Zinkabhängige Enzymfunktionen

Zink gehört aufgrund seiner ubiquitären Beteiligung an den vielfältigsten biologischen Reaktionen zu den wichtigsten Spurenelementen. Der essentielle Vitalstoff ist Bestandteil oder Cofaktor von mehr als 300 bisher bekannten Enzymen und Proteinen [11, 12].

Zink ist für die Konfiguration nichtenzymatischer Proteine relevant [11, 12] und erfüllt strukturelle, regulatorische und katalytische Aufgaben bei einer Vielzahl von Metalloenzymen wie:

• DNA- und RNA-Polymerasen [9, 11]
• Carboanhydrasen – schnelle Freisetzung und Abatmung des Kohlendioxids, ein Mangel an Carboanhydrase aufgrund eines Zinkdefizits fördert eine saure Stoffwechsellage [9, 13]
• Dehydrogenasen [9, 11]
• Oxidoreduktasen [11]
• Transferasen [11]
• Hydrolasen [11]
• Isomerasen [11]
• Ligasen [11]
• Alkalische Phosphatasen [9, 11]
• Phospholipasen [9, 11]

Zum Beispiel ist Zink mit der Alkoholdehydrogenase am Abbau von Alkohol in der Leber und mit der alkalischen Phosphatase am Aufbau der Knochensubstanz beteiligt. Die Pankreas-Carboxypeptidase und alpha-Amylase benötigen das essentielle Spurenelement für die Eiweißverdauung [13]. Für alle zinkabhängigen Enzyme gilt, dass sie auf einen Zinkmangel mit Aktivitätsverlust reagieren [1]. Ein Defizit an Zink scheint eine ungenügende Induktion dieser Enzyme zu bewirken [1]. Hieraus erklärt sich die Bedeutung von Zink unter anderem für den Eiweiß-, Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel, für den Säure-Basen-Haushalt sowie die Vielzahl von Funktionsstörungen bei Zinkmangel [9].

Weitere wichtige Enzymfunktionen:

• Schutz gegen Freie Radikale – durch Superoxid-Dismutase und Zink-Thionein [14]
• Körperabwehr – bei zellulärer und humoraler Immunität [14]
• Nukleinsäurematabolismus – stabilisiert die Strukturen von RNA, DNA und Ribosomen, schützt sie von Oxidation und fördert Differenzierung und Genexpression [1, 11, 13, 14]
• Zellproliferation bei Verletzungen sowie Entwicklungs-, Wachstums- und Regenerationsprozesse – beim Thymidineinbau in Zellkulturen, bei der Entwicklung von Feten, bei der Leberregeneration, bei der Wundheilung und Verbrennungen werden hohe Zinkmengen benötigt [1, 10, 12, 13, 14]
• Blutbildung [14]
• Aufrechterhaltung von Membran- und Proteinstrukturen [11, 14]
• Steuerung der Proteinbiosynthese (Neubildung von Proteinen) über zinkabhängige Transkriptionsfaktoren – Zink ist insbesondere für den Stoffwechsel der Aminosäure Cystein essentiell, das sich in Haut und Haar befindet [2, 10, 14]
• Fettsäure- und Prostaglandin-Stoffwechsel [14]
• Neurotransmitter-Stoffwechsel im Gehirn [14]
• Sinnesfunktionen – sehen, hören, riechen und schmecken [14]
• Aufbau und Degradation des Bindegewebes [2]
• Stoffwechsel von Geschlechtshormonen – Keimdrüsen und Fortpflanzung [14]
• Verminderung der Darmaufnahme toxischer Schwermetalle, wie Blei, Cadmium und Quecksilber [14]

Funktionen im Neurotransmitter-Stoffwechsel

Zink ist beim Auf- und Abbau verschiedener Neurotransmitter, vor allem von Glutamat und von der Gamma-Aminobuttersäure (GABA) beteiligt. Außerdem moduliert das Spurenelement Aminosäurerezeptoren, insbesondere NMDA-Rezeptoren (Glutamatrezeptoren), wodurch eine von Glutamat verursachte erhöhte Erregbarkeit herabgesetzt wird. Diese Funktion spielt beispielsweise bei Epilepsie und Fieberkrämpfen eine wesentliche Rolle [14]. Des Weiteren beeinflusst Zink die Aktivität der Glutamat-Decarboxylase, welche für die Synthese von Gamma-Aminobuttersäure von Bedeutung ist. GABA stellt den wichtigsten hemmenden Neurotransmitter dar. Bei Zinkmangel wird die Bildung von GABA eingeschränkt, was schließlich zu einer erhöhten Erregbarkeit der Nervenzellen führt [14].

