Eisen: Ernährungsphysiologie und Ernährungsmedizin

August 2021

Der alimentär induzierte Eisenmangel tritt sehr häufig auf. Seine Entwicklung wird in drei Stadien eingeteilt: prälatent, latent und manifest. Jedes Stadium bedarf einer speziellen Diagnostik und weist eine typische Symptomatik auf. Bedenken gegen eine Überladung des Organismus mit Eisen resultieren vor allem im Hinblick auf Eisen als potenzieller Radikalbildner.

Bestand und Verteilung

Im Körper erwachsener Menschen beträgt der Gesamtbestand an Eisen (Fe) 3,5 bis 4,5 g, wobei zwei Compartments differenziert werden, wie dies auch aus der Tabelle 1 ersichtlich ist. Die Verteilung von Eisen im Organismus wird durch die Transferrinrezeptoren bestimmt, die im Falle eines höheren intrazellulären Eisenbedarfs „Up“ reguliert werden (1). Der Eisengehalt von Transferrin liegt an sich allerdings nur im Bereich von ca. 1 % des Gesamtbestandes an Eisen im Organismus.

Tab.1 Gesamtbestand von Eisen

Die meisten der Eisen-enthaltenden Enzyme spielen eine Rolle im Energiestoffwechsel, daneben auch bei der Myelinisierung der Neurone und beim Metabolismus der Neurotransmitter (1). In den Nicht-Häm-Proteinen liegt Eisen zum Teil als Komplex mit Schwefel (S) vor. Ein Beispiel dafür sind die Mitochondrien, wo Eisen-Schwefel-Verbindungen bei verschiedenen Enzymen des Energiestoffwechsels wie z.B. der Aconitase, der NADH-Dehydrogenase und der Succinatdehydrogenase eine Rolle spielen (1).

Einen weiteren Überblick über Eisen-Speicher gibt die Abbildung 1. Dabei ist auch fest zu halten, dass die Eisenspeicher beträchtlich variieren können.

Abb.1 Eisenspeicher

Resorption von Eisen

Die enterale Resorption von Eisen erfolgt im Duodenum und proximalen Jejunum. Dabei ist zwischen drei Formen von Eisen zu unterscheiden: Häm-Eisen, Freies Fe++ und Fe+++. In der Darmwand existieren drei Zelltypen, die bei der Eisen-Resorption eine Rolle spielen:

  • Eisen-resorbierende Enterozyten
  • Eisen-resorbierende Makrophagen
  • Eisen-ausscheidende Goblet-Zellen

Häm-Eisen wird durch Endozytose des intakten Häm-Moleküls und nachfolgender Freisetzung von Fe++ durch eine im Enterozyten vorhandene Häm-Oxidase resorbiert.

Das im Darmlumen vorhandene freie Fe++ tritt unter Vermittlung des Dimetalltransporters DMT 1 in den Enterozyten ein. Im Enterozyten wird überschüssiges Fe++ an Ferritin gebunden, wodurch sich der Enterozyt gegen eine mögliche Schädigung durch freie Eisen-Radikale schützt.

Fe+++ tritt in den Enteroyten über ß3 -Integrin in Verbindung mit Mobilferrin (Integrin-Mobilferrin-Pathway, IMP) ein. Im Zytosol des Enterozyten befindet sich ein Komplex mit der Bezeichnung Paraferritin, der Integrin, Mobilferrin, Flavinmonooxygenase und ß1-Mikroglobulin enthält. Dieser Komplex bewirkt die Reduktion von Fe+++ zu Fe++, welches dann zum Einbau in Ferritin oder Häm zur Verfügung steht.

Bei der Regulation der fraktionellen Eisen-Resorption spielt nicht der Ferritingehalt des Enterozyten eine Rolle, sondern dies geschieht wahrscheinlich über eine Down-Regulation von DMT 1. Eine Rolle wird dabei auch der Sättigung von Mobilferrin zugeschrieben. Durch die Sättigung von Mobilferrin wird eine Bindung an Integrin an der Oberfläche der Mikrovilli verhindert und in der Folge wird der Einstrom von Eisen in den Enterozyten erleichtert.

