Eisen
Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Eisen ist das häufigste Übergangsmetall auf der Erdoberfläche sowie in Organismen und für den Menschen ein essentielles (lebensnotwendig) Spurenelement. Es kommt in mehreren Oxidationsstufen vor, wobei jedoch nur Fe2+ – zweiwertiges Eisen, Ferroverbindungen  und Fe3+ – dreiwertiges Eisen, Ferriverbindungen – eine Bedeutung für den Organismus haben.
Eisen liegt in Verbindungen meist in zweiwertiger Form vor. Fe2+ wirkt dann als Reduktionsmittel und gibt Elektronen ab. Fe3+  Verbindungen stellen hingegen Oxidationsmittel dar und sind als terminale Elektronenakzeptoren in der Lage, Elektronen aufzunehmen [7,19].
Da Fe2+ in wässrigen Lösungen spontan zu extrem schwer löslichem Fe3+  Hydroxid oxidieren kann, besitzen Organismen bestimmte Proteine, wie Hämoglobin (Blutfarbstoff), Transferrin oder Ferritin, die Eisen binden. So bleibt das Spurenelement trotz seiner schlechten Löslichkeit biologisch verfügbar [3, 23].

Ein gesunder Mensch weist einen Gesamtkörperbestand von etwa 3-5 Gramm Eisen auf 45 bis 60 mg/kg Körpergewicht [19, 22]. Circa 80 % davon liegen als Funktionseisen vor. Der überwiegende Anteil des Funktionseisens wird für die Bildung und Entwicklung der Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und nur ein geringfügiger Teil (12 %) für die Myoglobinsynthese sowie die mitochondriale Atmungskette benötigt [22]. Zudem muss Eisen für die Biosynthese eisenabhängiger Enzyme, die für den Elektronentransport essentiell sind, zur Verfügung stehen.
Etwa 20 % des Gesamtbestandes entfallen auf die Speicherorgane des Eisens. Das Spurenelement ist in Form von Ferritin und Hämosiderin vor allem in Leber, Milz, Darmschleimhaut und Knochenmark gespeichert [4, 19, 20, 22, 28, 30].

Es wird zwischen Hämeisen – Eisen-Protoporphyrin, zweiwertiges Fe  und Nicht-Hämeisen ionisiertes freies Eisen, kann zwei- oder dreiwertig vorliegen  als Bestandteil anorganischer Verbindungen unterschieden.
Bei Hämeisen handelt es sich um einen Eisen-Protein-Komplex, wobei an dem Proteinmolekül eine prosthetische Gruppe gekoppelt ist. Zu den wichtigsten, für den Eisenstoffwechsel essentiellen Hämproteinen gehören unter anderem Hämoglobin, Myoglobin und Cytochrome [7, 30]. Mehr als die Hälfte des Funktionseisens ist an Hämoglobin (roter Blutfarbstoff) gebunden und damit in den Erythrozyten (roten Blutkörperchen) lokalisiert. Myoglobin ist ein roter Muskelfarbstoff und macht zusammen mit anderen eisenhaltigen Enzymen  Cytochrome, Katalasen, Peroxidasen  etwa 15 % des Funktionseisens aus [8, 30].
Das Nicht-Hämeisen in tierischen Nahrungsmitteln liegt in Form von Ferritin, Hämosiderin und Eisencitrat vor [20].

Stoffwechsel

Die Regulation der Eisenhomöostase erfolgt über die Kontrolle der Eisenaufnahme im Dünndarm, vor allem im Duodenum (Zwölffingerdarm) und Jejunum  mittlerer Abschnitt des Dünndarms, auch sogenannter „Leerdarm“. Die Absorption wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst, wie:

  • Physiologischen Bedarf [6, 22]
  • Menge und chemische Form des aufgenommenen Eisens [6, 22]
  • Individueller Versorgungsstatus  die basale Eisen-Absorption beträgt etwa 1 mg/Tag, bei Eisenmangel steigt die Resorptionsquote auf 3-5 mg/Tag, bei einem Überschuss an Eisen ist die Absorption um bis zu 50 % geringer [6, 22]
  • Ausmaß der Erythropoese (Produktion der roten Blutkörperchen) [8, 30]
  • Mengenverhältnisse verschiedener anderer organischer und anorganischer Nahrungsbestandteile [8, 30]
  • Resorptionsverhältnisse des Verdauungstraktes [22, 23]
  • Alter [22, 23]
  • Erkrankungen beispielsweise gehen Malabsorption wie Zöliakie (gluteninduzierte Enteropathie), Morbus Crohn, Colitis ulcerosa und chronische atrophische Gastritis mit einer ungenügenden Eisenresorption einher [22, 23]

Das Spurenelement wird über die Nahrung sowohl als Nicht-Hämeisen, also in ionisierter freier Form als freie Fe2+-Ionen, als auch als Hämeisen aufgenommen, wobei der größte Teil des Eisens in Nahrungsmitteln an Proteine, organische Säuren oder andere Substanzen gebunden ist  Eisen-Protoporphyrin (Häm), Ferrihydroxidkomplexe [17].

