Studien

Allgemeines über eisen

Eisen ist ein sehr häufiges Element auf der Erde. Auf die gesamte Erde bezogen hat Eisen mit 29 Prozent, nach Sauerstoff mit 32 Prozent, den zweithöchsten Massenanteil aller Elemente. In der Erdkruste hat Eisen einen Anteil von 5,6 Prozent. Die Metalle Aluminium, Eisen, Calcium, Natrium, Magnesium und Kalium haben insgesamt einen Massenanteil von 24,7 Prozent in der Erdkruste, wobei unter diesen sechs Metallen Eisen das einzige schwerere Metall darstellt.

Eisen und Nickel besitzen die größte Kernbindungsenergie aller chemischen Elemente. Mit anderen Worten: Sie sind die stabilsten Elemente in der Materie überhaupt. Eisen ist der Endpunkt von Kernfusionsreaktionen. Unter Kernfusion versteht man das Verschmelzen von leichten Atomkernen zu schweren Elementen, unter Freisetzung von Energie. Kernfusionsreaktionen sind aber nur bis zum Element Eisen möglich, weil die Bildung schwerer Elemente nur unter Aufwendung von Energie möglich ist. Kernfusionsreaktionen sind die Energiequelle der Sterne. Im Verlauf der Sternentwicklung werden immer schwerere Elemente "erbrütet", wobei die Bildung von Eisen sozusagen der Endpunkt der Energiebildung ist. Bei Sternen, die größer als acht Sonnenmassen sind, besteht der Kern aus purem Eisen. Eisen wird also ständig in Sternen gebildet und ist deshalb ein sehr häufiges Element im Kosmos.

Gerade in den letzten Jahren werden immer wieder Fachartikel publiziert, die über bemerkenswerte Eigenschaften des Eisens im Kosmos berichten. 2002 wurden in einem 13,5 Milliarden alten Quasar erstaunlich hohe Konzentrationen von Eisen nachgewiesen. Der Quasar ist rund 1,5 Mrd. Jahre nach Beginn des materiellen Universums entstanden und dürfte nach astronomischen Vorstellungen eigentlich nur wenig Eisen enthalten - stattdessen enthält er dreimal mehr Eisen als unser Sonnensystem. Die Astronomen stehen vor einem Rätsel.

2009 wurde von französischen Forschern publiziert, dass die kosmische Strahlung mit wachsender Energie immer mehr Atome des Eisens enthält. Auch hier herrscht Rätselraten über den Ursprung der Eisenkerne. Nach den gängigen astrophysikalischen Vorstellungen dürfte es dieses Phänomen gar nicht geben.

Interessant ist auch die Meldung, dass schwarze Löcher in den Tiefen des Alls schwere Eisen- und Nickelatome ausspeien, wobei diese Eisen- und Nickelatome auf zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Im September 2013 wurde vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik publiziert, dass Eisen auch für die Funktionsfähigkeit der Sonne eine große Bedeutung hat. Hierbei ist es entscheidend wichtig, dass der Strahlungstransport nach außen gehemmt wird, d.h. die energiereiche Strahlung darf die Sonne nicht in vollem Umfang verlassen, weil dies ja zu einem schnellen Energieverlust der Sonne führen würde. Durch das Eisen im Sonnenplasma erfolgt eine Art Röntgenabschirmung oder Isolierung, d.h. Eisen verhindert eine zu hohe Energieabgabe der Sonne.

Eisen ist von zentraler Bedeutung für die Entstehung des Erdmagnetfeldes. Mit Hilfe seismischer Messungen wurde ermittelt, dass der Erdkern zu etwa 90 Prozent aus Eisen besteht. Dabei unterscheidet man den inneren Erdkern, der fest ist, vom äußeren Erdkern, in dem das Eisen in einer flüssigen Phase vorliegt. Bewegungen des Eisens im äußeren Erdkern erzeugen elektrische Ströme, die dann wiederum ein Magnetfeld hervorrufen. Das Erdmagnetfeld ist sehr wichtig für das Leben auf der Erde, bekanntlich dient es vielen Tieren zu Orientierung. Auch das Pflanzenwachstum wird durch das Erdmagnetfeld beeinflusst. Veränderungen der Magnetfeldstärke, z.B. durch biomagnetische Stürme, sind beim Menschen vielfach auch mit verschiedenen Erkrankungen in Verbindung gebracht worden.

