Selen – Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Selen ist ein chemisches Element, das das Elementsymbol Se trägt. Im Periodensystem hat es die Ordnungszahl 34 und steht in der 4. Periode und 6. Hauptgruppe. Damit zählt Selen zu den Chalkogenen ("Erzbildner") [16, 22, 30].

In der Erdkruste kommt Selen in oxidierten und mineralisierten Formen in sehr unterschiedlichen Konzentrationen vor, wobei in Gestein vulkanischen Ursprungs meist hohe Mengen zu finden sind [7, 22, 31]. Wegen der geographisch variierenden Selengehalte der Böden ist auch die Selenkonzentration pflanzlicher Lebensmittel großen regionalen Schwankungen unterworfen [6, 10, 14, 16, 22, 27, 28, 30]. In weiten Teilen Mittel- und Nordeuropas und vielen anderen Regionen der Welt sind die Böden ausgesprochen arm an Selen, weshalb in Deutschland pflanzliche Selenquellen nur geringfügig zur Selenversorgung beitragen [7, 14, 27, 30, 31]. Schwermetalle, wie Cadmium, Quecksilber, Blei und Arsen, und eine Übersäuerung des Bodens durch ammoniumsulfathaltige Düngemittel oder schwefelhaltigen sauren Regen können durch Bildung schwerlöslicher Komplexe – Selenide – den Anteil verfügbarer Selenverbindungen in der Bodensubstanz und somit den Selengehalt in den Pflanzen zusätzlich reduzieren [16, 30, 31].
Im Gegensatz dazu ist die Selenkonzentration in Lebensmitteln tierischen Ursprungs teilweise sehr hoch und keinen großen Schwankungen ausgesetzt, was auf die in den EU-Staaten weit verbreitete Zufütterung selenreicher Mineralstoffmischungen – bis zu 500 µg Selen/kg Körpergewicht/Tag –, insbesondere für Schweine und Geflügel aus Gründen besseren Wachstums, besserer Gesundheit und höherer Reproduktionsleistung (Fortpflanzungspotential), zurückzuführen ist [7, 10, 22, 27, 30].
Die Selenkonzentration der Nahrung hängt neben ihrem Ursprung (Pflanze, Tier) und ihrer geographischen Herkunft auch von ihrem Proteingehalt ab, da Selen in biologischem Material zum größten Teil in der Proteinfraktion – gebunden an bestimmten Aminosäuren – enthalten ist [16, 22, 28].

Zu selenreichen Lebensmitteln zählen demnach insbesondere proteinreiche tierische Produkte, wie Fisch, Fleisch, Innereien und Eier. Ebenso können Leguminosen (Hülsenfrüchte), Nüsse, beispielsweise Paranüsse, Samen, wie Sesam, und Pilze, zum Beispiel Steinpilze, wegen ihres teilweise hohen Proteinanteils eine gute Selenquelle darstellen [2, 7, 10, 14, 16, 22, 27, 28, 30]. Aus Nordamerika importiertes Getreide ist aufgrund selenreicher Böden ebenfalls ein guter Selenlieferant [22].

Als essentielles (lebensnotwendiges) Spurenelement ist Selen chemisch mit dem Mineralstoff Schwefel verwandt. Im pflanzlichen beziehungsweise tierischen Organismus wird Selen anstelle von Schwefel in die Aminosäure Methionin (Met) beziehungsweise Cystein (Cys) eingebaut [10, 16, 21, 22, 28, 30]. Aus diesem Grund findet sich Selen in der Nahrung vorzugsweise in organischer Form als selenhaltige Aminosäuren – in pflanzlichen Nahrungsmitteln und selenreichen Hefen als Selenomethionin (SeMet) und in tierischen Lebensmitteln als Selenocystein (SeCys) [7, 10, 16, 22, 28, 30, 31]. Als proteinogene Aminosäuren werden SeMet und SeCys im menschlichen Organismus für die Proteinbiosynthese verwendet, wobei SeMet anstatt Methionin und SeCys als 21. proteinogene Aminosäure in Proteine eingebaut wird [7].
Anorganische Selenverbindungen, wie Natriumselenit (Na2SeO3) und Natriumselenat (Na2SeO4), spielen weniger in herkömmlichen Lebensmitteln des allgemeinen Verzehrs als vielmehr in Nahrungsergänzungsmitteln und Medikamenten eine Rolle, denen sie zur Supplementierung (Nahrungsergänzung) und Therapie zugesetzt werden [7, 10, 15, 30].

