Biotin (Vitamin B7): Molekülbau, Stereochemie, Entdeckung und Herstellung

Dieser Lexikonartikel beschreibt Biotin als chemischen Stoff. Behandelt werden Molekülbau, Stereochemie, Namensgeschichte und Entdeckung. Dazu kommen die Rolle als Coenzym von Carboxylasen und das Vorkommen in Lebensmitteln. Zudem geht es um die industrielle Herstellung und ein analytisches Sonderthema aus dem Labor.

Ein Molekül aus zwei verwachsenen Ringen

Biotin ist ein bicyclisches Molekül. Bicyclisch heisst: Zwei Ringe teilen sich eine gemeinsame Kante. Diese Kante besteht aus zwei Kohlenstoffatomen. Beide Ringe sind Fünfringe. Sie stehen nicht nebeneinander, sondern sind fest miteinander verwachsen.

Der eine Ring ist ein Ureidoring, chemisch ein Imidazolidin-2-on; er trägt zwei Stickstoffatome und dazwischen eine Carbonylgruppe. Der zweite Ring ist ein Tetrahydrothiophenring, auch Thiolan genannt; in ihm sitzt das einzige Schwefelatom des Moleküls.

An diesem Schwefelring hängt eine offene Kette aus fünf Kohlenstoffatomen. Sie endet in einer Carboxylgruppe. Diese Kette entspricht formal der Valeriansäure, also der Pentansäure; über die Carboxylgruppe knüpft das Molekül später seine Verbindung zu Eiweissen.

Die molare Masse beträgt 244,31 Gramm pro Mol. Reines Biotin bildet farblose, nadelförmige Kristalle, die bei rund 232 bis 233 Grad Celsius unter Zersetzung schmelzen. In kaltem Wasser löst sich der Stoff nur wenig, in heissem Wasser und in verdünnten Laugen deutlich besser.

Acht Stereoisomere, eines davon aktiv

Das Biotinmolekül besitzt drei Stereozentren. Ein Stereozentrum ist ein Kohlenstoffatom mit vier verschiedenen Nachbarn. Es lässt sich auf zwei Weisen anordnen, ähnlich wie linke und rechte Hand. Bei drei solchen Zentren ergeben sich rechnerisch zwei hoch drei, also acht Möglichkeiten.

Diese acht Formen heissen Stereoisomere. Sie haben alle dieselbe Summenformel und dieselben Bindungen; sie unterscheiden sich nur in der räumlichen Anordnung. Enzyme erkennen jedoch genau diese Anordnung. Deshalb ist nur eine der acht Formen biologisch aktiv.

Diese aktive Form heisst D-Biotin, ausführlich D-(+)-Biotin; in der Fachsprache wird sie als (3aS,4S,6aR)-Form bezeichnet. In ihr stehen die Seitenkette und die beiden Ringverknüpfungen auf derselben Seite des Ringsystems. In die Bindungstaschen der zugehörigen Enzyme passt nur diese Anordnung.

• Stereozentren: drei Kohlenstoffatome im bicyclischen Gerüst
• Rechnerisch mögliche Isomere: acht
• Biologisch aktiv: ausschliesslich D-(+)-Biotin
• Fachbezeichnung: (3aS,4S,6aR)-Form
• Folge für die Technik: jede Synthese muss gezielt diese eine Form liefern

Diese Anforderung prägt die gesamte Herstellung: Eine Synthese, die alle acht Formen im Gemisch erzeugt, wäre praktisch wertlos. Deshalb dient der grösste Teil des Aufwands in der technischen Produktion der Stereokontrolle.¹

Vitamin H, Vitamin B7, Coenzym R: die Namen und ihre Herkunft

Kaum ein anderer Stoff trägt so viele Namen. Der Grund liegt in der Forschungsgeschichte. Mehrere Arbeitsgruppen stiessen unabhängig voneinander auf denselben Stoff. Jede vergab einen eigenen Namen. Erst später zeigte sich, dass alle dasselbe Molekül meinten.²

Der Name Biotin geht auf das griechische Wort bíos für Leben zurück; er stammt aus der Hefeforschung. Die Bezeichnung Vitamin B7 folgt der Nummerierung des B-Komplexes; zu dieser Gruppe gehören auch Niacin, Pantothensäure und Folsäure.

