Spurenelemente

Zink

Beim Zink handelt es sich um ein chemisches Element mit dem Symbol „Zn“ und der Ordnungszahl 30. Es handelt sich hierbei um ein Übergangsmetall, das aber in seinen Eigenschaften den Erdalkalimetallen näher steht.

Es ist von bläulich-weißer Farbe mit sprödem Aussehen. In der Industrie findet es ausgedehnte Anwendung: Verzinken von Eisen- und Stahlteilen, als Korrosionsschutz, zur Herstellung von Legierungen mit Kupfer (Messing) und Aluminium, als Bestandteil von Batterien usw.

Für die Lebewesen auf der Erde ist Zink ein essentielles Spurenelement, da es, wie so viele andere Spurenelemente auch, einen zentralen Bestandteil von wichtigen Enzymen darstellt. Damit wird auch klar, dass Zink ein weiterer anorganischer Stoff ist, ohne den das Leben auf der Erde nicht möglich gewesen wäre.

Biologische Bedeutung

Zink ist ein essentielles Spurenelement für Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen. Man kann es in fast 100 spezifischen Enzymen finden. Andere Quellen sprechen sogar von mehr als 300 verschiedenen Enzymen. Hier kommt es der Aufgabe als Struktur-Ion in Transkriptionsfaktoren nach (Zinkfingerproteine).

 Es ist nach Eisen das am zweithäufigste Metall im Organismus. Und es ist das einzige Metall, dass in allen Enzymklassen vertreten ist (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17286818).

In Proteinen werden Zink-Ionen oft angelagert an eine Seitenkette aus Asparaginsäure, Glutaminsäure, Cystein und Histidin. Diese Form der Zinkbindung an Proteine – und die anderer Metall-Ionen – wird noch nicht vollkommen verstanden. Im menschlichen Organismus sind etwa 2 bis 4 Gramm Zink verteilt. Das meiste Zink befindet sich im Gehirn, den Muskeln, den Knochen, den Nieren und der Leber.

Die höchsten Konzentrationen sind in der Prostata und Teilen des Auges zu finden. Samen ist besonders reich an Zink, das einen Schlüsselfaktor in der Prostatafunktion und dem Wachstum der Sexualorgane einnimmt. Im menschlichen Organismus spielt Zink die Rolle eines „Mädchen für alles“.

Es interagiert mit einer großen Zahl an organischen Liganden und spielt eine Rolle beim Metabolismus von RNA und DNA, Signalübertragung und Genexpression. Es reguliert sogar die Apoptose (programmierter Zelltod). Heute vermutet man, das etwa 10 Prozent der menschlichen Proteine (2800) sich mit Zink verbinden. Dazu kommen dann noch Hunderte, die Zink transportieren und verteilen. Eine Studie bei der Schotenkresse, auch Gänserauke oder Acker-Schmalwand genannt (Arabidopsis thaliana), identifizierte 2367 Zink-Proteine.

Im menschlichen Gehirn wird Zink in speziellen synaptischen Vesikeln von Glutamat produzierenden Neuronen gespeichert und kann von dort die Hirnerregbarkeit beeinflussen. Es spielt eine Rolle bei der synaptischen Plastizität (dies sind die morphologischen und physiologischen Veränderungen innerhalb der Neuronen) und damit beim Lernen. Jedoch wird es im Gehirn immer noch als eine unbekannte Größe angesehen, da es auch neurotoxisch wirksam werden kann. Von daher muss eine bestimmte Zink-Homöostase für die normale Funktion des Gehirns und des zentralen Nervensystems eine besondere Rolle spielen. Wie diese Homöostase aussieht, ist bislang nicht bekannt.

Enzyme

Zink ist eine effiziente Lewis-Säure. Als Lewis-Säuren werden alle die Stoffe bezeichnet, die Elektronenpaare akzeptieren, also elektrophil sind. Dies können, wie in diesem Fall, auch Metalle sein und müssen nicht die klassischen Besonderheiten einer Säure aufweisen. Durch diese Eigenschaft wird Zink zu einem nützlichen Katalysator für eine Reihe von enzymatischen Prozessen im Organismus. Zink hat eine flexible Geometrie, die es einem Protein erlaubt, mit dem Zink schnelle biologische Reaktionen einzugehen.