Resorption

Die Resorption (Aufnahme über den Darm) von Selen erfolgt überwiegend in den oberen Dünndarmabschnitten – Duodenum (Zwölffingerdarm) und proximales Jejunum (Leerdarm) – in Abhängigkeit von der Bindungsart [16, 22, 30].

Mit der Nahrung wird Selen hauptsächlich in organischer Form als Selenomethionin und Selenocystein zugeführt. Da Selenomethionin dem Stoffwechselweg von Methionin folgt, wird dieses im Duodenum (Zwölffingerdarm) aktiv durch einen Natrium-abhängigen neutralen Aminosäuretransporter in die Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) aufgenommen [7, 8, 10, 16, 22, 31]. Über den molekularen Mechanismus der intestinalen (den Darm betreffend) Absorption (Aufnahme) von Selenocystein existieren bislang wenig Erkenntnisse [16]. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass Selenocystein nicht wie die Aminosäure Cystein resorbiert wird, sondern dem aktiven, vom Natriumgradienten abhängigen Transportmechanismus für basische Aminosäuren, wie Lysin und Arginin, folgt [8, 10].

Über Nahrungsergänzungsmittel oder Medikamente zugeführtes anorganisches Selenat (SeO42-) verwendet aufgrund chemischer Ähnlichkeiten denselben Transportweg wie Sulfat (SO42-) und wird damit aktiv durch einen Natrium-abhängigen Carrier-vermittelten Mechanismus resorbiert [8, 9, 22]. Im Gegensatz dazu erfolgt die intestinale Aufnahme des anorganischen Selenit (SeO32-) durch passive Diffusion [8, 9, 16].

Die Absorptionsrate von Selen ist von Art (organisch, anorganisch), Menge und Quelle (Lebensmittel, Getränk, Nahrungsergänzungsmittel) der zugeführten Selenverbindungen und von der Interaktion (Wechselwirkung) mit Nahrungsmittelinhaltsstoffen abhängig. Der individuelle Selenstatus beeinflusst die Absorptionsrate nicht [7, 16, 22, 28]. Grundsätzlich ist die Bioverfügbarkeit organischer Selenformen höher als die von anorganischen [10, 29, 30]. Während Selenomethionin und Selenocystein eine Resorptionsquote von 80 % bis nahezu 100 % aufweisen, werden die anorganischen Selenverbindungen Selenat und Selenit nur zu 50-60 % resorbiert [8, 16, 18, 22, 26, 30]. Selen aus pflanzlichen Nahrungsmitteln ist besser bioverfügbar (85-100 %) als aus tierischen Lebensmitteln (~ 15 %) [10, 28, 31]. Obwohl Fisch überaus selenreich ist, wird das Spurenelement beispielsweise aus Thunfisch nur zu 50 % absorbiert [10, 31]. Meist liegt die Absorptionsrate aus Fisch jedoch < 25 % [12, 24, 29]. Insgesamt ist aus einer gemischten Kost eine Bioverfügbarkeit von Selen zwischen 60-80 % zu erwarten [13]. Im Vergleich zur Nahrung ist die Selenresorption aus Wasser gering [4].

Zu Interaktionen (Wechselwirkungen) mit anderen Nahrungsbestandteilen beziehungsweise Medikamenten kommt es weniger bei den aminosäuregebundenen Selenformen als vielmehr beim anorganischen Selenit und Selenat [22]. So kann ein hoher Gehalt an Schwefel (Sulfat, Thiosulfat etc.) und Schwermetallen, wie Molybdän, Cadmium, Quecksilber, Blei und Arsen, in der Nahrung, beispielsweise durch Kontaminierung (Verunreinigung) von Kulturpflanzen durch sauren Regen etc., die Bioverfügbarkeit von Selenat (SeO42-) durch Bildung unlöslicher Komplexe – Selenide – beziehungsweise durch Blockierung der Transportproteine der Bürstensaummembran der Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) herabsetzen [16, 22, 31]. Die intestinale Absorption von Selenit (SeO32-) wird durch Cystein (schwefelhaltige Aminosäure), Glutathion (GSH, aus den drei Aminosäuren Glutamat, Cystein und Glycin bestehendes Antioxidans) und physiologische (für den Stoffwechsel normale) Mengen an Vitamin C (Ascorbinsäure) gefördert und durch hochdosierte Vitamin C-Gaben (≥ 1 g/Tag) aufgrund einer Reduktion von Selenit gehemmt [7, 14, 22, 31, 35]. Schließlich sollten selenithaltige Therapeutika nicht gemeinsam mit hochdosierten Ascorbinsäurepräparaten eingenommen werden [22].

