Eisen – Funktionen

Das Spurenelement ist essentieller Bestandteil zahlreicher sauerstoff- und elektronenübertragener Wirkgruppen [3, 4, 13, 20, 22, 23]. Ein Eisenmangel führt zur Aktivitätsabnahme der beteiligten eisenabhängigen Enzyme, insbesondere der Oxidoreduktasen und Monooxigenasen [3].

Sauerstofftransport und Speicherung

Als wesentlicher Baustein von Hämoglobin besteht die Hauptaufgabe des Eisens darin, Sauerstoff aus der Lunge zum Ort der terminalen Oxidation im Gewebe zu transportieren [3, 13, 20]. Eisen ist zudem in Form von Myoglobin an der Speicherung von Sauerstoff beteiligt. Als einkettiges Hämprotein steigert Myoglobin die Diffusionsrate für Sauerstoff aus den Erythrozyten (rote Blutkörperchen) in das Zytosol und die Mitochondrien der Muskulatur [3].
Hämoglobin sowie Myoglobin enthalten etwa 75 % des Gesamtkörpereisens [3, 22].

Elektronentransport

Zu den wichtigen eisenhaltigen Fraktionen gehören auch die Cytochrome der mitochondrialen Atmungskette. Diese sind für den Elektronentransport essentiell, wobei Elektronen an molekularen Sauerstoff bis zur Bildung von Wasser übertragen werden [3]. Eisen dient bei diesem Vorgang als Elektronenakzeptor.
Cytochromsysteme, insbesondere Cytochrom c, spielen außerdem eine Rolle bei der zellulären Energieversorgung, da sie für die Produktion von ATP – Adenosintriphosphat, Energiespender des Organismus – benötigt werden [4, 22].

Oxidation und Reduktion

• Ribonukleotidreduktasen – brauchen Eisen, um den für die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmenden Schritt der DNA-Synthese zu katalysieren [3, 4]
• Aminosäuremonooxigenasen – die Funktion dieser eisenabhängigen Enzyme besteht darin, Reaktionen zur Bildung des Serotoninvorläufers 5-Hydroxytryptophan und des Dopaminvorläufers L-Dopa zu beschleunigen; Serotonin und Dopamin sind wichtige Neurotransmitter im zentralen Nervensystem [3]
• Cytochrom-P450-Familie – vermitteln mit Hilfe von Eisen als aktivierendes Metall zahlreiche Reaktionen im Metabolismus von Xenobiotika (Fremdstoffe), sind unter anderem an der Biosynthese von Steroidhormonen, wie Sexualhormone und Corticoide, des Vitamins D₃, am Metabolismus von Medikamenten, aromatischen Kohlenwasserstoffen und an der Gallensäuresynthese beteiligt [3, 4]
• Fettsäuredesaturasen – Bildung ungesättigter Fettsäuren [3]
• Lipoxigenasen – Synthese von Leukotrienen, welche zur Stoffklasse der Eikosanoide gehören, in den Leukozyten (weiße Blutkörperchen) lokalisiert sind und im Zusammenhang mit allergischen beziehungsweise entzündlichen Reaktionen des Körpers stehen [3]
• Eisenhaltige Metallo-Enzym-Komplexe, wie Peroxidasen, Katalasen und Oxygenasen – übertragen Wasserstoff auf Wasserstoffperoxid und tragen so zur Entsorgung von Sauerstoffradikalen bei [3, 4, 22, 23]
• NO-Synthasen und Peroxidasen, außer die Glutathionsperoxidasen – Einfluss auf Vasodilatation (Erweiterung der Blutgefäße durch Erschlaffung der glatten Gefäßmuskulatur), Neurotransmission – Kommunikation zwischen Neuronen durch Synapsen – und Immunstatus [3]
• Oxygentransferasen – sorgen für die Übertragung von Sauerstoff im Intermediärstoffwechsel [22, 23]
• Eisenhaltige Hydroxylasen – regulieren Entgiftungsprozesse im Körper [22, 23]
• Sukzinatdehydrogenase des Citratzyklus – katalysiert die Oxidation von Sukzinat zu Fumarat [22]
• Akonitasen im Citratzyklus der Mitochondrien – enthalten Eisen als lose gebundenen Cofaktor – Eisen-Schwefel-Zentrum – und spielen als Katalysator der reversiblen Reaktion von Citrat zu Isocitrat eine wesentliche Rolle [22]