Aus dem deutschsprachigen Raum der 1930er-Jahre stammt der ältere Name Vitamin H. Dort steht der Buchstabe H für die Wörter Haut und Haar. Dieser Abschnitt erklärt ausschliesslich, woher der Name kommt. Über eine Wirkung sagt eine Namensgebung aus dem Jahr 1931 nichts aus.

Von der Hefeforschung zur Strukturformel

Um 1900 beginnt die Spur in der Hefeforschung: Hefen wuchsen nur, wenn dem Nährmedium ein Zusatz aus Naturstoffen beigegeben wurde. Diesen unbekannten Zusatz nannte man Bios. Später zeigte sich, dass Bios ein Gemisch mehrerer Stoffe ist.²

Über Fütterungsversuche mit rohem Eiklar führte eine zweite Spur; aus der Mikrobiologie der Knöllchenbakterien kam eine dritte. 1936 gelang Fritz Kögl und Benno Tönnis die entscheidende Isolierung. Aus mehreren hundert Kilogramm getrocknetem Eigelb gewannen sie nur wenige Milligramm Substanz.

Um 1940 wurde nachgewiesen, dass die verschiedenen Faktoren identisch sind; Vitamin H, Coenzym R und Biotin bezeichneten denselben Stoff. Die Aufklärung der Struktur folgte 1942. Aus Abbaureaktionen leiteten Vincent du Vigneaud und seine Arbeitsgruppe sie ab.³

Du Vigneaud erhielt 1955 den Nobelpreis für Chemie. Die Begründung des Komitees nennt seine Arbeiten an biochemisch wichtigen Schwefelverbindungen und die erste Synthese eines Peptidhormons.⁴ Biotin gehört als schwefelhaltiges Molekül in dieses Arbeitsgebiet.

Coenzym von Carboxylasen: was das Molekül chemisch tut

Biotin ist ein Coenzym. Ein Coenzym ist ein kleines Molekül. Ein Enzym benötigt es für seine Reaktion. Biotin gehört zu einer Enzymgruppe, die Carboxylasen heisst. Carboxylasen übertragen eine Carboxylgruppe. Das ist eine Einheit aus einem Kohlenstoff- und zwei Sauerstoffatomen.⁵

Zunächst wird das Biotin fest mit dem Enzym verknüpft. Über eine Amidbindung verknüpft sich die Carboxylgruppe der Seitenkette mit einem Lysinrest des Eiweisses. Diese Einheit aus Biotin und Lysin heisst Biocytin; dabei wirkt die lange Seitenkette wie ein beweglicher Arm.⁵

Danach lädt eine Teildomäne des Enzyms den Arm auf. Unter Verbrauch von ATP überträgt sie eine Carboxylgruppe aus Hydrogencarbonat auf ein Stickstoffatom des Ureidorings. Es entsteht Carboxybiotin. Der Arm schwenkt anschliessend zur zweiten Teildomäne.

Dort gibt er die Carboxylgruppe an das eigentliche Substratmolekül ab; danach liegt Biotin wieder unbeladen vor. Der Vorgang kann von vorn beginnen. Später löst ein weiteres Enzym, die Biotinidase, Biotin wieder aus dem Biocytin heraus.

Welche Carboxylasen dieses Prinzip nutzen, ist gut untersucht. Eine Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2013 fasst die bekannten Kristallstrukturen dieser Enzyme zusammen.⁵ Alle enthalten drei Bauteile: eine Biotin-Carboxylase, eine Carboxyltransferase und ein Trägerprotein für das Biotin.

In Reaktionsketten des Fett-, Aminosäuren- und Kohlenhydratstoffwechsels arbeiten diese Enzyme. Die Angaben in der Tabelle beschreiben ausschliesslich, welche chemische Umsetzung das jeweilige Enzym katalysiert.

