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B978-3-437-41784-9.00012-9

10.1016/B978-3-437-41784-9.00012-9

978-3-437-41784-9

Eisenresorption und Eisentransport (Ebk Eisenbindungskapazität).

Bedeutung der Puffersysteme des Blutplasmas

Tab. 12.1
Puffersystem Säure Base [Base] in mmol/l Anteil an Gesamtpufferleistung
Bicarbonat-Puffer H2CO3 HCO3 25 >50 %
Hämoglobin-Puffer HbO2 Hbx– 15 (Äquivalente) ca. 30 %
Protein-Puffer Protein Proteinx– 7 (Äquivalente) ca. 15 %
Phosphat-Puffer H2PO4 HPO42– 1 < 5 %

Störungen des Säure-Basen-Haushalts

Tab. 12.2
Art Ursachen Kompensation Blutgase Leitsymptome
Azidose (pH < 7,36)
respiratorisch Hypoventilation (z. B. neurogene Störungen, Vergiftungen) renale H+-Eliminierung und HCO3-Rückresorption [CO2] ,[HCO3] bei gleichzeitiger Hypoxie Atemnot, CO2-Narkose
metabolisch Diabetes mellitus Typ I (Ketonkörper ), Lactatazidose (z. B. O2-Mangel), Durchfall (alkalisches Darmsekret ), Niereninsuffizienz (Säure-Ausscheidung ) schnelle und tiefe Atmung (Kußmaul-Atmung nach Dr. Adolf Kußmaul, 1822–1902) [CO2] ,[HCO3] Kußmaul-Atmung, Herzrhythmusstörungen infolge Hyperkaliämie (H+-Ionen strömen in die Zellen ein und K+-Ionen im Austausch aus den Zellen ins Plasma)
Alkalose (pH > 7,44)
respiratorisch Hyperventilation (i. d. R. psychogen, aber auch bei Fieber) renale H+-Retention und HCO3-Ausscheidung [CO2] ,[HCO3] Tetanie (Pfötchenstellung der Hände)
metabolisch Erbrechen (Magensäure ), Hyperaldosteronismus oder Diuretikatherapie (K+- und Cl-Ausscheidung , Folge: Hypokaliämie, Hypochlorämie) Hypoventilation [CO2] ,[HCO3] Tetanie, Herzrhythmusstörungen infolge Hypokaliämie (H+-Ionen strömen ins Plasma und K+-Ionen im Austausch in die Zellen ein)

Verteilung der Kationen im menschlichen Körper

Tab. 12.3
Kation Konzentration imIntrazellularraum (mmol/l) Konzentration imExtrazellularraum (mmol/l) Verhältnis
Na+ 10 150 1 : 15
K+ 155 4,5 34 : 1
Mg2+ 15 1 15 : 1
Ca2+ 1 2,5 1 : 2,5
freies Ca2+ < 0,001 1 < 1 : 1.000

Verteilung der Anionen im menschlichen Körper

Tab. 12.4
Anion Konzentration imIntrazellularraum (mmol/l) Konzentration imExtrazellularraum (mmol/l) Verhältnis
Cl- 3 110 1 : 34
HCO3- 10 25 1 : 2,5
HPO42- und H2PO42- 50 1 50 : 1
SO42- 10 0,5 20 : 1
Proteinat 6 2 3 : 1
Anionen organischer Säuren 2 4 1 : 2

Verteilung des Eisens im menschlichen Körper

Tab. 12.5
Eisen enthaltende Substanz Anteil am Körpereisen Funktion
Hämoglobin 3,1 g (69 %) Sauerstofftransport
Myoglobin 0,4 g (9 %) Sauerstoffspeicher
Cytochrome 0,004 g (0,1 %) Elektronentransport, Oxygenasen
Enzyme (Peroxidase, Katalase) 0,003 g (0,1 %) Katalyse von Redoxvorgängen
Transferrin 0,003 g (0,1 %) Eisentransport
Ferritin, Hämosiderin 0,69 g (15 %) Eisenspeicherung
nicht identifiziert 0,3 g (7 %)

Säure-Basen-Haushalt, Wasser- und Elektrolythaushalt, Spurenelemente

U. Dettmer

  • 12.1

    Säure-Basen-Haushalt317

    • 12.1.1

      Protonenbilanz317

    • 12.1.2

      pH-Regulation318

  • 12.2

    Wasser- und Elektrolythaushalt322

    • 12.2.1

      Wasserhaushalt322

    • 12.2.2

      Elektrolythaushalt322

  • 12.3

    Spurenelemente328

    • 12.3.1

      Eisen (Fe2+, Fe3+)328

    • 12.3.2

      Kupfer (Cu2+, Cu+)332

    • 12.3.3

      Zink (Zn2+)333

    • 12.3.4

      Selen (Se)333

    • 12.3.5

      Iod (Iodid I)333

IMPP-Hits

  • Protonenbilanz: Protonenbelastung durch schwefelreiche Aminosäuren, Lactat- und Ketoazidose

  • pH-Regulation: Puffer-Prinzip, Henderson-Hasselbalch-Gleichung, Bicarbonat- und weitere Puffersysteme des Bluts; Bedeutung von Lunge, Niere und Leber; Alkalosen, Azidosen

  • Elektrolyte: Stoffwechsel und Funktion von Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl, Phosphat, HCO3

  • Spurenelemente: Stoffwechsel und Funktion von

    • Eisen: Resorption, Transport und Speicherung; O2- und Elektronen-Transport (Cytochrom c); Cofaktor von Enzymen; Regulation der zellulären Eisenkonzentration

    • Kupfer: Transport über ATPasen, Cofaktor von Oxidoreduktasen

    • Zink: Cofaktor zahlreicher Enzyme, Bestandteil von DNA-Bindeproteinen, Speicherung von Insulin als Zn2+-Komplex; Zinkmangel

    • Selen: Aminosäure Selenocystein; Bedeutung im Enzym Glutathion-Peroxidase

    • Iod: Schilddrüsenhormone und Iodmangel am häufigsten.

Säure-Basen-Haushalt

Protonenbilanz

Säure-Basen-Haushalt Säure-Basen-Haushalt:Protonenbilanz

In einer sauren Lösung ist die Protonen-Konzentration [H+] höher als in reinem H2O, in einer basischen ist [H+] niedriger. Statt [H+] gibt man den pH-Wert an. Das ist der negative dekadische Logarithmus von [H+]: pH log([H+]). Der pH 7, der in reinem H2O herrscht, gilt als neutral. Niedrigere Werte gelten als sauer, höhere als basisch. Unter normalen Umständen ist die Protonenbilanz des Körpers ausgeglichen und der pH-Wert im Extrazellularraum beträgt konstant 7,4. Die Einhaltung dieses Werts ist für die Funktion extrazellulärer Enzyme, Liganden und Rezeptoren wichtig. Kurzfristige Schwankungen werden über verschiedene Puffersysteme ausgeglichen. Bei deren Versagen kommt es zu einer Azidose (pH < 7,36) oder Alkalose (pH > 7,44).

Praxistipp

Bei einer Patientin mit metabolischer Azidose steigt der pH-Wert als Ergebnis der Therapie von 7,0 auf 7,4. Dies entspricht einem Absinken der Protonenkonzentration [H+] von 100 nmol/l auf 40 nmol/l. Einer 60-prozentigen H+-Reduktion steht ein pH-Anstieg von 7,0 auf 7,4 gegenüber. Der Fall illustriert die praktischen Auswirkungen der logarithmischen pH-Skala.

Merke

  • Der pH-Wert entspricht log[H+]. Eine Verringerung des pH um 1 entspricht daher einer Verzehnfachung der Protonenkonzentration.

  • Physiologischer pH im Extrazellularraum 7,4

  • pH < 7,36 Azidose

  • pH > 7,44 Alkalose

Lerntipp

Der physiologische pH-Wert liegt bei 7,4. Weicht er um 0,04 nach oben bzw. unten, spricht man von einer Alkalose bzw. Azidose.