In tierischen Lebensmitteln, insbesondere im Fleisch, liegen 40 bis 60 % des Eisens als Hämeisen vor. Zweiwertiges Eisen wird in Abhängigkeit vom Eisenstatus aufgrund seiner guten Löslichkeit zu 15-35 % resorbiert und weist damit eine hohe Bioverfügbarkeit auf [3, 10, 13, 17].
Im Gegensatz dazu ist die Verfügbarkeit des Nicht-Hämeisens, welches überwiegend in dreiwertiger Form vorliegt, deutlich geringer. Nicht-Hämeisen ist vor allem in pflanzlichen Nahrungsmitteln enthalten und wird selten mehr als 5 % resorbiert [20, 22]. Dreiwertiges Eisen ist im schwach alkalischen Milieu des oberen Dünndarms nicht löslich und wird daher der Resorption entzogen [13].

Durch den gleichzeitigen Verzehr von Fleisch und pflanzlichen Lebensmitteln lässt sich die Resorptionsrate des Eisens pflanzlichen Ursprungs verdoppeln [3, 20, 22]. Das liegt an den im Fleisch enthaltenen niedermolekularen Komplexbildnern, darunter die tierischen Proteine, welche qualitativ hochwertiger sind, aufgrund der hohen Zahl wertvoller Aminosäuren, als pflanzliche Eiweiße. Sulfhydrylgruppen-enthaltende Aminosäuren Methionin, Cystein  begünstigen die Reduktion des dreiwertigen Eisens in die zweiwertige Form, die besser löslich und resorbierbar ist [19, 20, 22].
Für die optimale Ausnutzung des Nahrungseisens ist auch eine genügende Salzsäure-Produktion im Magensaft bedeutsam. Magensalzsäure spaltet komplexgebundenes Eisen in besser verfügbare freie Eisenionen und locker gebundenes organisches Eisen [19, 22].

Die Bioverfügbarkeit von Eisen aus der Nahrung steigern des Weiteren:

  • Gastroferrin – Sekret der Magenschleimhaut [14]
  • Vitamin C  fördert die Absorption von Nicht-Hämeisen, indem Ascorbinsäure die Bildung von schlechtlöslichen dreiwertigen Eisen hemmt; eine Aufnahme von bereits 25 mg Vitamin C führt zu einer signifikanten Absorptionssteigerung [14]
  • Vitamin A bindet Eisen während des Verdauungsprozesses und entzieht es dadurch den absorptionshemmenden Einflüssen von Phytinsäure (Phytate) und Polyphenolen [18]
  • Fructose [10, 13, 17, 20, 22, 23]
  • Polyoxicarbonsäuren in Obst und Gemüsen [10, 13, 17, 20, 22, 23]
  • Andere organische Säuren, wie Zitronensäure, Wein- und Milchsäure [10, 13, 17, 20, 22, 23]
  • Alkohol  fördert die Magensäuresekretion und steigert so die Absorption von dreiwertigen Eisen [14]

Indem diese Substanzen ebenfalls die Umwandlung von Fe3+ zu Fe2+ fördern, wird die Eisen-Resorption gesteigert.

Beispielsweise erhöht Vitamin C  in 150 Gramm Spinat oder Kohlrabi  die Bioverfügbarkeit von Nicht-Hämeisen um den Faktor 3-4 [17, 22].

Die Eisenresorption stark hemmend wirken:

  • Phytinsäure (Phytate) in Getreide, Mais, Reis sowie Vollkorn- und Sojaprodukten [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Ballaststoffe – nicht Cellulose [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Oxalate im Gemüse  vor allem Spinat, Rhabarber  und Kakao [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Polyphenole  unter anderem Tannine  in Kaffee, schwarzem Tee, Hirse, Spinat und Rotwein [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Phosvitin im Eigelb [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Carbonate [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Phosphate [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Calciumsalze  bei einem Calciumgehalt von 300-600 mg in der Nahrung wurde ein maximaler Hemmeffekt festgestellt [14]
  • Medikamente  aluminium-, magnesium- und calciumhaltige Antazida sowie Lipidsenker können die Eisenresorption um bis zu 70 % vermindern (Colestyramin); Chelatbildner wie Penicillamin, Ethylendiamintetraacetat EDTA  und Deferoxamin hemmen insbesondere die Nicht-Hämeisenabsorption [15]
  • Magensäurebinder [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Cadmium  Cd2+  aus der Umwelt [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Exzessive Zufuhr anderer Metallionen, wie Mangan (Mn2+), Cobalt (Co2+), Kupfer (Cu2+), Zink (Zn2+), Blei (Pb2+) [4, 10, 13, 17, 22, 28]
  • Proteinmangel in der Nahrung [4, 10, 13, 17, 22, 28]

Diese Stoffe bilden einen schwer resorbierbaren Komplex mit Eisen und blockieren deshalb dessen Resorption [3, 4, 22].

