Mineralstoffe

Mineralstoffe sind essenzielle Nahrungsbestandteile, müssen also mit der Nahrung zugeführt werden und erfüllen wichtige Funktionen im menschlichen Organismus. Man unterscheidet bei den Mineralstoffen die Mengenelemente von den Spurenelementen: Mengenelemente (bspw. Natrium, Kalium, Calcium) kommen im Organismus in einer Konzentration von über 50 mg/kg Körpergewicht vor, während die Konzentration der Spurenelemente (bspw. Eisen, Iod, Kupfer) 50 mg/kg Körpergewicht nicht übersteigt.

Die Spurenelemente erfüllen jeweils sehr spezifische Funktionen. Zumeist sind sie Bestandteil von Proteinen und dienen häufig als Cofaktoren von Enzymen (ähnlich wie Vitamine). Eisen bspw. ist Bestandteil des Häms und in dieser Form das wichtigste Speicher- und Transportmedium für Sauerstoff; Kupfer ist Cofaktor zahlreicher Redox-Enzyme und Iod wichtiger Bestandteil der Schilddrüsenhormone.

Werden Spurenelemente nicht adäquat mit der Nahrung zugeführt oder bestehen Resorptionsstörungen, kommt es zu Mangelerscheinungen. Sehr häufig ist bspw. ein Eisenmangel, der sich in einer mikrozytären, hypochromen Anämie äußert, oder ein Iodmangel, der zur Bildung einer Struma (umgangssprachlich: „Kropf“) führt.

• Spurenelemente: Mineralstoffe, deren Konzentration im Körper unter 50 mg/kg Körpergewicht liegt (bspw. Eisen, Kupfer, Zink, Iod und Selen)
• Mengenelemente: Mineralstoffe, die im Körper in einer Konzentration über 50 mg/kg Körpergewicht vorliegen (bspw. Calcium, Natrium, Kalium, Magnesium, Phosphor, Chlor und Schwefel)

Die Superoxid-Dismutase ist sowohl kupfer- als auch zinkhaltig!

Eisen (Fe²⁺, Fe³⁺) ist das häufigste Spurenelement im menschlichen Organismus. Es kann im Gegensatz zu anderen Metallionen nicht nur mit Anionen, sondern auch mit neutralen Molekülen (z.B. O₂) reagieren. Eisen wird damit als Cofaktor der Häm-haltigen Enzyme und Proteine zum wichtigsten Transport- und Speichermedium für Sauerstoff.

Allgemeines

• Bedarf: Ca. 10 mg pro Tag
• Menge und Verteilung im Organismus
  • Menge: 5–7 g
  • Verteilung: Hämoglobin (ca. 70%), Myoglobin (ca. 10%), Ferritin/Hämosiderin (ca. 15%), Rest: Enzyme, Transferrin, Cytochrome
• Eisen in der Nahrung
  • Quellen: Pflanzliche und tierische Nahrungsmittel, besonders Leber, Weizenkleie, Kürbiskerne, Sesam, Quinoa, Amaranth
  • Vorliegen: Gebunden an Nahrungsproteine (Hämoglobin, Myoglobin)

Reduzierende und antioxidative Substanzen (wie z.B. Ascorbinsäure) erleichtern die Resorption des Eisens, Komplexbildner (wie z.B. Gerbstoffe in Tee und Kaffee) behindern sie!

Resorption und Transport

• Resorption des Eisens: Die Enterozyten nehmen bevorzugt Fe²⁺ auf, können aber auch Fe³⁺ aufnehmen
  • Magen: Herauslösen des Eisens aus seiner Proteinbindung durch HCl und Pepsin
  • Aufnahme im Darm: Im Darm gibt es drei verschiedene Resorptionswege für Eisen. Dabei kann Eisen entweder als freies Ion oder Häm-gebunden (effizienteste Resorption) aufgenommen werden.
    1. DMT1-(Divalent-Metal-Transporter-1)Weg: Resorption von Fe²⁺ mittels eines H⁺-gekoppelten Transports
    2. HCP-1-(Häm-Carrier-Protein-1‑)Weg (auch kurz: Häm-Weg): Resorption von Häm-gebundenem Eisen über den Häm-Transporter HCP-1
    3. MIP (Mobilferrin-Integrin-Pathway): Resorption von Fe³⁺
  • Im Enterozyten: Bindung an Mobilferrin
• Eisentransport im Blut: Eisen wird im Blut als Transferrin transportiert
  • Bildung des Transferrins
    1. Abgabe von Fe²⁺ mittels Ferroportin aus den Enterozyten ans Blut
    2. Oxidation zu Fe³⁺ durch Hephästin
    3. Bindung von Fe³⁺ an das Transportprotein Apotransferrin Apotransferrin + Fe³⁺ → Transferrin
       • Normalerweise sind ca. 20–50% des Transferrins mit Eisen beladen
• Aufnahme in die Zielzellen: Wenn eine Zelle Eisen benötigt, exprimiert sie vermehrt Transferrinrezeptoren (TfR) an ihrer Oberfläche
  • Aufnahme über den TfR-1
    1. Bindung des Transferrins an den TfR-1
    2. Endozytose des Transferrin/TfR-1-Komplexes
    3. Auflösung des Komplexes im Lysosom
       • Fe³⁺ wird ins Zytosol freigesetzt
       • Apotransferrin wird wieder ins Plasma abgegeben
       • TfR wird wieder in die Plasmamembran eingebaut

