Basiswissen Ernährung (Teil 16)

Eisen wurde erstmals im 17. Jahrhundert in der Medizin eingesetzt. Im Jahr 1832 entdeckte man, dass das Blut von Anämikern einen niedrigen Eisengehalt hat. Mitte der 1950er Jahre wurde die Rolle von Eisen bei der Zellatmung und für Hämoglobin aufgeklärt und erkannt, dass Ferritin die primäre Speicherform von Eisen ist [2].

Eisen-Chemie

Das Element Eisen ist in der achten Hauptgruppe des Periodensystems zu finden. Es kann in den Oxidationsstufen von -2 bis +6 auftreten, doch für den Organismus sind lediglich die Formen Fe²⁺ und Fe³⁺ relevant. In wässrigen Lösungen kann Fe²⁺ spontan zum schwerlöslichen Fe³⁺ -Hydroxid oxidiert werden. Die Löslichkeit beträgt 10^-39 , daher haben die Organismen eisenbindende Proteine sowie niedermolekulare Chelatoren entwickelt –z. B. Siderophoren bei Bakterien. Dieser Mechanismus ermöglicht auch, dass Eisen trotz seiner schlechten Löslichkeit biologisch verfügbar ist. In der Erdkruste ist Eisen das vierthäufigste Element [3], geschätzt auf den gesamten Erdball ist es mit 37% wahrscheinlich sogar das häufigste Element [4]. In der Erdkruste sind vor allem die oxidierten Formen Hämatit (Fe₂ O₃), Limonit (Fe₂ O₃ x H₂ O) oder Magnetit (F₃ O₄) zu finden. Werden diese Erze mittels Kohlenstoff reduziert, kann daraus metallisches Eisen gewonnen werden [3].

Eisen-Vorkommen

Eisen ist zwar in nahezu allen Lebensmitteln zu finden, doch häufig handelt es sich nur um geringe Mengen. So ist der Eisengehalt von Obst und Milchprodukten zu vernachlässigen, wohingegen einige Gemüsesorten wie Fenchel oder Spinat und Getreideprodukte durchaus gute Quellen darstellen können. Für Letztere ist in erster Linie der Ausmahlungsgrad entscheidend: so ist der Eisengehalt bei Weißmehl um etwa zwei Drittel reduziert.

Entgegen der geläufigen Annahme müssen Fleischprodukte nicht unbedingt eisenreich sein. So enthält Muskelfleisch nur ca. 2 mg Eisen pro 100 g. Schweineleber kann dagegen bis zu 15 mg/100 g enthalten.

Die Bewertung von Eisengehalten in Lebensmitteln sollte zudem stets vor dem Hintergrund der Verfügbarkeit betrachtet werden [5]. Zu unterscheiden ist Hämeisen von Nicht-Hämeisen. Hämeisen ist in Lebensmitteln tierischer Herkunft zu finden, die Verfügbarkeit liegt bei über 20%. Die Absorption von Nicht-Hämeisen in vegetabilen Lebensmitteln wie Getreide, Vollkornreis, Mais, Erbsen, Bohnen und Linsen wird dagegen durch absorptionshemmende Liganden gehemmt. Dazu zählen Tannine, Lignine, Oxalsäuren, Phytate und Phosphate. Weiterhin wird die Absorption von Nicht-Hämeisen durch Weizenkleie, Calciumsalze, Milch- und Sojaprodukte, schwarzen Tee und Kaffee sowie Salicylate, Antazida, Ionenaustauscher und Clofibrate eingeschränkt. Durch Fleisch, Fisch, Geflügel oder Ascorbinsäure kann die Absorption gefördert werden. Zur Wirkung von Alkohol auf die Eisenabsorption gibt es widersprüchliche Angaben.

