knee pixabayKnochen ist ein hochdifferenziertes Stützgewebe, das für die Bewegungen unerlässlich ist, ebenso für den Schutz des Gehirns. Knochen ist auch ein Speicher für Calcium- und Phosphationen. Das Knochenmark im Inneren der Knochen ist für die Blutbildung zuständig.

Knochen besteht aus Grundsubstanz, Knochenzellen und Mineralien. Die anorganischen Bestandteile des Knochens einschließlich des Wassers machen rund 80% aus. Die restlichen 20% entfallen auf organisches Material. Das anorganische Knochenmaterial setzt sich überwiegend aus Calciumphosphaten zusammen, die dem Hydroxylapatit sehr ähnlich sind.

Die Hauptkomponente des organischen Materials sind Kollagenfibrillen, die dem Knochen eine gewisse Elastizität verleihen. Nur etwa 10% der organischen Matrix sind nicht-kollagene Proteine, die aber für die Knochenentwicklung und Knochenhomöostase eine zentrale Bedeutung haben.

Osteoblasten synthetisieren die Knochenmatrix, sie sind epithelähnliche Zellen, die auf der Oberfläche der Knochentrabekel sitzen. Ein Teil der Osteoblasten wird schließlich in die Knochenmatrix eingebettet und differenziert zu Osteozyten. Die Osteoklasten sind die Zellen, die die feste Kalksubstanz der Knochen abbauen, was durch eine lokale Ansäuerung geschieht. Die Osteoklasten bereiten durch ihren Abbau auch wiederum den Aufbau durch Osteoblasten vor. Im Knochen finden also ständig Umbauvorgänge statt. Etwa alle 10 Jahre ist das Skelett einmal erneuert.

Die Knochenhomöostase wird durch Hormone und Cytokine beeinflusst. Hohe Spiegel an Glucocorticoiden beispielsweise führen zu einer Entmineralisierung der Knochen und fördern die Entstehung einer Osteoporose. Das Parathormon aktiviert die Osteoklasten und die Calcium-Freisetzung.

Für den Knochenstoffwechsel wird eine Vielzahl von Mikronährstoffen benötigt, es geht also nicht nur um eine ausreichende Calciumzufuhr, auch andere Mikronährstoffe sind sehr wichtig.

Kupfer

Ein Kupfermangel hat einen nachteiligen Effekt auf die Knochengesundheit. Bei älteren Menschen waren niedrige Kupferkonzentrationen im Blut mit einer höheren Inzidenz für Schenkelhalsfrakturen assoziiert. Bei Kleinkindern führte ein Kupfermangel zu brüchigen Knochen. Kupfer ist Bestandteil der Lysyloxidase, einem Enzym, das für die Quervernetzung von Kollagen und Elastin eine zentrale Rolle spielt. Die Lysyloxidase oxidiert eine Aminogruppe von Lysin, wodurch dann eine Aldehyd-Gruppe entsteht, die eine Verlinkung mit einem weiteren Lysin ermöglicht. Dadurch kommt es zu einer Verstärkung der Kollagenfasern. Es gibt auch Hinweise, dass ein Kupferdefizit mit einer vermehrten Produktion von freien Radikalen verbunden ist, wodurch vor allem die Proliferation der Osteoblasten gestört ist.

Eisen

Eisen ist Teil der Prolyl-Hydroxylase, die Prolin in Hydroxyprolin umwandelt, das für das Kollagen-Cross-Linking benötigt wird. In mehren Studien zeigte sich ein Zusammenhang zwischen der Eisenaufnahme und der Knochendichte. Ein Eisenmangel und eine Eisenmangelanämie erhöhten bei israelischen weiblichen Soldaten das Risiko für Stressfrakturen im Rahmen der Grundausbildung.

Mangan

Mangan ist ein Cofaktor der Glycosyltransferasen, welche für die Bildung von Proteoglycanen benötigt werden. Proteoglycane sind erforderlich für die Bildung von Knorpel und Knochen. Beispiele für solche Proteoglycane sind Decorin und Biglykan. Dekorin ist ein Kollagen-bindendes Protein, es ist  wichtig für die Bildung von Kollagenfasern. Bei verschiedenen Tierarten kann ein Manganmangel zu Skelettdeformitäten führen. Beim Menschen gibt es nur wenige Erkenntnisse, wie sich ein Manganmangel auf die Integrität der Knochen auswirkt. Niedrige Mangankonzentrationen wurden beispielsweise bei Frauen mit Osteoporose sowie bei Kindern in Liverpool nachgewiesen. Die Kinder in Liverpool litten an Morbus Perthes, einer Nekrose des Hüftkopfes. Es ist nicht bekannt, wie sich eine Supplementierung von Mangan als Einzelsubstanz auf die Osteoporose auswirkt, da in entsprechenden Untersuchungen immer Kombinationen mit anderen Mikronährstoffen zum Einsatz kamen.