Anreicherung von Protonen
Eine Protonenbelastung des Körpers entsteht, wenn nichtflüchtige oder flüchtige Säuren im Übermaß auftreten. Lunge und Niere wirken dem entgegen (12.1.2): Die flüchtige Kohlensäure H2CO3 lässt sich in Form ihres Anhydrids CO2 abatmen. Die Niere spielt eine zentrale Rolle bei der Eliminierung der nichtflüchtigen (fixen) Säuren.
Protonenbelastung durch Nahrung und Stoffwechsel

  • Proteinreiche Nahrung: Beim Abbau der schwefelhaltigen Aminosäuren Methionin und Cystein wird Schwefelsäure (H2SO4) gebildet, die zu SO42und 2 H+ dissoziiert.

  • Lactatazidose: Unter Sauerstoffmangel kann das Pyruvat der Glykolyse nicht in Citatzyklus und Atmungskette abgebaut werden. Stattdessen wird es mittels NADH+H+ zu Milchsäure reduziert, um NAD+ für die Glykolyse zu regenerieren (anaerobe Glykolyse, 3.3.4). Milchsäure dissoziiert bei physiologischem pH (7,4) zu Lactat und H+. Sie kann bei intakter Leberfunktion in der Gluconeogenese abgebaut werden (3.4.5).

  • Ketoazidose: Längeres Fasten oder Insulinmangel/Diabetes führen zu verstärktem Fettsäureabbau und verstärkter Synthese der sauren Ketonkörper Acetessigsäure und 3-Hydroxybuttersäure in der Leber (4.4).

Merke

Hauptursache für den Säureüberschuss der Nahrung sind die Aminosäuren Cystein und Methionin, deren Abbau zur Bildung von Schwefelsäure führt.

Im Stoffwechsel kommt es durch Sauerstoffmangel zur Lactatazidose und durch verstärkten Fettsäureabbau zur Ketoazidose.

Verlust von Protonen
Ein Protonenverlust (erhöhte Basizität des Organismus) wird z. B. durch Erbrechen (Verlust von Magensäure) verursacht.

pH-Regulation

Säure-Basen-Haushalt:pH-RegulationDer pH-Wert von 7,4 im Plasma entspricht einer H+-Konzentration von ca. 40 nmol/l. Der menschliche Körper besitzt mehrere Puffersysteme, um diesen Wert konstant zu halten. Diese Puffer funktionieren wie alle Puffer: Ein Gemisch aus (schwacher) Säure (HA) und ihrer korrespondierenden Base (A) fängt Protonen ab, wenn die H+-Konzentration in der Lösung steigt, und gibt Protonen ab, wenn die H+-Konzentration sinkt. Beim Verständnis von pH-Wert und Pufferwirkung hilft die Henderson-Hasselbalch-Gleichung.
Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung

Im Gleichgewicht zwischen Säure und korrespondierender Base gilt nach dem Massenwirkungsgesetz die Gleichgewichtskonstante KS:

Diese Gleichung löst man nach [H+] auf:

Man logarithmiert und multipliziert anschließend mit (1):

Man ersetzt log[H+] durch pH und logKS durch pKSund erhält die übliche Form der Henderson-Hasselbalch-Gleichung:

Praxistipp

Mit dieser Gleichung soll nun beispielhaft der pH-Wert des Plasmas berechnet werden. Bekannt seien für das wichtige Bicarbonat-Puffer-System des Plasmas (unten):

  • pKS der Kohlensäure H2CO3 6,1

  • Konzentration der korrespondierenden Base Bicarbonat HCO3: 25 mmol

  • Konzentration von CO2, das das Reservoir für Kohlensäure darstellt: 1,2 mmol

Es ergibt sich:

  • pH (Plasma) pKS (H2CO3) + log ([HCO3]/[CO2]) 6,1 + log (25 mmol/1,2 mmol) 7,4

Merke

Ein Puffer ist ein System aus einer (schwachen) Säure HA und der korrespondierenden Base A.

Mit der Henderson-Hasselbalch-Gleichung lassen sich berechnen:

  • der Dissoziationsgrad einer Säure bei gegebenem pH-Wert und

  • der pH-Wert bei gegebenem Dissoziationsgrad der Säure, wenn man die Dissoziationskonstante KS einer Säure (oder deren negativen dekadischen Logarithmus pKS) kennt. KS und pKS sind von der Umgebung abhängige Naturkonstanten.

Lerntipp

Die (insgesamt relativ seltenen) IMPP-Fragen zum pH-Wert zielen regelmäßig darauf ab, dass man verstanden hat, dass die pH-Skala logarithmisch ist und ein niedriger pH einer hohen Protonenkonzentration entspricht. Auch den Logarithmus in der Henderson-Hasselbalch-Gleichung sollte man verinnerlicht haben. Und: Fügt man zu einer Lösung, die einen äquimolaren Puffer ([Säure] [konjugierte Base]) enthält, Wasser hinzu, so ändert sich der pH nicht.

Puffersysteme des menschlichen Organismus
Bicarbonat Puffer

Das Puffersystem

CO2 + H2OH2CO3 (Kohlensäure) HCO3 (Hydrogencarbonat) + H+

wird Bicarbonat-Puffer genannt. Katalysiert durch das Enzym Carboanhydrase in den Erythrozyten entsteht aus CO2 und H2O die Kohlensäure H2CO3. Diese zerfällt in Hydrogencarbonat ( Bicarbonat) und ein Proton. Der Bicarbonat-Puffer ist das wichtigste Puffersystem des Bluts (Tab. 12.1). Über CO2 ist er mit der Atmung verknüpft und somit ein offenes Puffersystem:

  • Bei Anstieg des Blut-pH-Werts wird dem System H2CO3 entzogen, da die Deprotonierung zu HCO3 + H+ im basischen Milieu begünstigt ist. Die erste Reaktion in obiger Gleichung läuft vermehrt von links nach rechts ab. Zusätzlich benötigtes CO2 wird in das System eingebracht, indem Atemfrequenz und/oder die Atemtiefe vermindert werden (Hypoventilation), sodass CO2 vermindert abgeatmet wird.

  • Bei Abnahme des Blut-pH-Werts wird HCO3 verstärkt protoniert, [H2CO3] steigt. Die erste Reaktion in obiger Gleichung läuft vermehrt von rechts nach links ab. [CO2] steigt und wird vermehrt abgeatmet (Hyperventilation).

Merke

Das Bicarbonat-Puffersystem steht über CO2 mit der Atmung in Verbindung und ist deshalb ein offenes Puffersystem. Die CO2-Konzentration im Blut kann bei intakter respiratorischer Funktion als konstant angesehen werden, auch wenn das Puffer-System CO2 erzeugt (zum Ausgleich einer Azidose) oder verbraucht (zum Ausgleich einer Alkalose), da der Körper durch die Atmung die CO2-Abgabe steuern kann.

Hämoglobin-Puffer, Protein-Puffer, Phosphat-Puffer (Tab. 12.1)

  • Der Hämoglobin-Puffer ist das zweitwichtigste Puffersystem. Über den O2-Partialdruck steht auch dieses Puffersystem mit der Atmung in Verbindung: Oxygeniertes Hämoglobin (HbO2), also Hb mit gebundenem Sauerstoff, ist eine stärkere Säure als desoxygeniertes Hämoglobin (Hb). Wird HbO2 zu Hb desoxygeniert, entsteht ein Protonenakzeptor (Base), im umgekehrten Fall ein Protonendonor (Säure). Der Zusammenhang zwischen Sauerstoffaffinität und Protonendissoziation bei Hämoglobin wird auch als Bohr-Effekt bezeichnet (15.1.2).

  • Alle weiteren Plasmaproteine werden zum Protein-Puffer zusammengefasst. Der isoelektrische Punkt der meisten Plasmaproteine liegt im schwach sauren Bereich. Beim schwach basischen pH 7,4 sind ihre Seitenketten überwiegend deprotoniert und negativ geladen. Sinkt der pH, so werden sie protoniert. Relevant ist (wie im Übrigen auch beim Hämoglobin-Puffer) vor allem die Imidazolgruppe der Seitenkette von Histidin. Histidin ist eine schwache Säure mit einem pKS von ca. 6,0: Bei pH 6,0 ist die Hälfte der Histidinseitenketten vollständig protoniert, während Seitenketten mit kleinerem pKS noch kaum protoniert sind.

  • Der Phosphat-Puffer (H2PO4 HPO42 + H+) hat aufgrund seines relativ geringen Vorkommens den geringsten Anteil an der Pufferleistung des Blutplasmas. Größere Bedeutung als im Blut kommt dem Phosphat-Puffer im Urin zu.