Besonders Vegetarier und Veganer, die sich hämarm ernähren, müssen gleichzeitig in möglichst großen Mengen absorptionsfördernde Liganden wie Ascorbin- oder Zitronensäure etwa mit Früchten aufnehmen, denn die Absorptionsrate für pflanzliche Nahrungsmittel liegt nur bei ca. 5%. Eine gemischte Kost enthält am Tag etwa 5 bis 15 mg Nicht-Hämeisen und 1 bis 5 mg Hämeisen. Zu den wichtigsten Eisenquellen unter Berücksichtigung von Verzehrsmenge, Häufigkeit des Verzehrs und dem Eisengehalt zählen Brot, Fleisch, Wurstwaren und Gemüse [1].

Eisen-Metabolismus

Eisen ist für beinahe alle Organismen ein essenzieller Nährstoff. Der Eisen-Gesamtkörperbestand des Menschen beträgt 2,5 bis 4 g. Bei Frauen beträgt die Serumkonzentration 11 bis 25 µmol/l, bei Männern 12 bis 30 µmol. Aufgrund des minimalen Angebots, der schlechten Verfügbarkeit und den relativ kleinen Speichern, die großen täglichen Umsatzraten gegenüberstehen, bedarf es im Eisenmetabolismus einem komplexen Zusammenspiel zwischen intra- und extrazellulären Proteinen. Diese ermöglichen auch, dass unter Extrembedingungen lange Zeit der Bedarf gesichert ist [5].

Die intestinale Eisenabsorption erfolgt bindungsartspezifisch. So wird freies zweiwertiges Eisen über ein definiertes Rezeptorprotein (Fe²⁺ /H⁺ -Symporter; DCT-1) in die intestinalen Epithelzellen aufgenommen. Über das Shuttle-protein Mobilferrin wird es dann an das Speicherprotein Ferritin abgegeben. Hämeisen wird hingegen über einen vesikulären Mechanismus absorbiert: Über eine Oxygenase wird Eisen aus dem Häm-Molekül abgespalten, die freien Eisenionen können dann auf Mobilferrin und Ferritin übertragen werden. Letzteres fungiert als kurzfristiges Eisendepot; bei Bedarf kann Eisen daraus freigesetzt und an das Blutplasma abgegeben werden. Benötigt der Organismus kein Eisen, geht das in den Mucosazellen gespeicherte Eisen mit der physiologischen Abschilferung des Darmepithels verloren. Die Absorptionsrate von Eisen kann offenbar über Transferrin, das an spezifische Rezeptoren der basolateralen Membran bindet, an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Ist der Eisenbedarf aufgrund eines verminderten Eisenbestands erhöht, nimmt die Anzahl der apikalen DCT-1-Proteine zu, während der Ferritingehalt in den Epithelzellen sinkt. Auf diese Weise wird die Eisenversorgung des Organismus verbessert und die Aufnahme an den jeweiligen Bedarf angepasst. Auch können dadurch mögliche Eisenüberladungen verhindert werden. Doch anscheinend ist Hämeisen in der Lage, den Mechanismus zu übergehen und bei einer dauerhaften Aufnahme großer Mengen von Hämeisen eine Eisenüberladung zu induzieren.

Eine zentrale Rolle im Eisenstoffwechsel spielt das Plasmaeisen. Eisen gelangt mit Hilfe des Transportproteins Transferrin zu den einzelnen Zielzellen. Ehe Eisen an Transferrin binden kann, wird Fe²⁺ an der basolateralen Seite der Epithelzellen durch das kupferhaltige Caeruoplasmin in seine dreiwertige Form oxidiert. Die Eisenbindungskapazität von Transferrin wird jedoch nur zu einem Drittel ausgeschöpft. Der Rest steht als Reserve für weiteres zu transportierendes Eisen zur Verfügung. Neben seiner Transportfunktion verhindert Transferrin auch, dass freie Eisenionen ihre oxidativen und somit toxischen Wirkungen entfalten. Eisen wird nach der Bindung an die Proteine Ferritin und Hämosiderin gespeichert [6] (Tab. 1). Zu den Hauptspeicherorten sind Leber, Milz, Darmmucosa und Knochenmark zu zählen [5]. Bei Bedarf, besonders für die Bildung für Erythrozyten, werden die Depots dann mobilisiert. Der Eisengehalt des Speichers kann variieren, ohne dass eisenabhängige Körperfunktionen beeinträchtigt werden. Kommt es zu Eisenverlusten oder zu einem erhöhten Bedarf, sinkt zunächst die Eisensättigung des Transferrins. Das hat zur Folge, dass Eisen aus den Ferritinspeichern des reticuloendothelialen Systems freigesetzt wird.