Z.B. enthalten die Carboanhydrase und die Carboxypeptidase Zink-Ionen. Diese Enzyme sind wichtig bei der Regulierung von Kohlendioxid und der Verdauung von Proteinen.

Im Blut der Wirbeltiere formt die Carboanhydrase das anfallende Kohlendioxid um in Bicarbonat. Das gleiche Enzym kann aber auch Bicarbonat wieder zurückführen zu Kohlendioxid, damit es durch die Lunge wieder ausgeatmet werden kann. Ohne dieses spezifische Enzym würde die Umwandlung eine Millionen mal langsamer verlaufen bei einem normalen Blut pH-Wert von 7.

 Um den Prozess zu beschleunigen, ohne das Enzym, müsste der pH-Wert des Bluts bei 10 liegen, was aber alle anderen Funktionen des Organismus abschalten würde.

Die Carboxypeptidase bricht Peptidverbindungen während des Verdauungsprozess auf. Hier spielt Zink eine Rolle in der „Freilegung“ der aufzubrechenden Bindungsstellen des zu verdauenden Peptids.

Andere Proteine

Zinkfingerproteine sind Transkriptionsfaktoren bzw. Teile davon, die in der Lage sind DNA Basensequenzen während des Replikations- und Transkriptionsvorgangs einer DNA zu erkennen. Jedes der 9 oder 10 Zink-Ionen in einem Zinkfingerprotein hilft beim Erhalt der Struktur des Proteins. Sie koordinieren dabei die Bindungen zu jeweils 4 Aminosäuren des Transkriptionsfaktors.

Der Transkriptionsfaktor wickelt sich dann um die DNA-Helix und benutzt seine Fingerproteine, um gezielt und korrekt an die DNA-Sequenz anzubinden.

Im Blut ist Zink zu 60 Prozent mit einer geringen Affinität an Albumin gebunden, welches das Metall-Ion durch die Blutbahn transportiert. Zu 10 Prozent ist Zink an Transferrin gebunden. Da die Hauptaufgabe des Transferrins der Eisentransport ist, kann eine exzessive Konzentration von Zink zu einer Reduktion der Eisenresorption führen – und umgekehrt. Eine ähnliche Konstellation gibt es in Verbindung mit Kupfer. Die Konzentrationen von Zink im Blutplasma bleiben normalerweise relativ konstant, und das ungeachtet der Zinkeinnahme. Zellen in Speicheldrüsen, Prostata, Immunsystem und Gastrointestinaltrakt brauchen Zink-Ionen für die Zellkommunikation (Cell signaling) mit anderen Zellen.

Zink kann in Metallothioneinen im Gastrointestinaltrakt oder der Leber gespeichert werden. Metallothioneine sind kleine cytoplasmatische Proteine (Proteine, die sich in der Zellflüssigkeit, dem Zytoplasma, aufhalten), die in der Lage sind, Schwermetalle zu binden. Sie haben einen ungewöhnlich hohen Cysteingehalt von mehr als 30 Prozent. Man vermutet, dass die Aufgaben dieser Proteinklasse neben der Schwermetallentgiftung auch die Speicherung von nützlichen Metallen im Organismus sind. Das Metallothionein im Gastrointestinaltrakt ist in der Lage, die Resorption von Zink um 15 bis 40 Prozent zu korrigieren. Trotzdem ist eine inadäquate, exzessive Zink-Einnahme schädlich. Eine zu hohe Zink-Einnahme blockiert die Kupferaufnahme, da die Metallothioneine beide Metalle resorbieren.

Quellen für Zink in der Ernährung

Die Empfehlungen für den täglichen Zink-Bedarf liegen bei etwa 9 Milligramm für Frauen, 14 Milligramm für Männer, 10 Milligramm für Kinder vor der Pubertät und 5 Milligramm für Säuglinge. Gute Zink-Lieferanten sind rotes Fleisch vom Rind, Schaf und Leber.