Avidin: warum rohes Eiklar Biotin bindet

Rohes Eiklar enthält ein Eiweiss namens Avidin; der Name leitet sich vom lateinischen avidus für gierig ab. Avidin ist ein Glykoprotein, also ein Eiweiss mit angehängten Zuckerresten, und besteht aus vier gleichen Untereinheiten.⁶

Jede Untereinheit bildet ein Fass aus acht Eiweissträngen; in diesem Fass liegt eine Tasche, die genau ein Biotinmolekül aufnimmt. Damit bindet ein vollständiges Avidin vier Biotinmoleküle; auf einem dichten Netz aus Wasserstoffbrücken und wasserabweisenden Kontakten beruht die Bindung.⁶

Diese Bindung gilt als eine der stärksten bekannten nicht-kovalenten Verbindungen zwischen einem Eiweiss und einem kleinen Molekül. Ein bakterielles Gegenstück heisst Streptavidin. Aus Streptomyces avidinii stammend, ist es genetisch nicht verwandt und dennoch fast gleich gebaut.⁶

Avidin ist empfindlicher gegenüber Hitze als Streptavidin; wird die Eiweissstruktur beim Erhitzen zerstört, geht die Bindungsfähigkeit verloren. Dieser Abschnitt beschreibt eine reine Bindungsreaktion zwischen zwei Molekülen. Genau diese starke Bindung wird im Labor gezielt genutzt, wie der Abschnitt zur Analytik zeigt.

Vorkommen in Lebensmitteln und die Tücken der Analytik

In der Natur ist Biotin weit verbreitet, meist jedoch in kleinen Mengen. Als vergleichsweise gehaltvoll gelten Leber, Eigelb, Hefe, Nüsse und Hülsenfrüchte; auch Fisch, Fleisch und einzelne Gemüse werden regelmässig genannt.⁷

In Lebensmitteln liegt ein Teil des Biotins nicht frei vor; über die Amidbindung ist es an Eiweisse gebunden. Für eine Messung muss diese Bindung zuerst durch saure Hydrolyse gelöst werden; erst danach lässt sich der Gesamtgehalt bestimmen.

• Tierische Quellen: Leber, Eigelb, Fisch, Fleisch, Milchprodukte
• Pflanzliche Quellen: Nüsse, Hülsenfrüchte, einzelne Gemüsearten
• Mikrobielle Quellen: Hefen, unter anderem Bierhefe
• Bindungsform: teils frei, teils an Eiweiss gebunden
• Messverfahren: saure Hydrolyse, danach Trennung und Nachweis über Avidinbindung

Eine Untersuchung aus dem Jahr 2004 bestimmte den Gehalt in 87 Lebensmitteln mit einem solchen Verfahren.⁷ Der Vergleich mit älteren Nährwerttabellen fiel ernüchternd aus. Von 51 vergleichbaren Einträgen stimmten nur sieben im Rahmen der Messgenauigkeit überein. Deshalb stufen die Autorinnen und Autoren viele veröffentlichte Tabellenwerte als unzuverlässig ein.

Steckbrief

Industrielle Herstellung: Chemie gegen Fermentation

Aus chemischer Synthese stammt der grösste Teil des weltweit hergestellten Biotins; die Grundlage legten Moses Wolf Goldberg und Leo Sternbach. Ihr 1949 zum Patent angemeldetes Verfahren geht von Fumarsäure aus.⁸ In der Literatur heisst es Goldberg-Sternbach-Synthese oder Sternbach-Weg.