Transport und Verteilung im Körper

Nach der Resorption gelangt Selen über die Pfortader zur Leber. Dort kommt es zur Anreicherung von Selen in Proteinen unter Bildung der Selenoproteine-P (SeP), die in die Blutbahn sezerniert (abgesondert) werden und das Spurenelement zu extrahepatischen ("außerhalb der Leber") Geweben, wie Gehirn und Niere, transportieren [8, 11, 31, 32]. SeP enthält etwa 60-65 % des sich im Blutplasma befindenden Selens [8, 10].

Der Gesamtkörperbestand eines Erwachsenen an Selen beträgt etwa 10-15 mg (0,15-0,2 mg/kg Körpergewicht) [6, 7, 10, 14, 16, 20, 30]. Selen befindet sich in allen Geweben und Organen, wobei die Verteilung ungleichmäßig ist. Die höchsten Konzentrationen weisen Leber, Nieren, Herz, Pankreas (Bauchspeicheldrüse), Milz, Gehirn, Gonaden (Keimdrüsen) – insbesondere Testes (Hoden), Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und Thrombozyten (Blutplättchen) auf [6-8, 10, 16, 28, 30, 31]. Den größten Anteil an Selen hat aufgrund des hohen Gewichtes jedoch die Skelettmuskulatur [16, 28, 30]. Dort werden 40-50 % des Selenbestandes des Körpers gespeichert [20]. Ein hoher Selengehalt der Niere resultiert häufig aus Ablagerungen unlöslicher Selenide (Metall-Selen-Verbindungen) als Folge einer erhöhten Exposition mit Schwermetallen, wie Quecksilber (Amalgambelastung) und Cadmium [7, 31].

Intra- (innerhalb der Zelle) und extrazellulär (außerhalb der Zelle) liegt Selen überwiegend in proteingebundener und kaum in freier Form vor [7]. Während das Spurenelement in den Zellen, wie Erythrozyten, neutrophile Granulozyten (weiße Blutkörperchen, als Phagozyten ("Fresszellen") Teil der angeborenen Immunabwehr mit antimikrobieller Wirkung), Lymphozyten (weiße Blutkörperchen der erworbenen Immunabwehr → B-Zellen, T-Zellen, natürliche Killerzellen, die Fremdstoffe, wie Bakterien und Viren, erkennen und mit immunologischen Methoden entfernen) und Thrombozyten, als integraler Bestandteil von zahlreichen Enzymen und Proteinen, wie von Glutathionperoxidasen (GSH-Px, antioxidativ wirksam → Reduktion von organischen Peroxiden zu Wasser) und Selenoproteinen-W (SeW, Bestandteil der Muskulatur und anderen Geweben), fungiert, ist es im Extrazellulärraum an Plasmaproteine, wie Selenoprotein-P (primärer Selentransporter zu den Zielgeweben), beta-Globulin und Albumin, gebunden [16, 22, 30]. Die Selenkonzentration im Blutplasma ist in der Regel niedriger als in den Erythrozyten [16, 30].

Isotopenverteilungsstudien konnten zeigen, dass es bei einem Mangel an Selen zur Umverteilung der Selenpools kommt, sodass der Einbau von Selen in einigen Selenoproteinen in bestimmten Geweben und Organen gegenüber anderen bevorzugt erfolgt – "Hierarchie der Selenoproteine" [1, 7-9, 25]. Dabei wird Selen aus Leber und Muskulatur zugunsten der endokrinen Gewebe, der reproduzierenden Organe (Fortpflanzungsorgane) und des zentralen Nervensystems schnell mobilisiert, um beispielsweise die Aktivität der Phospholipidhydroperoxid-GSH-Px (PH-GSH-Px, antioxidativ wirksam → Reduktion von Peroxiden zu Wasser) oder der Dejodase (Aktivierung und Deaktivierung von Schilddrüsenhormonen → Umwandlung des Prohormons Thyroxin (T4) zum aktiven Trijodthyronin (T3) sowie T3 und reversem T3 (rT3) zu inaktivem Dijodthyronin (T2)) für wichtige Körperfunktionen aufrechtzuerhalten [3, 7, 8, 25]. Durch die Umverteilung von Selen zwischen Organen und Zelltypen bei marginaler Versorgung bleiben einige Selenoenzyme bevorzugt aktiv, während andere einen relativ schnellen Aktivitätsverlust aufweisen. Demnach scheinen Proteine, die bei einem Selenmangel erst spät mit einer Aktivitätsabnahme reagieren und durch eine Selensubstitution (Nahrungsergänzung mit Selen) schneller reaktiviert werden können, gegenüber anderen Selenoproteinen im Organismus von höherer Relevanz zu sein [1, 9, 25].