Auf der basolateralen Membran des Enterozyten gibt es Transferrinrezeptoren, durch die der Eintritt des Transferrin-Eisen-Komplexes in den Enterozyten ermöglicht wird. Das auf diese Weise in den Enterozyten gelangende Eisen wird von Transferrin freigesetzt und dient als Information über den Eisenstatus des Organismus.

Der Austritt von Eisen aus den Enterozyten wird durch Hephaestin erleichtert, das analog zu Caeruloplasmin ist. Möglicherweise spielt beim Austritt von Eisen aus dem Enterozyten in das Blut auch ein Apotransferrinrezeptor in der basolateralen Membran eine Rolle.

Das im Enterozyten vorhandene Eisen stammt einerseits aus der Nahrung, andererseits aber auch vom Plasma über den basolateralen Transferrinrezeptor. Die Menge, die vom Plasma her in den Enterozyten gelangt, reflektiert den Eisen-Status des Organismus und steuert die Höhe der fraktionellen Eisenresorption. Das Ausmaß der fraktionellen Eisenresorption hängt einerseits von einer Up- oder Down-Regulation von DMT1 und andererseits von der Sättigung der Eisen-bindenden Stellen an den IMP-Proteinen ab.

Die Hauptdeterminanten der Eisenversorgung sind der Eisengehalt der Nahrung, die Bioverfügbarkeit von Eisen und die Anwesenheit von Promotoren oder Inhibitoren der Eisen-Resorption. Eisen aus pflanzlicher Nahrung ist grundsätzlich schlechter bioverfügbar als Eisen aus Nahrung tierischer Herkunft. Die Resorptionsrate von Nicht-Häm-Eisen liegt zwischen 0,1 bis >35 %, jene von Häm-Eisen zwischen 20 und 50 % in Abhängigkeit von den aktuellen Eisenspeichern im Organismus. Allerdings enthält die übliche Mischkost wesentlich mehr Nicht-Häm-Eisen als Häm-Eisen, sodass der Beitrag von pflanzlicher Kost zur alimentären Eisenversorgung von wesentlicher Bedeutung ist (2).

Einflussfaktoren auf die Bioverfügbarkeit von Eisen

Besonders im Hinblick auf die Bioverfügbarkeit von Nicht-Häm-Eisen spielt die Anwesenheit von Promotoren und Inhibitoren im Darmlumen eine Rolle. Fe+++ wird im sauren Milieu des Magens bei einem pH- Wert von <3 aus dem Nahrungsverband gelöst und danach an verschiedene Chelate gebunden. Beispiele für chelierende Verbindungen sind die intestinalen Mucine, bestimmte Aminosäuren, Zucker, Amine und Amide. Die Tabelle 2 gibt einen Überblick über verschiedene Faktoren mit Einfluss auf die Bioverfügbarkeit von Eisen.

Tab.2 Bioverfügbarkeit von Eisen

Von einem gewissen Interesse sind die Interaktionen zwischen Eisen und anderen Spurenelementen bzw. Mineralstoffen. So wird die enterale Eisenresorption durch Calcium als Supplement bzw. auch durch calciumhaltige Lebensmittel beeinträchtigt. Von dieser Beeinträchtigung ist sowohl die Resorption von Häm-Eisen als auch jene von Nicht-Häm-Eisen betroffen. Die Menge an Calcium, welche die Bioverfügbarkeit von Eisen beeinträchtigt, wird mit 300 bis 600 mg und das Ausmaß der Verminderung der Eisen-Resorption mit 30 bis 50 % angegeben (1). Der Hemmeffekt spielt sich nicht durch Interaktionen im Darmlumen, sondern durch Vorgänge im Enterozyten ab. Es besteht eine inverse Korrelation zum Eisen-Status und wird ab einer Ferritinkonzentration im Plasma in der Höhe von ca. 50 bis 60 µg/l als unerheblich betrachtet.

Eine kompetitive Hemmung zwischen Eisen, Mangan, Blei, Cadmium, Zink und Kupfer wird auf die Tatsache zurückgeführt, dass DMT-1 alle genannten Spurenelemente transportiert (1).

