Phosphor sorgt für gesunde Zähne und Knochen

Der Name Phosphor kommt aus dem Griechischen. Phosphorus bedeutet lichtbringend [1]. Dass Phosphor diese Eigenschaft tatsächlich hat, konnte der Deutsche Hennig Brand im 17. Jahrhundert zeigen – er entdeckte den elementaren Phosphor durch starkes Glühen von eingedampftem Harn. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde dann auch die Bedeutung von Phosphor im menschlichen Organismus deutlich, als Adenosintriphosphat (ATP) aus Muskeln isoliert und erste Schlüsse auf die ATP-Synthese im Citratzyklus gezogen werden konnten. Weiterhin wurden in dieser Zeit Glucose-1-Phosphat und die oxidative Phosphorylierung entdeckt [2].

Phosphor ist ein nicht-metallisches Element, das als Salz der Phosphorsäure (anorganisches Phosphat) oder als organisch gebundenes, verestertes Phosphat vorkommt [1]. Es ist für Pflanzen, Tiere und den Menschen ein lebensnotwendiger und in großen Mengen erforderlicher Nährstoff und ein elementarer Baustein von Proteinen, Kohlenhydraten, Lipiden, Nucleinsäuren und Vitaminen [2, 3]. Im Blutplasma liegt anorganisches Phosphat zu 45% komplexgebunden, zu 43% ionisiert und zu 12% proteingebunden vor. Daneben befinden sich im Plasma auch organische Phosphatverbindungen wie Phosphatester und lipidgebundenes Phosphat. Die Phosphatkonzentration im Plasma ist im Kindesalter höher als beim Erwachsenen, wo sie zwischen 1 und 2 mmol/l schwankt; mit zunehmendem Alter fällt die Konzentration ab [2].

Vorkommen: In Böden und im Wasser…

Infolge seiner Reaktionsfähigkeit tritt Phosphor nie elementar, sondern beinahe ausschließlich in Form der beständigen Phosphate auf; sehr selten ist auch die Form der Phosphonate möglich. Phosphor ist Bestandteil der obersten, 16 km dicken, Erdkruste und das zwölfthäufigste Element. Da sowohl die organischen als auch anorganischen Phosphate nicht flüchtig sind, ist ihr Kreislauf in der Natur auf die Hydros- und Lithosphäre beschränkt. Im lithosphärischen Zyklus wird im Boden vorhandenes Phosphat von den Pflanzen aufgenommen und in Ester durch oxidative und photosynthetische Phosphorylierung umgewandelt. Durch Verrottung der Pflanzen, aber auch über die Nahrungskette über Tiere und Menschen, gelangt Phosphat über Exkremente und Verwesungsprozesse wieder zurück in den Boden. Das aus Böden ausgewaschene und von Abwässern eingeschleppte Phosphat gelangt über Flüsse auch in Seen und Meere. Im aquatischen System wird der Phosphorzyklus wesentlich schneller durchlaufen, da besonders Algen Phosphor rasch aufnehmen und verwerten können, die wiederum von der Fauna aufgenommen werden [1].

… und praktisch in allen Lebensmitteln

Phosphor kommt in nahezu allen Lebensmitteln vor. Vor allem proteinreiche Lebensmittel enthalten große Phosphormengen. Milchprodukte können Gehalte bis zu 1100 mg Phosphat pro 100 g aufweisen. Besonders Schmelzkäse gilt als phosphatreich, da bei der Herstellung Phosphate als Schmelzsalze zugesetzt werden. Fleisch und Fisch haben Phosphatgehalte von ca. 200 mg/100 g, Getreidemehl in Abhängigkeit vom Ausmahlungsgrad 100 bis 400 mg/100 g. Insgesamt gilt, dass tierische Phosphatquellen besser verwertet werden können, da es in pflanzlichen Lebensmitteln wie in den äußeren Getreideschichten an Phytat gebunden ist [4]. Aufgrund seines ubiquitären Vorkommens können Verluste, etwa bei der Zubereitung, vernachlässigt werden [2]. Die wichtigste Oxosäure des Phosphors ist die Phosphorsäure. Sie wird sehr häufig zur Herstellung von Düngemitteln, in der Textilindustrie zum Färben, aber auch zur Gewinnung von Hefen, Antibiotika, Enzymen und Arzneimitteln u.a. verwendet. Auch in der Lebensmittelindustrie ist sie von Bedeutung: in der Regel als Phosphat deklariert, wird Phosphorsäure bzw. E 338 als Säureregulator in Colagetränken sowie zur geschmacklichen Beeinflussung in der Lebensmittelherstellung verwendet. Der Zusatzstoff E 338 darf jedoch nur eingeschränkt verwendet werden [1].