Der tägliche Eisenumsatz beträgt etwa 25 mg und wird besonders durch die Neusynthese von Erythrozyten bestimmt; dabei kann ein Großteil des Eisens, das beim Abbau der Erythrozyten frei wird, wiederverwendet werden. Die Eisenausscheidung bei Männern und nichtmenstruierenden Frauen liegt bei lediglich 1 mg/d. Sie erfolgt hauptsächlich über Fäzes, Haut, Schweiß und Galle (Tab. 2). Da Eisen an Transferrin gebunden ist, kann es nicht renal ausgeschieden werden. Infolge der Menstruation können dagegen sehr variable Eisenverluste auftreten: Pro Zyklus können die Verluste im Bereich von 5 bis 35 mg liegen [6].

Eisen-Funktionen

Die biochemischen Funktionen von Eisen sind in drei Klassen aufteilbar: Transport und Speicherung von Sauerstoff, Elektronentransport sowie enzymatische Reaktionen zur Substratoxidation bzw. -reduktion [5]. Die Hauptaufgabe des Eisens im Organismus kommt dem Sauerstofftransport aus der Lunge zum Ort der terminalen Oxidation im Gewebe zu. So sind 75% des Körpereisenbestandes im Hämoglobin gebunden, einem tetrameren Protein, das aus je zwei identischen α- und β-Ketten besteht. Alle vier Untereinheiten verfügen über eine prosthetische Gruppe, in der Fe²⁺ reversibel Sauerstoff bindet. In Abhängigkeit des pH-Werts, pCO₂ , der Anwesenheit organischer Phosphate und der Temperatur variiert die Affinität des Hämoglobins für Sauerstoff [3].

Das im Cytoplasma der Muskelzellen enthaltene Myoglobin enthält ebenfalls Häm, das jedoch nur aus einer Proteinkette besteht. Es erleichtert die Sauerstoffübergabe von den Erythrozyten der Kapillaren ins Cytoplasma und in die Mitochondrien [5]. Die Elektronentransportkette in der inneren Mitochondrienmembran ermöglicht die Übertragung der Elektronen auf molekularen Sauerstoff bis zur Bildung von Wasser. An diesem Vorgang sind sechs Cytochrome beteiligt, die zu den Hämproteinen zu zählen sind. Eisen fungiert darin als Elektronenakzeptor [3].

Auch in vielen Enzymen zur Oxidation oder Reduktion von Substraten dient Eisen als Elektronenüberträger. So katalysieren Oxidoreduktasen z. B. die Oxidation von Aldehyden oder anorganischem Sulfit. Aminosäuremonooxygenasen zur Bildung der ZNS-Transmitter-Vorstufen von 5-OH-Tryptophan und L-Dopa zählen zur Gruppe der Monooxygenasen [5]. Zu ihr gehören auch die Cytochrome P450, die z. B. im Fremdstoffmetabolismus sowie bei der Biosynthese von Steroidhormomen, Vitamin D₃ und Gallensäuren eine Rolle spielen [4]. Zu den Dioxygenasen gehören die Amin- oder Aminosäuredioxygenasen, die u. a. an der L-Carnithinsynthese und am Abbau einiger Aminosäuren beteiligt sind. Auch alle Peroxidasen enthalten Eisen – mit Ausnahme der Glutathionperoxidase [5]. Weiterhin sind Funktionen wie die Immunabwehr, die DNS-Synthese und die Desaturierung von Fettsäuren eisenabhängig [6].

