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Lexikon der Biologie: Eisenstoffwechsel

Eisenstoffwechsel, Teil des Mineral-Stoffwechsels aller lebenden Organismen. Eisenionen sind bei fast allen Organismen essentielle Spurenelemente (Mikronährstoffe, essentielle Nahrungsbestandteile), die als Bestandteil von Metalloproteinen eine wichtige Rolle bei Oxidations-, Hydrolyse- und Elektronenübertragungsprozessen sowie bei der Komplexbildung mit Liganden und Molekülgruppen spielen. Der Eisengehalt grüner Pflanzen beträgt im Durchschnitt 100–200 mg/kg Trockensubstanz (Eisen, Tab.). Eisenionen sind hier Bestandteil so lebensnotwendiger Enzyme wie der der Photosynthese. Ihr Fehlen führt vielfach zu Blatt-Chlorosen (Eisenchlorose). Der ehemals angenommene, aus dem Rahmen fallende hohe Eisengehalt des Spinats erwies sich inzwischen als (durch einen Druckfehler überlieferter) Irrtum. Der Eisengehalt des menschlichen Organismus beträgt beim Mann ca. 50 mg/kg Körpergewicht und bei der Frau ca. 35 mg/kg Körpergewicht (Gesamtgehalt 3,5–4 g bzw. 2,5–3 g). Der niedrigere Eisengehalt bei der Frau resultiert aus einem hohen Verlust während der Menstruation, Schwangerschaft und Stillzeit. 67% des Eisens sind im Hämoglobin und 30% im Depoteisen, vor allem im Ferritin, gebunden. 3–4% entfallen auf das Myoglobin, 0,1% auf Enzyme wie z. B. Katalase und Cytochrom C (Cytochrome), und 0,1–0,2% sind im Plasma an Transferrin gebunden. ( vgl. Tab. ) – Zur Aufnahme (vgl. Abb.) von anorganischem Eisen, das fast ausschließlich in der 3wertigen Form vorliegt und in diesem Zustand schwer löslich ist, muß es entweder reduziert und als Fe2+ aufgenommen oder in Form spezifischer Chelate als Fe3+ transportiert werden. Pflanzen haben hierfür verschiedenste Mechanismen entwickelt (Eisenaufnahme bei Pflanzen), Bakterien und Pilze scheiden kleinmolekulare Siderophore ins umgebende Medium ab, die Eisen komplex binden können. Bei Höheren Tieren und dem Menschen wird das Nahrungseisen im Duodenum (Zwölffingerdarm) und oberen Jejunum (Leerdarm) über zwei verschiedene Wege absorbiert. Zum einen wird Eisen, nachdem es im sauren Milieu des Magensafts aus der Bindung an Liganden freigesetzt wurde, durch Reduktionsmittel wie Glucose oder Ascorbinsäure in die zweiwertige Form überführt und als freie Fe2+-Ionen oder wasserlösliche Fe2+-Chelate aufgenommen, zum anderen als Porphyrin-gebundenes Eisen (Porphyrine) in Form von lipophilen Komplexen. Unter Proteinase-Wirkung wird das Häm im Magen vom Protein getrennt und das Eisen zu Fe3+ oxidiert, so daß Hämin entsteht. Hämin gelangt in die Mucosazellen (Schleimhautzellen), wo nach Spaltung des Porphyrinrings (Hämoxygenase) das Eisen freigesetzt wird. Ein geringer Teil des Hämins verläßt die Mucosazellen unverändert und wird dann im Blutplasma an Hämopexin gebunden. Das zweiwertige Eisen wird von den Mucosazellen viel schneller aufgenommen und wird dann im Cytoplasma dieser Zellen als mucosales Transferrin (Transferrin-ähnliches Protein) gebunden. Die Absorptionsrate des Eisens wird durch die Höhe des Depoteisens und die Erythropoese beeinflußt; ansonsten ist die Regulation der intestinalen Eisenabsorption noch weitgehend unbekannt. Von dem mit der Nahrung täglich aufgenommenen Eisen (10–20 mg) werden nur ca. 1–2 mg resorbiert; dieses steht in einem täglichen Austausch von 2 mg mit den Eisendepots Myoglobin und den eisenhaltigen Enzymen einerseits und andererseits mit 20–30 mg über Knochenmark und Erythrocyten. Ein steuerbares Ausscheidungssystem für Eisen existiert nicht. Der Organismus verliert das Eisen ausschließlich passiv über Stuhl, Galle, Urin, Schweiß und Hornschuppen der Haut. Der tägliche Verlust beträgt beim Mann etwa 1 mg, bei Frauen im gebärfähigen Alter infolge der Menstruationsverluste etwa 3 mg. – Das Eisen im Blutplasma wird an Transferrin gebunden transportiert, wobei an 1 mol