Gesamtpuffer-Basen

Die vier vorgestellten Puffersysteme stehen miteinander im Gleichgewicht. Zu ihrem Anteil an der Gesamtpufferleistung: Tab. 12.1. Die Fähigkeit des Blutplasmas, pH-Schwankungen abzupuffern, wird durch die Gesamtheit aller anionischen Gruppen (also der Basen) gewährleistet. Diese Summe fasst man zu den Gesamtpuffer-Basen zusammen. Die Konzentration der Gesamtpuffer-Basen liegt konstant bei etwa 48 mmol/l.

Praxistipp

Die Blutgas-Untersuchung schließt die Werte pH-Wert, pO2 (Sauerstoff-Partialdruck), pCO2 (Kohlendioxid-Partialdruck), HCO3 (Bicarbonat-Konzentration) und Basenüberschuss (Base excess, BE) ein. Der BE ist die Differenz zum Normalwert der Gesamtpufferbasen 48 mmol/l. Ein BE von +/ 3 mmol/l gilt als normal. Niedrigere Werte als 3 mmol/l gelten als negativer BE, höhere als 3 mmol/l als positiver BE. pCO2, HCO3 und BE stehen miteinander in Verbindung: Sinkt einer der Werte, so sinken auch die anderen.

An der pH-Regulation beteiligte Organe
Lunge

Der Bicarbonat-Puffer wird maßgeblich über die Atmung kontrolliert (oben).

Leber

Die Leber beeinflusst das Säure-Basen-Gleichgewicht durch (7.4.3):

  • Harnstoffsynthese: HCO3 und die aus dem Aminosäureabbau stammende Base Ammoniak(NH3), die überwiegend protoniert als Ammoniumion (NH4+) vorliegt, werden verbraucht und Ammoniak dabei entgiftet. Durch den Entzug von HCO3 reagiert CO2 nach, es entsteht H+ und der pH-Wert sinkt.

  • Glutamin-Synthetase-Reaktion: Weiteres NH4+ wird entgiftet, indem zwei NH4+ auf -Ketoglutarat übertragen werden, wodurch Glutamin entsteht. Glutamin kann in der Niere wieder desaminiert werden. Das dabei entstehende Ammoniak wird tubulär eliminiert (unten).

Niere

Die Niere bewältigt einen Protonenüberschuss von ca. 60–80 mmol in Form nichtflüchtiger Säuren, der täglich durch die Verwertung der Nahrung entsteht (12.1.1). Dies geschieht über die Ausscheidung von Protonen und Ammoniak sowie durch die Rückresorption von Bicarbonat. Die Mechanismen im Einzelnen:

  • Im proximalen Tubulus werden etwa 50 % der überschüssigen Protonen sezerniert und 90 % des Bicarbonats rückresorbiert. Die Ausscheidung der Protonen ist dabei indirekt an die gleichzeitige Rückresorption von Bicarbonat gekoppelt (19.5).

  • Im Sammelrohr kommen zwei auf die Feinabstimmung des Säure-Basen-Haushalts spezialisierte Zelltypen vor: A-Zwischenzellen sezernieren Protonen und resorbieren Bicarbonat. B-Zwischenzellen sezernieren Bicarbonat und resorbieren Protonen. Zahl und Funktion der Zellen werden angepasst, um den pH-Wert konstant zu halten.

  • Auch die Ammoniakbildung der Niere trägt zur Protoneneliminierung bei (19.5): Die Niere bildet Ammoniak (NH3)/Ammoniumion (NH4+) durch Desaminierung des in der Leber gebildeten Glutamins. NH4+ kann tubulär durch einen Na+-NH4+-Antiporter sezerniert werden.

Respiratorische Alkalosen und Azidosen werden vor allem renal kompensiert (Tab. 12.2).

Respiratorische und metabolische Azidose und Alkalose Säure-Basen-Haushalt:AzidoseSäure-Basen-Haushalt:Alkalose
Säure-Basen-Haushalt:Azidose Säure-Basen-Haushalt:Alkalose

Azidosen und Alkalosen können respiratorisch oder metabolisch bedingt sein.

  • Bei Hypoventilation steigt der CO2-Partialdruck im Blut (weniger CO2 wird abgeatmet). Die Folge ist eine respiratorische Azidose, denn es entsteht vermehrt H2CO3, das deprotoniert wird und so den pH senkt.

  • Umgekehrt führt Hyperventilation zur Abnahme des CO2-Partialdrucks im Blut. [HCO3] und [H+] sinken, da HCO3 und H+ vermehrt zu CO2 und H2O umgewandelt werden. Die Folge ist eine respiratorische Alkalose.

  • Eine Protonenbelastung durch Produktion von Säuren im Stoffwechsel führt zu metabolischer Azidose, ein Protonenverlust zu metabolischer Alkalose.

Zu den Ursachen, Kompensationsmechanismen und Symptomen Tab. 12.2.

Cave

Atmung verringert [CO2] erhöht [HCO3] erhöht pH möglicherweise verringert (bei Versagen der Kompensationsmechanismen).

Atmung erhöht [CO2] vermindert [HCO3] verringert pH möglicherweise erhöht (bei Versagen der Kompensationsmechanismen).

Wasser- und Elektrolythaushalt

Wasser- und Mineralhaushalt bilden eine funktionelle Einheit. Mineralien sind alle anorganischen Bestandteile des Körpers (streng genommen also auch H2O selbst). Bei den Mineralien unterscheidet man zwischen Spurenelementen (12.3) und Mengenelementen. Die Mengenelemente Ca, K, Mg, Na, Cl, S (als Sulfat) und P (als Phosphat) kommen im Organismus in größeren Mengen vor. Wegen ihrer Fähigkeit, in ionisierter Form Träger des elektrischen Stroms zu sein, bezeichnet man sie auch als Elektrolyte. Da Elektrolyte wichtige Funktionen im Organismus erfüllen, muss der Elektrolytgehalt des Körperwassers konstant sein.

Wasserhaushalt

Regulation des Wasserhaushalts
Zur Regulation des Wasserhaushalts über die Niere und die sie beeinflussenden Hormone antidiuretisches Hormon (ADH), Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS), Atriales natriuretisches Peptid (ANP): 13.5, 19.2–19.419.219.2.119.2.219.2.319.319.3.119.3.219.3.319.3.419.3.4.119.3.4.219.3.4.319.4 sowie 12.2.2 Natrium.
Die Wasserresorption im Darm erfolgt passiv durch winzige Lücken in den Tight junctions zwischen den Darmepithelzellen (11.2.4). Triebkraft ist der osmotische Gradient, der durch die basolaterale Na+-K+-ATPase (12.2.2 Natrium) erzeugt wird.

Elektrolythaushalt

Elektrolyt-HaushaltElektrolyte sind Stoffe, die im Wasser vollständig (starke Elektrolyte) oder teilweise (schwache Elektrolyte) in Anionen () und Kationen (+) dissoziieren. Die wichtigen starken Elektrolyte des Körpers sind anorganischer Natur. Ihre Aufnahme mit der Nahrung muss sichergestellt werden.
Verteilung der Elektrolyte im Körper

Der Körper weist einen konstanten Elektrolytgehalt auf. Lokal werden bestimmte Ionen angereichert sowie hypotone Lösungen wie Speichel und hypertone Lösungen wie Urin produziert. Tab. 12.3 und Tab. 12.4 zeigen die Verteilung der kationischen und anionischen Elektrolyte im menschlichen Körper.

Natrium (Na+)
Bedarf
Natrium (Na+)

  • Ca. 5 g NaCl pro Tag

Menge und Verteilung im Körper

  • Ca. 100 g; 50 % extrazellulär, 30 % im Skelett, Plasmakonzentration 135–150 mmol/l

Aufgaben

  • Regulation:

    • Regulation der Osmolarität der Zelle, vor allem über die Na+-K+-Pumpe und den Na+-H+-Antiport

    • Regulation des Wasserhaushalts: Na+ zieht Wasser an, mit der Natriumverteilung wird auch die Wasserverteilung beeinflusst.