Stoffwechsel: Langsam im Gehirn, schnell im Blut

Die Absorptionsrate von Phosphor beträgt beim gestillten Säugling bis zu 90%, der Erwachsene absorbiert aus einer gemischten Kost etwa 55 bis 70%. Größtenteils erfolgt die Absorption durch erleichterte Diffusion, in geringerem Maße ist auch ein aktiver, Vitamin-D-abhängiger Prozess möglich [5]. Die Aufnahme von Phosphat erfolgt in erster Linie in Form von organischen Verbindungen. Doch im Dünndarm wird nach enzymatischer Spaltung durch Phosphatasen anorganisches Phosphat absorbiert. Während Ortho-Phosphate beinahe vollständig aufgenommen werden, ist die Aufnahme von Polyphosphaten beschränkt, da diese im Darm erst hydrolysiert werden müssen [2].

Phosphor aus Pflanzensamen verfügt über eine geringe Bioverfügbarkeit, da es überwiegend an Phytinsäure gebunden ist. Während der Brotherstellung kann dies jedoch durch den Einsatz von mikrobieller Phytase, die Phosphor freisetzt, umgangen werden [5]. Weiterhin steigern aktives Vitamin D und hohe pH-Werte die Absorption, während die Phosphat-fällenden Mineralien Eisen, Aluminium und Calcium dem entgegen wirken. Da es bei Patienten mit Niereninsuffizienz wichtig ist, die Phosphatabsorption zu hemmen, verwendet man daher Calciumcarbonat [2].

Der Phosphorbestand eines Erwachsenen liegt zwischen 600 und 1000 g. Etwa 85% befinden sich in Form von Hydroxylapatit im Skelett. In den übrigen Geweben liegt es vorwiegend in Form von organischen Verbindungen wie Phospholipiden und Nucleinsäuren vor. Im Blut beträgt die Phosphatkonzentration 1 bis 2 mmol/l; sie unterliegt einem circadianen Rhythmus und ist abhängig von Alter, Geschlecht und Nahrungszufuhr [6]. Lediglich 0,2 bis 5% des gesamten Phosphatbestandes des Menschen ist Teil des leicht austauschbaren Pools, der etwa zehnmal am Tag umgesetzt wird. Während das Gehirn den langsamsten Phosphatstoffwechsel hat, läuft dieser in den Blutzellen am schnellsten ab.

Die Phosphorausscheidung erfolgt zu 20 bis 40% über die Fäzes und zu 60 bis 80% renal. Die Höhe der ausgeschiedenen Menge richtet sich nach dem Phosphatgehalt im Blut, der mit der Phosphataufnahme korreliert, und der Menge an reabsorbiertem Phosphat in den Nierentubuli. Etwa 85% des glomerulär filtrierten Phosphats werden mittels renaler Absorption ins Blut zurückgeführt. Der Prozess unterliegt einer hormonellen Kontrolle. So steigern Parathormon (PTH), Östrogen und Thyroxin die Phosphatausscheidung, während das Wachstumshormon, Insulin und Cortisol diese senken. Sinkt der Calciumplasmaspiegel, so steigt die renale Phosphorausscheidung infolge einer verstärkten PTH-Ausschüttung. Werden große Mengen an Phosphat über die Nahrung aufgenommen, reagiert die Nebenschilddrüse auf den erhöhten Phosphatspiegel mit einer verstärkten Hormonabgabe, so dass die renale Ausscheidung erhöht wird [2]. Weiterhin ist der Knochen wegen seiner physiologischen Depotfunktion an der Homöostase beteiligt: Hier bewirkt PTH über die Aktivierung von Osteoklasten eine Auslagerung von Phosphat, während Calcitonin den gegenteiligen Effekt bewirkt. Doch anders als die Calciumhomöostase wird der Phosphathaushalt weniger strikt reguliert [6].

