Viele Elemente kommen in lebenden Zellen in derart geringen Konzentrationen vor, dass es mit den früher verfügbaren analytischen Methoden unmöglich war, ihre Konzentration zu bestimmen. Man sagte deshalb, dass sie in Spuren vorkommen und bezeichnete sie demzufolge als Spuren- oder Mikroelemente.
Einteilung der Spurenelemente
Die Spurenelemente können nach ihrer Lebensnotwendigkeit in drei Gruppen eingeteilt werden:
- Essentielle Spurenelemente
- Möglicherweise essentielle Spurenelemente
- Nichtessentielle Spurenelemente
Heute können mit Sicherheit elf Spurenelemente als lebensnotwendig bezeichnet werden.
Essentiell sind:
- Eisen
- Kupfer
- Zink
- Molybdän
- Kobalt
- Mangan
- Chrom
- Jod
- Zinn
- Selen
- Vandium
Möglicherweise essentiell sind:
- Fluor
- Nickel
- Brom
- Arsen
- Casmium
- Barium
- Strontium
- Silicium
- Aluminium
Nichtessentiell sind:
Es ist schwierig, experimentell festzustellen, ob ein Mikroelement essentiell ist, da oft schon die geringsten Mengen des Elements ausreichen, um Mangelerscheinungen des Organismus zu verhindern. Ein Teil der nichtessentiellen Mikroelemente wirkt schon in relativ niedrigen Konzentrationen toxisch (Blei und Quecksilber). Alle essentiellen Mikroelemente sind toxisch, wenn sie über einen bestimmten Zeitraum in hohen Konzentrationen verabreicht werden.
Wirkungsweise der Spurenelemente
Die geringe Konzentration der Mikroelemente in der Zelle deutet darauf hin, dass sie an katalytischen Vorgängen beteiligt sind. So wirken die meisten Spurenelemente vorwiegend als Katalysatoren in Enzymsystemen der Zelle. Nahezu 30% aller Protein-Enzyme und alle RNA-Enzyme enthalten ein Metallion als wesentlichen Bestandteil. Protein-Enzyme können in zwei Gruppen eingeteilt werden:
- die eigentlichen Metallenzyme
- die metallaktivierten Enzyme
Bei den eigentlichen Metallenzymen sind die Metallionen fest an bestimmte Stellen des Enzymproteins gebunden, so dass jedes Enzymmolekül eine bestimmte Anzahl von Metallionen besitzt. Diese können nur mit gleichzeitigem Verlust der katalytischen Aktivität des Enzyms entfernt werden. Für bestimmte Reaktionen werden spezifische Metalle benutzt:
- Kupfer bei Oxidasen
- Zink bei mehreren Dehydrogenasen und Hydrolasen
- Eisenprotoporphyrin bei einer Reihe elektronenübertragender Enzyme und Oxygenasen
Die zweite Enzymgruppe, die Metallionen benötigt, wird von den metallaktivierten Enzymen gebildet. Bei ihnen ist das Metall nur locker an das Protein gebunden, auch hier ist es jedoch wichtig für die volle enzymatische Aktivität. Zu den Metallen, die Enzyme aktivieren, gehören die Spurenelemente Eisen, Kupfer, Zink, Mangan, Molybdän und Kobalt sowie die Erdalkalimetalle Magnesium und Calcium und die Alkalimetalle Natrium und Kalium.
Einfluss der Metallbindung
Bei einigen Metallionen hat die Bindung des Metallions einen Einfluss auf den Ladungscharakter und die Konformation des aktiven Zentrums. Das daraus resultierende Metallprotein kann unter innerer Spannung stehen und infolgedessen reaktionsfähiger sein. Sowohl bei den Metallenzymen als auch bei den metallaktivierten Enzymen kann das Metallion ferner dazu dienen, die Geometrie des aktiven Zentrums so zu verschlüsseln, dass nur ganz bestimmte Substrate gebunden werden können. Das Metallion ist für die Aufrechterhaltung der Tertiär- und Quartärstruktur des Enzyms erforderlich.
So kann das Metall dazu dienen, bestimmte Stellen der Polypeptidkette in die richtige Anordnung zu bringen oder verschiedene Untereinheiten eines Enzyms zusammenzuhalten. In diesen Fällen führt die Abspaltung des Metallions zur Denaturierung des Enzyms bzw. zu seinem Zerfall in Untereinheiten, woraus in beiden Fällen ein Verlust der enzymatischen Aktivität resultieren kann. Ein weiteres Beispiel einer primär strukturellen Wirkungsweise ergibt sich, wenn das Metallion an einem allosterischen Ort gebunden ist (der also nicht mit dem aktiven Zentrum übereinstimmt). Trotz seines Abstands vom aktiven Zentrum kann das Metallion die Substratbindung oder die Reaktionsfähigkeit auch in diesem Fall durch eine Verlagerung von Elektronen oder strukturellen Aenderungen des aktiven Zentrums beeinflussen. Nach einer weiteren, als Brückentheorie bezeichneten Vorstellung fördert das Metall die Katalyse dadurch, dass es in der Art einer Brücke die Verbindung zwischen dem Substrat und dem aktiven Zentrum herstellt. Bei einer Beteiligung eines Coenzyms an der Katalyse kann das Metallion sowohl Substrat als auch das Coenzym am aktiven Zentrum binden.