    • Ermöglichung diverser Transportvorgänge vor allem in Niere, Epithelzellen (Na+-Glucose-Symport Resorption)

    • Aufrechterhaltung von Membranpotenzialen, Auslösung neuronaler Aktionspotenziale

  • Aktivator von Enzymen, z. B. der -Amylase und der -Galaktosidase

Resorption

Die Na+-Resorption (die nahezu vollständig erfolgt) findet vor allem im Dünndarm statt. Sie ist parazellulär (freie Diffusion vom Darmlumen ins Blut) und transzellulär möglich. Die transzelluläre Diffusion erfolgt energieabhängig: Die Na+-K+-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe, Aufbau 11.2.4, Abb. 11.13) auf der dem Darmlumen abgewandten Basalseite des Enterozyten pumpt 3 Na+ ins Blut und 2 K+ ins Zellinnere. Dadurch ist die Na+-Konzentration im Enterozyten geringer als im Darmlumen. Na+ aus dem Lumen folgt dem Gefälle und gelangt über Carrier im Symport mit Glucose und Aminosäuren in die Zelle.

Transport

Im gesamten Organismus erfolgt der Na+-Transport überwiegend transzellulär über die Na+-K+-ATPase. Die ATP-Spaltung liefert die Energie für den dem Konzentrationsgefälle entgegengerichteten Transport von 3 Na+ in den Extrazellularraum und 2 K+ ins Zellinnere.

Ausscheidung und Regulation

Na+ wird vor allem über die Niere ausgeschieden. Auch über Schweiß und Fäzes gehen geringe Na+-Mengen verloren. Der Natriumgehalt des Körpers wird durch das Renin-Angiotensin-Aldosteron-System (RAAS, 12.2.1, 13.5.1) reguliert. Aldosteron steigert die Rückresorption von Na+ in den distalen Tubuli und Sammelrohren der Niere, was den osmotischen Druck im Intravasalraum erhöht und zur Wasserretention führt.

Klinik

Nach den WHO-Kriterien von 1999 liegt bei Werten ab 140/90 mmHg eine arterielle Hypertonie vor. Häufig sind Störungen des Natriumhaushalts hierfür verantwortlich. Man unterscheidet zwischen einer primären, essenziellen Hypertonie und verschiedenen sekundären Formen mit definierter organischer Ursache.

Primäre, essenzielle Hypertonie:

Bei der nur unzureichend erforschten Pathogenese der primären Hypertonie spielen eine Aktivierung des RAAS und ein gestörter Na+-Haushalt offenbar eine wichtige Rolle. Dass die Erkrankung vor allem in den westlichen Industrienationen verbreitet ist (Prävalenz bis 20 %!), legt einen Einfluss von Umweltfaktoren und Lebensgewohnheiten nahe. Häufig ist die Hypertonie mit anderen Symptomen des sog. metabolischen Syndroms vergesellschaftet (Hyperlipidämie, Adipositas, Diabetes mellitus Typ 2). Bei längerem Bestehen ist die Blutdruckerhöhung ein Risikofaktor für Arteriosklerose und (da vor allem die hirnversorgenden Arterien betroffen sind) Schlaganfall. Für die Therapie stehen Medikamente mit unterschiedlichen Angriffspunkten zur Verfügung, z. B.:

  • Diuretika: hemmen Na+- und H2O-Rückresorption in frühdistalem Tubulus (Thiazide) oder Henle-Schleife (Schleifendiuretika).

  • ACE-Hemmer: drosseln die Aktivität des RAAS durch Hemmung des Angiotensin-Converting-Enzyms.

Sekundäre Hypertonie:

Eine Vielzahl organischer Störungen (renal, endokrin, kardiovaskulär) führt zur Hypertonie. Hier soll nur der Hyperaldosteronismus besprochen werden. Man unterscheidet:

  • primärer Hyperaldosteronismus (Conn-Syndrom): Durch Adenom/Hyperplasie der Zona glomerulosa der Nebennierenrinde wird Aldosteron im Übermaß produziert. Die Folge ist eine gesteigerte Na+- und H2O-Rückresorpion, meist gekoppelt mit K+-Verlust in den Nierentubuli. Es kommt zu Hypervolämie, Hypernatriämie, Hypokaliämie und Hypertonie.

  • sekundärer Hyperaldosteronismus: Verschiedene Grunderkrankungen können das RAAS aktivieren (z. B. Nierenarterienstenose, reninbildender Nierentumor, Leberinsuffizienz). Folge ist eine sekundär vermehrte Aldosteronausschüttung. Eine weitere Ursache kann verzögerter Aldosteronabbau in der Leber bei Leberzirrhose sein.

Die Behandlung erfolgt wenn möglich kausal durch Beseitigung der Ursache, sonst durch Aldosteronantagonisten wie z. B. Spironolacton. Spironolacton wird im Stoffwechsel umgewandelt zu Canrenon, das der molekularen Struktur von Aldosteron ähnelt und kompetitiv dessen Rezeptoren besetzt, ohne selbst Aldosteronwirkung zu entfalten.

Kalium (K+)
Bedarf
Kalium (K+)
  • Ca. 3 g pro Tag

Menge und Verteilung im Körper
  • Ca. 150 g, 97 % intrazellulär

Aufgaben
  • Regulation: als wichtigstes intrazelluläres Kation:

    • Regulation der Osmolarität der Zelle

    • Aufrechterhaltung von Membranpotenzialen

  • Aktivator von Enzymen, z. B. der Pyruvat-Kinase und der Carbamoylphosphat-Synthetase

Merke

(Metall-)Ionen können an enzymkatalysierten Reaktionen direkt (als Cofaktor) oder indirekt (über Aktivierung von Enzymen, Ausbildung von reaktionsbegünstigenden Komplexen mit dem Substrat) beteiligt sein. Direkt, als Cofaktoren im aktiven Zentrum der Metalloenzyme, wirken vor allem Spurenelemente wie Zink und Eisen (12.3).

Resorption
K+ wird hauptsächlich im Dünndarm (Jejunum) resorbiert, und zwar durch freie, parazelluläre Diffusion direkt ins K+-arme Interstitium. Dessen Mangel an K+ ist das Ergebnis der Na+-K+-ATPase (oben), die ständig K+ ins Innere der Enterozyten pumpt.
Transport
K+-Transportvorgänge sind überwiegend mit der Na+-K+-ATPase verbunden.
Ausscheidung und Regulation
K+ wird zu 90 % über die Niere ausgeschieden. Der Vorgang ist aldosteronabhängig und findet auch über Sekretion im distalen Tubulus statt. So kann es sein, dass die K+-Ausscheidung die Menge des glomerulär filtrierten Kaliums überschreitet.
Der Kaliumgehalt des Körpers wird über Aldosteron reguliert, das die Ausscheidung steigert.
Chlorid (Cl)
Bedarf
Chlorid (Cl-)

  • Ca. 5 g NaCl pro Tag

Menge und Verteilung im Körper

  • Ca. 100 g, vor allem im Extrazellularraum

Aufgaben

  • Regulation: Cl gleicht als wichtigstes extrazelluläres Anion Ladungsverschiebungen aus und ist am Bicarbonat-Puffersystem (12.1.2) beteiligt: Cl ermöglicht den Austritt des in den Erythrozyten gebildeten HCO3 ins Blutplasma, indem es im Austausch über einen Anionenkanal in den Erythrozyten eintritt.

  • Kommunikation: Cl ist an der Reizübertragung auf neuronale Membranen beteiligt (unten).

  • Abwehr: in Neutrophilen Bildung des antibakteriellen Hypochlorids (OCl).

  • Verdauung: Bildung von HCl in den Belegzellen des Magens und Abgabe in die Magenschleimhaut, wodurch der niedrige pH-Wert im Magen entsteht.

Resorption

Cl wird im Dünndarmbereich vor allem parazellulär, dem Konzentrationsgefälle folgend, resorbiert. Es besteht eine enge Verbindung mit dem Na+-Stoffwechsel, da die Aufnahme mit dem Essen in Form von NaCl erfolgt.

Transport

Den Cl-Transport über Zellmembranen ermöglichen verschiedene Arten von Ionenkanälen. Wichtige Beispiele sind:

  • GABA(-Aminobuttersäure)-regulierte Chloridkanäle (GABAA-Rezeptoren) an neuronalen Membranen, vor allem im Gehirn: Bindung von GABA öffnet die Kanäle, Cl-Einstrom führt zu Hyperpolarisierung und verminderter Erregbarkeit des Neurons.