Eisen ist ein lebenswichtiges Spurenelement für Pflanzen, Tiere und Menschen und hat sehr vielfältige Eigenschaften. Der Gesamteisenbestand des menschlichen Körpers beträgt vier bis fünf Gramm. Davon befinden sich ca. 60 Prozent im Blutfarbstoff Hämoglobin, ca. fünf Prozent im roten Muskelfarbstoff Myoglobin, ca. 20 Prozent in den Verbindungen Ferritin und Hämosiderin, die auch als Eisenspeicher dienen. Die Leber ist ein wichtiges Eisenspeicherorgan und enthält etwa ein Gramm Eisen.

Eisen ist ein unentbehrlicher Bestandteile zahlreicher Enzyme und somit auch an vielen Stoffwechselreaktionen beteiligt. In den Enzymen kann Eisen in Form so genannter Eisen-Schwefel-Zentren vorliegen oder als Hämverbindung.

Stoffwechselfunktionen von Eisen

Hämoglobin ist der Hauptbestandteil der roten Blutkörperchen. Es handelt sich um eine komplex aufgebaute eisenhaltige Eiweißverbindung. Ein Hämoglobinmolekül besteht aus vier eisenhaltigen Untereinheiten und kann vier Sauerstoffmoleküle binden. Hämoglobin ist also von zentraler Bedeutung für den Sauerstofftransport. Wenn die Hämoglobinkonzentrationen oder die Zahl der roten Blutkörperchen vermindert sind, ist dies ein starker Hinweis auf eine Eisenmangelanämie. Normale Hämoglobinkonzentrationen oder normale Konzentrationen der Erythrozyten sind aber kein Beweis für eine ausreichende Eisenversorgung des Stoffwechsels.

Eisen und Myoglobinbildung

Myoglobin ist eine eiweißhaltige Eiweißverbindung, die in der Skelettmuskulatur und in der Herzmuskulatur vorkommt. Das Myoglobin kann als Sauerstoffspeicher angesehen werden, da es den Sauerstoff vom Hämoglobin aus dem Blut übernimmt und ihn zur Deckung des Energiebedarfs bei Muskelarbeit einsetzen kann. Bei einem Eisenmangel kann es zu einer Verminderung des Myoglobingehaltes in den Skelettmuskelzellen kommen. Myoglobin ist auch ein wichtiger Laborwert zum Ausschluss oder zur Frühdiagnose eines Herzinfarkts.

Eisen ist wichtig für den Energiestoffwechsel

Die Energiebildung im Stoffwechsel findet ganz überwiegend in den Mitochondrien statt. Diese sind kleine Zellorganellen, die man zu Recht als Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Der mit Abstand wichtigste Energieträger des Stoffwechsels ist Adenosintriphosphat (ATP), das an nahezu allen Stoffwechselreaktionen beteiligt ist und hierfür die Energie liefert. ATP wird in den Mitochondrien mit Hilfe der Atmungskette aufgebaut. Die Atmungskette ist ein Enzymkomplex, der mehrere eisenhaltige Verbindungen enthält, z.B. Cytochrom-C-Reduktase oder Cytochrom-C-Oxidase. Bei einem Eisenmangel kommt es also mit einer großen Wahrscheinlichkeit zu einer Störung der ATP-Synthese, da die zugrundeliegenden biochemischen Reaktionen nicht in ausreichendem Umfang ablaufen können.

Eisen spielt auch eine wichtige Rolle für die Aktivität des Citratzyklus, einem Hauptstoffwechselweg im Organismus, mit dessen Hilfe aus den Makronährstoffen elektronenreiche Verbindungen gebildet werden, die dann sozusagen die Antriebenergie für die ATP-Synthese liefern. Vier Enzyme des Citratzyklus sind eisenabhängig, so dass ein Eisenmangel auch diesen bedeutenden Stoffwechselweg stören kann. Die Bedeutung des Eisens für den Energiestoffwechsel beschränkt sich also nicht nur auf den Sauerstofftransport und die Sauerstoffspeicherung, sondern Eisen ist direkt an der Bildung der "Energiewährung" ATP beteiligt.

Viele Energiemangelzustände, wie z.B. Erschöpfung, Müdigkeit, Abgeschlagenheit und geringe körperliche Leistungsfähigkeit, können auf einen Eisenmangel beruhen. Seit einigen Jahren werden bei Patienten mit Herzinsuffizienz vermehrt Eiseninfusionen eingesetzt - dies mit sehr gutem Erfolg, da es durch die Eiseninfusionen zu einer deutlichen Besserung der körperlichen Leistungsfähigkeit kommt. Bei Patienten mit Herzinsuffizienz liegt ein Eisenmangel der Herzmuskelzellen vor, wodurch die ATP-Synthese beeinträchtigt ist.