Stoffwechsel der Spurenelemente
Der Stoffwechsel der Spurenelemente, d.h. die Aufnahme in den Organismus durch Nahrung, Trinkwasser und Luft, die Ausscheidung und die Verteilung in Blut und Gewebe (Membrantransport) sind bisher nur unzureichend untersucht.
Klinische Bedeutung der Spurenelemente
Von medizinischem Interesse sind Mikroelemente bei der Ernährung des gesunden und kranken Menschen.
- So führt zum Beispiel eine mangelhafte Versorgung des Organismus mit Jod zur Jodmangelstruma (Kropf in Jodmangelgebieten).
- Bei der Bekämpfung der Zahnkaries ist Fluor von Bedeutung.
- Zur Vermeidung der Eisenmangelanämie ist die ausreichende Nahrungszufuhr von Eisen erforderlich.
Ausserdem liegt eine Reihe epidemiologischer Studien vor, nach denen die erhöhte Konzentration einzelner Spurenelemente (z.B. Selen) in der Nahrung und im Trinkwasser das Auftreten verschiedener Krankheiten (z.B. Magenkrebs und kardiovaskuläre Schäden) verhindern soll. Auf der anderen Seite wirken einige Mikroelemente schon in geringsten Mengen toxisch.
Die einzelnen Spurenelemente
Kupfer
Fast alle kupferhaltigen Proteine sind Oxidasen, d.h. sie stehen am Ende der Oxidationskette und übertragen Elektronen auf das Sauerstoffmolekül. Sie sind meist blau gefärbt.
Zu den Kupferproteinen gehört die Cytochrom-c-Oxidase. Da auch die Lysyloxidase, ein wichtiges Enzym der Kollagen- und Elastinbiosynthese, ein Kupferprotein ist, besitzt Kupfer eine Schlüsselstellung im Bindegewebestoffwechsel.
Mit der Nahrung aufgenommenes Kupfer wird vorwiegend aus Magen und Duodenum aufgenommen. Das die Darmmucosazellen verlassende Kupfer wird im Portalblut locker an das Transportprotein Albumin gebunden.
Molybdän
Molybdän ist am Elektronentransferprozess der Xanthinoxidase und der Stickstoffixierung, d.h. die Umwandlung atmospherischen Stickstoffs in Ammoniak durch bestimmte Prokaryonten, beteiligt.
Kobalt
Die Funktion dieses Metalls ist an die von Vitamin B12 gebunden, wo es fest eingebaut ist. Dieses Enzym ist als Coenzym an der Methylierung von Homocystein zu Methionin beteiligt.
Zink
Zink ist Bestandteil und Cofaktor von mehr als 300 Enzymen (Carboanhydrase, Alkoholdehydrogenase, Glutamatdehydrogenase, Malatdehydrogenase, Lactatdehydrogenase, alkalische Phosphatase).
Zink wirkt weithin als Stabilisator biologischer Membranen und ist Bestandteil DNA-bindender Proteine. Diese genregulatorischen Transkriptionsfaktoren weisen bestimmte Domänen auf, die für die Bindung des Proteins an die DNA verantwortlich sind (Zinkfinger).
Besonders hoch ist die Zinkkonzentration in Prostata, Epididymis, Testes (und damit Spermien - Chromatinstabilisierung) und Ovarien.
Resorbiertes Zink wird im Blut an Plasmaproteine (hauptsächlich Albumin) gebunden. Das an Plasmaproteine gebundene Zink macht 22% des Zinks im Blut aus, der Rest findet sich in den Erythrozyten (75%, Carboanhydrase!) und Leukozyten (3%, alkalische Phosphatase!).
Mangan
Mangan spielt eine wichtige Rolle im Knorpelstoffwechsel, wo es bei der Biosynthese von Mucopolysaccharid-Protein-Komplexen (Proteoglykanen) auftritt.
Fluor
Fluor ist zwar nicht zum Ueberleben notwendig, fördert aber unter den derzeitigen Lebensbedingungen Gesundheit und Wohlbefinden, da optimale Fluorgaben das Ausmass der Karies, d.h. die Zersetzung der Zähne, herabsetzen.
Kariesprotektive Wirkung von Fluorid
Fluor wirkt über eine Förderung der Remineralisierung der Zahnoberfläche. Auflockerungsdefekte an der zellulosen Oberfläche des Zahnes werden normalerweise durch den an Zahnmineral übersättigten Speichel wieder aufgefüllt (Remineralisierung).