Der Weg gilt als stereochemisch sehr zuverlässig; er liefert gezielt die aktive Form und arbeitet mit guten Ausbeuten. Als Nachteile werden die vielen Stufen, giftige Reagenzien und ein hoher Anlagenaufwand beschrieben.⁹

2001 kam ein asymmetrisches Verfahren hinzu. Es verkürzte den Weg von elf auf acht Stufen und senkte die Kosten deutlich.⁹ Neuere Arbeiten setzen an anderer Stelle an. Eine Synthese aus dem Jahr 2023 baut das entscheidende Zwischenprodukt in neun Schritten aus L-Cystin auf, mit 44 Prozent Gesamtausbeute.¹

Gleichzeitig wird an fermentativen Verfahren gearbeitet. Bakterien und Hefen stellen Biotin selbst her. Über die Zwischenstufen Ketoaminopelargonsäure, Diaminopelargonsäure und Dethiobiotin verläuft der Bauweg. Erst im letzten Schritt setzt das Enzym Biotinsynthase das Schwefelatom ein. Dabei stammt das Schwefelatom aus einem Eisen-Schwefel-Cluster.⁹

Biotin in der Laboranalytik

In der Labormedizin wird die sehr feste Bindung zwischen Biotin und Streptavidin genutzt. Viele automatisierte Immunoassays verwenden sie. Damit halten sie Messmoleküle an einer Oberfläche fest. Ein Immunoassay ist ein Testverfahren, das auf der Bindung von Antikörpern an ihr Zielmolekül beruht.¹⁰

Genau diese Bauweise hat eine Kehrseite. Gelangt viel freies Biotin aus hoch dosierten Präparaten in die Probe, besetzt es die Bindungsstellen. Je nach Testaufbau fällt das Messsignal dann zu hoch oder zu niedrig aus. Die US-Arzneimittelbehörde FDA veröffentlichte dazu eine Sicherheitsmitteilung.¹⁰

Wie häufig das vorkommt, hängt von der untersuchten Bevölkerung ab. Eine britische Erhebung mass Biotin in 524 anonymisierten Serumproben.¹¹ Der Medianwert lag bei 0,27 Mikrogramm pro Liter. Kein einziger Wert erreichte 10 Mikrogramm pro Liter. Vier Proben, also 0,8 Prozent, lagen bei mindestens 2,5 Mikrogramm pro Liter.

Gegenstand aktueller Forschung

Seit über achtzig Jahren ist Biotin chemisch bekannt. Heute liegen offene Fragen vor allem in der Verfahrenstechnik und in der Enzymchemie. Die folgende Aufstellung nennt Felder, die in der Fachliteratur bearbeitet werden.

• Fermentation: Aufbau von Mikroorganismen, die Biotin in technisch nutzbarer Menge bilden⁹
• Enzymchemie: wie die Biotinsynthase das Schwefelatom einsetzt und dabei ihr eigenes Cluster verbraucht⁹
• Strukturbiologie: Aufbau der vollständigen Carboxylase-Holoenzyme⁵
• Syntheseplanung: kürzere und stereoselektive Wege zur aktiven Form¹
• Lebensmittelanalytik: verlässliche Gehaltsdaten anstelle älterer Tabellenwerte⁷
• Messtechnik: Testformate, die ohne die Biotin-Streptavidin-Architektur auskommen¹⁰

Die Datenlage ist je nach Feld unterschiedlich weit gediehen. Als gefestigt gilt sie für die Strukturchemie. Für die fermentative Herstellung im industriellen Massstab beschreiben die Fachleute den Stand als Entwicklung.

Häufige Fragen

Was ist Biotin?

Biotin ist eine schwefelhaltige, wasserlösliche Verbindung mit der Summenformel C₁₀H₁₆N₂O₃S. Sie zählt zu den B-Vitaminen. Chemisch besteht das Molekül aus zwei verwachsenen Fünfringen. Dazu kommt eine Seitenkette mit Carboxylgruppe.

Warum wird Biotin auch Vitamin H genannt?

Für die deutschen Wörter Haut und Haar steht der Buchstabe H. Die Bezeichnung stammt aus dem Jahr 1931. Heute gilt sie als veraltet. Es handelt sich um eine Namensherkunft, nicht um eine Aussage über den Stoff.

Was bedeutet D-Biotin?

D-Biotin bezeichnet eines von acht möglichen Stereoisomeren. Das Molekül hat drei Stereozentren. Daraus ergeben sich acht räumliche Anordnungen. Nur D-(+)-Biotin ist biologisch aktiv. Die übrigen sieben Formen sind es nicht.