Der Großteil des Plasmaeisens (etwa 80%) gelangt ins Knochenmark und wird dort direkt ins Häm eingebaut!

Eisenspeicherung und -ausscheidung

Nach Freisetzung aus dem Transferrin wird Eisen entweder gleich in Proteine und Enzyme eingebaut oder als Ferritin gespeichert. Eine weitere, seltenere Speicherform des Eisens ist das Hämosiderin.

• Hauptspeicherorte: Hepatozyten sowie die retikuloendothelialen Zellen von Knochenmark und Milz
• Speicherformen
  • Ferritin: Fe³⁺ + Apoferritin
    • Freisetzung: Die Ferritinreduktase setzt aus Ferritin einzelne Fe²⁺-Ionen frei
  • Hämosiderin: Proteinkomplex, der Eisenhydroxid (Fe(OH)₃) enthält
    • Freisetzung: Das in Hämosiderin gespeicherte Eisen ist viel schlechter mobilisierbar als das Eisen aus dem Ferritin
      • Siderosomen: Intrazelluläre Granula, die aus Hämosiderin bestehen und sich in der Berliner-Blau-Färbung mikroskopisch darstellen lassen
• Ausscheidung: Eisen entsteht im Körper hauptsächlich beim Abbau des Hämoglobins, der Großteil wird wiederverwertet
  • Ausscheidung über den Darm (abgestoßene Epithelzellen), die Niere und den Schweiß (insg. ca. 1–2 mg pro Tag)

Hämosiderin wird zwar zu den Eisenspeicherformen gezählt, tatsächlich scheint es sich aber eher um ein Abbauprodukt von z.B. Hämoglobin zu handeln. Das erklärt auch, warum sich das Hämosiderin-Eisen so schlecht mobilisieren lässt!

Frauen sind deutlich häufiger von Eisenmangel betroffen als Männer: Bei der Menstruation gehen etwa 10–15 mg Eisen zusätzlich verloren, dies kann jedoch im Normalfall problemlos durch eine erhöhte Eisenresorption ausgeglichen werden. In der Schwangerschaft bleibt die Menstruationsblutung zwar aus, der Eisenbedarf steigt aber aufgrund der vermehrten Blutbildung auf etwa das Doppelte an!

Funktion

Eisen ist das Zentralatom des Häms und damit wichtiger Cofaktor der Häm-haltigen Enzyme und Proteine. Es gibt jedoch auch Nicht-Häm-Enzyme, die auf Eisen als Cofaktor angewiesen sind.

• Häm-haltige Enzyme/Proteine
  • Myoglobin (O₂-Bindung und Speicherung)
  • Hämoglobin (O₂-Transport)
  • Cytochrome der Atmungskette (Elektronentransport)
• Nicht-Häm-Eisen-Enzyme
  • Peroxidase (Entgiftung von Wasserstoffperoxid)
  • Katalase (Entgiftung von Wasserstoffperoxid)
  • Ribonukleotidreduktase (Reduktion von Ribonukleotiden zu Desoxyribonukleotiden)

Regulation des Eisenstoffwechsels

• Regulation der Resorption: Abhängig vom Eisengehalt der Enterozyten werden etwa 5–40% des Nahrungseisens im Duodenum resorbiert
  • Mukosablock: Bei Ausschöpfung der Eisenbindungskapazität des Plasmas wird Ferritin-Eisen in den Enterozyten abgelagert → Hemmung der Resorption
  • Der Eisenexport aus dem Enterozyten ins Blut kann durch das Peptidhormon Hepcidin gehemmt werden, indem es an Ferroportin bindet, woraufhin der Ferroportin/Hepcidin-Komplex in die Zelle aufgenommen und abgebaut wird
    • Die Synthese von Hepcidin in der Leber wird daher durch eine erhöhte Eisenkonzentration induziert
    • Hepcidin hemmt zusätzlich auch die Ferroportin-abhängige Mobilisierung von Eisen aus den Eisenspeichern der Makrophagen
• Regulation des Stoffwechsels
  • mRNAs von Apoferritin und TfR besitzen in der inaktiven Form eine stabile Stem-Loop-Struktur, das sog. "iron response element" (IRE)
  • Die Translation beider wird durch Bindung des sog. "Iron-response-element-binding-protein" (IRE-BP) reguliert
    • Bei ausreichender Eisenkonzentration: IRE-BP bindet Eisen und ist in diesem Zustand als zytosolische Aconitase aktiv
    • Bei niedriger Eisenkonzentration bindet das IRE-BP an das IRE. Folgen:
      1. Hemmung der Translation von Apoferritin
      2. Aktivierung der Translation des TfR

Die zytosolische Aconitase darf nicht mit der mitochondrialen Aconitase, die ein Enzym des Citratzyklus ist, verwechselt werden!