Zu den eisenabhängigen Enzymen gehören ebenso die Guanylatcyclasen – cGMP als second Messenger – und die Aminophosphoribosyltransferasen [3]. Letztere sind für die Purinsynthese essentiell, wobei sie den die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmenden Schritt katalysieren [3].

Prooxidative Wirkung

Freie Eisenionen sind in der Lage, die Fenton-Reaktion zu katalysieren, wobei Superoxid und Hydrogenperoxid zu freien, reaktiven Radikalen reagieren, die mit erhöhtem oxidativen Stress und vorzeitiger Zellalterung in Verbindung gebracht werden [22, 23, 30].
Lediglich das Transportprotein Transferrin hat antioxidative Eigenschaften. Durch die Bindung des Eisens schützt es Zellen und Gewebe vor freien Eisenionen, die aggressive oxidative Wirkungen aufweisen.

Kollagensynthese

Eisen ist ein wesentliches Spurenelement für die Hydroxylierung der Polypeptidketten und somit für den korrekten Aufbau sowie die Regeneration von Knochen, Knorpel und Bindegewebe unerlässlich [22, 23].

Hohe Eisenspeicher als potentieller Risikofaktor

Freie Eisenionen weisen toxische Wirkungen auf [11]. Sie werden als Prooxidantien mit der Entstehung kardiovaskulärer Erkrankungen – wie beispielsweise Koronare Herzkrankheit (KHK; Erkrankung der Herzkranzgefäße) mit der Folge eines Myokardinfarktes (Herzinfarkt) – und neurodegenerativer Erkrankungen – beispielsweise Morbus Alzheimer oder Morbus Parkinson – in Verbindung gebracht [21, 24].
Des Weiteren spielt Eisen wahrscheinlich als limitierender Nährstoff für Wachstum und Replikation von Tumorzellen eine Rolle [25]. Mit Hilfe einer Studie aus den USA konnte bestätigt werden, dass ein erhöhter Eisen-Serumspiegel mit einem erhöhten Risiko für Tumorerkrankungen verbunden ist [29].
Als zugrunde liegender Mechanismus wird diskutiert, dass Eisen über seine katalytische Schlüsselfunktion bei der Bildung cytotoxischer Sauerstoff- und Hydroxyradikale oxidativen Stress begünstigt, zum Beispiel im Verlauf der Fenton- und Haber-Weiss-Reaktionen [5, 24].

Um solchen Erkrankungen vorzubeugen, sollten erhöhte Eisenzufuhren sowie erhöhte Eisenspeicher vermieden werden. Zu Eisenüberladungen kommt es beispielsweise durch stark eisenhaltiges Trinkwasser, Eisen-Kochgeschirr, häufige Bluttransfusionen [28], eine zu hohe Aufnahme von Eisen-Supplementen [11] sowie infolge von chronischem Alkoholismus oder eines vermehrten Verzehrs gut resorbierbarer Eisenquellen – zum Beispiel Hämeisen – aus Lebensmitteln tierischer Herkunft [13, 30].
In Studien konnte diesbezüglich eine positive Korrelation zwischen kardiovaskulärem Risiko – insbesondere dem Risiko für Myokardinfarkt (Herzinfarkt) und der Hämeisenzufuhr, nicht aber mit Nicht-Hämeisen oder der Gesamt-Eisenzufuhr, festgestellt werden [1].