Nachdem Eisen in den Zellen der Dünndarmschleimhaut aufgenommen worden ist, wird es entweder als Ferritin, dem Eisenspeicherprotein, gespeichert oder mit Hilfe des Transporteiweißes Mobilferrin in das Plasma überführt [19, 22].
Im Plasma wird das Spurenelement auf das Eisentransportprotein Transferrin übertragen. Die normale Transferrinkonzentration im Plasma beträgt
220-370 mg/100 ml.
Die Höhe des Serum-Transferrins ist invers korreliert mit der Größe des Eisenpools. Demnach ist bei einem Eisenmangel sowohl der Plasmatransferringehalt als auch die Transferrinrezeptorkonzentration erhöht. Die Transferrin-Sättigung ist ein Indikator für den Eisentransport zu den Geweben und bei einem Eisendefizit in der Regel erniedrigt [3, 30].
Transferrin transportiert Eisen zu allen Zellen und Geweben, wo es anschließend an Transferrinrezeptoren bindet und in die Zellen aufgenommen wird. Von wesentlicher Bedeutung ist die Mobilisierung in das Knochenmark. Dort ist Eisen für die laufende Hämoglobinbildung essentiell, die Priorität hat vor anderen Syntheseschritten. Rund 70 bis 90 % des an Transferrin gebundenen Eisens werden für die Synthese des Hämoglobins benötigt. Schließlich ist die Bildung und Entwicklung der Erythrozyten (rote Blutkörperchen) für den überwiegenden Eisenumsatz verantwortlich [30].
Die restlichen 10 bis 30 % stehen für den Aufbau von Enzymen sowie Coenzymen zur Verfügung oder werden als Ferritin abgelagert [19]. Ist die Speicherkapazität des Ferritins überschritten, wird Eisen an das Speicherprotein Hämosiderin gebunden [19].

Die Bedeutung des Ferritins liegt in der Speicherung, dem Transport und der Entgiftung des Eisens. Bei Bedarf kann Eisen aus dem Speicherbestand rasch freigesetzt und zur Hämoglobinsynthese herangezogen werden.
Ferritin stellt den bestgeeigneten Marker für den Eisenstatus dar! Geringe Serum-Ferritinwerte finden sich bei Eisenmangel. Eisenüberladungen sind hingegen bei gesteigerten Serumferritinkonzentrationen nachweisbar [19, 30].
Sind die Gesamtkörpereisenreserven erschöpft, erhöht sich das Risiko einer Anämie aufgrund der eingeschränkten Hämoglobinbiosynthese. In Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und Rasse weisen Hämoglobinkonzentrationen unter 12 g/L bei Frauen und unter 13 g/L bei Männern auf eine Anämie hin [3].

Hämosiderin ist ein Kondensationsprodukt von Apoferritin und Zellbestandteilen, wie Lipiden und Nukleotiden, das vor allem in den Hepatozyten sowie Zellen von Knochenmark, Leber und Milz lokalisiert ist [22]. Im Vergleich zum Ferritin ist Hämosiderin ein dauerhafter Eisenspeicher, in dem das Spurenelement für den Stoffwechsel in nicht mehr verfügbarer Form gespeichert ist.

Da der Eisenhaushalt ausschließlich über die Resorption gesteuert wird, gibt es keine regulierte Ausscheidung von Eisen [19, 22]. Beim Mann und bei der Frau nach der Menopause gehen etwa 1-2 mg (19-36 µmol/L) Eisen täglich mit der Abstoßung von Darmepithel- und Hautzellen, mit Galle und Schweiß sowie mit dem Urin verloren [3, 19, 20, 22, 28].

Zu größeren Eisenverlusten kommt es bei Blutungen durch die damit verbundenen Hämoglobinverluste. Mit der Menstruation werden etwa 25-60 ml Blut ausgeschieden, wodurch 12,5-30 mg (225-540 µmol) Eisen pro Monat verloren gehen. Auch während der Schwangerschaft ist der Eisenbedarf der Frau aufgrund der Versorgung des Fetus mit Eisen erhöht. Etwa 300 mg des Spurenelements werden dem Fetus über die Plazenta zugeführt. Zudem treten infolge der Geburt und der Stillzeit  0,5 mg  Blutverluste auf, die jedoch durch das Ausbleiben der Menstruation für einige Monate nach der Schwangerschaft ausgeglichen werden [19, 28]. Daneben gibt es weitere Risikogruppen für einen Eisenmangel.

Aufgrund der Tatsache, dass es für Eisen keine regulierten Ausscheidungsmechanismen gibt, kann eine zu hohe Eisenaufnahme über die Nahrung nicht durch eine gesteigerte Ausscheidung kompensiert werden. Studien zur Folge stellen erhöhte Ferritinspiegel  > 200 µg/ml  einen eigenständigen Risikofaktor für die Atherosklerose (Arteriosklerose, Arterienverkalkung) dar und können die Gefahr für Myokardinfarkte (Herzinfarkte) verdoppeln [4, 9].
Schließlich ist der Eisenstatus dann optimal, wenn dem Körper genügend Eisen zur Erfüllung seiner Funktionen zur Verfügung steht, die Eisenspeicher jedoch nicht gefüllt sind [26, 27].

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