Eisen – Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Eisen ist das häufigste Übergangsmetall auf der Erdoberfläche sowie in Organismen und für den Menschen ein essentielles (lebensnotwendig) Spurenelement. Es kommt in mehreren Oxidationsstufen vor, wobei jedoch nur Fe²⁺ – zweiwertiges Eisen, Ferroverbindungen – und Fe³⁺ – dreiwertiges Eisen, Ferriverbindungen – eine Bedeutung für den Organismus haben.
Eisen liegt in Verbindungen meist in zweiwertiger Form vor. Fe²⁺ wirkt dann als Reduktionsmittel und gibt Elektronen ab. Fe³⁺ – Verbindungen stellen hingegen Oxidationsmittel dar und sind als terminale Elektronenakzeptoren in der Lage, Elektronen aufzunehmen [7,19].
Da Fe²⁺ in wässrigen Lösungen spontan zu extrem schwer löslichem Fe³⁺ – Hydroxid oxidieren kann, besitzen Organismen bestimmte Proteine, wie Hämoglobin (Blutfarbstoff), Transferrin oder Ferritin, die Eisen binden. So bleibt das Spurenelement trotz seiner schlechten Löslichkeit biologisch verfügbar [3, 23].

Ein gesunder Mensch weist einen Gesamtkörperbestand von etwa 3-5 Gramm Eisen auf – 45 bis 60 mg/kg Körpergewicht [19, 22]. Circa 80 % davon liegen als Funktionseisen vor. Der überwiegende Anteil des Funktionseisens wird für die Bildung und Entwicklung der Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und nur ein geringfügiger Teil (12 %) für die Myoglobinsynthese sowie die mitochondriale Atmungskette benötigt [22]. Zudem muss Eisen für die Biosynthese eisenabhängiger Enzyme, die für den Elektronentransport essentiell sind, zur Verfügung stehen.
Etwa 20 % des Gesamtbestandes entfallen auf die Speicherorgane des Eisens. Das Spurenelement ist in Form von Ferritin und Hämosiderin vor allem in Leber, Milz, Darmschleimhaut und Knochenmark gespeichert [4, 19, 20, 22, 28, 30].

Es wird zwischen Hämeisen – Eisen-Protoporphyrin, zweiwertiges Fe – und Nicht-Hämeisen – ionisiertes freies Eisen, kann zwei- oder dreiwertig vorliegen – als Bestandteil anorganischer Verbindungen unterschieden.
Bei Hämeisen handelt es sich um einen Eisen-Protein-Komplex, wobei an dem Proteinmolekül eine prosthetische Gruppe gekoppelt ist. Zu den wichtigsten, für den Eisenstoffwechsel essentiellen Hämproteinen gehören unter anderem Hämoglobin, Myoglobin und Cytochrome [7, 30]. Mehr als die Hälfte des Funktionseisens ist an Hämoglobin (roter Blutfarbstoff) gebunden und damit in den Erythrozyten (rote Blutkörperchen) lokalisiert. Myoglobin ist ein roter Muskelfarbstoff und macht zusammen mit anderen eisenhaltigen Enzymen – Cytochrome, Katalasen, Peroxidasen – etwa 15 % des Funktionseisens aus [8, 30].
Das Nicht-Hämeisen in tierischen Nahrungsmitteln liegt in Form von Ferritin, Hämosiderin und Eisencitrat vor [20].

Stoffwechsel

Die Regulation der Eisenhomöostase erfolgt über die Kontrolle der Eisenaufnahme im Dünndarm, vor allem im Duodenum (Zwölffingerdarm) und Jejunum – mittlerer Abschnitt des Dünndarms, auch sogenannter „Leerdarm“. Die Absorption wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst, wie:

• Physiologischen Bedarf [6, 22]
• Menge und chemische Form des aufgenommenen Eisens [6, 22]
• Individueller Versorgungsstatus – die basale Eisen-Absorption beträgt etwa 1 mg/Tag, bei Eisenmangel steigt die Resorptionsquote auf 3-5 mg/Tag, bei einem Überschuss an Eisen ist die Absorption um bis zu 50 % geringer [6, 22]
• Ausmaß der Erythropoese (Produktion der roten Blutkörperchen) [8, 30]
• Mengenverhältnisse verschiedener anderer organischer und anorganischer Nahrungsbestandteile [8, 30]
• Resorptionsverhältnisse des Verdauungstraktes [22, 23]
• Alter [22, 23]
• Erkrankungen – beispielsweise gehen Malabsorption wie Zöliakie (gluteninduzierte Enteropathie), Morbus Crohn, Colitis ulcerosa und chronische atrophische Gastritis mit einer ungenügenden Eisenresorption einher [22, 23]

Das Spurenelement wird über die Nahrung sowohl als Nicht-Hämeisen, also in ionisierter freier Form als freie Fe²⁺-Ionen, als auch als Hämeisen aufgenommen, wobei der größte Teil des Eisens in Nahrungsmitteln an Proteine, organische Säuren oder andere Substanzen gebunden ist – Eisen-Protoporphyrin (Häm), Ferrihydroxidkomplexe [17].