Klinik

Veränderungen der Funktion von GABAA-Rezeptoren werden für Epilepsie, Angststörungen und Sucht verantwortlich gemacht. Benzodiazepine und Barbiturate sind Pharmaka, die an GABAA-Rezeptoren angreifen.

  • Das CFTR-Protein (Cystic-fibrosis-transmembrane-conductance-regulator-Protein) von Epithelzellen ist ein Chloridkanal, der vor allem durch cAMP reguliert wird.

Klinik

Autosomal-rezessiv vererbte Defekte des CFTR-Gens sind für eine der häufigsten Erbkrankheiten, die zystische Fibrose (Mukoviszidose), verantwortlich. Das defekte CFTR-Protein erschwert den Cl-Export aus sekretorischen Zellen, was auch den Wasserausstrom behindert. Das Sekret der betroffenen Drüsen (vor allem in Bronchien und Pankreas) ist zäh und kann nicht abfließen. Durch den Sekretstau werden rezidivierende Entzündungen begünstigt, die Vernarbungen und Stenosierungen der Drüsenausführungsgänge nach sich ziehen, was den Sekretfluss zusätzlich behindert (11.2.2).

Ausscheidung

Cl wird über die Nieren ausgeschieden (glomeruläre Filtration), z. T. auch mit dem Schweiß.

Magnesium (Mg2+)
Bedarf
Magnesium (Mg2+)

  • Ca. 0,3 g pro Tag

Menge und Verteilung im Körper

  • Menge: ca. 30 g

  • Verteilung: 50–70 % im Skelettsystem, Rest hauptsächlich im Intrazellularraum

Aufgaben

  • Cofaktor/Aktivator

    • von Enzymen, insbesondere bei ATP-abhängigen Reaktionen und DNA-/RNA-Synthese: Durch Ausbildung eines stabilen, reaktiven ATP-Mg2+-Komplexes mit ATP (das meiste ATP liegt als Mg-Salz vor) ist Mg2+ an allen ATP-abhängigen Reaktionen beteiligt. In ähnlicher Weise ist es essenziell für die DNA- und RNA-Synthese.

    • Translation: Mg2+ ermöglicht die Zusammenlagerung der ribosomalen Untereinheiten.

  • Kommunikation: Ca2+-Antagonist bei der Ca2+-abhängigen Acetylcholinfreisetzung an Synapsen.

Resorption

Mg2+ wird hauptsächlich im Dünndarm (parazellulär) resorbiert. Die Resorption wird gefördert durch D-Hormon, Parathormon, Wachstumshormon und Schilddrüsenhormone. Calcitonin und Aldosteron hemmen die Resorption. Etwa 30 % des mit der Nahrung aufgenommenen Mg2+ – das vor allem aus dem Chlorophyll pflanzlicher Lebensmittel stammt – werden resorbiert.

Transport

Etwa ein Drittel des zirkulierenden Mg2+ ist an Protein (vor allem Albumin), ca. 15 % sind an Komplexbildner gebunden. Etwa die Hälfte kommt ungebunden vor und kann leicht in den Glomeruli filtriert werden.

Ausscheidung und Regulation

Die Mg2+-Ausscheidung erfolgt vor allem über die Niere, wobei freies Mg2+ zunächst vollständig glomerulär filtriert wird. Nur 30–40 % des filtrierten Mg2+ werden im proximalen Tubulus rückresorbiert, 50–60 % im dicken Teil der Henle-Schleife. Parathormon und D-Hormon fördern die Rückresorption, Calcitonin hemmt sie.

Calcium (Ca2+)
Bedarf
Calcium (Ca2+)

  • Ca. 0,8–1 g täglich. Eine wichtige Quelle sind Milchprodukte (1 l Milch enthält ca. 1 g Ca2+).

Menge und Verteilung im Körper

  • Ca. 1,5 kg; 99 % im Skelettsystem, der Rest vor allem extrazellulär

Aufgaben

Biomineralisation: Skelettbestandteil in Form von Hydroxylapatit Ca10(PO4)6(OH)2.

  • Regulation und Kommunikation:

    • Second messenger der Signaltransduktion: Ca2+ strömt durch spannungsgesteuerte oder ligandenaktivierte Calciumkanäle in die Zelle ein oder wird aus dem endoplasmatischen Retikulum freigesetzt. Im Zytoplasma bindet Ca2+ an Calmodulin, und dieser Komplex aktiviert Enzyme wie z. B. cAMP-Phosphodiesterase, Proteinkinasen und ATPasen. Ca2+ ist außerdem an der Exozytose beteiligt, z. B. in präsynaptischen Nervenendigungen oder den -Zellen des Pankreas.

    • Aktivierung von Gerinnungsfaktoren (15.4.2)

  • Bewegung: Kontrolle der Aktin-Myosin-Bindung im Muskel über Bindung an Troponin.

Resorption

Ca2+ wird im Dünndarm resorbiert. D-Hormon, ein geringer pH-Wert in der intestinalen Flüssigkeit sowie u. a. Citrat fördern die Ca2+-Resorption. D-Hormon bewirkt die Synthese des membranständigen Proteins Calbindin in den Mukosazellen des Dünndarms. Calbindin bindet Ca2+ des Darmlumens und bewirkt seinen Transport ins Zellinnere. Im Durchschnitt wird lediglich ca. ein Drittel der täglich mit der Nahrung aufgenommenen Ca2+-Menge resorbiert.

Transport

99 % des Calciums im Körper befinden sich in der Knochenmasse, die auch Calciumspeicher ist. Der Rest liegt intra- und extrazellulär als Ca2+ vor und ist vor allem an Signalprozessen beteiligt. Man muss verschiedene Ca2+-Transportvorgänge unterscheiden:

  • Transport in die Zelle:

    • passiv: durch spannungsregulierte und ligandenaktivierte Ca2+-Ionenkanäle

    • aktiv: durch Ca2+-ATPasen. Pro Mol gespaltenes ATP werden 2 Mol Ca2+ transportiert.

  • Transport aus der Zelle:

    • primär-aktiv durch Ca2+-ATPasen

    • sekundär-aktiv im Antiport gegen 3 Na+

  • Transport innerhalb der Zelle:

    • in Ca2+-Speicher: Ca2+ wird durch Ca2+-ATPasen in den wichtigsten Ca2+-Speicher, das endoplasmatische Retikulum ( sarkoplasmatisches Retikulum in Muskelzellen) transportiert.

    • aus den Ca2+-Speichern ins Zytoplasma: Dieser Transport wird durch IP3-Rezeptoren vermittelt. Ca2+ liegt im Zytoplasma nur zu einem geringen Prozentsatz frei vor, der Großteil ist an Proteine wie Calmodulin und Troponin (oben) gebunden.

Ausscheidung und Regulation

Ca2+ wird zu ca. 85 % über den Darm ausgeschieden, der Rest über die Niere.

Der Calciumgehalt des Körpers wird durch Parathormon, Calcitonin und Vitamin D reguliert (9.3.2).

Phosphat (HPO42 und H2PO4)
Bedarf
Phosphat
  • Ca. 1,2–1,5 g HPO42 pro Tag

Menge und Verteilung im Körper
  • Ca. 700 g; 85 % im Skelett, der Rest vor allem intrazellulär

Aufgaben
  • Biomineralisation: Skelettbestandteil in Form von Hydroxylapatit Ca10(PO4)6(OH)2

  • Regulation und Kommunikation: Enzymregulation durch Phosphorylierung (2.5.1), Second messenger (in Form von cAMP, Wirkungen 13.1.4)

  • Puffer: 12.1.2, Phosphat-Puffer

  • Energiehaushalt: Energiewährung ATP, Aktivierung von Molekülen im anabolen Stoffwechsel

  • weitere: sehr vielfältige Aufgaben als Bestandteil der vielen phosphathaltigen Moleküle des Körpers, z. B. Nukleinsäuren, Phospholipide, Phosphoproteine, Kreatinphosphat, Glucose-1-phosphat

Resorption
Diese erfolgt im Dünndarm über einen 2-Na+-Phosphat-Symporter in der luminalen Zellmembran, wobei nur anorganisches Phosphat aufgenommen werden kann. Rund 70 % des mit der Nahrung aufgenommenen Phosphats werden resorbiert.
Ausscheidung und Regulation
Phosphat wird vor allem über die Niere ausgeschieden. Getrennte Ausscheidungswege für Calcium (Ausscheidung vorwiegend über den Darm, oben) und Phosphat sind sinnvoll, da sonst unlösliches Ca3(PO4)2 entstünde und zu Ablagerungen führen würde.
Die renale Ausscheidung von Phosphat wird gefördert durch Ca2+-Zufuhr, Parathormon, Calcitonin, Östrogene und Thyroxin. Bei Azidose ist sie ebenfalls gesteigert. Gehemmt wird sie durch Calcitriol, Wachstumshormon, Cortisol und Insulin (13). Calcitriol steigert die intestinale Resorption.