Eisen-Bedarf

Da sowohl Mangel- als auch Überladungserscheinungen vermieden werden sollten, sollte die Bilanz der Eisenaufnahme und der Verluste ausgeglichen sein. Der Bedarf des Organismus liegt bei nur 1 bis 2 mg/d (Tab. 3). Er kann aber infolge von Wachstum, Blutverlusten und im letzten Schwangerschaftsdrittel merklich ansteigen. Da Eisen aufgrund der relativ schlechten Bioverfügbarkeit nur schlecht absorbiert wird, liegen die Zufuhrempfehlungen für Frauen vor der Menopause bei 15 mg/d, für Männer bei 10 mg/d. Für Schwangere gilt eine tägliche Zufuhrempfehlung von 30 mg und für Stillende bei 20 mg Eisen.

Im Bundesdurchschnitt nehmen Männer rund 13 mg/d und Frauen 11 mg/d Eisen auf. Angaben des Robert Koch-Instituts (RKI) zufolge ist die derzeitige Eisenaufnahme bei Männern im Durchschnitt höher als empfohlen; dagegen wird von Frauen die um 50% höhere tägliche Zufuhrempfehlung nicht erreicht. Die wichtigste Eisenquelle ist in Deutschland Brot. Andere wichtige Quellen sind Fleisch und Gemüse, dabei konsumieren Männer mehr Fleisch und Frauen mehr Gemüse [7] (Tab. 4).

Eisen-Mangel und die Folgen

Neben Vitamin-A- und Jodmangel ist ein Eisenmangel die weltweit am häufigsten verbreitete Mangelerscheinung: etwa zwei Milliarden Menschen sind davon betroffen. Am höchsten ist die Prävalenz in den sog. Entwicklungsländern Afrikas, Mittelamerikas und Südostasiens. Besonders betroffen sind dabei Kleinkinder und Schwangere [3].

In Deutschland ist ein manifester Eisenmangel eher selten; es leiden lediglich 0,6% der Bevölkerung – etwa doppelt so viele Frauen wie Männer – in Deutschland an einer Eisenmangelanämie. Zu den vulnerablen Gruppen zählen einerseits junge Frauen aufgrund eines erhöhten Bedarfs infolge von Wachstum und Menstruation und andererseits männliche Senioren, die von chronischen Entzündungen und Krebs betroffen sind. Weiterhin ergeben sich Versorgungsengpässe bei Kindern in den ersten beiden Lebensjahren und in der Pubertät: In diesen Phasen reicht die Eisenzufuhr häufig nicht für die rasche Vermehrung der Körpermasse aus. Ein schwerer Eisenmangel kann das Wachstum verzögern. In der Kindheit ist eine adäquate Eisenversorgung auch wegen des Eisenbedarfs des Gehirns bedeutend. So kann eine Anämie im Alter von 12 bis 18 Monaten zu irreversiblen Intelligenzstörungen führen [1].

Auch bei Personen, die intensiv Ausdauersport betreiben und bei Personen mit rein veganer Ernährung kann die Eisenversorgung kritisch werden. Jedoch lassen sich bei einer ausgeglichenen Ernährung bei Vegetariern echte Eisenmangelerscheinungen nicht häufiger als im Bevölkerungsdurchschnitt finden, was mit der deutlich höheren Eisenzufuhr vegetarischer Kostformen begründet werden kann: zwar ist die Bioverfügbarkeit von pflanzlichem Eisen deutlich schlechter, doch vermutlich kann dies durch eine höhere Ascorbinsäureaufnahme aus Früchten und Gemüsen kompensiert werden. Die Ursachen für einen Eisenmangel sind unterschiedlicher Natur. Von Bedeutung sind nutritive Ursachen sowie Resorptionsstörungen und Blutverluste [6].