Bei den Pflanzen richtet sich der Zinkgehalt weitestgehend nach der Bodenbeschaffenheit, auf dem die Pflanze gewachsen ist. Bei einem adäquaten Zinkgehalt sind die Pflanzen mit dem höchsten Zinkgehalt Weizen (Kleie) und verschiedene Samen von Sesam, Alfalfa, Sellerie, Mohn, Senf etc. Aber Zink ist auch enthalten in Bohnen, Nüssen, Mandeln, Vollkorn, Sonnenblumensamen und der schwarzen Johannisbeere.

Andere Quellen sind angereicherte Nahrungsmittel und Nahrungsergänzungsmittel in den verschiedensten Formen. Es gab aber Zweifel, ob das Zink in Form von Zinkoxid und Zinkkarbonat, wie es in den kommerziellen Produkten zur Anwendung kommt, überhaupt resorbierbar ist, da die beiden Zink-Formen so gut wie unlöslich sind. Trotzdem ist es immer wieder zu „Zink-Vergiftungen“ gekommen. Die tägliche Höchstdosis sollte 20 Milligramm nicht überschreiten. Die bislang beste Bioverfügbarkeit für Zink wurde in einer 1987 durchgeführten Studie ermittelt:

Comparative absorption of zinc picolinate, zinc citrate and zinc gluconate in humans. Barrie et al.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/3630857

In dieser Studie wurde die Resorbierbarkeit verschiedener Zink-Komplexe untersucht. Dazu wurden 15 gesunde Probanden in einer randomisierten, doppelblinden, Plazebo kontrollierten Studie in 4 Gruppen über 4 Wochen mit oralen zinkhaltigen Nahrungsergänzungsmitteln versorgt:

Zink-Picolinat, Zink-Citrat, Zink-Gluconat und Plazebo.

Die tägliche Zinkdosis betrug in allen Fällen 50 mg elementares Zink. Vor Studienbeginn und nach Studienende wurde Zink im Haar, Urin, Erythrozyten und Serum bestimmt. Am Ende der Studie konnte man feststellen, dass bei Zink-Picolinat ein deutlicher Anstieg von Zink in Haaren, Urin und Erythrozyten zu beobachten war.

Die anderen Darreichungsformen verursachten keinen nennenswerten Anstieg der Zinkkonzentrationen. Von daher scheint eine Konjunktion von Zink mit Picolinsäure als Zink-Picolinat die beste Form für eine Supplementierung darzustellen.

Abschließend sei dazu noch anzumerken, dass trotz dieser „beeindruckenden“ Ergebnisse, eine natürliche Aufnahme über die geeigneten Nahrungsmittel eine noch beeindruckendere Bioverfügbarkeit als die der Supplemente besitzt.

Mangelerscheinungen

Immer wieder lässt sich nachlesen, dass gerade in den Entwicklungsländern ein enormer ernährungsbedingter Zinkmangel herrscht.

Aber auch einige Erkrankungen können für einen Mangel sorgen. Chronische Lebererkrankungen zählen dazu, Resorptionsstörungen, Sichelzellanämie, chronische Nierenerkrankungen, Krebserkrankungen, Diabetes und andere chronische Erkrankungen.

 Die Symptome eines leichten Zink-Mangels sind verschiedenartig. Sie beinhalten verlangsamtes Wachstum, Durchfälle, Impotenz, verzögerte sexuelle Reifung, Haarausfall, Augen- und Hautveränderungen, Appetitlosigkeit, verändertes Wahrnehmungsvermögen, geschwächtes Immunsystem, Unregelmäßigkeiten im Kohlenhydrat-Stoffwechsel und erhöhte Anfälligkeit für Krebserkrankungen im Sexualtrakt.

Risikogruppen für einen Zink-Mangel sind ältere Menschen und Vegetarier. Letztere sind deswegen betroffen, da die pflanzliche Nahrung unter Umständen Phytate enthält, die als Chelate gelten, also bioaktive Substanzen, die Metalle binden und so dem Organismus vorenthalten. Aber auch hier ist diese Einschränkung abhängig von der Art der pflanzlichen Ernährung, denn nicht alle Pflanzen enthalten gleich viel und gleich konzentriert Phytate. Mais, Soja und die verschiedenen Getreidesorten, aber auch die Erdnuss enthalten z.B. hohe Konzentrationen an Phytaten.