Merke

Anorganisches Phosphat Pi (i für inorganic) ist das Anion (HPO42 und H2PO4) der Phosphorsäure (H3PO4). Bei physiologischem pH liegen 80 % als HPO42 und 20 % als H2PO4 – d. h. 0 % H3PO4 – vor.

Organisches Phosphat ist jedes organische Molekül, das Phosphat gebunden hat (z. B. ATP und die anderen Nukleotide).

Schwefel
Bedarf
  • Spuren

Menge im Körper
  • Ca. 150 g

Aufgaben
  • Strukturgebung: Vorkommen in den schwefelhaltigen Aminosäuren (Met, Cys) und somit in vielen Proteinen und Peptiden. Disulfidbrücken leisten einen wichtigen Beitrag zur Proteinstabilität (z. B. Insulin). In Metalloenzymen ist Schwefel an der Komplexierung von Metallen beteiligt. Schwefelreich sind Haare, Nägel (Keratin) und Bindegewebe.

  • weitere: Schwefel ist u. a. in den Vitaminen B1 (Thiamin), H (Biotin) und Coenzym A enthalten. Das aktivierte Sulfat Phosphoadenosin-Phosphosulfat (PAPS) dient u. a. dem Aufbau der Heteroglykane Heparin (Gerinnungshemmer) und Chondroitinsulfat (wasserbindender Bestandteil der Knorpelmatrix) sowie der Sulfatide (schwefelhaltige Glykolipide, u. a. an Membranaufbau beteiligt). PAPS ist auch bedeutsam für Konjugationsreaktionen (Bildung von Steroidsulfaten, Indoxylsulfaten) in Leber und Galle.

Resorption
Schwefel wird vor allem in Form der Aminosäuren Methionin und Cystein resorbiert.
Ausscheidung
Renal als anorganisches Sulfat (SO42), nach Konjugation in Leber und Galle auch über den Darm.
Hydrogencarbonat (Bicarbonat, HCO3)
HCO3 entsteht unter Mitwirkung der Carboanhydrase (vor allem in Erythrozyten) aus CO2 und H2O (12.1.2, Bicarbonat-Puffer).
Aufgaben
Wichtigste Aufgabe von HCO3 ist die der Pufferung (12.1.2).
Transport
HCO3 wird in Plasma und Extrazellularwasser physikalisch gelöst transportiert.
Ausscheidung und Regulation
Am HCO3-Haushalt sind mehrere Organe, u. a. Lunge und Niere, beteiligt (12.1.2+). Die Ausscheidung erfolgt vor allem als CO2 über die Lunge.

Spurenelemente

SpurenelementeSpurenelemente sind Mineralstoffe, deren Gehalt 50 mg/kg Körpergewicht nicht übersteigt. Nach heutigem Wissensstand sind die Elemente Eisen, Kupfer, Zink, Selen, Iod (unten), Mangan, Chrom, Molybdän und Cobalt (17.1.2) essenzielle Spurenelemente. Ein lang anhaltender Mangel an ihnen ruft lebensbedrohliche Schäden hervor.

Lerntipp

Häufige IMPP-Fragen beziehen sich auf die Aufgaben der Spurenelemente im Stoffwechsel, vor allem wichtige Enzyme, die Spurenelemente enthalten. Der Unterpunkt Aufgaben in jedem Unterkapitel verdient daher besondere Aufmerksamkeit.

Eisen (Fe2+, Fe3+)

Bedarf
Spurenelemente:Eisen

  • Ca. 10 mg pro Tag

Menge und Verteilung im Körper

  • Menge: ca. 5–7 g

  • Verteilung: Tab. 12.5

Aufgaben

  • O2-Bindung und Speicherung: im Myoglobin der Muskeln

  • O2-Transport: im Hämoglobin des Bluts

  • Elektronentransport: im Cytochrom c der Atmungskette

  • Cofaktor von Enzymen: Eisen ist im aktiven Zentrum vieler Redoxenzyme katalytisch wirksam, und zwar

    • in Fe-Porphyrinen (Häm-Eisen): Peroxidase, Katalase (beide entgiften reaktive Sauerstoffspezies), Cytochrom-P450-Enzyme (Cytochrom-P450-Hydroxylase), Komplexe III und IV der Atmungskette (enthalten Cytochrome),

    • in Eisen-Schwefel-Clustern ([Fe-S-Cluster] unter Beteiligung S-haltiger Aminosäuren, Nichthäm-Eisen): Komplexe I, II und III der Atmungskette, Cytochrom-P450-Hydroxylase (enthält Häm- und Nichthäm-Eisen), Prolyl- und Lysyl-Hydroxylase (hydroxylieren ascorbinsäureabhängig Prolyl- und Lysylreste im Kollagen).

Resorption

Abhängig vom Bedarf werden ca. 5–40 % des Nahrungseisens vorwiegend im Duodenum resorbiert. Hämgebundenes Eisen aus tierischer Nahrung (Häm-Eisen, Oxidationsstufe Fe2+) ist dabei besser löslich und leichter resorbierbar als Nichthäm-Eisen (Fe3+).

  • Reduzierende und antioxidative Substanzen wie Ascorbat (Vitamin C), Succinat, Gastroferrin (ein Glykoprotein der Magenschleimhaut) und SH-Gruppen von Nahrungsproteinen erleichtern die Resorption, indem sie noch im Magen Fe3+ in Fe2+ überführen und die Oxidation von Fe2+ verhindern.

  • Komplexbildner wie Gerbsäure (in Tee und Kaffee), Phosphat, Oxalat und Phytat behindern die Eisenresorption.

Die Resorption der Eisenatome (Nichthämeisen) umfasst folgende Schritte:

  • Im Magen wird Eisen aus der Nahrung freigesetzt. Es bindet an das Protein Mucin, das die Absorption im Dünndarm erleichtert.

  • In die Dünndarmepithelzellen wird Fe2+ über den luminalen H+-gekoppelten Transporter DMT1 (Divalent metal transporter 1) aufgenommen und bindet im Zellinneren an das Shuttle-Protein Mobilferrin (Abb. 12.1).

Für die Aufnahme von Hämeisen werden eigene Mechanismen vermutet.

Sekretion und Transport

Ein kleiner Teil des resorbierten Eisens, nicht unmittelbar benötigtes Fe2+, wird in den Dünndarmepithelzellen gespeichert (unten, Speicherung). Der Großteil wird jedoch in Form von Fe2+ über die basale Membran ins Plasma abgegeben. Im Plasma wird Fe2+ sofort zu Fe3+ oxidiert, wofür der Enzymkomplex Coeruloplasmin ( Ferrioxidase 1) sorgt. (Coeruloplasmin ist gleichzeitig das Kupferspeicherprotein, Kupfer). Fe3+ wird an das Transportprotein Apotransferrin gebunden, ein Glykoprotein aus der -Globulin-Fraktion mit zwei Untereinheiten, das zwei Fe3+-Atome im Komplex binden kann. Der Komplex aus Apotransferrin und Fe3+ heißt Transferrin. Die Summe aus dem Transferrin und dem Apotransferrin im Plasma bezeichnet man als totale Eisenbindungskapazität. Der Anteil des Transferrins beträgt ca. ein Drittel. Die restlichen zwei Drittel ( Apotransferrin) stellen die latente Eisenbindungskapazität dar (Abb. 12.1). Die Bindung von Fe3+ an Transferrin ist gekoppelt an die gleichzeitige Bindung eines geeigneten Anions, meistens des Carbonat (CO32)- oder Bicarbonat(HCO3)-Anions.

