Mineralstoffe – ist eine Supplementierung immer sinnvoll?

Ernährungsphysiologische Bedeutung

In der Ernährungswissenschaft werden unter dem Begriff Mineralstoffe alle anorganischen Nährstoffe zusammengefasst, unabhängig davon, in welcher Bindungsform sie vorkommen bzw. welche Aufgaben sie erfüllen. Traditionell erfolgt eine Differenzierung der Mineralstoffe in Mengen- und Spurenelemente. Als Mengenelemente gelten danach Mineralstoffe, die im Organismus in einer Konzentration von > 50 mg/kg Körpergewicht vorliegen. Spurenelemente finden sich hingegen nur in einer Konzentration von < 50 mg/kg Körpergewicht¹. Eine Ausnahme hierbei bildet Eisen, das in einer Konzentration von etwa 60 mg/kg Körpergewicht im Organismus vorliegt, aber dennoch aufgrund seiner Funktion und Wirkungsweise den Spurenelementen zugerechnet wird. Unter praktischen Gesichtspunkten ist diese Differenzierung allerdings ohne Bedeutung.

Während die 13 heute bekannten Vitamine in ihrer ernährungsphysiologischen Bedeutung recht gut charakterisiert werden können, sind die Kenntnisse bei einigen Mineralstoffen deutlich lückenhafter. Tabelle 1 fasst die wichtigsten Funktionen der Mineralstoffe zusammen. Sie sind dabei vor allem beteiligt an der Ausbildung von Ionengradienten, der Osmoregulation, der Signaltransduktion und der Synthese der Hartgewebe. Besonders vielfältig ist ihre Bedeutung als Bestandteil oder Cofaktor von Enzymen. Wie auch bei den Vitaminen zeigt sich, dass diese vielfältigen Wirkungen nicht nur in lange bekannten Funktionsbereichen zum Tragen kommen, sondern auch in präventiver und therapeutischer Hinsicht eine Rolle spielen.

Bei verschiedenen Mineralstoffen ist nach wie vor nicht eindeutig geklärt, ob sie im menschlichen Körper eher zufällig vorkommen oder aber eine physiologisch definierte Funktion erfüllen. Entsprechend können für solche Substanzen bislang weder Mangelerscheinungen beschrieben werden, noch ist bekannt, in welcher Menge diese gegebenenfalls zuzuführen sind. Ein Beispiel hierfür ist Silicium, das sich in Tierexperimenten als notwendig für die Quervernetzung der Mucopolysaccharide erwiesen hat [60]. Es ist zu vermuten, dass dies auch beim Menschen eine Rolle spielt, wenngleich ein Nachweis noch aussteht. Auch bei anderen (Ultra)Spurenelementen ist bislang, vorwiegend aus methodischen Gründen, nicht geklärt, inwieweit ihnen eine Funktion zukommt (s. Kasten "Möglicherweise essenzielle Ultraspurenelemente").

Versorgung mit Mineralstoffen

Insgesamt ist – wie auch bei den Vitaminen – in Deutschland die Versorgung mit den meisten Mineralstoffen gesichert. In einigen Fällen, z. B. bei Natrium, Chlorid und Phosphat, überschreitet die Aufnahme sogar deutlich die Empfehlung und liegt bisweilen unerwünscht hoch. Dies ist primär ein Indiz für die vielfach ungünstige Lebensmittelauswahl, die dadurch charakterisiert ist, dass zu einem hohen Anteil stark verarbeitete Produkte wie z. B. Fertiggerichte aufgenommen werden. Aber auch Wurst und Käse tragen wesentlich zur Aufnahme dieser Mineralstoffe bei. Andererseits werden die aus präventiver Sicht wünschenswerten Mineralstoffe wie Kalium und Magnesium vielfach in zu geringer Menge aufgenommen. Sie finden sich vorzugsweise in Gemüse, Obst und Vollkornprodukten. Besonders kritisch ist die Versorgungssituation auch bei Jod und Calcium. Neben diesen Mineralstoffen, deren Zufuhr in weiten Teilen der Bevölkerung problematisch ist, zeigen sich weitere Versorgungslücken an bestimmten Substanzen in einzelnen Bevölkerungsgruppen. Kritisch sind z. B. Eisen bei Schwangeren und Sportlern (siehe Kasten "Mineralstoffmangel durch sportliche Aktivität?") und Zink bei Senioren.