Funktion: Für alle Zellen wichtig

Phosphor ist in vielen Stoffwechselbereichen von Bedeutung. So bildet anorganischer Phosphor gemeinsam mit Calcium den anorganischen Bestandteil der Zahnsubstanz und des Knochengewebes Hydroxylapatit und ist somit am Aufbau des Stützapparats beteiligt [1].

Beim gestillten Säugling ist Phosphor das limitierende Element bei der Mineralisation des Skeletts. Der Phosphorgehalt in der Muttermilch entspricht der relativ niedrigen Nierenfunktionskapazität, die nur eine geringfügige Ausscheidung ermöglicht. Außerdem gelangt das stark puffernde Phosphat beim Säugling nur in geringen Mengen in die unteren Darmabschnitte, was zu einer Senkung des pH-Wertes führt. Dieser ermöglicht eine bakterielle Gärungsflora, so dass der Säugling vor Infektionen geschützt wird [5].

In organischen Verbindungen ist Phosphor in jeder Zelle zu finden. So sind Phosphorglyceride wie Lecithin am Aufbau von Zellmembranen und Membranen der Zellorganellen wie den Mitochondrien und Ribosomen beteiligt. Zellkerne und Mitochondrien sind zudem besonders reich an polymeren Phosphaten, etwa Nucleinsäuren, die als Träger der genetischen Information agieren. Organische Phosphorverbindungen wie Phosphoproteine, Phospholipide oder Zwischenprodukte des Kohlenhydratstoffwechsel, beispielsweise Triose- und Hexosephophate, sind in nahezu allen Zellen des Organismus an lebensnotwendigen Energieübertragungsprozessen und biochemischen Synthesen beteiligt. Weiterhin sind Phosphate als Cofaktor für die Funktion der meisten B-Vitamine notwendig.

Im Organismus ablaufende Biosynthesen, aber auch andere energieverbrauchende Prozesse wie die Muskelkontraktion, die Erregungsleitung in Nerven und Muskeln oder aktive Transportvorgänge gewinnen die dafür notwendige Energie aus energiereichen Verbindungen. Die wohl wichtigste ist Adenosin-5'-Triphosphat (ATP), die meist als löslicher Magnesiumkomplex vorliegt [1]. Wird ATP hydrolysiert, so werden unter physiologischen Bedingungen pro Mol ATP rund 8 kcal gewonnen. Ein Erwachsener bildet und verbraucht etwa 85 kg ATP am Tag [7]. ATP-abhängige Phosphorylierungen sind in der Lage, Enzyme zu aktivieren oder zu hemmen. Daneben liegt in der Muskulatur die energiereiche Verbindung Kreatinphosphat vor: Tritt ein plötzlicher Energiebedarf auf, kann es in Kürze in ATP umgewandelt werden [1]. Daneben stellen auch die Coenzyme NAD, NADP, FAD und CoA phosphorhaltige Verbindungen dar. Gleiches gilt für die an der Signaltransduktion beteiligten second messenger cAMP, cGMP und Inositol-(1,4,5)triphosphat (IP₃). Außerdem ist Phosphat im Intrazellulärraum das wichtigste Anion und fungiert dort mit Dihydrogenphophat (H₂ PO₄ ² -) und Hydrogenphophat (HPO₄ ³ -) als Puffersystem [7].