Bei der hereditären Hämochromatose handelt es sich um eine „Eisenspeicherkrankheit“, die auf eine exzessive, unkontrollierte gastrointestinale Resorption zurückzuführen ist [2, 30]. Personen mit dieser autosomal-rezessiv vererbbaren Erkrankung weisen ein erhöhtes Risiko für Leberzellkarzinome auf [5]. Daneben leiden Betroffene unter anderem an Schwäche, braun-graue Hautpigmentierung oder Arthritis. Im späteren Stadium kann es zur Myokardschädigung (Schädigung der Herzmuskulatur), Diabetes mellitus oder Leberzirrhose kommen. Die Leberzirrhose ist das Endstadium verschiedener chronischer Lebererkrankungen, die durch das Absterben von Leberzellen gekennzeichnet ist, wobei funktionsuntüchtiges, knotiges Bindegewebe entsteht [2, 24, 30].
Neben dem Leberkarzinom können bei Hämochromatose-Patienten auch andere Tumoren, wie zum Beispiel Mammakarzinome (Brustkrebs) oder kolorektale Karzinome (Dickdarm- und Mastdarmkarzinome) auftreten [21].

Wichtiger Hinweis!
Vor Beginn der Einnahme eines Eisenpräparates sollte stets eine Bestimmung des Serum-Ferritinspiegels durch den Arzt zum Nachweis eines Eisenmangels erfolgen!

Personen mit erhöhten Ferritinkonzentrationen sollten keine Eisen-Supplemente zu sich nehmen. Ein zusätzliches Risiko besteht, wenn solche Personen regelmäßig Vitamin-haltige Nahrungsergänzungsmittel verzehren. Die Vitamine A, C und E weisen bei erhöhtem Eisendepot prooxidative Effekte auf und bewirken direkt die Reduktion zu nicht gebundenem, freien Eisen (Fe²⁺) für die Fenton-Reaktion [12].

Des Weiteren wurden die folgenden Fachbücher für die Verfassung dieses Artikels herangezogen [31-33].

Literatur

1. Ascherio A, Willett WC, Rimm EB, Giovannucci EL, Stampfer MJ: Dietary iron intake an risk of coronary disease among men. Circulation. 1994 Mar;89(3):969-74.
2. Bassett ML: Haemochromatosis: iron still matters. Intern Med J. 2001 May-Jun;31(4):237-42.
3. Biesalski HK: Vitamine, Spurenelemente und Minerale. Indikationen, Diagnostik, Therapie. 3. Auflage, Georg Thieme Verlag, München 2024
4. Biesalski HK, Bischoff SC, Pirlich M, Weimann A (Hrsg.): Ernährungsmedizin. Nach dem Curriculum Ernährungsmedizin der Bundesärztekammer. 5. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 2017
5. Braunwald, Fauci, Kasper, Hauser, Longo, Jameson: Harrisons Innere Medizin 2, 15. Auflage. Dietel M, Dudenhausen J, Suttorp N (Hrsg)., Kap. 345, Seiten 2459-2462. ABW Wissenschaftsverlag, Berlin (2003)
   
6. Cook JD: Adaptation in iron metabolism. Am J Clin Nutr. 1990 Feb;51(2):301-8.
   
7. Deutsche Gesellschaft für Ernährung, Österreichische Gesellschaft für Ernährung, Schweizerische Gesellschaft für Ernährungsforschung, Schweizerische Vereinigung für Ernährung: Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr. 5. Auflage. In: DGE/ÖGE/SGE/SVE. Umschau- Braus-Verlag, Frankfurt/Main (2013)
   
8. Elmadfa I, Leitzmann C: Ernährung des Menschen. UTB Grosse Reihe. 2. überarbeitete Auflage. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart 1990
9. Elmadfa I, Leitzmann C: Ernährung des Menschen. 3. Auflage. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart 1998
10. Eschenbruch B: Wasser und Mineralstoffe in der Ernährungsmedizin. 59-60. Umschau Zeitschriftenverlag Breidenstein GmbH, Frankfurt am Main 1994
11. Forth W, Rummel W: Eisen. Pharmakotherapie des Eisenmangels. In: Allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie. Forth W, Henschler D, Rummel W (Hrsg.) 5., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage. BI Wissenschaftsverlag, Mannheim 1987
12. Fraga CG, Oteiza PI: Iron toxicity and antioxidant nutrients. Toxicology. 2002 Oct 30;180(1):23-32.
13. Hahn A: Nahrungsergänzungsmittel. 170-173. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart 2001
    