- überwiegt die Remineralisierungsgeschwindigkeit, so besteht Kariesresistenz.
- überwiegt die Demineralisierung, so kommt es zu fortschreitender Karies.
Physiologische Fluordosen (fluoridierte Zahn- und Mundpflegepräparate und fluoridiertes Trinkwasser) fördern die Remineralisierung um das Mehrfache. Fluorpräparate werden auch zur Behandlung der Osteoporose eingesetzt.
Das in Nahrungsmitteln oder Getränken enthaltene Fluorid wird im Magen-Darm-Trakt zu 80-100% resorbiert. Beim Erwachsenen finden sich 99% der Gesamtfluorkonzentration im Skelett und in den Zähnen.
Die kariesprotektive Wirkung geringer Fluoridmengen ist heute unumstritten. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt deshalb die generelle Fluoridanwendung zur Prophylaxe der Karies, die die häufigste chronische und progressive Krankheit während Kindheit und Jugend darstellt. Nach den bisherigen Erfahrungen scheint die Trinkwasserfluoridierung die wirkungsvollste Form der systematischen Fluorverabreichung zu sein. Die gesetzlichen Grundlagen wurden geschaffen. Da sie jedoch noch nicht realisiert wurden, bleibt für Interessenten nur die individuelle Kariesprophylaxe durch Fluoridtabletten und lokale Fluorapplikation durch fluoridhaltige Zahnpasta.
Die Wirkung von Fluorid bei der Osteoporosebehandlung kommt neben der Wirkung auf das Knochenmaterial durch einen stimulierenden Einfluss auf die Osteoblasten zustande, die neue Knochenmatrix synthetisieren.
Die Zahnfluorose ist die häufigste Nebenwirkung einer erhöhten Fluoridzufuhr – fleckenförmige Unterentwicklung des Zahnschmelzes (gesprenkelte Zähne). Die Zahnfluorose tritt jedoch nur bei Fluorzufuhr während der Zahnbildung auf (zwischen 8. und 10. Lebensjahr).
Jod
Die einzig bekannte Funktion von Jod ist die eines essentiellen Bestandteils der Schilddrüsenhormone Tri- und Tetrajodthyronin (T3 und T4).
75% des Gesamtkörperjods finden sich in der Schilddrüse. In der Nahrung liegt Jod vorwiegend als anorganisches Jodid vor und wird in dieser Form fast vollständig im Magen-Darm-Trakt resorbiert. Die meisten Nahrungsmittel mit Ausnahme von Meerfisch enthalten nur sehr wenig Jod.
Jodmangel, der in Deutschland wegen des niedrigen Jodgehalts der Böden und damit auch der Agrarprodukte häufig auftritt, führt zu einer als endemische Struma bezeichneten Störung der Schilddrüsenfunktion, da der Schilddrüse nicht genügend Bausteine angeboten werden. Daher wurde in verschiedenen Staaten die Strumaprophylaxe durch jodiertes Kochsalz (Vollsalz) gesetzlich eingeführt.
Chrom
Chrom verbessert die Glucosetoleranz
Selen
Selen ist Bestandteil der Selenoproteine (z.B. der Glutathionperoxidase). Es ist damit Bestandteil oxidativer Schutzsysteme.
Cadmium
Cadmium ist aufgrund seiner zink- und kupferantagonistischen Wirkung toxisch. Beschrieben wurden kardiovaskuläre Erkrankungen (Bluthochdruck), Nierenleiden, Hodennekrose, Fehlgeburten und angeborene Missbildungen.
Cadmiumverbindungen werden auch für Dekors von Porzellan- und Keramikgeschirr verwendet. Diese Cadmium kann von der Geschirrglasur beim Kochen abgegeben werden, sich im Magen mit der Salzsäure zum giftigen Cadmiumcholrid umsetzen und in den Organismus eintreten. Da Cadmium im Meerwasser enthalten ist, nehmen z.B. auch Miesmuscheln, die pro Stunde bis zu 40 Liter Wasser filtern, dieses Schwermetall auf. Von allzu häufigem Verzehr von Muscheln wird deshalb abgeraten.
Cadmium ist ein typisches Kumulationsgift, das erst nach Jahren oder Jahrzehnten manifeste Organschäden hervorruft.
Blei
Blei ist in Pflanzen und Böden weit verbreitet. In den Menschen gelangt es über Nahrungsmittel, die praktisch nicht mehr bleifrei sind, und die Atemluft.
Quecksilber
Quecksilber kann aufgrund seiner Lipidlöslichkeit die Blut-Hirn-Schranke passieren und akkumuliert sich deshalb im ZNS, wo die Akkumulation zu schweren Schäden führen kann. |
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