Aufnahme in die Zielzellen

Wenn eine Zelle Eisen benötigt, bildet sie Transferrinrezeptoren (TfRs) aus, die Transferrin erkennen und binden. Die TfR-Transferrin-Komplexe werden endozytiert und gelangen in Lysosomen, deren niedriger pH (pH 5–6) die Komplexe auflöst. Rezeptor und Apotransferrin gelangen zurück zur Membran, wo Apotransferrin in das Plasma entlassen wird und dort wieder Fe3+ binden kann. Ins Zytosol gelangtes Eisen wird in Form von Ferritin gespeichert (unten) oder für Synthesen verwendet. Der Großteil des Plasmaeisens (ca. 80 %) gelangt in die Erythroblasten im Knochenmark und wird dort nach Reduktion zu Fe2+ in Häm eingebaut.

Speicherung

Hauptspeicherorte für nicht unmittelbar benötigtes Eisen sind die Leberparenchymzellen (Speichervolumen ca. 1 g Eisen) und die retikuloendothelialen Zellen von Leber, Knochenmark, und Milz. Eisenspeicherformen sind (Abb. 12.1):

  • Fe3+ im Komplex mit dem Eisenspeicherprotein Apoferritin: Fe3+ wird intrazellulär an Apoferritin, eine Hohlkugel aus 24 Polypeptiden, die ca. 2.400 Fe3+-Ionen beherbergen kann, gebunden. Der lösliche Komplex aus Apoferritin und Fe3+ heißt Ferritin. Ferritin-Eisen wird bei Bedarf durch die Ferritinreduktase zu Fe2+ reduziert und freigesetzt. Da ein Teil des Ferritins ins Blutplasma sezerniert wird und dieser Anteil proportional zur Menge des Ferritins in der Zelle ist, stellt der Ferritingehalt des Plasmas einen Indikator für die Eisenreserven des Körpers dar. Ist er gering, so sind die Reserven nahezu erschöpft.

  • Hämosiderin: Diese unlösliche Eisenspeicherform enthält Eisenhydroxid Fe(OH)3 und ist vermutlich das Abbauprodukt von Ferritin. Es ist mikroskopisch als intrazelluläre Granula, sog. Siderosomen (Berliner-Blau-Färbung), zu erkennen. Der als Hämosiderin gespeicherte Eisenanteil kann 35 % erreichen und lässt sich nur langsam mobilisieren.

Reutilisation und Ausscheidung

Hämoglobin, das bei intravasaler Hämolyse frei wird, bindet im Plasma an Haptoglobin, gelangt so in die retikuloendothelialen Zellen von Knochenmark, Leber und Milz und wird dort abgebaut, wodurch Eisen wieder freigesetzt wird.

Ein Erwachsener scheidet täglich ca. 1–2 mg Eisen aus, davon über die Hälfte in Form abgestoßener Epithelzellen im Darm, den Rest über Urin, Schweiß und Hautabschilferung. Bei der Menstruation gehen ca. 10–15 mg Eisen (1 ml Blut enthält 0,5 mg Eisen) verloren, was durch eine höhere Eisenresorption bei der Frau ausgeglichen werden kann.

Regulation

  • Aufnahme: Die Eisenresorption ist an den Eisengehalt des Enterozyten gekoppelt, der wiederum an den Eisengehalt des Gesamtorganismus gekoppelt ist. Außerdem verbleibt bei ausgeschöpfter Eisenbindungskapazität des Plasmas Ferritin-Eisen in der Mukosazelle (sog. Mukosablock).

  • Stoffwechsel: Die mRNAs von Ferritin, Transferrinrezeptor und -ALA-Synthetase (Hämoglobinsynthese) besitzen in ihren nichttranslatierten Bereichen eine stabile Stem-loop-Struktur (10.3.6), das sog. Iron response element (IRE). An IRE bindet bei niedriger intrazellulärer Eisenkonzentration das Iron response element binding protein IRE-BP (eisensensorisches Bindungs-Protein ES-BP):

    • IRE-BP-Bindung an Ferritin- und -ALA-Synthetase-mRNA blockiert deren Translation,

    • IRE-BP-Bindung an die Transferrinrezeptor-mRNA verhindert deren Abbau.

Die Folge ist in allen Fällen eine Erhöhung der intrazellulären Konzentration an freiem Eisen. Bei ausreichender zellulärer Eisenkonzentration besitzt IRE-BP einen intakten Cluster aus vier Schwefel- und vier Eisenatomen (4Fe-4S-Cluster). In diesem Zustand ist IRE-BP als zytosolische Aconitase enzymatisch aktiv und nicht imstande, an IRE zu binden. Bei schwindender zellulärer Eisenkonzentration verliert der Cluster Eisenatome, und nur diese eisendefizitäre Form kann mit dem Iron response element auf der mRNA interagieren. IRE-BP/zytosolische Aconitase ist somit ein bifunktionelles Protein.

Cave

Die zytosolische Aconitase darf nicht mit der mitochondrialen Aconitase im Citratzyklus (5.3.2) verwechselt werden!

Klinik

Eisenmangelanämie: Anämie mit verringerter Hämoglobinsynthese aufgrund geringer Eisenreserven des Körpers. Kennzeichen sind mikrozytäre, hypochrome Anämie (Hämoglobin , Zellvolumen des Erythrozyten ) und niedriger Plasmaferritingehalt. Ursachen können Mangelernährung, Resorptionsstörungen, Eisenverlust über den Darm (Geschwüre, Karzinom) oder Blutverlust sein.

Am Eisenstoffwechsel beteiligte Proteine

Tab. 12.6
Protein Funktion
Transferrin bindet zwei Atome Fe3+, transportiert Eisen im Plasma und bindet an den Transferrinrezeptor
Transferrinrezeptor bindet Transferrin und veranlasst den Transport in die Zielzellen
Ferritin Heteropolymer aus 24 Untereinheiten von L- und H-Apoferritin, kann bis zu 2.400 Eisenionen aufnehmen und speichern
IRE-BP (ES-BP) zytosolische Aconitase reguliert die Synthese von Ferritin, Transferrinrezeptor und -Aminolävulinsäure (ALA)
Coeruloplasmin ( Ferrioxidase 1) katalysiert im Blut die Oxidation von Fe2+ zu Fe3+, sodass Eisen an Transferrin binden kann
Ferritinreduktase katalysiert die Freisetzung von Eisen als Fe2+ aus Ferritin
Hämoglobin enthält ca. 2⁄3 des Körpereisens

Kupfer (Cu2+, Cu+)

Bedarf Spurenelemente:Kupfer
Spurenelemente:Kupfer

  • Ca. 2–4 mg pro Tag

Menge und Verteilung im Körper

  • 100–150 mg, der Großteil befindet sich in der Leber

Aufgaben

Cu2+ ist ein starkes Oxidationsmittel und Cofaktor zahlreicher Redoxenzyme (Oxidoreduktasen), u. a.:

  • Superoxid-Dismutase (Entgiftung des toxischen Superoxidradikals [O2], 15.1.6)

  • Katalase (Entgiftung des toxischen Wasserstoffperoxids [H2O2], 15.1.6)

  • Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV der Atmungskette)

  • Lysyloxidase: katalysiert die Bildung von Desmosin in Kollagen und Elastin

  • Ferrioxidase I ( Coeruloplasmin; unten)

  • Monoaminooxidase (MAO), Diaminooxidase (DAO) und Dopamin--Hydroxylase

  • Tyrosinase: beteiligt an der Melaninsynthese

Resorption

Die nur unzureichend erforschte Resorption findet im oberen Dünndarm statt und ist energieabhängig. Ca. 10 % des Kupfers in der Nahrung werden resorbiert.

Transport, Aufnahme in die Zielzellen und Speicherung

Im Plasma wird das resorbierte Kupfer an Albumin und Transcuprein gebunden zur Leber transportiert.