Die Utilisation von Eisen und der Eisenstatus können auch noch durch einen Mangel an Vitamin A, Folsäure, Vitamin B12, Riboflavin und Vitamin C beeinflusst werden (1). Andererseits kann eine Verbesserung des Eisenstatus die Utilisation von Jod und Vitamin A aus Supplementen verbessern (1).

Endogene Regulation des Eisenstoffwechsels

Einen Überblick über den endogenen Eisenstoffwechsel gibt die Abbildung 2. Die Verteilung von Eisen im Organismus wird durch die Transferrinrezeptoren bestimmt, deren Konzentration an den zellulären Eisen-Bedarf angepasst wird. Der Eisen-Transferrin-Komplex wird in die Zelle eingeschleust, Eisen wird an das Zytosol abgegeben und Transferrin wird an das Blut abgegeben. Bei der Bildung der Transferrinrezeptoren und von Ferritinrezeptoren wird „Iron-Response-Proteinen“, welche die intrazelluläre Eisen-Konzentrationen registrieren, eine Rolle zugeschrieben (1).

Abb.2 Eisenstoffwechsel

Der endogene Gesamtumsatz von Eisen beträgt ca. 36 mg/d. Für den täglichen Aufbau von Hämoglobin sind ca. 20 mg Fe++ erforderlich, der größte Anteil davon stammt aus den abgebauten Erythrozyten. Eisen aus den Erythrozyten wird von mononukleären Zellen aufgenommen und zum Knochenmark transportiert.

Ungefähr 90 % des im Organismus vorhandenen Eisen wird durch Recycling im retikuloendothelialen System konserviert. Der basale Eisenverlust beträgt ca. 1–2 mg/d und wird hauptsächlich mit der Abschilferung von Enterozyten in Verbindung gebracht. Kleinere Eisenverluste erfolgen auch im Schweiß und über die Abschilferung der Haut. Auf die Bedeutung der Eisenverluste durch Blutungen wird noch weiter unten Bezug genommen. Das Stoffwechselgleichgewicht von Eisen wird durch die Regulation der enteralen Resorption aufrechterhalten, deren Effizienz von der Bioverfügbarkeit von Eisen und dem Eisenstatus abhängt.

Zufuhrempfehlungen für Eisen

Der alimentäre Eisenbedarf hängt in erster Linie von den Eisenverlusten und dem Bedarf für das Wachstum in den verschiedenen Lebensphasen ab. Die Tabelle 3 gibt einen Überblick über verschiedene Empfehlungen im Zusammenhang mit der alimentären Eisen-Versorgung.

Tab.3 alimentäre Eisenversorgung

Eisenmangel

Der Eisenmangel wird als der häufigste alimentäre Mangel angesehen. Eine wesentliche Rolle für den Eisenmangel spielen Blutverluste, welche die physiologischen Verluste übertreffen. Aus diesem Grund sind vom Eisenmangel vor allem Frauen im gebärfähigen Alter betroffen. Weitere Ursachen für einen Eisenmangel sind eine inadäquate Bioverfügbarkeit, parasitäre Erkrankungen, innere Blutungen, Hypoazidität und Malabsorptionszustände (4). Als Teilursachen für einen alimentären Eisenmangel kommen auch Eisenverluste bei der Lebensmittelbearbeitung bzw. beim Kochen in Frage.

Von wesentlicher Bedeutung ist die Tatsache, dass sich der Eisenmangel protrahiert entwickelt und daher in drei Stadien eingeteilt wird:

  1. Prälatenter Eisenmangel oder Speichereisenmangel. Kennzeichen dieses Stadiums sind eine Verminderung der gespeicherten Eisen-Menge von ca. 800 mg auf ca. 200 mg, wobei die Serum-Eisenkonzentration und die Hämoglobinkonzentration im Normalbereich und die Eisenanlieferung zu den Erythrozyten noch nicht beeinträchtigt ist.
  2. Latenter Eisenmangel. Zur Verminderung des Speichereisens kommen ein Abfall der Serum-Eisenkonzentration unter 60 µg/100ml und eine Beeinträchtigung der Erythropoese hinzu, wobei die Hämoglobinwerte noch im Normalbereich bleiben.
  3. Beim manifesten Eisenmangel sind sowohl die Eisenspeicher als auch die Serum-Eisenkonzentration und die Hämoglobinkonzentration erniedrigt.

