Allantoin: Chemie, Vorkommen und Gewinnung

Lexikon · Stoffkunde

Was ist Allantoin chemisch?

Allantoin ist ein Abkömmling des Hydantoins (systematisch: Imidazolidin-2,4-dion). Genauer handelt es sich um das Diureid der Glyoxylsäure; der systematische Name lautet (2,5-Dioxoimidazolidin-4-yl)harnstoff. Der Kern des Moleküls ist ein fünfgliedriger Imidazolidin-Ring, an dem eine Harnstoff-Gruppe hängt. Ältere Beschreibungen, die Allantoin als «Pyrimidin-Derivat» einordnen, treffen deshalb nicht zu: Ein Pyrimidin-Ring hätte sechs Glieder.

In reiner Form ist Allantoin ein farb- und geruchloser, kristalliner Feststoff. Die Summenformel entspricht einer molaren Masse von rund 158 Gramm pro Mol. Der Stoff schmilzt erst bei etwa 230 Grad Celsius und zersetzt sich dabei. In kaltem Wasser löst er sich nur mässig – die Grössenordnung liegt bei wenigen Gramm pro Liter, in heissem Wasser deutlich mehr. Chemisch besitzt Allantoin ein Stereozentrum am Ring-Kohlenstoff 5; im Stoffwechsel entsteht überwiegend die (S)-Form, technisch gewonnenes Material liegt in der Regel als Gemisch beider Spiegelbildformen (Racemat) vor.

Aus dem hohen Stickstoffanteil erklärt sich die Doppelrolle des Moleküls in der Natur: Es ist einerseits ein Abfallprodukt des Purinabbaus, andererseits in Pflanzen eine Transport- und Speicherform für Stickstoff. Verbindungen dieses Typs werden als Ureide bezeichnet.

Wie entsteht Allantoin im Stoffwechsel?

Allantoin steht am Ende einer enzymatischen Kette, die Purine abbaut. Purine sind Bausteine der Nukleinsäuren; sie werden über Hypoxanthin und Xanthin schrittweise zu Harnsäure oxidiert. Was danach geschieht, unterscheidet die Arten: Bei den meisten Lebewesen greift das Enzym Urat-Oxidase (auch Uricase genannt) ein und oxidiert die Harnsäure weiter. Der Weg verläuft dabei nicht in einem einzigen Schritt, sondern über die instabilen Zwischenstufen 5-Hydroxyisourat und OHCU, die von zwei weiteren Enzymen umgesetzt werden, bis am Ende (S)-Allantoin steht.

Beim Menschen und bei den übrigen Menschenaffen fehlt dieser Anschluss. Sequenzvergleiche an Primaten zeigen, dass das Gen für die Urat-Oxidase im Lauf der Evolution durch Mutationen stillgelegt wurde – in der Linie von Mensch und Grossen Menschenaffen durch eine Nonsense-Mutation im zweiten Exon, bei den Gibbons unabhängig davon durch weitere Veränderungen; zusätzlich beschreiben die Autoren Veränderungen in der Promotorregion.¹ Der Purinabbau endet beim Menschen deshalb bereits bei der Harnsäure, und Allantoin entsteht nur in kleinen Mengen – überwiegend durch nicht-enzymatische Oxidation von Harnsäure. Bei den meisten übrigen Säugetieren ist Allantoin dagegen das reguläre Endprodukt und der Hauptbestandteil der ausgeschiedenen Purinderivate.

Wo kommt Allantoin vor und wie wird es gewonnen?

Namensgebend war die Allantois, eine embryonale Hülle bei Säugetieren, Vögeln und Reptilien. In deren Flüssigkeit wiesen die Chemiker Louis Nicolas Vauquelin und Michele Buniva den Stoff um 1800 nach; Justus von Liebig und Friedrich Wöhler beschrieben ihn Jahrzehnte später genauer und ordneten ihn dem Oxidationsprodukt der Harnsäure zu. Der Name hielt sich bis heute, obwohl das Molekül längst weit ausserhalb der Embryonalhülle bekannt ist.

Im Tierreich findet sich Allantoin im Harn der meisten Säugetiere. In der Nutztierwissenschaft wird die Ausscheidung von Purinderivaten – bei Wiederkäuern dominiert dabei Allantoin – als analytische Kenngrösse genutzt, um Stoffwechselvorgänge im Pansen abzuschätzen. Auch im Schleim von Landschnecken ist Allantoin als Bestandteil beschrieben; Übersichtsarbeiten zur Zusammensetzung dieses Sekrets führen es neben Glykosaminoglykanen, Glykoproteinen und Glykolsäure auf.²