Eisen und Hormonstoffwechsel

Eisen spielt eine wichtige Rolle für den Stoffwechsel der Schilddrüsenhormone. Es ist ein essentieller Bestandteil der Thyreoperoxidase. Dieses Enzym katalysiert den ersten Schritt der Synthese der Schilddrüsenhormone aus der Aminosäure Tyrosin. Ein Eisenmangel kann  mit niedrigen Schilddrüsenhormonwerten verbunden sein. Bei der Behandlung  von Schilddrüsenerkrankungen sollte also nicht nur der Jodstatus beachtet werden, sondern immer auch die Eisenversorgung.

Eisen hat auch eine zentrale Bedeutung für die Bildung der Steroidhormone, zu denen die Geschlechtshormone, Glukokortikoide und Mineralkortikoide gehören. Die „Mutter der Steroidhormone“ ist das Pregnenolon, das mit Hilfe der eisenhaltigen Cholesterol-Monooxygenase aus Cholesterin gebildet wird. Für die Synthese der einzelnen Steroidhormone aus Pregnenolon sind dann wiederum weitere eisenhaltige Enzyme erforderlich.

Prostaglandine sind zwar keine Hormone im klassischen Sinne, sondern sogenannte Gewebshormone oder Zellbotenstoffe, dennoch spielen sie für die Regulation des Stoffwechsels eine wichtige Rolle. An der Bildung der Prostaglandine aus der Arachidonsäure sind verschiedene eisenhaltige Enzyme beteiligt.

Carnitinsynthese

Carnitin ist ein Transportmolekül, das langkettige Fettsäuren in die Mitochondrien befördert. Bei einem Carnitinmangel kommt es also zu einer Einschränkung der Fettsäureverbrennung, was sich in Energiemangel, verminderter körperlicher Belastbarkeit etc. äußern kann. Eisen ist erforderlich für die Synthese von Carnitin. Bei einem Eisenmangel kann die körpereigene Carnitinbildung beeinträchtigt sein.

Entgiftungskapazität der Leber

Eisen ist Bestandteil der Cytochrom P450-Enzyme. Diese Enzymfamilie wird für Entgiftungsreaktionen in der Leber benötigt. Entgiftung bedeutet die Umwandlung nicht ausscheidbarer Stoffe durch chemische Prozesse in ausscheidbare Substanzen. Dazu werden in Biotransformation-Phase-1-Reaktionen die Stoffe so verändert, dass sie anschließend in eine wasserlösliche Form gebracht werden können (Biotransformation-Phase-2). Für die Phase-1-Reaktionen sind die eisenhaltigen CYP-Enzyme notwendig. Eisen ist also von zentraler Bedeutung  für den Abbau von Medikamenten und Schadstoffen.

Kollagensynthese und Eisen

Kollagene sind mengenmäßig die mit Abstand häufigsten Proteine im Organismus. Kollagene kommen in der Haut, in den Knochen, in den Knorpeln und im Bindegewebe vor. Die Propylhydroxylase ist ein eisenhaltiges Enzym, das für die Stabilität der Kollagene eine große Bedeutung hat. Ein Eisenmangel kann also zu Strukturdefekten der Kollagene führen, z.B. erkennbar an einer verstärkten Faltenbildung der Haut.

Eisen: auf für die Endothelfunktion wichtig

Das Endothel bildet die innere Beschichtung der Gefäßwände und hat darüber hinaus verschiede physiologische Funktionen. Mit Hilfe eisenhaltiger NO-Synthasen wird das Signalgas NO gebildet, das für die Erweiterung der Blutgefässe durch Erschlaffung der Gefäßmuskulatur eine zentrale Rolle spielt. Eisen ist also auch wichtig für die Funktionsfähigkeit der Blutgefässe und für die Blutdruckregulation.

Das Immunsystem benötigt ebenfalls Eisen

Eisen ist auch erforderlich für die Immunkompetenz, insbesondere für die Aktivität der Leukozyten. Die Bildung von Stickstoffmonoxid (NO) ist eisenabhängig; die Leukozyten benötigen NO zur Bekämpfung von Erregern. Ein weiteres eisenhaltiges Molekül ist die Myeloperoxidase, die Sauerstoffradikale bildet, ebenfalls zur Bekämpfung von Krankheitserregern.
Wichtig ist Eisen auch für die Proliferation der Lymphozyten, da Eisen essentiell für die DNA-Synthese ist.