Die Haupterscheinungsform eines manifesten Eisenmangels ist die hypochrome mikrozytäre Anämie. Klinisch zeigt sie sich durch erhöhte Transferrin-Konzentrationen und erniedrigte Ferritinspiegel. Daneben nimmt die Eisenbindungskapazität des Serums und die Bildung hämoglobinarmer kleiner Erythrozyten zu. Dadurch kann weniger Sauerstoff im Blut transportiert werden und die Sauerstoffversorgung der Organe und Gewebe wird beeinträchtigt. Zunächst treten unspezifische Symptome wie Erschöpfung, Müdigkeit und Abgeschlagenheit auf. Weitere Frühsymptome sind Mundwinkelrhagaden, trockene und spröde Haut sowie ein gestörtes Haar- und Nagelwachstum [6]. Auch werden Störungen der Thermoregulation aufgrund einer verminderten Schilddrüsenfunktion sowie eine Dezimierung der T-Lymphozyten wegen Aktivitätssenkung der eisenabhängigen RNA-Reduktase und somit eine erhöhte Infektanfälligkeit mit einem Eisenmangel in Verbindung gebracht [2].

Eisen-Überschuss und die Folgen

Akute Eisen-Intoxikationen sind äußerst selten. Betroffen sind vor allem Kinder, bei denen sich nach unkontrollierter Einnahme von eisenhaltigen Präparaten Vergiftungserscheinungen entwickeln. Dies zeigt sich durch Erbrechen, Diarrhö, Fieber, Blutgerinnungsstörungen sowie Leber- und Nierenschäden. Für Erwachsene liegt die letale Dosis bei 200 bis 250 mg/kg Körpergewicht.

Eine chronische Eisenvergiftung kann Folge eines genetischen Defekts, der Hämochromatose, sein oder durch wiederholte Blutübertragungen entstehen. Äußerst selten beruht sie auf der langfristigen, überhöhten Einnahme von eisenhaltigen Präparaten [6]. Bei der homozygot vererbten Hämochromatose kommt es zu einer überschießenden Absorption, so dass der Organismus chronisch mit Eisen überladen wird. Das überschüssige Eisen wird dann vor allem in Form von Hämosiderin in verschiedenen Geweben gespeichert. Dies führt zur Schädigung von Leber, Bauchspeicheldrüse und Herzmuskel. Zu den Spätfolgen gehören u. a. Leberzirrhose und Diabetes mellitus. Bleibt eine ärztliche Behandlung aus, hat dies tödliche Konsequenzen. Im Zusammenhang mit der Entstehung von Herzinfarkten sowie als Promotor von Krebserkrankungen wird Eisen auch als Prooxidans in der Wissenschaft diskutiert [1; 6]. Grundsätzlich wird jedoch ein Überladen des Gewebes mit Eisen durch Schutzmechanismen wie der Absorptionsschranke und die geringe Bioverfügbarkeit bei einer normalen Ernährung vermieden. Weiterhin bleibt zu beachten, dass eine allgemeine Eisenanreicherung, wie sie in einigen westlichen Ländern zur Eisenmangelanämie-Prophylaxe durchgeführt wird, für Personen mit manifester Hämochromatose, aber auch bei noch nicht erkannter Prädisposition kontraindiziert sein kann. Das Einnehmen von Eisensupplementen sollte daher nur auf Risikogruppen beschränkt sein. Zur Prävention von Eisenmangel wäre es daher sinnvoller, die Bioverfügbarkeit zu verbessern, z. B. durch einen gesteigerten Obst- und Gemüseverzehr, wohingegen ein gleichzeitiger Verzehr von Lebensmitteln, die die Verfügbarkeit einschränken, vermieden werden sollte. EU-weit gilt bislang kein Upper Level für Eisen [2].

• Blut- und damit Eisenverluste (Menstruation, Operationen, intestinale Parasiten, gastrointestinale Blutungen, Medikamente)
• Digestions- und Absorptionsstörungen (Magenerkrankungen, Diarrhö, Magen- und Dünndarmresektion, Malassimilation)
• Ungenügende alimentäre Zufuhr (Mangelernährung, fleischarme Kost)
• Gesteigerter Eisenbedarf (Schwangere, Stillende, Heranwachsende)

• 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. 71f)
• 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. 72f)
• Folge 14: Magnesium (DAZ Nr. 22/2007, S. 80f)
• Folge 15: Phosphor (DAZ Nr. 27/2007, S. 81f)