Laut WHO leiden in den ärmeren Ländern dieser Welt 2 Milliarden Menschen an Zink-Mangel. Bei Kindern verursacht dieser Mangel eine erhöhte Infektionsanfälligkeit und Durchfälle, die jährlich 800.000 Kindern das Leben kosten. Stellvertretend sei hier auf eine Studie verwiesen, bei der die Wirkung von Zink auf Durchfall studiert worden ist.

Zinc, Vitamin A, and Micronutrient Supplementation in Children with Diarrhea: A Randomized Controlled Clinical Trial of Combination Therapy versus Monotherapy. Dutta et al.
National Institute of Cholera and Enteric Diseases, Kolkata, India.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21592508

In dieser Studie sollte die klinische Wirkung von Zink, Zink plus Vitamin A und Zink plus einer Kombination von Mikronährstoffen (Eisen, Kupfer, Selen, Vitamin B12, Folat und Vitamin A) auf einen akuten Durchfall bei Kindern untersucht werden. Dazu wurde eine randomisierte, doppelblinde und mit Plazebo kontrollierte Studie mit Kindern mit einem Alter zwischen 6 und 24 Monaten durchgeführt. Diese zeigten das klinische Bild einer Diarrhö und mittelschwerer Dehydrierung.

Sie wurden zufallsbedingt aufgeteilt in 4 Gruppen:

• Gruppe 1 bekam Zink mit Plazebo,
• Gruppe 2 Zink und Mikronährstoffe
• Gruppe 3 Zink plus Vitamin A und
• Gruppe 4 nur Plazebo zu der Rehydrierungstherapie.

Die Dauer und Menge des Durchfalls, sowie die Menge an oraler Lösung zur Rehydrierung stellten die Beurteilungskriterien zum Vergleich der Gruppen dar. Insgesamt wurden 167 Kinder in die Studie aufgenommen.

In allen Gruppen, in denen es zu einem Zink-Einsatz kam, zeigte sich eine signifikante Reduzierung der Beurteilungsvariablen im Vergleich zu Plazebo. Die Gruppe 2 zeigte den größten Erfolg in der Behandlung, wenn auch der Unterschied zu den anderen beiden Zink-Gruppen nicht statistisch signifikant war. Aber diese Arbeit lässt den Schluss zu, dass Zink eine ausschlaggebende Rolle bei Durchfall spielt, alleine und in Kombination mit andern Spurenelementen und/oder Vitaminen. Von daher ist es empfehlenswert, bei Kindern mit Durchfällen in erster Linie auf eine Zink-Supplementierung zu achten.

Aber auch bei Neugeborenen mit einem signifikant niedrigem Geburtsgewicht scheint Zink gute Dienste zu leisten:

Effect of Zinc Supplementation on Growth in Very Low Birth Weight Infants.
Ram Kumar und Ramji
Neonatal Division, Department of Pediatrics, Maulana Azad Medical College, New Delhi, India.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21546443

Auch diese Studie war eine randomisierte, doppelblinde, Plazebo kontrollierte Studie, in der die Rolle von Zink auf das Wachstum, primär die Wachstumsgeschwindigkeit bei Säuglingen unter 3 Monaten mit sehr niedrigem Geburtsgewicht untersucht wurde. Die Studie nahm 101 Babys auf, die ein Geburtsgewicht von weniger als 1500 Gramm aufwiesen. 10 Probanden wurden nachträglich ausgeschlossen, da die Eltern ihre Zustimmung zur Teilnahme verweigerten.

Die verbliebenen 91 Säuglinge wurden zufallsbedingt unterteilt in 2 Gruppen, von der eine Gruppe 1 Milliliter Zink-Sulfat (entspricht 10 Milligramm elementarem Zink) täglich erhielt oder aber ein Plazebo für die Dauer von 60 Tagen. Am Ende der Studie zeigte sich, dass die Verumgruppe ein signifikant höheres lineares Wachstum vorweisen konnte als die Plazebogruppe (0,98 cm gegen 0,67 cm pro Woche). Dies zeigt den signifikanten Einfluss von Zink auf das Wachstum und die Entwicklung gerade bei Säuglingen.