 
Nervensystem und Eisen

Eisen hat zahlreiche Funktionen im Nervensystem. Es ist beteiligt an der Bildung der Katecholamine und von Serotonin. Das eisenhaltige Enzym Tyrosin-Hydroxylase katalysiert den ersten Reaktionsschritt für die Bildung der Katecholamine aus der Aminosäure Tyrosin. Diese biochemische Reaktion ist gleichzeitig der geschwindigkeitsbestimmende Faktor für die Katecholaminsynthese. Das heißt, bei einem Eisenmangel kommt es zu einer verminderten Bildung von Dopamin, Noradrenalin und Adrenalin.Serotonin wird aus der Aminosäure Tryptophan gebildet, auch hierfür ist ein eisenhaltiges Enzym erforderlich. Der Neurotransmitter Dopamin spielt eine zentrale Rolle für Motivation und Konzentration; Serotonin ist wichtig für die Stimmung und für das Sozialverhalten. Auch für den Serotoninabbau ist Eisen erforderlich.

Eisen ist erforderlich für die Myelinbildung. Myelin bildet die Ummantelung der Nerven, die für eine regelrechte Nervenreizleitung benötigt werden. Bei Kindern mit einem Eisenmangel konnte z.B. nachgewiesen werden, dass Nervenimpulse aus dem Gehör- und dem Sehsinn verlangsamt weitergeleitet werden. Nachgewiesen ist auch eine Beteiligung von Eisen an der Bildung von Dendriten und Synapsen, weshalb ein Eisenmangel in der frühen Kindheit schwerwiegende Folgen hat, da die richtige Ausreifung des Gehirns gestört ist. Die dadurch entstandenen Schäden können auch nicht mehr rückgängig gemacht werden und beeinträchtigen häufig die kognitive Leistungsfähigkeit.

Zu erwähnen ist auch noch, dass Eisen auch für die Energieversorgung der Nerven eine große Rolle spielt. Bei einer Störung der mentalen Gesundheit und der Hirnleistungsfähigkeit sollte immer auch der Eisenstatus überprüft werden und gegebenenfalls eine Eisensupplementierung durchgeführt werden.

Weitere Stoffwechselfunktionen von Eisen

Eisen ist beteiligt an der Taurinsynthese und an der DNA-Synthese. Auch die Bildung von Gallensäuren sowie die Synthese bestimmter Fettsäuren ist eisenabhängig. Eisen wird für den Retinolstoffwechsel benötigt und hat deshalb eine wichtige Funktion für die Sehfähigkeit. Ein Eisenmangel erhöht das Thromboserisiko, da vermehrt nicht voll aktive Blutblättchen gebildet werden.

Wichtige Symptome und Krankheiten in Verbindung mit einem Eisenmangel

Aus den Stoffwechselfunktionen des Eisens geht meist hervor, welche Symptome und Krankheiten bei einem Eisenmangel auftreten können, z.B. Blutarmut, Müdigkeit und Abgeschlagenheit, Herzleistungsschwäche, Störungen der Blutdruckregulation Brüchige Haare und Nägel, vermehrte Faltenbildung, Haarausfall, Osteoporose, Störungen der Schilddrüsenfunktion, Fettstoffwechselstörungen, Entgiftungsschwäche der Leber, Sehstörungen, Depressionen und Angstzustände, vegetative Labilität, Immunschwäche und vieles mehr.

Diagnostik

Zur Beurteilung der Eisenversorgung sind mehrere Laborparameter erforderlich. Die Bestimmung von Eisen im Blut allein ist nicht aussagekräftig. Ferritin ist ein Eisenspeicherprotein, das im ganzen Körper vorkommt. Es ist ein sehr guter Parameter zur Beurteilung eines Eisenmangels, wenn keine Entzündung oder kein Infekt im Körper vorliegt. Auch die Transferrinsättigung, die aus der Transferrinkonzentration und der Eisenkonzentration errechnet werden kann, ist bei erhöhter Entzündungsaktivität nur wenig aussagekräftig. In diesen Fällen sollte der lösliche Transferrinrezeptor (sTfR) bestimmt werden.

Dazu eine Erklärung: Zellen, die einen Eisenbedarf haben, besitzen an ihrer Oberfläche eine Andockstelle für das eisenbeladene Transferrin. Diese Struktur nennt man Transferrinrezeptor. Ein Teil dieser Rezeptoren wird ins Blut abgegeben und dann als löslicher Transferrinrezeptor bezeichnet. Die Serumkonzentration des löslichen Transferrinrezeptors ist direkt proportional zur Rezeptorkonzentration auf den Zellmembranen. 80 bis 95 Prozent der Transferrinrezeptoren befinden sich auf den Zellen, aus denen sich rote Blutkörperchen bilden. Bei einem Eisenmangel steigt die Konzentration des löslichen Transferrinrezeptors an, da die blutbildenden Zellen mehr Transferrinrezeptoren ausbilden.