Über den Kupfertransporter CTR1, eine Cu2+-ATPase in der Zellmembran, gelangt Cu2+ schnell und effektiv in die Leberzellen. Im Zytoplasma herrscht die reduzierte Form Cu+ vor. Für den Einbau in Enzyme und die zelluläre Kompartimentierung sind spezifische Proteine zuständig: COX17 transferiert das Kupfer in die Cytochrom-c-Oxidase, CCS sorgt für den Kupfereinbau in die Superoxid-Dismutase, und Atox1 transportiert Kupfer an die Membran des Trans-Golgi-Netzwerks. Dort koppelt Atox1 an eine membranständige ATPase (ATP7B oder Wilson disease protein), über die das Kupfer in den Golgi-Apparat gelangt, wo es an Apo-Coeruloplasmin gebunden wird. Das entstehende (Holo-)Coeruloplasmin wird bei Bedarf ins Blut sezerniert. Coeruloplasmin, ein 2-Globulin ohne Transportfunktion, ist das intrazelluläre Kupferspeicherprotein und bindet 96 % des Kupfers. Es hat Ferrioxidaseaktivität und ist für den Eisenstoffwechsel von großer Bedeutung (Eisen).

Ausscheidung

Liegt in der Leberzelle eine zu hohe Konzentration vor, wird Cu2+ in die Gallenkanäle sezerniert, gelangt in den Darm und wird ausgeschieden.

Regulation

In den Darm abgegebene Galle behindert die Kupferresorption. So reguliert die biliäre Ausscheidung die Kupferhomöostase des Körpers. Generell ist die Kupferausscheidung proportional zur Aufnahme.

Cave

Transferrin ist der Transporter für Eisen, Ferritin der Eisenspeicher.

Klinik

Cu2+-Mangel kann zu Eisenmangelanämie führen, da das für den Eisenstoffwechsel wichtige Coeruloplasmin Kupfer benötigt. Angeborene Kupferstoffwechselstörungen sind:

  • Menkes-Krankheit (Kinky-hair-Syndrom): Ein autosomal-rezessiv vererbter Defekt des CTR1-Gens führt zu einer Cu2+-Resorptionsstörung. Symptome sind eine Gelbsucht des Neugeborenen und zerebrale Krampfanfälle. Die Haare der Betroffenen sind starr und kraus (daher der Name des Syndroms).

  • Wilson-Krankheit (hepatolentikuläre Degeneration): Durch einen vererbten Gendefekt ist der Kupferstoffwechsel in der Leber gestört. Als Folge wird Kupfer nicht mit der Galle und somit über den Stuhl ausgeschieden, sondern reichert sich im Organismus an. Cu2+ lagert sich in u. a. in Leber, Niere, Stammganglien, Kornea und anderen Organen ab. Im Rand der Kornea bildet sich ein grünbrauner Ring aus Kupferablagerungen, der sog. Kayser-Fleischer-Kornealring. Unbehandelt kann es zu Lebervergrößerung mit Endstadium Zirrhose und Ösophagusvarizen sowie zu extrapyramidal-motorischen Bewegungsstörungen und Demenz kommen. Frühzeitig erkannt ist die Krankheit gut behandelbar, u. a. mittels Chelatbildnern, die Kupfer abfangen und seine Ausscheidung über die Niere fördern.

Zink (Zn2+)

Bedarf
Spurenelemente:Zink

  • 10–15 mg pro Tag

Menge und Verteilung im Körper

  • Ca. 2–3 g, 99 % intrazellulär

Aufgaben

  • Cofaktor von Enzymen: Zn2+-haltige Enzyme sind u. a. zahlreiche Dehydrogenasen (Alkoholdehydrogenase; Glutamat-, Lactat-, Malat- und Retinol-Dehydrogenase), alkalische Phosphatase, Pankreas-Carboxypeptidasen, Carboanhydrase, Superoxid-Dismutase und Matrix-Metalloproteinasen. Insgesamt enthält der menschliche Körper über 70 Zink-Metalloenzyme.

  • Genexpression: Bestandteil von regulatorischen DNA-Bindeproteinen (Steroidrezeptoren, Zinkfinger 10.3.6), Wechselwirkung mit tRNA.

  • Hormonhaushalt: Insulin wird im Pankreas als Zn2+-Insulin-Komplex gespeichert; Zink ist ferner an der Testosteronsynthese beteiligt ( hoher Zn2+-Gehalt in Pankreas und Testes).

  • Stabilisator der Tertiärstrukturen diverser Proteine.

Resorption und Transport

Zn2+ wird energieabhängig in die Dünndarmmukosazellen resorbiert. Nur 10–40 % des in der Nahrung enthaltenen Zinks werden aufgenommen.

Zn2+ wird an Plasmaproteine, vor allem Albumin, gebunden transportiert.

Ausscheidung und Regulation

Zn2+ wird als Bestandteil von Galle und Pankreassaft mit den Fäzes ausgeschieden.

Die Zinkkonzentration im Plasma ist einem zirkadianen Rhythmus unterworfen. Glucocorticoide stimulieren die Aufnahme von Zink in die Leber, Interleukin 1 und 6 die Aufnahme in diverse Gewebe.

Klinik

Zn2+-Mangel beim Menschen:

  • erworben (akut: Infektionen, Entzündungen, Stresssituationen; chronisch: parenterale Ernährung ohne Zn2+-Substitution, Resorptionsstörungen; Leberzirrhose)

  • angeboren: Acrodermatitis enteropathica, eine seltene autosomal-rezessive Erbkrankheit

Zinkmangel kann u. a. zu Wundheilungsstörungen führen, weil Zink für den Verhornungsprozess der Haut, die Produktion von Bindegewebe und indirekt für Wachstum und Differenzierung von Epithelgewebe wichtig ist.

Selen (Se)

Bedarf
Spurenelemente:Selen
  • Ca. 0,1 mg pro Tag

Menge im Körper
  • 3–15 mg

Aufgaben
  • Selen ist in der Aminosäure Selenocystein (7.1.2) Bestandteil der folgenden Enzyme:

    • Glutathion-Peroxidase, beteiligt am antioxidativen Schutzsystem der Erythrozyten (15.1.6)

    • Thyroxin-5'-Deiodase (Typ I), 13.2.2

Resorption und Transport
Selen wird proportional zur aufgenommenen Menge resorbiert. Im Blut ist es an Plasmaproteine gebunden.
Ausscheidung
Selen wird mit Fäzes, Urin und Atemluft ausgeschieden.

Klinik

Selenmangel tritt vor allem als Folge länger dauernder parenteraler Ernährung und bei Malabsorption auf. Beeinträchtigt sind vor allem die Schilddrüsenfunktion und der antioxidative Schutz (Glutathion-Peroxidase).

Iod (Iodid I)

Bedarf
Spurenelemente:Iod

  • Ca. 100–200 g pro Tag. Wichtige Quellen sind Fisch, Fleisch und Molkereiprodukte.

Menge und Verteilung im Körper

  • Ca. 10–20 mg, ca. 75 % befinden sich in der Schilddrüse.

Aufgaben

  • Die offenbar einzige Funktion des Iods im Körper ist die als Bestandteil der Schilddrüsenhormone Triiodthyronin und Tetraiodthyronin (13.2.2).

Resorption

Iod wird parazellulär im Darm resorbiert (nahezu 100-prozentig).

Transport und Aufnahme in die Zielzellen

Iod wird im Blut an Plasmaproteine gebunden. Der Transport aus dem Plasma in die Schilddrüsenzellen (Thyrozyten) erfolgt energieabhängig über eine Iodidpumpe (Na+-I-Symport). Der Weitertransport in das Lumen der Schilddrüsenfollikel, wo die Synthese (und evtl. die Speicherung) der Schilddrüsenhormone stattfindet, erfolgt über passive Diffusion.

Ausscheidung

Anorganisches Iodid wird über die Nieren, die iodhaltigen Schilddrüsenhormone werden mit Glucuronsäure konjugiert und gelangen in die Gallenflüssigkeit.

Klinik

Iodmangel führt zu einer verminderten Schilddrüsenhormon-Synthese (Hypothyreose). Unbehandelt kann diese zu Störungen des Wachstums und der Intellektentwicklung führen. Der Körper reagiert auf Iodmangel mit der Ausschüttung von TSH (Thyreoidea-stimulierendes Hormon). Dies führt zu einer Vermehrung des Schilddrüsengewebes (Struma, Kropf). Heutzutage werden vermehrt weitere Ursachen für den Kropf diskutiert, z. B. Umweltgifte und andere sog. strumigene Substanzen. Um Iodmangel vorzubeugen, empfiehlt sich die Verwendung von Iodsalz.

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