Aber sein Augenmerk „nur“ auf Zink zu lenken, ist nicht die Lösung dieser Probleme. Gerade in den Entwicklungsländern spielt bei Mangelerscheinungen eine Vielzahl von Faktoren, nicht nur der Zink-Mangel, eine Rolle bei der Ausbildung ernährungsbedingter Mangelerscheinungen. Von daher gilt es da, mehr als nur Zink zu supplementieren.

Unter den Mängeln an Mikronährstoffen ist bei Pflanzen der Zink-Mangel der Häufigste. Böden mit hohem pH-Wert weisen nur sehr wenig bis gar kein Zink auf. Solche Böden sind zu finden in der Türkei und Indien (etwa die Hälfte der beiden Regionen), einem Drittel von China, West-Australien etc. So sind nicht nur Menschen durch einen Zink-Mangel gesundheitlichen Beeinträchtigungen ausgesetzt. Dies scheint für die Pflanzenwelt ebenso zu gelten. Daher dient die Düngung mit Zinkzusätzen auch der Gesundheit der Pflanzen.

Toxizität

Zu viel ist schlecht, auch beim Zink. Denn eine exzessive Resorption von Zink blockiert die Kupfer- und Eisenresorption. Freie Zink-Ionen in Lösung sind hoch toxisch für Pflanzen, wirbellose Tiere und Fische. Denn, wie zuvor schon erwähnt, fungieren die Zink-Ionen als Lewis-Säuren, die ein starkes Oxidationspotential haben und damit wie freie Radikale wirken können. Die Magensäure enthält Salzsäure, die in der Lage ist, metallisches Zink aufzulösen und Zink-Chlorid zu bilden, das korrosiven Charakter hat.

Eine alte 1-Cent-Münze der Amerikaner nach 1982 enthält z.B. 97,5 Prozent Zink. Würde die aus Versehen verschluckt, dann käme es mit hoher Wahrscheinlichkeit zur Schädigung der Magenschleimhäute, da die Magensäure sofort die „Produktion“ von aggressiven Zink-Chlorid und Zink-Ionen einleiten würde.

Inzwischen gibt es Berichte, dass ein Zink-Konsum von 100 bis 300 Milligramm pro Tag die Kupferresorption so nachhaltig einschränkt, dass es zu einem Kupfermangel kommt. Aber auch niedrigere Konzentrationen können die Eisen- und Kupferresorption beeinträchtigen. Auch bei Pflanzen kommt es bei einer zu hohen Konzentration von Zink im Boden (500 ppm und mehr) zu einer Blockade der Resorption von anderen Mineralstoffen. In den 1930er Jahren glaubte man in den USA, dass Zink-Gaben Polio-Infektionen günstig beeinflussen können. Es traten dabei vermehrt Störungen des Geruchsempfindens auf, die auf einer zinkbedingten Zerstörung der Nervenrezeptoren in der Nase beruhten. Ein Einfluss auf Polio konnte nicht nachgewiesen werden. 2009 empfahl die FDA, auf zinkhaltige Nasensprays zu verzichten. Diese wurden als Erkältungssprays verkauft. Außerdem wurde der Verkauf eingestellt. Die FDA argumentierte, dass ein Verlust des Geruchssinns unter Umständen lebensgefährlich sein kann, wenn z.B. eine Bedrohung durch ausströmendes Gas oder Brände nicht geruchsmäßig mehr wahrgenommen werden kann. Da Geschmack und Geruch nerval miteinander kombiniert sind, kann ein Betroffener auch verdorbene Speisen nicht sofort bemerken, was in einer Lebensmittelvergiftung enden kann.