• Bedarf: 1,0–1,5 mg pro Tag
• Menge und Verteilung im Organismus
  • Menge: 100–150 mg
  • Verteilung: Größtenteils in der Leber
• Kupfer in der Nahrung
  • Quellen: Vollkornprodukte, Hülsenfrüchte, Sonnenblumenkerne
• Resorption, Transport und Speicherung
  • Aufnahme im Dünndarm: Erfolgt energieabhängig
  • Transport im Blut zur Leber: Gebunden an Albumin und Transcuprein
  • Aufnahme in die Hepatozyten: Über den spezifischen Kupfertransporter CTR1 (Cu²⁺-ATPase)
    • Im Hepatozyten: Reduktion von Cu²⁺ zu Cu⁺
  • Transport über Wilson-Transporter (ATP7B) in den Golgi-Apparat
  • Speicherung: In Form von Coeruloplasmin in den Leberzellen (Apo-Coeruloplasmin + Cu⁺ → Coeruloplasmin)
    • Bei Bedarf: Abgabe ins Blut
• Ausscheidung: Über Vesikel in die Galle und somit in den Darm
• Funktion: Als starkes Oxidationsmittel ist Cu²⁺ Cofaktor zahlreicher Oxidasen , z.B.:
  • Cytochrom-c-Oxidase
  • Lysyl-Oxidase
  • Superoxid-Dismutase

Kupfer- und Eisenstoffwechsel stehen in engem Zusammenhang – Kupfer wird sowohl für die Eisenresorption als auch für die physiologische Verwertung des Eisens (z.B. Einbau in das Häm) benötigt!

Morbus Wilson
Der Morbus Wilson ist eine vererbbare Erkrankung, bei der durch eine Mutation des Wilson-Proteins die Ausscheidung des Kupfers über die Galle gestört ist. Als Folge lagert sich das Kupfer in der Leber ab. Außerdem wird überschüssiges Kupfer in Form von freiem Kupfer ans Blut abgegeben und gelangt somit auch in alle anderen Organe. Auch in der Kornea finden sich diese Ablagerungen. Diese sind von besonderer diagnostischer Bedeutung, da sie als pathognomonischer „Kayser-Fleischer-Ring“ sichtbar werden. Unbehandelt kommt es zu Leberentzündung (Hepatitis) sowie im Endstadium zur Leberzirrhose. Außerdem kann das Kupfer im Blut direkt toxisch wirken und bspw. hämolytische Anämien auslösen. Therapeutisch werden Chelatbildner eingesetzt, die Kupfer binden und seine Ausscheidung über die Nieren fördern.

• Bedarf: ca. 10–15 mg pro Tag
• Menge und Verteilung im Organismus
  • Menge: ca. 2–3 g
  • Verteilung: 99% intrazellulär
• Zink in der Nahrung
  • Quellen: Innereien, Fisch, Meeresfrüchte, rotes Fleisch, Weizen
• Resorption und Transport
  • Aufnahme im Darm: Über einen energieabhängigen Zink-Transporter
  • Transport im Blut: Gebunden an Albumin
  • Aufnahme in die Zielzellen: Über spezifische Zinktransporter (ZnT)
• Ausscheidung: Über Galle und Pankreassekret mit den Fäzes
• Funktion
  • Cofaktor von Enzymen z.B.
    • Dehydrogenasen (z.B. Alkohol-, Glutamat-, Malat- und Lactat-Dehydrogenase)
    • Alkalische Phosphatase
    • Carboanhydrase
    • Superoxid-Dismutase
  • Bestandteil von regulatorischen DNA-Bindeproteinen („Zinkfinger“ )
  • Komplexbildung mit Insulin
  • Beteiligung bei der Androgensynthese (v.a. Testosteron)

Zink kann im Körper nicht gespeichert werden!