Hormonelle Funktionen

Zink ist ein unerlässlicher Vitalstoff für die Synthese, Speicherung und Sekretion von Insulin in den Beta-Zellen des endokrinen Pankreas und für dessen Wirkung an der Zelle erforderlich [10, 11, 15]. Ein guter Versorgungsstatus des Körpers mit Zink ist auch für die Funktion von Proteohormonen (Hormone mit Eiweißcharakter) wie Glukagon, Gonadotropin, Wachstumshormon und Sexualhormone von wesentlicher Bedeutung [11]. Zudem ist das Spurenelement am Stoffwechsel von Schilddrüsenhormonen, Wachstumshormonen und Prostaglandinen beteiligt. Zink ist weiterhin für die Bildung von Testosteron essentiell, wodurch es die Entwicklung und Reifung männlicher Geschlechtsorgane sowie die Spermatogenese beeinflusst [15]. Ebenso spielt Zink für die Fruchtbarkeit der Frau eine wichtige Rolle [14]. Hierbei bildet Zink unter anderem mit für die Frau bedeutsamen hypophysären Gonadotropinen, luteinisierenden Hormonen (LH) und Steroidhormonen (SH) dissoziierbare Zink-Protein-Hormonkomplexe. Dadurch wird die Aktivität dieser Hormone stimuliert [14].

Antioxidative Funktionen

Zink besitzt akute und chronische antioxidative Eigenschaften, die auf der anhaltenden Induktion von antioxidativen Stoffen beruhen. Dazu zählt die Induktion und Aufrechterhaltung zellulärer Konzentrationen des Hydroxylradikalfängers Metallothionein sowie des reduzierten Glutathions. Auf diese Weise werden die Zellen vor radikalischen Angriffen geschützt und deren Membranen stabilisiert [1, 13]. Da Zink ein Antagonist von Eisen und Kupfer ist, reduziert es deren Reaktivität im Prozess der Radikalenbildung [1, 13]. Des Weiteren hemmt Zink die Resorption von Blei und Cadmium und schützt so vor Intoxikationen mit diesen Schadstoffen aus der Umwelt [1]. Schließlich sind bei Zinkmangel unter anderem die Erythrozyten (rote Blutkörperchen) vor radikalischen Angriffen ungenügend geschützt [1]. Ebenso werden infolge eines Zinkdefizites vermehrt Lipidperoxidationen beobachtet [1]. Durch eine Substitution mit Zink können solche Veränderungen weitgehend normalisiert werden [1]. Darüber hinaus ist Zink für andere zellmembranassoziierte Funktionen (Zellkommunikation) und Strukturen (Cytoskelett) überaus wichtig [1]. Das Cytoskelett ist ein Gerüst aus elastischen Strukturen – Mikrotubuli und Mikrofilamente –, das der Zelle nach außen Halt verleiht und als Unterlage für Transport- und Stoffwechselprozesse dient.

Immunmodulierende Effekte

T-Helfer-, T-Killer- und Natural-Killerzellen sind für eine optimale Funktion des Immunsystems unentbehrlich. Eine normale Aktivität dieser T-Zellen setzt eine ausreichende Zinkversorgung voraus [1, 13]. Ebenso beeinflusst der Zinkstatus im Körper die Ausbildung etlicher Lymphokine, die auf Wachstum, Differenzierung und Aktivität der Zellen des Immunsystems wirken [1, 13]. Die Immunabwehr stärkende Makrophagen entfalten ihre volle Wirkung nur bei ausreichender Zinkzufuhr. Sie sind in der Lage, fremde Keime und Stoffe aus dem Körper zu entfernen und Antikörper zu produzieren (Monozyten-Makrophagen-System) [1, 2]. Experimentelle Befunde haben gezeigt, dass Zinksalze die Replikation von Rhinoviren hemmen und Zellbestandteile vor Schädigungen durch bakterielle Toxine schützen [8]. Eine Mangelversorgung an Zink führt bei Tieren zu einer Thymusatrophie, wodurch die Reifung der T-Lymphozyten (bestimmte Gruppe der weißen Blutkörperchen), zu spezialisierten Zellen des Immunsystems verhindert wird [1]. Schließlich nimmt die Anzahl der T-Lymphozyten ab [1, 13]. Zudem ist die Produktion von Thymushormonen, welche für die Differenzierung und Entwicklung von T-Lymphozyten bedeutsam sind, reduziert [1]. Für die Abnahme der T-Zellen ist auch durch Zinkmangel verursachter Stress und eine dadurch ausgelöste Zunahme adrenaler Steroide mitverantwortlich [1].