Weitere Studien

Zink und Krebserkrankungen

Prostate cancer outcome and tissue levels of metal ions.
Sarafanov et al.
Division of Biophysical Toxicology, Department of Environmental and Infectious Disease Sciences, Armed Forces Institute of Pathology, Washington, District of Columbia.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21271612

Es gibt eine Reihe von Studien, die der Frage nachgehen, in welchem Zusammenhang Prostatakrebs und Kadmium, Eisen, Selen und Zink stehen. Aber es gibt nur wenige Daten zum möglichen Einfluss auf den Ausgang dieser Krebserkrankung. In dieser Studie wurden die Konzentrationen dieser Ionen in Proben von operativ entfernten Prostatae bestimmt, um eine mögliche Assoziation zwischen Ionen-Konzentration und Krankheitsverlauf zu untersuchen.

Insgesamt wurden Proben von 40 Präparaten untersucht. Es handelte sich dabei um Patienten mit einem wiederholt hohen PSA-Wert. Zusätzlich wurden 40 Proben von Patienten untersucht, die sich einer Prostataoperation unterzogen hatten, ohne dass wiederholt erhöhte PSA-Werte vorlagen. Untersucht wurden die Konzentrationen der oben aufgeführten Metalle in den Gebieten, die unmittelbar am Tumor lagen.
Patienten mit wiederholt hohem PSA zeigten 12 Prozent weniger Eisen und 21 Prozent weniger Zink in dem normal erscheinenden Gewebe nahe des Tumors im Vergleich zum entsprechenden Gewebe der PSA-unabhängigen Gruppe. Bei beiden Gruppen waren die Kadmium- und Selenspiegel vergleichbar.
Daraus schlossen die Autoren, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen niedrigen Zink- und Eisen-Konzentrationen und Prostatakrebs, besonders seine rezidivierende Form. Ob diese neuen Funde den Grund zeigen oder nur eine Folge der aggressiven Tumore sind, können die Autoren nicht beantworten. Es bleibt auch noch offen, ob diese Befunde einen Einsatz von Eisen- und Zink-Supplementen als Therapie rechtfertigen.

Zink und Diabetes

Effects of zinc and multimineral vitamin supplementation on glycemic and lipid control in adult diabetes.
Gunasekara et al.
Coronary Care Unit, Teaching Hospital, Karapitiya, Galle, Sri Lanka;
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21448322

Diese Studie untersuchte den Effekt von Zink mit und ohne zusätzliche Antioxidantien auf Blutglukose, Lipidprofil und Serumkreatinin bei erwachsenen Diabetikern in einer Langzeituntersuchung. In der Studie wurden 96 Patienten zufällig in 3 Gruppen aufgeteilt. Gruppe 1 erhielt ein orales Zinkpräparat – 22 Milligramm täglich – plus Multivitamine und Mineralien.

Gruppe 2 bekam Multivitamine und Mineralien ohne Zink und Gruppe 3 bekam ein entsprechendes Plazebo für die Dauer von 4 Monaten. Blutproben wurden zu Beginn der Studie abgenommen und darauf folgend am Studienende. Es wurden respektive Nüchternwerte und postprandiale Werte erhoben. Außerdem wurde das glykolisierte Hämoglobin (HbA1C) bestimmt und die Serumkonzentrationen von Zink, Kreatinin und Lipiden.

Als Ergebnis ließ sich festhalten, dass Gruppe 1 (Zink mit Vitaminen und Mineralien) den deutlichsten Rückgang der Nüchternwerte des Blutzuckers aufzeigen konnte. Die Unterschiede zu den beiden anderen Gruppen war signifikant. Ebenso wurde der HbA1C-Wert signifikant vermindert. Die beiden anderen Gruppen zeigten keine signifikante Veränderung dieses Werts. Die Serumlipide veränderten sich signifikant in Gruppe 1 und 2 gegenüber Plazebo.

Die Autoren schlossen aus ihren Beobachtungen, dass eine Gabe von Zink, Multivitaminen und Mineralien nützliche Effekte bei der Stoffwechselkontrolle von Diabetikern ausübt. Auffällig ist dabei, dass nur die Gruppe mit Zink-Gaben diese positiven Effekte zeigte. Gleiches gilt für die Lipide.