In welchen Lebensmitteln kommt Biotin vor?

Als vergleichsweise gehaltvoll gelten Leber, Eigelb, Hefe, Nüsse und Hülsenfrüchte. Eine Analyse von 87 Lebensmitteln aus dem Jahr 2004 kam allerdings zum Schluss, dass viele veröffentlichte Tabellenwerte unzuverlässig sind.⁷

Warum bindet rohes Eiklar Biotin?

Rohes Eiklar enthält das Eiweiss Avidin. Es besteht aus vier Untereinheiten mit je einer passenden Bindungstasche. Damit bindet ein Avidinmolekül vier Biotinmoleküle; beim Erhitzen verliert das Eiweiss seine Struktur und damit die Bindungsfähigkeit.⁶

Wie wird Biotin industriell hergestellt?

Überwiegend durch chemische Synthese. Das Verfahren nach Goldberg und Sternbach von 1949 geht von Fumarsäure aus; eine verkürzte asymmetrische Route folgte 2001. An fermentativen Verfahren mit Mikroorganismen wird gearbeitet.^8,9

Warum kann Biotin Laborwerte stören?

Viele Immunoassays nutzen die feste Bindung zwischen Biotin und Streptavidin als Baustein. Freies Biotin aus hoch dosierten Präparaten besetzt diese Bindungsstellen. Je nach Testaufbau fällt das Ergebnis dann zu hoch oder zu niedrig aus.¹⁰

Quellen

1. Shu L. et al.: Novel practical stereoselective synthesis of a bicyclic hydantoino-thiolactone as the key intermediate for production of (+)-biotin. RSC Advances, 2023. DOI 10.1039/D3RA04721K, PMID 37671003
2. Lanska D. J.: The Discovery of Niacin, Biotin, and Pantothenic Acid. Annals of Nutrition and Metabolism, 2012. DOI 10.1159/000343115, PMID 23183297
3. du Vigneaud V.: The Structure of Biotin. Science, 1942, Band 96, Seiten 455–461. DOI 10.1126/science.96.2499.455
4. The Nobel Prize in Chemistry 1955, Vincent du Vigneaud. Begründung: „for his work on biochemically important sulphur compounds, especially for the first synthesis of a polypeptide hormone". Nobel Prize Outreach, nobelprize.org
5. Tong L.: Structure and function of biotin-dependent carboxylases. Cellular and Molecular Life Sciences, 2013. DOI 10.1007/s00018-012-1096-0, PMID 22869039
6. Livnah O., Bayer E. A., Wilchek M., Sussman J. L.: Three-dimensional structures of avidin and the avidin-biotin complex. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1993. DOI 10.1073/pnas.90.11.5076, PMID 8506353
7. Staggs C. G. et al.: Determination of the biotin content of select foods using accurate and sensitive HPLC/avidin binding. Journal of Food Composition and Analysis, 2004. DOI 10.1016/j.jfca.2003.09.015, PMID 16648879
8. Goldberg M. W., Sternbach L. H.: Synthesis of biotin. US-Patent 2 489 232 A, 1949
9. Ma D., Du G., Fang H., Li R., Zhang D.: Advances and prospects in microbial production of biotin. Microbial Cell Factories, 2024. DOI 10.1186/s12934-024-02413-1, PMID 38735926
10. Balzer A. H. A., Whitehurst C. B.: An Analysis of the Biotin-(Strept)avidin System in Immunoassays: Interference and Mitigation Strategies. Current Issues in Molecular Biology, 2023. DOI 10.3390/cimb45110549, PMID 37998726
11. Sanders A., Gama R., Ashby H., Mohammed P.: Biotin immunoassay interference: A UK-based prevalence study. Annals of Clinical Biochemistry, 2021. DOI 10.1177/0004563220961759, PMID 32936669

Zusammengestellt und geprüft von der Sanasis-Fachredaktion. Dieser Glossarbeitrag ordnet den Begriff chemisch, historisch und verfahrenstechnisch ein. Er beschreibt keine Anwendung und ersetzt keine fachliche Beratung. Stand: August 2026.