In tierischen Lebensmitteln, insbesondere im Fleisch, liegen 40 bis 60 % des Eisens als Hämeisen vor. Zweiwertiges Eisen wird in Abhängigkeit vom Eisenstatus aufgrund seiner guten Löslichkeit zu 15-35 % resorbiert und weist damit eine hohe Bioverfügbarkeit auf [3, 10, 13, 17].
Im Gegensatz dazu ist die Verfügbarkeit des Nicht-Hämeisens, welches überwiegend in dreiwertiger Form vorliegt, deutlich geringer. Nicht-Hämeisen ist vor allem in pflanzlichen Nahrungsmitteln enthalten und wird selten mehr als 5 % resorbiert [20, 22]. Dreiwertiges Eisen ist im schwach alkalischen Milieu des oberen Dünndarms nicht löslich und wird daher der Resorption entzogen [13].

Durch den gleichzeitigen Verzehr von Fleisch und pflanzlichen Lebensmitteln lässt sich die Resorptionsrate des Eisens pflanzlichen Ursprungs verdoppeln [3, 20, 22]. Das liegt an den im Fleisch enthaltenen niedermolekularen Komplexbildnern, darunter die tierischen Proteine, welche qualitativ hochwertiger sind, aufgrund der hohen Zahl wertvoller Aminosäuren, als pflanzliche Proteine (Eiweiß). Sulfhydrylgruppen-enthaltende Aminosäuren – Methionin, Cystein – begünstigen die Reduktion des dreiwertigen Eisens in die zweiwertige Form, die besser löslich und resorbierbar ist [19, 20, 22].
Für die optimale Ausnutzung des Nahrungseisens ist auch eine genügende Salzsäure-Produktion im Magensaft bedeutsam. Magensalzsäure spaltet komplexgebundenes Eisen in besser verfügbare freie Eisenionen und locker gebundenes organisches Eisen [19, 22].

Die Bioverfügbarkeit von Eisen aus der Nahrung steigern des Weiteren:

• Gastroferrin – Sekret der Magenschleimhaut [14]
• Vitamin C – fördert die Absorption von Nicht-Hämeisen, indem Ascorbinsäure die Bildung von schlechtlöslichen dreiwertigen Eisen hemmt; eine Aufnahme von bereits 25 mg Vitamin C führt zu einer signifikanten Absorptionssteigerung [14]
• Vitamin A bindet Eisen während des Verdauungsprozesses und entzieht es dadurch den absorptionshemmenden Einflüssen von Phytinsäure (Phytate) und Polyphenolen [18]
• Fructose [10, 13, 17, 20, 22, 23]
• Polyoxicarbonsäuren in Obst und Gemüsen [10, 13, 17, 20, 22, 23]
• Andere organische Säuren, wie Zitronensäure, Wein- und Milchsäure [10, 13, 17, 20, 22, 23]
• Alkohol – fördert die Magensäuresekretion und steigert so die Absorption von dreiwertigen Eisen [14]

Indem diese Substanzen ebenfalls die Umwandlung von Fe³⁺ zu Fe²⁺ fördern, wird die Eisen-Resorption gesteigert.

Beispielsweise erhöht Vitamin C – in 150 Gramm Spinat oder Kohlrabi – die Bioverfügbarkeit von Nicht-Hämeisen um den Faktor 3-4 [17, 22].

Die Eisenresorption stark hemmend wirken:

• Phytinsäure (Phytate) in Getreide, Mais, Reis sowie Vollkorn- und Sojaprodukten [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Ballaststoffe – nicht Cellulose [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Oxalate im Gemüse – vor allem Spinat, Rhabarber – und Kakao [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Polyphenole – unter anderem Tannine – in Kaffee, schwarzem Tee, Hirse, Spinat und Rotwein [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Phosvitin im Eigelb [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Carbonate [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Phosphate [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Calciumsalze – bei einem Calciumgehalt von 300-600 mg in der Nahrung wurde ein maximaler Hemmeffekt festgestellt [14]
• Medikamente – aluminium-, magnesium- und calciumhaltige Antazida sowie Lipidsenker können die Eisenresorption um bis zu 70 % vermindern (Colestyramin); Chelatbildner wie Penicillamin, Ethylendiamintetraacetat – EDTA – und Deferoxamin hemmen insbesondere die Nicht-Hämeisenabsorption [15]
• Magensäurebinder [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Cadmium – Cd²⁺ – aus der Umwelt [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Exzessive Zufuhr anderer Metallionen, wie Mangan (Mn²⁺), Cobalt (Co²⁺), Kupfer (Cu²⁺), Zink (Zn²⁺), Blei (Pb²⁺) [4, 10, 13, 17, 22, 28]
• Proteinmangel in der Nahrung [4, 10, 13, 17, 22, 28]

Diese Stoffe bilden einen schwer resorbierbaren Komplex mit Eisen und blockieren deshalb dessen Resorption [3, 4, 22].