Zur Bestimmung des Selenstatus wird sowohl die Selenkonzentration im Blutplasma (Normbereich: 50-120 µg/l; Indikator für kurzzeitige Veränderungen – akuter Selenstatus) als auch die auf den Hämoglobingehalt bezogene Selenkonzentration in den Erythrozyten (Langzeitparameter) herangezogen [7, 8, 10, 30, 31]. Da Selen im Plasma überwiegend an Selenoprotein-P gebunden ist und es sich bei diesem um ein negatives Akute-Phase-Protein (Proteine, deren Serumkonzentration bei akuten Entzündungen sinkt) handelt, können Leberfunktionsstörungen, Entzündungsreaktionen beziehungsweise die Freisetzung proinflammatorischer (entzündungsfördernder) Zytokine, wie Interleukin-1, Interleukin-6 oder Tumornekrosefaktor-alpha (TNF-alpha), die Bestimmung des Selenstatus im Blutplasma stören. Ebenso kann es durch Fehl- und Mangelernährung, Hypalbuminämie (verminderte Konzentration des Plasmaproteins Albumin), chronische Dialyse (Blutreinigungsverfahren bei chronischem Nierenversagen) und Bluttransfusionen (intravenöse Infusion von Erythrozytenkonzentraten), zu falschen Ergebnissen bei der Selenstatusanalyse im Blut kommen [7, 31].

Metabolismus

Aus der Nahrung stammendes Selenomethionin kann im Anschluss an seine Resorption unspezifisch anstelle der schwefelhaltigen Aminosäure Methionin in Proteine, wie Albumin (Protein des Blutplasmas), Selenoprotein-P und -W sowie Hämoglobin (Eisen-haltiger, Sauerstoff (O2)-transportierender roter Blutfarbstoff der Erythrozyten), insbesondere der Skelettmuskulatur, aber auch der Erythrozyten, Leber, Bauchspeicheldrüse, Nieren und des Magens, eingebaut werden [7, 10, 22]. Der Austausch von Methionin gegen SeMet bei der Proteinbiosynthese hängt vom Selenomethionin-Methionin-Verhältnis der Nahrung ab und scheint nicht homöostatisch kontrolliert zu werden [5, 13].
Im Rahmen des Protein- und Aminosäureabbaus wird Selen aus SeMet-haltigen Proteinen beziehungsweise Selenomethionin freigesetzt und zur Biosynthese von Selenocystein verwendet – Prozess der Transselenierung [7, 9, 10]. Absorbiertes Selenomethionin, das nicht in Proteine eingebaut wurde, wird in der Leber durch Transsulfurierung direkt in Selenocystein umgewandelt [9, 16, 22].

Oral zugeführtes oder durch den Umbau von SeMet gebildetes Selenocystein wird in der Leber durch eine spezifische Pyridoxalphosphat (PALP, aktive Form des Pyridoxins (Vitamin B6))-abhängige Lyase zu der Aminosäure Serin und Selenid (Verbindung aus Selen und H2S) abgebaut. Während Serin von einer für SeCys-spezifischen transfer-RNA (tRNA, kurzes Ribonukleinsäuremolekül, das bei der Proteinbiosynthese die Aminosäuren liefert) gebunden wird, erfährt Selenid eine Umwandlung zu Selenophosphat, das mit Serin zu Selenocystein reagiert. Die entstehende mit SeCys beladene tRNA stellt Selenocystein für den Einbau in die Peptidkette selenabhängiger Proteine und Enzyme zur Verfügung [9, 22, 33]. Die Möglichkeit, oral aufgenommenes oder aus dem Abbau von SeMet hervorgehendes SeCys direkt auf entsprechende tRNAs zu übertragen und zur Synthese von Selenoproteinen zu verwenden, existiert im menschlichen Organismus nicht [22].

