt zu Hauterscheinungen, Fehlfunktionen des Immunsystems, Stoffwechselentgleisungen bis hin zu Hirnschäden, Koma und Tod. Die Erkrankung sollte möglichst früh erkannt werden und ist deshalb Bestandteil des Neugeborenenscreenings. Die Therapie besteht in einer lebenslangen Substitution von Biotin.

Funktion

Biotin ist Cofaktor bei allen Carboxylierungen, die nicht Vitamin-K-abhängig sind!

Biotinmangel
Bei Zerstörung der Darmflora wie z.B. bei längerer Antibiotikatherapie kann es aufgrund der fehlenden Biotin-produzierenden Bakterien zu einem Biotinmangel kommen. Dieser äußert sich in depressiver Verstimmung, Dermatitis und Muskelschmerzen. Auch der Verzehr großer Mengen rohen Hühnereiweißes kann zu Biotinmangel führen: Es enthält das Glycoprotein Avidin, welches im Darmlumen Biotin bindet und dadurch die Resorption behindert. Durchs Kochen kann das hitzeempfindliche Avidin unwirksam gemacht werden.

Folsäure (Vitamin B9; Folat)

Chemische Grundlagen

  • Stoffklasse: Pteridin
  • Chemische Leitstruktur: Pterin + p-Aminobenzoesäure + Glutamat
  • Inaktive Vorstufe (Provitamin): /
  • Aktive Form: Tetrahydrofolsäure (THF)

Sulfonamide
Sulfonamide (z.B. Sulfamethoxazol) sind Strukturanaloga der p-Aminobenzoesäure, einem Bestandteil der Folsäure, und wirken durch Hemmung der bakteriellen Folsäuresynthese bakteriostatisch. Sie kommen als