Präventive und toxische Effekte von Mineralstoffen

Verglichen mit Vitaminen stoßen Mineralstoffe – auch in den Augen des Verbrauchers – auf ein spürbar geringeres Interesse. Echte Mangelerscheinungen sind mit Ausnahme von Jodid kaum zu finden. Dabei sollte aber nicht übersehen werden, dass bestimmte Mineralstoffe jenseits der Mangelvermeidung Effekte im Hinblick auf die Prävention chronischer Erkrankungen besitzen. Entsprechende Hinweise existieren u. a. für Kalium [36, 20], Magnesium [45, 51, 4], Calcium [84, 24] und Selen [14, 77]. Bei einigen Substanzen wurden zudem diätetisch-therapeutische Eigenschaften nachgewiesen, so z. B. für Zink bei der altersbedingten Makuladegeneration [1], die inzwischen auch genutzt werden. Dabei kommen zum Teil sehr hohe Dosierungen zum Einsatz, was einmal mehr die Frage aufwirft, bis zu welcher Höhe diese Mikronährstoffe bedenkenlos aufgenommen werden können.

Um die Bevölkerung vor den unerwünschten Wirkungen einer überhöhten Nährstoffzufuhr zu schützen, sind deshalb wissenschaftlich toxikologische Grenzwerte zu definieren, die langfristig nicht überschritten werden sollten (s. a. Teil 2 der Serie, DAZ Nr. 49/2004, S. 65 f). Wie Tabelle 2 zeigt, ist der Bereich zwischen bislang empfohlener Zufuhr und dem Grenzwert für eine sichere Aufnahme (UL, Tolerable Upper Intake Level) bei Mineralstoffen im Allgemeinen wesentlich geringer als bei den meisten Vitaminen. Die dort aufgeführten Höchstwerte für Supplemente sind nur in Bezug auf gesunde Personen zu sehen, bei denen kein besonderes Ernährungserfordernis vorliegt. Bei entsprechender therapeutischer Notwendigkeit und unter laborchemischer Kontrolle sind – wie bei Vitaminen – auch höhere Gaben denkbar.

Wie schon lange am Beispiel des Fluorids bekannt, liegen erwünschte und unerwünschte Wirkungen häufig eng zusammen: Eine erhöhte Aufnahme des – inzwischen im Übrigen als essenziell erkannten – Spurenelementes bis zu ca. 0,05 mg/kg Körpergewicht steigert bei Kindern die Festigkeit der Zähne. Schon geringfügig höhere Mengen können langfristig zu einer Zahnfluorose führen. Die "Janusköpfigkeit" [40] von Mineralstoffen soll nachfolgend am Beispiel des in dieser Hinsicht sehr kontrovers diskutierten Spurenelements Eisen dargestellt werden.

Eisen – ein "Klassiker" im neuen Licht

Eisen ist ein Übergangsmetall und liegt in der Natur vorwiegend in zweiwertiger (Fe2+) und dreiwertiger (Fe3+) Form vor. In Lebensmitteln ist das Spurenelement weit verbreitet, wobei der Beitrag eines Nahrungsmittels zur Eisenversorgung weniger von seinem absoluten Eisengehalt, sondern vor allem von der Bindungsform sowie der Anwesenheit absorptionsfördernder und -hemmender Begleitstoffe abhängt. Lebensmittel tierischen Ursprungs enthalten zu etwa 70% porphyringebundenes Hämeisen in Form von Hämoglobin und Myoglobin. Dieses Eisen ist durch die Lipophilie des Ringsystems, nicht wegen seines Redoxstatus, gut verfügbar und gelangt leicht über einen vesikulären Mechanismus in die intestinale Mucosa.

Demgegenüber finden sich in pflanzlicher Nahrung praktisch ausschließlich anorganische Eisenverbindungen, in denen das Spurenelement vorwiegend in dreiwertiger Form vorliegt und vor seiner Absorption reduziert werden muss. Dies begründet die insgesamt geringere Bioverfügbarkeit aus pflanzlichen Lebensmitteln. Allerdings können reduktiv wirksame Substanzen die Verfügbarkeit erheblich steigern; andererseits finden sich in der Nahrung Inhibitoren (s. Tab. 3), die als Komplexbildner wirken und das Eisen der Absorption entziehen. Auch bei isolierter Aufnahme hoher Mengen an Zink wurde eine Hemmung der Eisenabsorption beschrieben, in komplexen Mahlzeiten und physiologischen Mengen hatte dies allerdings keinen Einfluss [17, 66].