Im Pflanzenreich ist Allantoin weit verbreitet. Viele Hülsenfrüchtler transportieren den in Wurzelknöllchen gebundenen Stickstoff in Form von Ureiden – also als Allantoin und Allantoat – von der Wurzel in den Spross; eigene Transportproteine, die Ureid-Permeasen, übernehmen dabei den Weitertransport zwischen den Geweben.³ Vergleichsweise viel Allantoin enthält die Wurzel des Beinwells (Symphytum); Übersichtsarbeiten zur Gattung führen Allantoin gemeinsam mit Phenolsäuren, Schleimstoffen (Polysacchariden) und Pyrrolizidinalkaloiden als charakteristische Inhaltsstoffe.⁴ Nachgewiesen ist der Stoff ausserdem unter anderem in Kamille, Weizenkeimen, Zuckerrüben und in Yams-Arten der Gattung Dioscorea.

Für technische Zwecke wird Allantoin heute fast ausschliesslich synthetisch hergestellt – etwa durch Umsetzung von Glyoxylsäure mit Harnstoff oder durch kontrollierte Oxidation von Harnsäure. Das industriell gewonnene Material ist chemisch identisch mit dem natürlich vorkommenden; einen analytisch fassbaren Unterschied gibt es nicht.

Forschung & Untersuchungsbereiche

Allantoin taucht in der Fachliteratur in sehr unterschiedlichen Rollen auf: als Messgrösse, als Pflanzenmetabolit und als Formulierungsbestandteil. Die folgenden Punkte beschreiben, welche Fragestellungen Gegenstand der Forschung sind – nicht, dass daraus ein gesundheitlicher Nutzen abgeleitet wäre. Ein grosser Teil der Befunde stammt aus Labor-, Zell- und Pflanzenmodellen; die Bedeutung für den Menschen ist vielfach offen.

Allantoin als Messgrösse für oxidative Prozesse. Weil Harnsäure beim Menschen nur in geringem Umfang und dann überwiegend nicht-enzymatisch zu Allantoin oxidiert wird, wird das Molekül in der klinischen Analytik als Kandidat für einen Marker oxidativer Vorgänge diskutiert. Eine methodische Arbeit aus dem Jahr 2022 beschrieb ein HPLC-MS/MS-Verfahren, mit dem sich Harnsäure und Allantoin gleichzeitig aus getrockneten Blutstropfen bestimmen lassen; in einer Gruppe von 100 gesunden Freiwilligen lag die mittlere Allantoin-Konzentration bei 5,6 Mikromol pro Liter gegenüber 239,3 Mikromol pro Liter Harnsäure.⁵ Wichtig für das Verständnis: Allantoin wird hier gemessen, nicht angewendet – die Forschung betrifft die Analytik, nicht eine Zufuhr des Stoffes.

Pflanzenphysiologie und Stickstoffhaushalt. In der Pflanzenforschung gilt Allantoin längst nicht mehr nur als Durchgangsstation des Purinabbaus. Eine Arbeit an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana beschrieb, dass Salzbelastung die Bildung von Allantoin fördert, zugleich aber das Gen für die Allantoinase unterdrückt – der Stoff reichert sich dadurch an; Pflanzen mit ausgeschaltetem Transportprotein Ureid-Permease 5 zeigten unter Salzstress ein verändertes Verhalten.⁶ Auch in Kulturpflanzen ist die Ureid-Familie Gegenstand der Genomforschung: In der Kartoffel wurden zehn Gene für Ureid-Permeasen identifiziert und ihre Aktivität unter verschiedenen Umweltbedingungen untersucht.³ Diese Befunde betreffen die Physiologie von Pflanzen.

Dermatologische und kosmetische Forschung. Allantoin gehört zu den langjährig eingesetzten Bestandteilen kosmetischer Rezepturen und ist deshalb regelmässig Gegenstand von Sicherheits- und Formulierungsbewertungen. Das US-amerikanische Expertengremium Cosmetic Ingredient Review führte in seiner Bewertung aus, dass Allantoin damals in 1376 kosmetischen Produkten in Konzentrationen bis zwei Prozent eingesetzt wurde, und ordnete es funktionell den hautkonditionierenden Bestandteilen zu.⁷ Übersichtsarbeiten zu Naturstoffgemischen, etwa zu Schneckensekret, nennen Allantoin als eine von mehreren untersuchten Einzelkomponenten und weisen zugleich darauf hin, dass standardisierte Zubereitungen und aussagekräftige klinische Daten fehlen.²

Beinwell als Untersuchungsgegenstand. Zubereitungen aus Symphytum-Arten sind in der phytochemischen und klinischen Literatur ausführlich beschrieben. Eine umfassende Übersichtsarbeit von 2019 stellte Zusammensetzung, Lebensmittelanwendungen und Untersuchungslage der Gattung zusammen und ordnete die in der Literatur diskutierten Eigenschaften mehreren Inhaltsstoffgruppen zu – neben Allantoin unter anderem Phenolverbindungen, Glykopeptiden und Polysacchariden.⁴ Dieselbe Arbeit betont die Risiken durch die enthaltenen Pyrrolizidinalkaloide. Der Forschungsstand ist damit stoff- und zubereitungsbezogen: Von einer isolierten Substanz auf ein Pflanzenextrakt zu schliessen – oder umgekehrt – ist wissenschaftlich nicht zulässig.