Die Abbildung 3 gibt einen Überblick über einige Vorgänge die sich im Rahmen eines Eisenmangels und einer Eisensupplementierung bei Eisenmangel abspielen.

Abb.3 Eisenmangel

Frühe Stadien des Eisenmangels sind mit verschiedenen gesundheitlichen Folgen verbunden, wobei die Symptomatik als uncharakteristisch zu bezeichnen ist. Es können unter anderem Mundwinkelrhagaden, Störungen des Haar- und Nagelwachstums sowie atrophische Haut- und Schleimhautveränderungen auftreten. Weiters kann es zu Müdigkeit, Schwäche und Adynamie kommen sowie zu einer Verminderung der Infektresistenz und einer Beeinträchtigung kognitiver Funktionen.

Mögliche Folgen unabhängig von den Veränderungen im roten Blutbild können Störungen im Elektronentransport der Atmungskette und im Katecholaminstoffwechsel sein; Beeinträchtigungen betreffend die DNA-Synthese und verschiedene Enzymsysteme; Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit, neurologischer Funktionen sowie der Immunität (zelluläre Immunabwehr, Neutrophilen- und Makrophagenfunktion) und auch Epithelschädigungen.

Hinzugefügt kann werden, dass Eisen ein wichtiger Nährstoff für Bakterien ist. Während einer Infektion kann daher eine Abnahme der Eisenkonzentration im Plasma als eine der nicht-spezifischen Abwehrmaßnahmen des Organismus beurteilt werden. Bei Fieber wird das Wachstum der Bakterien gehemmt, dies geschieht jedoch nicht bei hohen Eisenkonzentrationen. Aus diesem Grund ist eine Supplementierung von Eisen bei akuten Infekten kontraindiziert. Dies trifft besonders bei Menschen mit einer hohen Transferrinkonzentration im Plasma zu (5). Allerdings ist eine adäquate Supplementierung von Eisen bei Menschen mit einer beeinträchtigten Immunfunktion, chronischen Infekten und einer subnormalen Eisen-Konzentration im Plasma indiziert (5).

Bedenken gegen eine Überladung des Organismus mit Eisen werden vor allem im Zusammenhang mit der Radikalbildung, im Zusammenhang mit einer Beeinträchtigung der Zinkresorption und mit gastrointestinalen Beschwerden geäußert. Im Zusammenhang mit diesen Beschwerden wird eine Obergrenze der Eisenzufuhr von 45 mg/d genannt.

Diagnostik des Eisenstatus

Bei der Diagnostik des Eisenstatus sind zwei Bereiche zu unterscheiden:

  • Die Diagnostik eines klinisch manifesten Eisenmangels und
  • die Untersuchung des alimentären Versorgungszustandes betreffend Eisen.

Es erscheint wesentlich zu betonen, dass die zur Diagnose einer klinisch manifesten Eisenmangel-Anämie eingesetzten diagnostischen Methoden nicht geeignet für die Diagnostik des prälatenten und latenten Eisenmangels sind. Die für die Diagnose eines Eisenmangels zur Verfügung stehenden Methoden können in zwei Gruppen unterteilt werden: Zum einen die Bestimmung der Eisenspeicher und zum anderen Untersuchungen, welche die Verfügbarkeit von Eisen für das erythroide Knochenmark widerspiegeln (siehe Tabelle 4).

Tab.4 Diagnose eines Eisenmangels

Als Beispiele für Untersuchungsmethoden des Eisenstoffwechsels im Hinblick auf einen Mangel sind die Bestimmung der Serum-Eisenkonzentration, der Serum-Ferritinkonzentration und des freien Erythrozyten-Protoporphyrins zu nennen; weiters die Knochenmarksbiopsie mit Untersuchung des Depoteisens in Form von Hämosideringranula; diverse Untersuchungsmethoden des roten Blutbildes (Erythrozytenzahl, Hämoglogin, Hämatokrit, Erythrozytenindices, Retikulozyten etc.); die freie Eisenbindungskapazität; die Transferrinsättigung und die Konzentration von Transferrinrezeptoren, die bei erhöhtem zellulärem Eisenbedarf hochreguliert werden.