Funktionen im Vitamin A-Stoffwechsel

Zink ist für den Sehvorgang ein essentieller Vitalstoff. Als Bestandteil der Alkoholdehydrogenase ist Zink an der Umwandlung von Retinol in Retinal beteiligt. Hinzu kommt, dass das Spurenelement zur Synthese des retinolbindenden Proteins (RBP) benötigt wird, das Vitamin A beziehungsweise Retinol aus der Leber in andere Organe beziehungsweise Gewebe, insbesondere in die Retina (Netzhaut) transportiert [1, 11, 13, 14].

Funktionen für Haut und Hautanhangsgebilde

Hautveränderungen im Zinkmangel haben bestätigt, dass Zink für die normale Funktion von Haut und ihre Anhangsorgane wie Haare und Nägel unerlässlich ist. Insbesondere ist das Spurenelement für die Umwandlungsprozesse der Haut vom Stratum germinativum (innerste Schicht) zum Stratum corneum (äußere Schicht, eigentliche Hautoberfläche) von erheblicher Bedeutung [1, 13]. Zink beeinflusst zudem die Dehydrierung von Linol- zu Linolensäure. Diese essentiellen Fettsäuren sind für eine geregelte Verhornung der Haut verantwortlich [1]. Darüber hinaus ist Zink für den Cystinstoffwechsel der Haarwurzel relevant und damit maßgeblich an der Strukturfestigkeit von Haaren sowie Nägeln beteiligt [11, 13].

Literatur 

1. Biesalski HK, Köhrle J, Schümann K: Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. 151-160. Georg Thieme Verlag; Stuttgart/New York 2002.
2. Biesalski HK, Fürst P, Kasper H, Kluthe R, Pölert W, Puchstein Ch, Stähelin HB: Ernährungsmedizin. 183-186. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1999.
3. Bundesinstitut für Risikobewertung: Domke A, Großklaus R, Niemann B, Przyrembel H, Richter K, Schmidt E, Weißenborn A, Wörner B, Ziegenhagen R (Hrsg.) Verwendung von Mineralstoffen in Lebensmitteln – Toxikologische und ernährungsphysiologische Aspekte, Teil 2, BfR-Hausdruckerei Dahlem, 2004
4. Eschenbruch B: Wasser und Mineralstoffe in der Ernährungsmedizin. Umschau Zeitschriftenverlag Breidenstein GmbH, Frankfurt am Main 1994
5. FAO/WHO (2002) Human Vitamin and Mineral Requirements. Report of a Joint FAO/WHO Expert Consultation Bangkok, Thailand. FAO 2002
   
6. Farah DA, Hall MJ, Mills PR, Russell RE: Effect of wheat bran on zinc absorption. Hum Nutr Clin Nutr. 1984 Nov;38(6):433-41.
7. IOM (2002), Institute of Medicine, Food and Nutrition Board. Dietary Reference Intakes Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Borone, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium and Zinc. Washington (DC): National Academies Press (US); 2001
8. Jackson HL, Peterson E, Lesho E: A Meta-analysis of Zinc Salts Lozenges and the Common Cold. Arch Intern Med. 1997 Nov 10;157(20):2373-6.
9. Kasper H: Ernährungsmedizin und Diätetik. 65-66. 10. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München 2004
10. Leitzmann C, Müller C, Michel P et al.: Ernährung in Prävention und Therapie. 77-78. Hippokrates Verlag in MVS Medizinverlage Stuttgart GmbH & Co. KG 2005
11. Niestroj I: Praxis der Orthomolekularen Medizin. 417-420. Hippokrates Verlag GmbH, Stuttgart 2000 
12. SCF. Opinion of the Scientific Committee on Food on the Tolerable Upper Intake Level of Zinc. Scientific Committee on Food SCF/CS/NUT/UPPLEV/62. Final, 19 March 2003 (expressed on 5 March 2003)
13. Schmidt E, Schmidt N: Leitfaden Mikronährstoffe. Urban & Fischer Verlag; München, Februar 2000 302-312
14. Wenzel KG: Spurenelemente. Zn1-Zn13, Pro Business Verlag; 2. Auflage
15. Zöllner N: Effects of nicotinic acid. Nicotinamide, and pyridylcarbinol in pharmalogical dosages on lipid metabolism in humans. Int J Vitam Nutr Res Suppl. 1989;30:114-9. In: Walter P, Brubacher G, Stähelin H, Huber H: Elevated dosages of vitamins. Huber, Toronto – Bern – Stuttgart 1989