Transferrin 2 mol Fe3+ binden (über Tyrosin- oder Histidin-Reste). Erst so ist ein gerichteter Transport des Eisens nach den Hämoglobin-synthetisierenden Zellen möglich. In der Regel sind nur 30% des Transferrins mit Eisen gesättigt, und die Halbwertszeit des Transferrin-gebundenen Eisens beträgt 70–140 Minuten. Intrazellulär wird Eisen in Form von Ferritin und Hämosiderin (= Depoteisen) gespeichert, wobei das Ferritin wesentlich bedeutsamer ist und in hohen Konzentrationen in Leber, Milz und Knochenmark vorkommt. Im Ferritin wird das Eisen in dreiwertiger Form gespeichert. Zur Mobilisierung und Freisetzung des Eisens aus dem Ferritin wird das Eisen wieder reduziert, wahrscheinlich durch eine NADH-abhängige Ferrireductase. Die Eisenspeicherung im Ferritin ist abhängig vom Eisenangebot. Aus dem Ferritin ist das Eisen aber im Gegensatz zu Hämosiderin sehr rasch mobilisierbar. Hämosiderin ist als Eisen-Protein-Komplex im Vergleich zum Ferritin kaum wasserlöslich und stellt die weniger verfügbare Form des Speichereisens dar. Hämosiderin entsteht aus dem Ferritin und hat einen Eisengehalt von 25–35% (Ferritin: 16–23%). Transferrin-Eisen wird über Pinocytose in die Hämoglobin-synthetisierenden Zellen aufgenommen. Beim Durchtritt durch die Mitochondrienmembran (Mitochondrien) wird das Eisen reduziert, in der Ferroform in der mitochondrialen Matrix gebunden und erst während der Hämsynthese freigesetzt. Das eisenfreie Transferrin wird durch Exocytose wieder abgegeben. Die Eisenaufnahme durch den Erythroblasten wird durch die intrazelluläre Konzentration des Häms reguliert. Als Folge einer defekten Hämbildung kommt es zu einer verstärkten Aufnahme und Ablagerung des Eisens in den Mitochondrien. Am Ende ihrer Lebenszeit werden die Erythrocyten durch Makrophagen des reticulo-endothelialen Systems (RES) phagocytiert (Phagocytose). Das Eisen wird aus dem Hämin freigesetzt und wieder ins Plasma abgegeben – ohne Austausch mit dem Speichereisen. – Bei ausgewogener Nahrungszufuhr hat der Mensch im allgemeinen eine ausgeglichene Eisenbilanz. Erst Verteilungsstörungen im Eisenzyklus zwischen RES und Erythroblasten führen zu Änderungen des Speichereisenpools. So hat eine erhöhte Erythropoese einen erhöhten Eisenbedarf, eine Mobilisierung des Speichereisens und eine Abnahme des Eisenpools im RES zur Folge. Chronische Entzündungen und Tumorerkrankungen führen neben einer Hemmung der Eisenabgabe aus dem RES zu einer Zunahme des Speichereisenpools. Sind die Eisenspeicher in den Makrophagen gefüllt, kann der Hepatocyt passiv beträchtliche Eisenmengen speichern, was zu schweren Leberparenchymschäden führt. – Für die Bestimmung des Serumeisens wird das im Transferrin gebundene Eisen durch Detergentien abgelöst und das freie Fe3+ zu Fe2+ reduziert. Dies kann mit Bathophenanthrolin zu einem Chelatkomplex gebunden und photometrisch gemessen werden. Serumeisenwerte unter 7,2 μmol/l und entsprechende hämatologische Befunde deuten auf einen manifesten Eisenmangel hin. Zu erniedrigten Serumeisenwerten kommt es aufgrund einer Unterversorgung (einseitige Ernährung, verminderte Eisenreserven der Frühgeborenen), eines erhöhten Bedarfs (Schwangerschaft, Lactation), Resorptionsdefekten (Magen- und Darmresektionen), Hypo- und Atransferriämien, eines vermehrten Eisenverlustes (gastrointestinale Blutungen, Blutspender, Hämoglobinurie) und durch Eisenverteilungsstörungen (Infekte, chronische Entzündungen, Myokardinfarkt, Streß). Ein erhöhter Eisenwert kann bedingt sein durch Hämochromatosen, sideroachrestische Anämien, Alkoholzirrhose, nutritive Eisenüberladung, hepatogene Hypersiderinämien (Freisetzung von Speichereisen durch Leberzerfall). Apoferritin, Eisenmangelanämie, Hämochromatose, Hämoglobine.

Ch.J./M.B.




Eisenstoffwechsel

Aufnahme, Verwertung und Abbau des Eisens im Organismus

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