Traditionelle Anwendungsgebiete allantoinhaltiger Pflanzen und Sekrete

Allantoin selbst ist eine vergleichsweise junge Entdeckung des 19. Jahrhunderts – die Pflanzen und Sekrete, in denen es vorkommt, haben dagegen eine lange Überlieferungsgeschichte. Die folgenden Angaben geben kulturhistorische Tradition wieder; sie sind als Traditionsbeschreibung zu verstehen und keine Aussage über eine gesundheitliche Wirkung.

Beinwell (Symphytum officinale). Kaum eine europäische Pflanze trägt so viele sprechende Volksnamen: Wallwurz, Schwarzwurz, Bienenkraut, im Englischen comfrey oder knitbone. Schon der Gattungsname geht auf das griechische symphyein zurück, was «zusammenwachsen» bedeutet, und findet sich in der antiken Materia medica bei Dioskurides. Überliefert ist vor allem die äusserliche Anwendung: Die zerkleinerte, schleimreiche Wurzel wurde traditionell zu Breiumschlägen verarbeitet und auf die Haut aufgelegt. In der europäischen Volksheilkunde gehörte Beinwell über Jahrhunderte zum festen Bestand der Hausapotheke; heute ist die innerliche Verwendung der Pflanze wegen ihrer Pyrrolizidinalkaloide stark eingeschränkt (siehe Abschnitt Sicherheit).

Schneckensekret. Übersichtsarbeiten zur Zusammensetzung von Schneckenschleim verweisen darauf, dass die Nutzung dieses Sekrets bereits im antiken Griechenland und in der Zeit der späten Han-Dynastie in China überliefert ist.² Die moderne Analytik hat in diesem Sekret unter anderem Allantoin nachgewiesen – historisch war den Anwendern die Substanz naturgemäss unbekannt; überliefert ist allein der Gebrauch des Sekrets als Ganzes.

Yams-Arten (Dioscorea). Die stärkereichen Knollen der Gattung Dioscorea zählen in tropischen und subtropischen Regionen zu den Grundnahrungsmitteln. In der traditionellen chinesischen Medizin ist die Knolle unter dem Namen Shan Yao in klassischen Rezepturen beschrieben und wird dort den «tonisierenden» Drogen zugeordnet – einer Ordnungskategorie der chinesischen Lehre, nicht einer belegten Anwendung. Phytochemische Übersichtsarbeiten führen Allantoin neben Steroidsaponinen, Polyphenolen und Polysacchariden als beschriebenen Inhaltsstoff der Gattung auf.

Kamille und Weizenkeime. Die Echte Kamille zählt zu den am längsten überlieferten Kulturpflanzen Mitteleuropas und ist seit der Antike als Aufguss und Badezusatz beschrieben; Weizenkeimöl und Weizenkeimauszüge sind in der europäischen Hausüberlieferung als Hautpflegemittel gebräuchlich. In beiden Fällen ist Allantoin nur einer von vielen Inhaltsstoffen – die Tradition bezieht sich auf die Pflanze, nicht auf den Einzelstoff.

Wie wird Allantoin heute verwendet?

Der grösste Teil des industriell hergestellten Allantoins geht in kosmetische Formulierungen. Auf Verpackungen erscheint es unter der internationalen Inhaltsstoff-Bezeichnung (INCI) Allantoin; typische Produktgruppen sind Cremes und Lotionen, Rasier- und After-Sun-Zubereitungen, Lippenpflege sowie Zahnpasten. Als Reinstoff ist Allantoin geruchlos und farblos, gut mit wässrigen Grundlagen kombinierbar und über einen breiten pH-Bereich stabil – formulierungstechnische Eigenschaften, die seinen verbreiteten Einsatz erklären. Neben dem reinen Stoff sind auch Komplexe wie Allantoin-Ascorbat, Allantoin-Panthenol oder Allantoin-Glycyrrhetinsäure beschrieben.⁷

Ausserhalb der Kosmetik dient Allantoin als analytischer Parameter: in der Tierernährung zur Beurteilung von Purinderivaten im Harn, in der Pflanzenwissenschaft als Kenngrösse des Stickstofftransports und in der Laboranalytik als Messgrösse neben der Harnsäure. Diese Angaben beschreiben Verwendungszwecke, keinen gesundheitlichen Nutzen.