Zink

Der Knochen enthält ein Drittel des gesamten Körperzinkbestandes und ist somit auch ein wichtiger Zinkspeicher der Körpers. Ein Zinkmangel beeinträchtigt den Knochenstoffwechsel, insbesondere kommt es zu einer verminderten Aktivität der Osteoblasten, einer Reduzierung der Synthese von Kollagenen und Proteoglykanen sowie zu einer Beeinträchtigung der Aktivität der alkalischen Phosphatase. Ein Zinkmangel bei Kindern kann zu Wachstumsstörungen führen. Eine Zinksupplementierung bei Kindern erhöht die Konzentration von  Faktoren, die das Knochenwachstum stimulieren, z.B. IGF-1- und IGF-bindendes Protein.

Wissenschaftler aus China publizierten 2014 ein Metaanalyse über den Zusammenhang zwischen den Serumkonzentrationen von Eisen, Kupfer und Zink mit dem Osteoporoserisiko. Neben einem Kupfer- und Eisenmangel erwies sich auch ein Zinkmangel als bedeutender Risikofaktor für eine Osteoporose.

Calcium

Das Skelett und die Zähne enthalten 99% des Gesamtkörperbestandes von Calcium und 80% von Phosphor. Diese beiden Elemente spielen eine zentrale Rolle für die Stabilität der Knochen. Das Skelettsystem wiederum dient dem Organismus als Reservoir für Calcium und Phosphor, zum Beispiel zur Aufrechterhaltung einer normalen Calciumkonzentration im Blutserum. Eine ausreichende Calciumzufuhr ist zur Vermeidung einer Osteoporose von großer Bedeutung. Allerdings sollte nicht nur die Calciumzufuhr Beachtung finden, sondern auch die Ernährungsfaktoren, die die Calciumbilanz verschlechtern, z.B. eine hohe Zufuhr von Kochsalz oder eine säureüberschüssige Ernährungsform wie der Western-Diet-Ernährungsstil.

Kritisch zu hinterfragen ist auch, ob Milch eine sinnvolle Calciumquelle darstellt. In den Ländern mit dem höchsten Milchverbrauch pro Kopf ist die Osteoporoserate häufig deutlich höher als in Ländern mit niedrigem Milchkonsum.

Magnesium

60% des Gesamtkörperbestandes an Magnesium befinden sich in den Knochen. Magnesium ist beteiligt an der Knochenmineralisation und am Aufbau der Knochenmatrix, ist also essentiell für die Gesundheit des Skelettsystems. Verschiedene Studien haben auch gezeigt, dass eine Magnesium-Supplementierung die Knochendichte verbessern kann. Allerdings ist die Datenlage diesbezüglich nicht eindeutig.

Kalium

Für die Knochengesundheit hat eine hohe Kaliumzufuhr in Form von Obst und Gemüse einen günstigen Effekt, weil dadurch ein Basenüberschuss entsteht, der den Bedarf an Knochensalzen zur Pufferung vermindert. Einige Studien zeigten einen positiven Zusammenhang zwischen der Kaliumaufnahme und  der Knochendichte. 

Vitamin C

Vitamin C ist ein essentieller Cofaktor für die Hydroxylierung von Lysin und Prolin und spielt damit eine wichtige Rolle für die Kollagenbildung. Vitamin C stimuliert auch die Prokollagensynthese sowie die Aktivität der alkalischen Phosphatase. In mehreren Studien zeigte Vitamin C einen günstigen Effekt auf die Knochendichte, insbesondere bei postmenopausalen Frauen.

Vitamin B2

Ein Riboflavinmangel beeinträchtigt die Resorption von Eisen Calcium und Zink. Vitamin B2 ist erforderlich für den Stoffwechsel von Folsäure, Vitamin B6 und Vitamin K. Deshalb kann sich ein Vitamin-B2-Mangel auch nachteilig auf den Knochenstoffwechsel auswirken.

Vitamin B6

Vitamin B6 ist erforderlich für die Quervernetzung von Kollagen und Elastin. Außerdem ist Vitamin B6 am Homocysteinabau beteiligt, erhöhte Homocysteinkonzentrationen gelten inzwischen als starker Risikofaktor für die Entwicklung einer Osteoporose. Bei Teilnehmern der Framingham Osteoporosis Study waren die Vitamin-B6-Konzentrationen invers mit dem Verlust an Knochenmasse assoziiert.

Folsäure

Folsäure ist wichtig für die DNA-Synthese und hat eine wesentliche Funktion beim Homocysteinabbau. Erhöhte Homocysteinkonzentrationen führen zu vermehrten Verlusten an Knochenmasse und beeinträchtigen auch die Mikroarchitektur der Knochen. Dies wird verursacht durch eine Aktivierung der Osteoklasten mittels ROS.