Zinkmangel, Acrodermatitis enteropathica
Ein Zinkmangel kann akut bei Infektionen, Entzündungen und Stresssituationen auftreten, chronisch bspw. durch Ernährungsfehler oder Leberzirrhose. Führendes Symptom sind Wundheilungsstörungen, da Zink eine wichtige Rolle im Verhornungsprozess der Haut und der Produktion von Bindegewebe spielt. Neben diesem erworbenen Zinkmangel kommt auch – sehr selten – angeborener Zinkmangel vor: Bei der sog. Acrodermatitis enteropathica liegt ein Defekt des Zink-Ionen-Transportergens vor, was zu Resorptionsstörungen führt. Die Krankheit manifestiert sich bereits im Säuglingsalter, neben Wundheilungsstörungen kommt es hier auch zu chronischen Durchfällen mit Gedeihstörung und krustig-blasigen Hauterscheinungen. Die Therapie besteht in einer lebenslangen Zink-Substitution.

• Bedarf: Ca. 100–200 μg pro Tag
• Menge und Verteilung im Organismus
  • Menge: Ca. 10–20 mg
  • Verteilung: Ca. 75% befinden sich in der Schilddrüse
• Iod in der Nahrung
  • Quellen: Fisch, Fleisch, Milchprodukte
• Resorption und Transport
• Aufnahme im Darm: Parazellulär
  • Transport im Blut: Gebunden an Plasmaproteine
  • Aufnahme in die Zielzellen: Über eine Iodidpumpe (Na⁺/I^--Symport)
• Ausscheidung
  • Anorganisches Iodid: Über die Nieren
  • Iodhaltige Schilddrüsenhormone: Nach Glucuronidierung über die Galle
• Funktion
  • Bestandteil der Schilddrüsenhormone Triiodthyronin und Tetraiodthyronin (Thyroxin)

Struma durch Iodmangel
Iodmangel resultiert meist aus einer mangelnden Zufuhr mit der Nahrung und führt zu einer verminderten Synthese der Schilddrüsenhormone (Hypothyreose). Der Körper reagiert darauf mit einer erhöhten Ausschüttung von TSH (Thyreoid-stimulierendes-Hormon), wodurch sich das Gewebe vermehrt, was als Struma (oder umgangssprachlich: „Kropf“) sichtbar wird. Weitere Symptome sind Störungen des Wachstums und der Intellektentwicklung.

• Bedarf: Ca. 0,1 mg pro Tag
• Menge im Organismus: Ca. 3–15 mg
• Selen in der Nahrung
  • Quellen: Fisch, Fleisch, Leber, Getreide u.a.
• Resorption und Transport
  • Aufnahme im Darm: Proportional zur Menge in der Nahrung
  • Transport im Blut: An Plasmaproteine gebunden
• Ausscheidung: Mit Urin, Fäzes und Atemluft
• Funktion: In Form der Aminosäure Selenocystein ist Selen Bestandteil von Enzymen, z.B.:
  • Glutathion-Peroxidase
  • Thyroxin-5'-Deiodase

Die wichtigste Funktion von Selen ist die Abwehr von oxidativem Stress!

• Bedarf: Da Schwefel normalerweise in ausreichender Menge über die Nahrung zugeführt wird, gibt es keine Empfehlung für eine tägliche Zufuhr.
• Menge im Organismus: Ca. 150 g
• Vorkommen in der Nahrung
  • Quellen: Proteinreiche Nahrungsmittel, z.B. Fleisch, Fisch, Getreide
  • Vorliegen: Insb. in den Aminosäuren Methionin und Cystein
• Resorption und Transport: siehe: Resorption und Transport der Aminosäuren
• Funktion
  • Strukturgebung in Proteinen
  • Bestandteil von Vitamin B₁, Vitamin H, Coenzym A
  • Als sog. Eisen-Schwefel-Cluster wichtiger Bestandteil der Komplexe der Atmungskette
  • PAPS (Phosphoadenosin-Phosphosulfat = "Aktiviertes Sulfat"): Aufbau von Heparin und Chondroitinsulfat

Eisen

Wieviel des mit der Nahrung aufgenommenen Eisens wird in etwa durch den Darm resorbiert und in welcher Form kann es am effizientesten aufgenommen werden?

Welche Substanzen erleichtern typischerweise die Eisenresorption im Darm und warum?

Beschreibe den Weg der Eisen-Ionen aus dem Darmlumen ins Blut und zum extraintestinalen Gewebe!

Was beschreibt die sog. Transferrinsättigung und wie hoch ist sie in etwa bei einem Gesunden?

Welchen Einfluss hat ein Eisenmangel auf die Erythrozytenform?

Wie wird Eisen im Körper gespeichert?

Wie wird die Eisenresorption im Darm bzw. der Eisenexport aus den Enterozyten ins Blut reguliert?

Erkläre die Funktion der zytosolischen Aconitase für die Regulation des Eisenstoffwechsels!

Kupfer und Zink

Kupfer und Zink sind Bestandteil bzw. Cofaktoren zahlreicher Enzyme. Welches Erythrozytenenzym enthält sowohl Kupfer als auch Zink?

Wie wird überschüssiges Kupfer ausgeschieden?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.