  • Serum-Ferritinkonzentrationen zwischen 20 und 200 µg/l weisen auf prälatente und latente Eisenmangelzustände hin. Werte unter 12 µ/l findet man bei manifestem Eisenmangel.
  • Eine Abnahme der Serum-Ferritinkonzentration um 1 µg/l entspricht einer Abnahme des Eisen-Gewebsgehaltes um 10 µg. Diese Entsprechung gilt streng genommen nur in einem Serum-Ferritinkonzentrationsbereich von 20 bis 150 µg/l.
  • Eine Transferrinsättigung <16% wird als Indikator einer alimentären Eisenmangelversorgung gewertet.
  • Die Konzentration von Transferrinrezeptoren liegt im Normalfall bei 3 bis 9 mg/l, bei Eisenmangel finden sich erhöhte Werte.

Die Ferritinkonzentration im Plasma ist der intrazellulären Ferritinkonzentration proportional wobei folgende Beziehung gilt:

1 µg Ferritin/l Plasma = 8 mg Speichereisen.

Zu beachten ist allerdings, dass Ferritin zu den Akute-Phase-Proteinen gehört und seine Plasmakonzentration bei Infekten, Entzündungen, Malignomen, Lebererkrankungen und ineffektiver Erythropoese erhöht ist. Höhere Ferritinkonzentrationen sind daher kein brauchbarer Indikator für den Eisen-Status.

Zusammenfassung

Eisen kommt in der Natur in verschiedenen Oxidationsstufen vor. Davon sind das zweiwertige Fe++ und das dreiwertige Fe+++ von Bedeutung für den menschlichen Organismus. Für beide Eisen-Formen existieren spezielle Mechanismen für die enterale Resorption. Fe++ kommt im Hämoglobin, Myoglobin und den Häm-haltigen Enzymen vor. Es wird auch als Funktionseisen bezeichnet und spielt vor allem beim Transport und der Utilisation von Sauerstoff im Organismus eine Rolle, wodurch sich eine Verbindung zwischen Eisen und dem Energiestoffwechsel ergibt. Der Eisentransport im Organismus erfolgt durch Bindung an Transferrin (Transporteisen), die Speicherung als Ferritin oder Hämosiderin (Speichereisen). Sowohl Transport- als auch Speichereisen liegt in der dreiwertigen Form vor. Der alimentär induzierte Eisenmangel tritt sehr häufig auf. Seine Entwicklung wird in drei Stadien – prälatent, latent und manifest – eingeteilt. Jedes Stadium bedarf einer speziellen Diagnostik und weist eine typische Symptomatik auf. Bedenken gegen eine Überladung des Organismus mit Eisen resultieren vor allem im Hinblick auf Eisen als potenzieller Radikalbildner.

 

Ao. Univ. Prof. Dr. W. Marktl, GAMED Wiener Internationale Akademie für Ganzheitsmedizin, Sanatoriumstr. 2, 1140 Wien; marktl@gamed.or.at

 

 

Literatur:

  1. Schulze KJ & Dreyfuss ML (2009). Iron-Deficiency Anemia. In: Encyclopedia of Human Nutrition, 2nd Ed. Eds. B. Caballero, L. Allen & A. Prentice. Elsevier, Amsterdam. Vol.1 p. 101–109
  2. Hunt JR. Iron (2005). In: Encyclopedia of Human Nutrition, 2nd Ed., Eds. B. Caballero, L. Allen & A. Prentice. Elsevier, Amsterdam. Vol. 3, p. 82–89
  3. Fairweather-Tait SJ. From absorption and excretion of minerals … to the importance of bioavailability and adaptation. Brit J Nutr 1997; 78 Suppl2: S95–S100;
  4. Schauss AG (2006) Suggested Optimum Nutritient Intake of Vitamins, Minerals, and Trace Elements. In: Textbook of Natural Medicine, 3rd Ed. Vol1, Eds. JE Pizzorno Jr & MT Murray, Elsevier Ltd. St. Louis, p. 1275–1320
  5. Murray MT & Pizzorno JE (2006) Immune Support. In: Textbook of Natural Medicine, 3rd Ed. Vol1, Eds. JE Pizzorno Jr & MT Murray, Elsevier Ltd. St. Louis, p. 645–653.

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