Zusätzlich zu den genannten Nahrungsfaktoren wirkt sich der Eisenstatus eines Menschen auf die Absorption aus. Insbesondere Nicht-Häm-Eisen wird in Abhängigkeit vom Eisenbedarf des Organismus aufgenommen. So steigt die Absorptionsrate im Verlauf der Schwangerschaft bei gesunden Frauen auf ein Mehrfaches an [6]; auch bei Personen mit entleerten Eisenspeichern wurde eine erhöhte intestinale Aufnahme gemessen [67]. Auf die Häm-Eisen-Aufnahme nimmt der Versorgungsstatus keinen kurzfristigen Einfluss [38, 67]; langfristig scheint allerdings auch hier ein Regulationsmechanismus zu existieren [76, 34].

Wie Abbildung 1 verdeutlicht, steht das Plasmaeisen im Zentrum des Eisenstoffwechsels. Im Organismus (Gesamtbestand 3 – 5 g) liegt Eisen in zwei unterschiedlichen Formen vor. In Hämproteinen (Hämoglobin, Myoglobin und Cytochrome) dient es als Zentralatom eines Porphyrinringgerüstes; in Nicht-Häm-Proteinen (Metalloenzyme und Fe-S-Proteine) ist es an eine Proteinkette gekoppelt. Rund 60% des Körpereisens sind im Hämoglobin lokalisiert und für den Sauerstofftransport erforderlich. Etwa 5% des Eisens liegen als Myoglobin vor und dienen als Sauerstoffreservoir des Muskels, nur etwa 300 mg des Eisens finden sich in Häm- oder Nicht-hämhaltigen Enzymen.

Zur ersten Kategorie zählen z. B. die an der Signaltransduktion beteiligte Guanylat-Cyclase, die NO-Synthase sowie verschiedene Cytochrome, die Elemente der Atmungskette bilden und an der Elektronenübertragung beteiligt sind. Auch Enzyme des antioxidativen Systems, Peroxidase und Katalase, fallen in diese Gruppe. Unter den nicht-hämhaltigen Enzymen kommen insbesondere den eisenhaltigen Metalloenzymen vielfältige Funktionen zu. Hierzu gehören etwa Dioxygenasen und einige Monooxygenasen, die Hydroxylierungsreaktionen katalysieren. Über diese Funktion ist Eisen z. B. an der Eicosanoid-, Carnitin-, Kollagen- und Neurotransmittersynthese beteiligt. Weitere eisenabhängige Funktionen sind die Immunabwehr, die DNA-Synthese sowie die Desaturierung der Fettsäuren.

Eisenversorgung der Bevölkerung

Weltweit ist der Eisenmangel das am häufigsten auftretende Nährstoffdefizit. Obwohl die Versorgungslage in Deutschland und anderen westlichen Industrieländern weniger kritisch ist, finden sich auch hier suboptimale Versorgungszustände. Je nach verwendetem Indikator müssen unter den 25 – 44-jährigen Personen etwa 10 – 14% der Frauen und 3 – 10 % der Männer als defizitär eingestuft werden [43, 49, 21]. Besonders kritisch ist zudem die Situation bei jungen Mädchen zu Beginn der Pubertät. Bei Sportlern wurde in den meisten Studien ebenfalls eine erhöhte Häufigkeit unzureichender Eisenversorgung festgestellt, insbesondere bei weiblichen Ausdauersportlern [13, 64, 59].

Risikofaktoren für eine mangelhafte Versorgung sind vegetarische Kost (s. Kasten "Eisenversorgung bei vegetarischer Ernährung"), Geburt mehrerer Kinder und geringer Bildungsstand [80]. Bei Frauen ist vor allem die große interindividuelle Schwankungsbreite der Blutverluste durch Menstruation zu berücksichtigen, die durch die Art der Kontrazeption beeinflusst wird. So sinken die Eisenverluste durch die Einnahme oraler Kontrazeptiva; bei Verwendung von Intrauterinpessaren steigen sie hingegen deutlich an [33].

Eisen – ein Risikofaktor für Myocardinfarkte?

Ein Initialschritt bei der Entstehung der Atherosklerose ist die oxidative Modifikation von Polyenfettsäuren an der Oberfläche von LDL-Partikeln. Derartig modifizierte LDL (ox-LDL) sind entscheidend am degenerativen Umbau der Gefäßwand beteiligt. Entsprechend wird den Mechanismen, die zu einer LDL-Oxidation beitragen, besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Freie Eisenionen können über die Fenton- und die Haber-Weiss-Reaktion zur Entstehung von reaktiven Sauerstoffspezies beitragen (s. Kasten "Fenton- und Haber-Weiss-Reaktion"). Deshalb scheint ein Zusammenhang zwischen dem Körperbestand an Eisen und der oxidativen Belastung plausibel.