Vitamin B12

Die Vitamin-B12-Versorgung ist besonders bei älteren Menschen kritisch zu sehen. In der Longitudinal Aging Study Amsterdam waren erhöhte Homocysteinkonzentrationen und niedrige Vitamin-B12-Konzentrationen mit einer geringeren Knochendichte und einem erhöhten Frakturrisiko assoziiert. Außerdem waren die Marker des Knochenumsatzes erhöht.

Vitamin D

Vitamin D spielt eine zentrale Rolle für die Verwertung von Calcium und Phosphat sowie für die Knochengesundheit. Eine unzureichende Versorgung mit Vitamin D beeinflusst nachteilig die Knochendichte und die Mineralisierung des Knochens. Ein Vitamin-D-Mangel führt zu einer vorzeitigen Knochenalterung mit einem Anstieg von weichem Knochengewebe, was mit einem erhöhten Risiko für Knochenbrüche einhergeht. Ein Vitamin-D-Mangel ist häufig mit muskulärer Schwäche und mit diffusen Knochen-Muskel-Schmerzen verbunden. In mehreren Studien konnte durch eine Vitamin-D-Supplementierung eine deutliche Besserung dieser Beschwerden erreicht werden. 

Vitamin K

Vitamin K ist erforderlich für die gamma-Carboxylierung von proteingebundenen Glutamatresten. Zu den so aktivierten Proteinen zählen verschiedene Gerinnungsfaktoren sowie das Osteocalcin der Knochen und das Matrix-Gla-Protein im Knorpel und in den Gefäßwänden. Eine Unterversorgung mit Vitamin K führt zu einer Untercarboxylierung des Osteocalcins und damit zu einer Verminderung der Knochendichte und zu einer höheren Frakturrate. Studien bei postmenopausalen Frauen, die Vitamin K supplementierten, zeigten ganz überwiegend einen günstigen Effekt in Bezug auf die Knochendichte und das Frakturrisiko, aber nur bei befriedigender Vitamin-D-Versorgung.

Aminosäuren

Aminosäuren sind die Bausteine sämtlicher Proteine. Die Knochendichte ist von einer ausreichenden Zufuhr von Proteinen abhängig, die aber bevorzugt pflanzlichen Ursprungs sein sollten. Eine hohe Aufnahme tierischer Proteine kann sich  auch nachteilig auf die Knochengesundheit auswirken, weil ein Säureüberschuss in der Ernährung vom Stoffwechsel durch Freisetzung basischer Mineralstoffe kompensiert werden muss. Jedenfalls zeigten mehrere Studien, dass pflanzliche Proteine die Knochendichte bei Frauen verbesserten, tierische Proteine hingegen nicht. Wissenschaftler aus England konnten nachweisen, dass sechs Aminosäuren für die Knochendichte eine zentrale Rolle spielen, nämlich Alanin, Arginin, Glutaminsäure, Leucin, Lysin und Prolin; wobei diese Aminosäuren bevorzugt aus pflanzlichen Quellen stammen sollten.


Referenzen:

  • Heinrich, Müller, Graeve, Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie, Springer Verlag 9. Auflage
  • King JC et al.: Zinc homeostasis in humans. J Nutr. 2000 May;130(5S Suppl):1360S-6S.
    Baker A et al.: Effect of dietary copper intakes on biochemical markers of bone metabolism in healthy adult males. Eur J Clin Nutr. 1999 May;53(5):408-12.
  • Medeiros DM: Copper, iron, and selenium dietary deficiencies negatively impact skeletal integrity: A review. Exp Biol Med (Maywood). 2016 Jun;241(12):1316-22.
  • Hall AJ et al.: Low blood manganese levels in Liverpool children with Perthes' disease. Paediatr Perinat Epidemiol. 1989 Apr;3(2):131-5.
  • Morton DJ et al.: Vitamin C supplement use and bone mineral density in postmenopausal women. J Bone Miner Res. 2001 Jan;16(1):135-40.
  • Plebani, Mario: Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (CCLM), Published in Association with the European Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine (EFLM) Hrsg. v. Gillery, Philippe / Lackner, Karl J. / Lippi, Giuseppe / Melichar, Bohuslav / Payne, Deborah A. / Schlattmann, Peter / Tate, Jillian R.
  • Robert R. McLean et al.: Plasma B Vitamins, Homocysteine, and Their Relation with Bone Loss and Hip Fracture in Elderly Men and Women, J Clin Endocrinol Metab. 2008 Jun; 93(6): 2206–2212.
  • Cem Ekmekcioglu, Wolfgang Marktl: Essenzeille Spurenelemente – Klinik und Ernährungsmedizin, Verlag Springer Wien NewYork 2006
  • Jennings A et al.: Amino Acid Intakes Are Associated With Bone Mineral Density and Prevalence of Low Bone Mass in Women: Evidence From Discordant Monozygotic Twins. J Bone Miner Res. 2016 Feb;31(2):326-35.

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