14. Hallberg L, Hulthén L: Prediction of dietary iron absorption: an algorithm for calculating absorption and bioavailability of dietary iron. Am J Clin Nutr. 2000 May;71(5):1147-60.
15. Hartke K et al. (Hrsg.) Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat. Kommentar zum Europäischen Arzneibuch. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart, Govi-Verlag-Pharmazeutischer Verlag GmbH Eschborn, 15. Lieferung 2002
16. Heath ALM, Fairweather-Tait SJ: Health implications of iron overload: the role of diet and genotype. Nutr Rev. 2003 Feb;61(2):45-62.
17. Kasper H: Ernährungsmedizin und Diätetik. 60-62. Urban & Fischer Verlag, Elsevier GmbH, München, Jena 2004
18. Layrisse M, Garcia-Casal MN, Solano L, Baron MA, Arguello F, Liovera D, Ramirez J, Leets I, Tropper E: The role of vitamin A on the inhibitors of nonheme iron absorption: preliminary results.The Journal of Nutritional Biochemistry,Volume 8, Issue 2, February 1997, Pages 61-67. doi:10.1016/S0955-2863(96)00174-X
19. Löffler G, Petrides PE (Hrsg.) Biochemie und Pathobiochemie. 7., völlig neu bearbeitete Auflage. Springer Verlag, Heidelberg, S. 702 ff. 2003
20. Leitzmann C, Müller C, Michel P, Brehme U, Hahn A, Laube H: Ernährung in Prävention und Therapie. 68-70. Hippokrates Verlag in MVS Medizinverlage Stuttgart GmbH & Co. KG 2005
21. Nelson RL: Iron and colorectal cancer risk: human studies. Nutr Rev. 2001 May;59(5):140-8.
22. Niestroj I: Praxis der Orthomolekularen Medizin. 412-417. Hippokrates Verlag GmbH, Stuttgart 1999, 2000
    
23. Schmidt E, Schmidt N: Leitfaden Mikronährstoffe. 266-273. Urban & Fischer Verlag; München, Februar 2000
    
24. Schröder H: Störungen des Eisenstoffwechsels und Eisenpräparate zur Substitution. Pharmazeutische Zeitung 139: 9-13 (1994)
25. Stevens RG, Graubard BI, Micozzi MS, Neriishi K, Blumberg BS: Moderate elevation of body iron level and increased risk of cancer occurrence and death. Int J Cancer. 1994 Feb 1;56(3):364-9.
26. Sullivan JL: Iron and the sex difference in heart disease risk. Lancet. 1981 Jun 13;1(8233):1293-4.
27. Sullivan JL: Iron versus cholesterol - perspectives on the iron and heart disease debate. J Clin Epidemiol. 1996 Dec;49(12):1345-52.
28. Wenzel KG: Spurenelemente.Fe1-Fe3. Pro BUSINESS Verlag Spurenelemente 2. überarbeitete Auflage 2009
29. Wu T, Sempos CT, Freudenheim JL, Muti P, Smith E: Serum iron, copper and zinc concentrations and risk of cancer mortality in US adults. Ann Epidemiol. 2004 Mar;14(3):195-201.
30. Yip R: Iron. Chapter 30. In: Present Knowledge in Nutrition. Bowman BA, Russell RM (Eds.) ILSI Press, Washington, DC, p. 311-328. 2001
31. Hidgon J, Drake VJ: An Evidence-Based Approach to Vitamins and Minerals. Health Benefits and intake recommendations. 2nd Edition, Georg Thieme Verlag, München 2022
32. Hahn A, Ströhle A, Wolters M. Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. 4. Auflage, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 2023
33. Matissek R, Hahn A: Lebensmittelchemie. 10. Auflage, Springer Spektrum Verlag, Heidelberg 2023