Die Diskussion um negative Effekte einer hohen Eisenzufuhr wurde insbesondere durch eine Studie aus Finnland angefacht, in der ein erhöhtes KHK-Risiko bei Personen mit hohen Ferritinspeichern gefunden wurde [68]. In dieser Studie an 1931 Männern war ein hoher Serumferritinspiegel mit einem erhöhten Herzinfarktrisiko assoziiert. In einer Folgeauswertung nach 6 Jahren [78] ergab sich bei Männern mit einer Eisenaufnahme von mehr als 16 mg/d ein um den Faktor 2,4 erhöhtes Risiko für Herzinfarkt gegenüber denjenigen mit einer unter diesem Wert liegenden Zufuhr. Inwieweit diese Beobachtungen tatsächlich kausaler Natur sind, bleibt fraglich. Möglicherweise sind Eisenzufuhr und Eisenbestand des Körpers hierbei nur ein Indikator einer bestimmten Ernährungsweise, die aufgrund anderer Faktoren das Herz-Kreislauf-Risiko erhöht.

Diese Interpretation wird unterstützt durch Daten verschiedener anderer Untersuchungen, die keinen derartigen Zusammenhang finden konnten [10, 72, 73, 56, 57, 28, 19]. Auch die Tatsache, dass regelmäßiges Blutspenden nicht mit einem verringerten KHK-Risiko einhergeht [3], spricht für einen nicht-kausalen Zusammenhang. Übereinstimmend wird inzwischen davon ausgegangen, dass die vorliegenden Daten insgesamt keinen Zusammenhang zwischen dem Eisenstatus und der KHK-Inzidenz bestätigen [19, 71, 50].

Anders stellt sich dies im Falle von Stoffwechselstörungen wie der Hämochromatose dar. Diese monogenetische Erkrankung ist dadurch charakterisiert, dass die Patienten eine deutlich erhöhte Eisenabsorption aufweisen. Homocygote Merkmalsträger weisen, meist im höheren Lebensalter, infolge der hieraus resultierenden schweren Eisenüberladung eine erhöhte Sterblichkeit an Herzinfarkt, Leberkrebs, Leberzirrhose und Diabetes auf [83]. Die heterozygote Variante der Erkrankung ist hingegen nicht eindeutig mit einer geringeren Lebenserwartung verbunden [50, 10].

Im Gegensatz zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen scheint Hämeisen epidemiologischen Daten zufolge das Risiko für die Entwicklung des Kolonkarzinoms zu erhöhen [47]. Möglicherweise ist dies auf zytotoxische Effekte des Hämeisens und eine damit in Verbindung stehende Hyperproliferation des Kolonepithels zurückzuführen, wie tierexperimentelle Untersuchungen zeigen. Diese prokanzerogenen Effekte konnten bei Ratten durch die Gabe von Calcium deutlich reduziert werden [79, 74].

Calcium – nicht nur zur Osteoporoseprophylaxe

Unter den Mineralstoffen nimmt Calcium nicht zuletzt wegen seiner Bedeutung bei Prävention und Therapie der Osteoporose eine besondere Stellung ein. Wichtige Calciumlieferanten sind vor allem Milch und Milchprodukte, wobei insbesondere Hartkäsesorten hohe Gehalte aufweisen. Auch Trinkwasser kann je nach Härtegrad beachtliche Mengen enthalten. Einige Gemüse wie Broccoli, Grünkohl und Fenchel sowie verschiedene Nusssorten (Mandeln, Haselnüsse, Paranüsse) sind ebenfalls reich an Calcium. Dagegen ist der Gehalt von Obst, Fleisch und Fisch gering und trägt nur unwesentlich zur Bedarfsdeckung bei. Die häufig gegebene Empfehlung, zur Sicherung der Calciumversorgung vermehrt Milch und Milchprodukte zu konsumieren, muss wegen des hohen Fettgehaltes vieler Produkte allerdings differenziert betrachtet werden. Empfehlenswert als Calciumlieferanten sind Lebensmittel mit einer hohen Nährstoffdichte, die also bezogen auf ihren Energiegehalt vergleichsweise hohe Mengen des Mineralstoffs enthalten (s. Tab. 1).

Calcium ist zusammen mit Phosphat in Form des Hydroxylapatits [Ca10(OH)2(PO4)6] Bestandteil der Knochen und Zähne und bestimmt wesentlich die Festigkeit dieser Gewebe. Etwa 99% des gesamten Calciumbestands sind hier lokalisiert. Neben seiner Stützfunktion dient die Knochensubstanz gleichzeitig als Calciumdepot und ist somit ein wichtiger Faktor für die Calciumhomöostase. Zwar ist die Konzentration von Calcium in den Zellen der übrigen Gewebe sehr gering, dennoch besitzt es gerade hier wesentliche Funktionen als Signalmolekül. So wird z. B. die Muskelkontraktion (elektromechanische Kopplung) durch die Freisetzung von Calcium aus dem sarkoplasmatischen Retikulum eingeleitet.