Nachdem Eisen in den Zellen der Dünndarmschleimhaut aufgenommen worden ist, wird es entweder als Ferritin, dem Eisenspeicherprotein, gespeichert oder mit Hilfe des Transporteiweißes Mobilferrin in das Plasma überführt [19, 22].
Im Plasma wird das Spurenelement auf das Eisentransportprotein Transferrin übertragen. Die normale Transferrinkonzentration im Plasma beträgt
220-370 mg/100 ml.
Die Höhe des Serum-Transferrins ist invers korreliert mit der Größe des Eisenpools. Demnach ist bei einem Eisenmangel sowohl der Plasmatransferringehalt als auch die Transferrinrezeptorkonzentration erhöht. Die Transferrinsättigung (TFS; engl. transferrin saturation, TSAT) ist ein Indikator für den Eisentransport zu den Geweben und bei einem Eisendefizit in der Regel erniedrigt [3, 30].
Transferrin transportiert Eisen zu allen Zellen und Geweben, wo es anschließend an Transferrinrezeptoren bindet und in die Zellen aufgenommen wird. Von wesentlicher Bedeutung ist die Mobilisierung in das Knochenmark. Dort ist Eisen für die laufende Hämoglobinbildung essentiell, die Priorität hat vor anderen Syntheseschritten. Rund 70 bis 90 % des an Transferrin gebundenen Eisens werden für die Synthese des Hämoglobins benötigt. Schließlich ist die Bildung und Entwicklung der Erythrozyten (rote Blutkörperchen) für den überwiegenden Eisenumsatz verantwortlich [30].
Die restlichen 10 bis 30 % stehen für den Aufbau von Enzymen sowie Coenzymen zur Verfügung oder werden als Ferritin abgelagert [19]. Ist die Speicherkapazität des Ferritins überschritten, wird Eisen an das Speicherprotein Hämosiderin gebunden [19].

Die Bedeutung des Ferritins liegt in der Speicherung, dem Transport und der Entgiftung des Eisens. Bei Bedarf kann Eisen aus dem Speicherbestand rasch freigesetzt und zur Hämoglobinsynthese herangezogen werden.
Ferritin stellt den bestgeeigneten Marker für den Eisenstatus dar! Geringe Serum-Ferritinwerte finden sich bei Eisenmangel. Eisenüberladungen sind hingegen bei gesteigerten Serumferritinkonzentrationen nachweisbar [19, 30].
Sind die Gesamtkörpereisenreserven erschöpft, erhöht sich das Risiko einer Anämie aufgrund der eingeschränkten Hämoglobinbiosynthese. In Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und Rasse weisen Hämoglobinkonzentrationen unter 12 g/L bei Frauen und unter 13 g/L bei Männern auf eine Anämie hin [3].

Hämosiderin ist ein Kondensationsprodukt von Apoferritin und Zellbestandteilen, wie Lipiden und Nukleotiden, das vor allem in den Hepatozyten sowie Zellen von Knochenmark, Leber und Milz lokalisiert ist [22]. Im Vergleich zum Ferritin ist Hämosiderin ein dauerhafter Eisenspeicher, in dem das Spurenelement für den Stoffwechsel in nicht mehr verfügbarer Form gespeichert ist.

Da der Eisenhaushalt ausschließlich über die Resorption gesteuert wird, gibt es keine regulierte Ausscheidung von Eisen [19, 22]. Beim Mann und bei der Frau nach der Menopause gehen etwa 1-2 mg (19-36 µmol/L) Eisen täglich mit der Abstoßung von Darmepithel- und Hautzellen, mit Galle und Schweiß sowie mit dem Urin verloren [3, 19, 20, 22, 28].

Zu größeren Eisenverlusten kommt es bei Blutungen durch die damit verbundenen Hämoglobinverluste. Mit der Menstruation werden etwa 25-60 ml Blut ausgeschieden, wodurch 12,5-30 mg (225-540 µmol) Eisen pro Monat verloren gehen. Auch während der Schwangerschaft ist der Eisenbedarf der Frau aufgrund der Versorgung des Fetus mit Eisen erhöht. Etwa 300 mg des Spurenelements werden dem Fetus über die Plazenta zugeführt. Zudem treten infolge der Geburt und der Stillzeit – 0,5 mg – Blutverluste auf, die jedoch durch das Ausbleiben der Menstruation für einige Monate nach der Schwangerschaft ausgeglichen werden [19, 28]. Daneben gibt es weitere Risikogruppen für einen Eisenmangel.

Aufgrund der Tatsache, dass es für Eisen keine regulierten Ausscheidungsmechanismen gibt, kann eine zu hohe Eisenaufnahme über die Nahrung nicht durch eine gesteigerte Ausscheidung kompensiert werden. Studien zur Folge stellen erhöhte Ferritinspiegel – > 200 µg/ml – einen eigenständigen Risikofaktor für die Atherosklerose (Arteriosklerose, Arterienverkalkung) dar und können die Gefahr für Myokardinfarkte (Herzinfarkte) verdoppeln [4, 9].
Schließlich ist der Eisenstatus dann optimal, wenn dem Körper genügend Eisen zur Erfüllung seiner Funktionen zur Verfügung steht, die Eisenspeicher jedoch nicht gefüllt sind [26, 27].

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