Zufuhr immer ausreichend, häufig zu hoch

Für Erwachsene empfiehlt die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) eine Phosphoraufnahme von 700 mg/d (Tab. 1). Sowohl in der Schwangerschaft und Stillzeit als auch bei starker körperlicher Leistung ist der Bedarf erhöht. So entsteht für Schwangere ein Mehrbedarf von 100 mg und für Stillende von 200 mg/d. Jugendliche haben wegen des Knochenwachstums und der Gewebeneubildung einen höheren Bedarf, er wird derzeit auf 1250 mg/d geschätzt.

Anders als bei gestillten Säuglingen, die nur geringe Phosphatmengen gemäß ihrer Nierenfunktionskapazität mit der Muttermilch aufnehmen, würde bei Säuglingen, die (phosphatreiche) Kuhmilch erhalten, die Niere stark belastet, was ein Risiko für Hyperphosphatämien mit Tetanien darstellen würde. Säuglinsmilchnahrung ist daher entsprechend an die Muttermilch angepasst, auch in Punkto Phosphatgehalt. Bei Frühgeborenen entsteht leicht eine Unterversorgung, da sie zur Knochenbildung wesentlich mehr Calcium und Phosphat benötigen als sie aufnehmen können. Sie haben daher ein erhöhtes Risiko für eine Skelettdeformation [2]. Für das lange postulierte Calcium-Phosphat-Verhältnis besteht nach dem heutigen Stand der Wissenschaft keine Notwendigkeit (DACH). In Deutschland gilt die Phosphatversorgung über alle Altersgruppen hinweg gesichert: Die Versorgung erfolgt zu etwa 30% aus Milch und Milchprodukten, 30% aus Fleisch, Fisch und Eiern sowie zu 20% aus Getreideerzeugnissen und 10% aus Kartoffeln, Obst und Gemüse (Tab. 2). Häufig liegt die Zufuhr sogar über den Empfehlungen [1, 6]. Daher sprach sich das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) gegen eine Verwendung von Phosphor als Nahrungsergänzungsmittel aus. Dennoch ist es als Gegenion von Calcium oder Kalium in entsprechenden Präparaten häufig im Handel zu finden [1].

Phosphatmangel und die Folgen

Aufgrund der reichlichen Verfügbarkeit in nahezu allen Lebensmitteln ist ein nutritiv bedingter Phosphormangel nicht bekannt. Anders sieht es bei einer komplett parenteralen Ernährung aus. Hier kann die Phosphorzufuhr unzureichend sein [5]. Häufiger als eine derart bedingte Hypophosphatämie wird eine Unterversorgung bei Nierenfunktionsstörungen wie der tubuären Acidose oder dem Fanconi-Syndrom (kombinierte renale Absorptionsstörung von Phosphat, Glucose und Aminosäuren), bei Hyperparathyreoidismus und Vitamin-D-Mangel beobachtet (Tab. 3 und 4). Auch Alkoholabusus kann durch eine Verschiebung von Phosphat in den Intrazellulärraum einen Abfall des Serumspiegels zur Folge haben. Weiterhin konnten bei Malabsorption und der Einnahme von Aluminium-haltigen Medikamenten (Aluminiumhydroxid) intestinale Verluste beobachtet werden. Im Akutfall äußert sich eine Hypophosphatämie mit neuromuskulären Symptomen wie Nervosität, Parästhesien und Krämpfen, die bis zum Koma führen können. Eine Unterversorgung mit chronischem Charakter zeigt sich durch eine gestörte Knochenmineralisation, der so genannten Osteomalazie, sowie durch Muskelschwäche [6]. Eine Hypophosphatämie beeinflusst aber auch die renale Funktion und kann so zu einem nennenswerten Anstieg der Calciumausscheidung führen [2]. Bei Sportlern tritt nur sehr selten ein Phosphatmangel auf, da die Versorgung über die Nahrung problemlos ermöglicht wird. Einige wissenschaftliche Untersuchungen konnten sogar leistungssteigernde Effekte wie die Verbesserung der maximalen Sauerstoffaufnahme nachweisen, doch aufgrund der bislang widersprüchlichen Datenlage besteht weiterer Forschungsbedarf [8].