Bei der Reizübertragung im Nervensystem führt der Einstrom von extrazellulärem Calcium während des Aktionspotenzials zur Freisetzung von Neurotransmittern aus den Vesikeln der Synapsen. Auch die Sekretion endokriner Drüsen wie z. B. die Insulinausschüttung aus den b-Zellen des Pankreas ist ein calciumabhängiger Vorgang. Des Weiteren ist Calcium an der Aktivierung des Blutgerinnungssystems beteiligt, indem es mit Phospholipiden und Gerinnungsfaktoren Komplexe bildet. Die Fähigkeit des Calciums, sich an Phospholipide zu binden, ist ebenfalls bedeutsam für die Stabilisierung der Zellmembran sowie deren selektive Permeabilität. Innerhalb der Zellen assoziiert Calcium mit Calmodulin, einem spezifischen Polypeptid. Der Calcium-Calmodulin-Komplex bindet reversibel an verschiedene Kinasen und beeinflusst dadurch deren Aktivität. Auf diese Weise wirkt Calcium als Cofaktor einiger Schlüsselenzyme (z. B. von Glycogensynthese und Glycolyse). Weiterhin reguliert Calcium die Aktivität der Phospholipase A2 und ist damit in den Eicosanoidstoffwechsel eingebunden.

Calcium in der Prävention kolorektaler Karzinome

Wie bereits im 2. Teil dieser Serie dargestellt (DAZ Nr. 49/2004, S. 65 f), wird das Risiko für Dickdarm- und Mastdarmkrebs in erheblichem Umfang durch Ernährungsfaktoren beeinflusst. Ausgehend von tierexperimentellen Untersuchungen und Zellkulturversuchen ist bekannt, dass in diesem Zusammenhang auch Calcium eine Rolle spielt. Der Mineralstoff übt offenbar einen direkten Einfluss auf Signalwege in den Epithelzellen aus und modifiziert damit das Proliferations- und Differenzierungsverhalten der Colonschleimhaut [61, 11]. Daneben hat sich gezeigt, dass Calcium in der Lage ist, freie Gallensäuren zu binden und hierdurch zu inaktivieren. Diese scheinen wesentlich an der Entstehung von Dickdarm- und Mastdarmkrebs beteiligt, weil sie eine Hyperproliferation des Epithels induzieren [58].

Für eine protektive Wirkung von Calcium bei diesen Tumoren sprechen auch epidemiologische Daten, die einen inversen Zusammenhang zwischen der Zufuhr an Calcium und dem Risiko für kolorektale Karzinome zeigen. Eine aktuelle Analyse von zehn Kohortenstudien mit insgesamt mehr als 500.000 Teilnehmern ergab ein reduziertes Risiko für die Personen mit der höchsten Calciumzufuhr [12]. Unterstrichen wird dieses Ergebnis durch Befunde, nach denen neben der Calciumzufuhr aus der Nahrung auch die Aufnahme des Mineralstoffes aus Supplementen mit einer zusätzlichen unabhängigen Risikoreduktion im Hinblick auf Carcinome und Adenome des Dickdarms verbunden ist [55, 62].

Auch Interventionsstudien konnten teilweise einen protektiven Effekt einer Calciumsupplementation belegen. So wurde in der "Calcium Polyp Prevention Study" eine signifikante Senkung des Wiederauftretens von Adenomen durch Gabe von 1200 mg/d Calcium über vier Jahre beobachtet [5]. An einem kleineren Kollektiv und kürzerer Studiendauer zeigte sich in der European Cancer Prevention Organisation Intervention Study nach Gabe von 2000 mg/d Calcium ebenfalls ein verringertes Risiko, allerdings war hier das Ergebnis nicht signifikant [9].

Korrespondenzautor:

Prof. Dr. Andreas Hahn

Universität Hannover, Institut für Lebensmittelwissenschaft Abteilung für Ernährungsphysiologie und Humanernährung Wunstorfer Str. 14, 30453 Hannover

Tel. (05 11) 7 62-50 93, Fax (05 11) 7 62-57 29

E-Mail: andreas.hahn@lw.uni-hannover.de

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_{Das vollständige Literaturverzeichnis finden Sie in der Online-Aus- gabe der DAZ unter www.deutsche-apotheker-zeitung.de Benutzername: apotheke}

_{Passwort: daz}