Eine Besonderheit des Eisenstoffwechsels findet man häufig bei übergewichtigen Menschen, nämlich eine Erhöhung der Ferritinkonzentration bei normaler Transferrinsättigung. Übergewichtige Menschen haben trotz eines erhöhten Ferritins häufig einen Eisenmangel, da die Eisenaufnahme im Darm vermindert ist. Die Einnahme von Eisenpräparaten ist deshalb wenig sinnvoll, da das Eisen nur in geringem Umfang vom Darm aufgenommen wird. Die einzig sinnvolle Alternative sind Eiseninfusionen.

Eisen hat viele "Mitstreiter"

Eine Supplementierung von Vitamin A verbessert die Bildung roter Blutkörperchen, wahrscheinlich durch vermehrte Mobilisierung des Eisens aus bestehenden Speichern. Niedrige Vitamin-B2-Konzentrationen beeinträchtigen den Anstieg der Hämoglobinkonzentration nach einer Eisentherapie. Vitamin B6 ist ein wichtiges Coenzym für die Hämsynthese und damit auch für die Hämoglobinbildung. Ein Vitamin-B12- und Folsäuremangel führt zu einer Verlangsamung der Blutbildung.

Vitamin C kann die Bioverfügbarkeit von Eisen aus Nahrungsmitteln erhöhen. Das Spurenelement Kupfer führt zu einer Störung der Eisenmobilisierung aus den Speichern. Außerdem ist ein kupferhaltiges Enzym erforderlich für die Beladung des Transferrins mit Eisenionen.

Zink ist für die Hämbiosynthese erforderlich und hat dadurch auch einen Zusammenhang mit dem Eisenstoffwechsel. Die Elektrolyte Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium regulieren u. a. den Blut-PH-Wert. Dadurch ergibt sich auch ein Zusammenhang zum Eisenstoffwechsel. Je nieriger der Blut-PH-Wert ist. umso weniger Sauerstoff kann das Hämoglobin binden.

Auch verschiedene Aminosäuren haben einen Bezug zum Eisenstoffwechsel. Histidin spielt eine wichtige Rolle für die Bindung von Eisen im Hämoglobinmolekül und in anderen eisenhaltigen Proteinen. Eine supoptimale Versorgung mit Lysin ist neben einem Eisenmangel ein wichtiger Grund für Haarausfall. Cystein ist eine schwefelhaltige Aminosäure und dient unter anderem auch als Ausgangssubstanz für die Bildung von Mehrfachkomplexen aus Eisen und Schwefel, die z.B. in der Atmungskette eine große Bedeutung haben.

Auch Carnitin ist eine Schwefelquelle. Möglicherweise kann Carnitin auch die Blutbildung verbessern, außerdem spielt es eine zentrale Rolle für die Funktionsfähigkeit der Mitochondrien.

Ist Fleisch eine gute Eisenquelle?

Immer noch wird behauptet, dass für eine gute Eisenversorgung der Fleischverzehr erforderlich sei. Fakt ist, dass die Eisenverbindung im Fleisch, das Hämeisen, verschiedene gesundheitsschädigende Wirkungen hat, und dadurch das Risiko für Herzkreislauf-Erkrankungen, Krebs und Diabetes ansteigt. Für die Eisenversorgung ist der Fleischverzehr definitiv nicht notwendig. Verschiedene pflanzliche Nahrungsmittel, z.B. Linsen, weiße Bohnen, Erbsen, Haferflocken und auch Roggenbrot, sind erstklassige Eisenquellen. Die Nationale Verzehrsstudie II hat übrigens ergeben, dass Männer und Frauen die größte Menge an Eisen über das Brot aufnehmen.

Wie sollte man bei einem Eisenmangel vorgehen?

Ein gewisses Problem bei der Diagnostik eines Eisenmangels ist der Normbereich des Ferritins, der selbst unter Fachleuten schon längere Zeit umstritten ist. Bei Frauen wird meist ein Normbereich von 15 bis 150 µg/l, bei Männern ein Bereich von 30 bis 400 µg/l als normal erachtet. In internationalen Studien wird aber meist ein Ferritinwert keiner als 100 µ/l als Eisenmangel definiert, und das völlig zu Recht. Häufig werden bei Ferritinwerten unter  100 µg/l  verschiedene Anzeichen eines Eisenmangels beobachtet, z.B. depressive Verstimmungen, Konzentrationsstörungen, Haarausfall und viele andere Symptome.

Je nach Schweregrad des Eisenmangels und der zugrundeliegenden Erkrankung ist abzuwägen, ob eine Therapie mit Eisentabletten ausreicht, oder ob Eiseninfusionen besser geeignet sind.