Passiv resorbiertes anorganisches Selenit wird – ohne Zwischenspeicherung – in der Leber durch Einwirkung der Glutathionreduktase (Enzym, das Glutathiondisulfid zu zwei GSH-Molekülen reduziert) und NADPH (Nicotinamid-adenin-dinukleotid-phosphat) direkt zu Selenid reduziert [19]. Das durch aktive Resorption ins Blut gelangte anorganische Selenat muss zunächst in der Leber zur stabileren Oxidationsform Selenit umgewandelt werden, um anschließend zu Selenid reduziert werden zu können. Durch Überführung von Selenid zu Selenophosphat und deren Reaktion mit tRNA-gebundenem Serin kommt es zur Bildung von Selenocystein, das mittels der tRNA in selenabhängige Proteine und Enzyme eingebaut wird [7, 9, 10].
Selenit und Selenat sind als Vorstufen zur Synthese von Selenocystein akut verfügbar und werden deshalb, beispielsweise in der Intensivmedizin oder bei anderen klinischen Anwendungen, für die Supplementation zum Ausgleich akuter Defizite eingesetzt. Im Gegensatz dazu sind SeMet und SeCys aufgrund ihres für die SeCys-Biosynthese notwendigen Ab- beziehungsweise Umbaus nicht direkt akut verfügbar. Von den organischen Selenformen sind demnach keine akuten Wirkungen zu erwarten, weshalb SeMet, beispielsweise in Hefen, eher zur präventiven und langfristigen Supplementation geeignet ist [7, 14, 31].

Alle funktionell bedeutsamen selenabhängigen Proteine des menschlichen Organismus enthalten Selenocystein – biologisch aktive Form von Selen. Im Gegensatz dazu erfüllt Selenomethionin keine bekannte physiologische Funktion im Körper. SeMet fungiert lediglich als metabolisch (den Stoffwechsel betreffend) inaktiver Selenpool (Selenspeicher), dessen Größe (2-10 mg) von der alimentär (über die Nahrung) zugeführten Menge abhängig ist und der keiner homöostatischen Regulation unterliegt. Aus diesem Grund wird SeMet länger im Organismus retiniert (zurückgehalten) als Selenocystein und anorganisches Selen, was sich beispielsweise in einer längeren Halbwertszeit – SeMet: 252 Tage, Selenit: 102 Tage – und einer höheren Selenkonzentrationen im Blutserum und in den Erythrozyten nach oraler Zufuhr von SeMet im Vergleich gleicher Mengen anorganischer Selenformen äußert [4, 7, 16, 22, 28, 33].

Ausscheidung

Die Ausscheidung von Selen hängt sowohl vom individuellen Selenstatus als auch von der oral zugeführten Menge ab [8, 10, 16, 22].

Selen wird hauptsächlich über die Niere mit dem Urin als Trimethylseleniumion (Se(CH3)3+) ausgeschieden, das durch mehrfache Methylierung (Übertragung von Methyl (CH3)-Gruppen) aus Selenid entsteht [30, 33]. In selenarmen Regionen Europas kann eine renale Selenexkretion von 10-30 µg/l verzeichnet werden, während in gut versorgten Gebieten, wie in den USA, eine Selenkonzentration im Urin von 40-80 µg/l messbar ist [13]. Bei Stillenden ist zusätzlich mit einem Selenverlust – in Abhängigkeit der oral aufgenommenen Menge – von 5-20 µg/l über die Muttermilch zu rechnen [2, 16, 20].
Bei Aufnahme höherer Selenmengen gewinnt die Abgabe über die Lunge an Bedeutung, wobei flüchtige Methyl-Selenverbindungen, wie das aus Selenid hervorgehende, nach Knoblauch riechende Dimethylselenid (Se(CH3)2), über den Atem abgegeben wird ("Knoblauchatem") – frühes Kennzeichen einer Intoxikation (Vergiftung) [7, 8, 22, 23, 28, 33].

Im Gegensatz zu anderen Spurenelementen, wie Eisen, Kupfer und Zink, deren Homöostase hauptsächlich durch die intestinale Absorption kontrolliert wird, erfolgt die homöostatische Regulation von Selen vor allem durch die renale (die Niere betreffend) Ausscheidung, bei einem Selenüberschuss zusätzlich durch die Atmung [16, 17, 22, 30, 34]. So wird bei unzureichender Selenversorgung die renale Exkretion (Ausscheidung) vermindert und bei gesteigerter Selenzufuhr die Eliminierung über den Urin beziehungsweise den Atem erhöht [30].

Des Weiteren wurden die folgenden Fachbücher für die Verfassung dieses Artikels herangezogen [36, 37].

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Autoren: Dr. med. Werner G. Gehring
Letzte Aktualisierung: 14.06.2024

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