Phosphatüberversorgung und die Folgen

Beim Gesunden konnte bislang keine alimentär herbeigeführte Hyperphosphatämie festgestellt werden. Auch isoliert zugesetzte Ortho- und Polyphosphate scheinen in den gesetzlich zugelassenen Mengen unbedenklich zu sein. Die obere sichere Grenze der Zufuhr beträgt für Phosphor 4000 mg/d [2]. Eine Hyperphosphatämie tritt primär durch eine unzureichende Phosphatausscheidung, z. B. bei Niereninsuffizienz, oder einer hohen tubulären Reabsorptionsrate, beispielsweise bei Hypoparathyreoidismus, auf (s. Tab. 4). Bei letzterer wird zu wenig PTH ausgeschüttet, das maßgeblich an der Homöostase beteiligt ist und beim Gesunden den Phosphatspiegel senkt. Durch die erhöhten Werte im Blut wird wiederum die Bildung von aktivem Vitamin D gesenkt, wodurch die Phosphatabsorption aus dem Darm sinkt. Bei Niereninsuffizienz mit verminderter glomerulären Filtration und einer herabgesetzten Phosphatelimination aus dem Blut, kommt es ebenso zu erhöhten Phosphatkonzentrationen im Blut, die ein Absinken der Calcium-Konzentration herbeiführt und so die PTH-Ausschüttung stimulieren. Obwohl PTH sezerniert wird, kann aufgrund der gestörten Nierenfunktion Phosphat nicht ausgeschieden werden. Weiterhin bewirkt PTH eine Calcium-Mobilisierung aus dem Skelett und führt so zu Knochenabbau, Skelettläsionen und Osteodystrophie. Im Serum bildet sich ab einem Phosphatgehalt über 7 mmol/l das schwerlösliche Calciumphosphat. Es bewirkt einen Abfall der Calciumwerte und Verkalkung der extraossären Bereiche wie Gefäße und Nieren. Diese Störungen können nur mit einer protein- und phosphatarmen Diät und durch die therapeutische Anwendung von Phosphat-bindenden Substanzen unter Kontrolle gebracht werden.

• Folge 1: Nahrungsenergie (DAZ Nr. 18/2006, S. 57f)
• Folge 2: Kohlenhydrate (DAZ Nr. 22/2006, S. 64f)
• Folge 3. Fette (DAZ Nr. 27/2006, S. 51f)
• Folge 4: Proteine (DAZ Nr. 31/2006, S. 46f)
• Folge 5: Vitamin A (DAZ Nr. 36/2006, S. 68f)
• Folge 6: Vitamin D (DAZ Nr. 41/2006, S. 80f)
• Folge 7: Vitamin E (DAZ Nr. 44/2006, S. 68f)
• Folge 8: Vitamin K (DAZ Nr. 50/2006, S. 60f)
• Folge 9: Vitamin B1 (DAZ Nr. 1/2007, S. 58f)
• Folge 10: Vitamin B2 (DAZ Nr. 5/2007, S. 64f)
• Folge 11: Calcium (DAZ Nr. 9/2007, S. 50f)
• Folge 12: Kalium (DAZ Nr. 13/2007, S. 73f)
• Folge 13: Natrium und Chlorid (DAZ Nr. 18/2007, S. 85f)
• Folge 14: Magnesium (DAZ Nr. 22/2007, S. 80f)

• Der Phosphorstoffwechsel kann durch die Bestimmung von Phosphor im Plasma und Urin bewertet werden. Bei Kenntnis beider Werte sowie der Kreatinin-Clearence kann die tubuläre Rückresorption berechnet und in die Bewertung einbezogen werden, was bei der Ursachenforschung hilfreich sein kann.
• Will man den Einfluss der Muskelmasse eliminieren, der die Ausscheidung von Phosphor deutlich beeinflusst, kann man die Ausscheidung auf Kreatinin einbeziehen.
• Bei Bilanzierungen ist es sinnvoll, die 24-h-Ausscheidung zu berücksichtigen.