Sicherheit, Abgrenzung & häufige Verwechslungen

Pyrrolizidinalkaloide im Beinwell. Die wichtigste Abgrenzung betrifft nicht das Allantoin selbst, sondern die bekannteste allantoinhaltige Pflanze. Symphytum-Arten enthalten Pyrrolizidinalkaloide, eine Stoffgruppe, die als lebertoxisch gilt; Übersichtsarbeiten weisen ausdrücklich auf die damit verbundenen Risiken hin.⁴ In der Schweiz und in der EU bestehen deshalb Höchstgehalte und Beschränkungen für Pyrrolizidinalkaloide in Lebensmitteln und pflanzlichen Erzeugnissen. Isoliertes Allantoin enthält diese Alkaloide nicht – ein Pflanzenauszug und ein Reinstoff sind hier klar zu unterscheiden.

Bewertung des Reinstoffs. Das Cosmetic Ingredient Review Expert Panel kam in seiner Sicherheitsbewertung zum Schluss, dass die vorliegenden Daten die Sicherheit von Allantoin und den untersuchten Allantoin-Komplexen in den bewerteten Produktkategorien und Konzentrationen stützen.⁷ Diese Aussage betrifft die kosmetische Verwendung und ist keine Aussage über eine gesundheitliche Wirkung.

Begriffe, die leicht verwechselt werden. Allantois bezeichnet die embryonale Hülle, nach der der Stoff benannt ist. Allantoat (Allantoinsäure) ist die nächste Stufe im Abbauweg, entsteht durch das Enzym Allantoinase und ist nicht dasselbe Molekül. Alantoin mit einem «l» ist eine gängige Falschschreibung, die gelegentlich mit dem Alant (Inula) verwechselt wird – botanisch besteht keinerlei Zusammenhang. Und Allantoin ist weder mit Harnstoff noch mit Harnsäure identisch, auch wenn alle drei Moleküle im selben Stoffwechselweg auftauchen.

Allgemein gilt: Wer Medikamente einnimmt, schwanger ist oder stillt, sollte Fragen zu pflanzlichen Zubereitungen und kosmetischen Rezepturen mit einer Ärztin, einem Arzt, einer Apothekerin oder einer anderen Fachperson besprechen. Dieser Hinweis ist allgemein gehalten und nicht produktbezogen.

Häufige Fragen zu Allantoin

Ist Allantoin natürlich oder synthetisch?

Beides. Allantoin kommt natürlich in vielen Pflanzen und im Stoffwechsel zahlreicher Tiere vor, wird für die Verwendung in Rezepturen aber fast immer synthetisch hergestellt – meist aus Glyoxylsäure und Harnstoff. Chemisch besteht zwischen beiden kein Unterschied; analytisch lassen sie sich nicht auseinanderhalten.

Warum bilden Menschen kaum Allantoin?

Weil das dafür nötige Enzym Urat-Oxidase beim Menschen nicht gebildet wird: Das zugehörige Gen wurde in der Evolution der Menschenaffen durch Mutationen stillgelegt.¹ Der Purinabbau endet deshalb bei der Harnsäure. Kleine Mengen Allantoin entstehen dennoch, überwiegend durch nicht-enzymatische Oxidation.

In welcher Pflanze steckt besonders viel Allantoin?

Bekannt dafür ist der Beinwell (Symphytum), vor allem die Wurzel. Nachgewiesen ist Allantoin ausserdem in Kamille, Weizenkeimen, Zuckerrüben und in Yams-Arten. Bei Hülsenfrüchtlern dient es zusammen mit Allantoat dem Stickstofftransport in der Pflanze.

Was bedeutet die INCI-Bezeichnung Allantoin?

INCI steht für «International Nomenclature of Cosmetic Ingredients». In dieser einheitlichen Nomenklatur trägt der Stoff schlicht den Namen Allantoin. Das Expertengremium Cosmetic Ingredient Review ordnete ihn den hautkonditionierenden Bestandteilen zu und beschrieb Einsatzkonzentrationen bis zwei Prozent.⁷

Wie unterscheiden sich Allantoin und Allantoat?

Allantoat, auch Allantoinsäure genannt, entsteht aus Allantoin durch das Enzym Allantoinase, das den Ring öffnet. In vielen Pflanzen, Pilzen und Bakterien läuft der Abbau darüber weiter bis zu Glyoxylat, Harnstoff und Ammoniak. Es handelt sich um zwei aufeinanderfolgende Stufen desselben Wegs.

Woher kommt der Name Allantoin?

Von der Allantois – einer embryonalen Hülle bei Säugetieren, Vögeln und Reptilien. In deren Flüssigkeit wurde die Substanz um 1800 erstmals nachgewiesen. Der Name blieb erhalten, obwohl der Stoff heute vor allem aus Pflanzen und aus der chemischen Synthese bekannt ist.