Selen

Bedeutung für die Gesundheit, Ernährung und bei verschiedenen Erkrankungen wie Krebs, Hashimoto, HIV, Diabetes und mehr.

Was ist Selen?

Selen (abgekürzt „Se“) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 34, das zur 6. Hauptgruppe im Periodensystem der chemischen Elemente gehört.

Zu diesen Chalkogenen, den „Erzbildnern“, zählen auch die Elemente Sauerstoff, Schwefel, Tellur, Polonium und das künstlich hergestellte Ununhexium.

Selen ist eher ein Nichtmetall, dessen chemischen Eigenschaften denen des Schwefels ähnlich sind. Nur die stabilste Modifikation des Elementes verhält sich ähnlich wie ein Metall. Daher wird Selen manchmal auch als Halbmetall bezeichnet.

Neben der grauen, metallischen Variante tritt Selen in der schwarzen, amorphen und in einer roten Form aus Se8-Ringen auf. In der Natur kommt Selen nur selten in seiner reinen, elementaren Form vor.

An lohnenden Fundstellen ist Selendioxid (SeO2) mit Schwefelerzen vermischt aufzufinden. Deswegen ist die Selengewinnung oft mit dem Abbau von Blei, Kupfer, Zink und Gold verbunden.

Industriell wird Selen genutzt bei der Produktion von Glas, Chemikalien, Farbpigmenten, Photoleitern, Metall-Legierungen und Haarshampoos u.v.m. In der Elektronik war Selen  früher als Halbleiter wichtig, ist aber zwischenzeitlich weitestgehend durch Silicon ersetzt worden.

Biologische Bedeutung

Selen ist als Spurenelement notwendig für die Zellfunktionen, Wachstum und Fortpflanzung der meisten, wenn nicht sogar alle Formen des Lebens. In den Zellen wird das Element in vier Oxidationsstufen eingebaut (2-, 0, 4+, 6+).

Selen ersetzt in einigen Verbindungen den ähnlichen Schwefel. So entstehen beispielsweise die Selenproteine, in denen Selen-haltige Aminosäuren enthalten sind. Selenomethionin und/oder Selenocystein sind dort Bestandteile von Selenoenzymen, für deren Funktion Selen absolut notwendig ist.

In ihnen ist das Halbmetall im aktiven Zentrum der Enzyme inseriert. Zu diesen Proteinen gehören einige Oxidoreduktasen, die aggressive Stoffwechsel-Produkte entschärfen können und andere, die im genetischen Stoffwechsel eine Rolle spielen.

Die Deiodinasen sind Selenoenzyme, die Jod aus bioorganischen Molekülen entfernen können („Deidierung“). Bedeutung hat diese Reaktion für den Stoffwechsel der Schilddrüsen-Hormone.

Auch in Mikroorganismen kommen Selenoenzyme vor. Wahrscheinlich sind auch Pflanzen von dem Spurenelement abhängig, darauf weisen die sogenannten „Selen-Zeigerpflanzen“ hin.

Zu diesen Gewächsen gehören der Tragant (Astragalus), Xylorhiza und Onopsis, die Selen in toxischen Mengen konzentrieren können. Deren Trockensubstanz kann dann bis zu 4 mg Selen pro Gramm enthalten, wodurch Vergiftungen beim Nutzvieh vorkommen können.

In einigen Pflanzen konnten bisher keine Selenproteine nachgewiesen werden. Diese Arten scheinen ohne Selen auszukommen.

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Bedeutung von Selen für die menschliche Gesundheit

Selen ist dagegen ein essenzielles Spurenelement für alle Säugetiere, einschließlich des Menschen. Selenocystein und Selenomethionin sind in vielen Organismen wie auch Menschen Bestandteile von Selenproteinen.

Dazu gehören die Glutathion-Peroxidasen, die Reaktionen katalysieren, die für die Beseitigung von ROS (reaktive Sauerstoffspezies), also freie Radikale im weitesten Sinne, verantwortlich sind. Auf die Sache mit dem Glutathion komme ich weiter unten nochmal, denn die halte ich für sehr wichtig!

Zu den ROS zählen z.B. Wasserstoffperoxid (H2O2) und organische Hydroperoxide. Letztere sind eine Klasse organischer Verbindungen (Summenformel R—O—OH; R = kohlenstoffhaltiger Rest) mit ROS-Charakter. Da die O—O-Bindung leicht aufbricht, bilden sich rasch freie Radikale in Form von R—O.

Ein anderes Beispiel für Selenoenzyme sind die Thioredoxin-Reduktasen. Beim Menschen fungieren diese Oxidoreduktasen ebenfalls als Schutz gegen oxidative Zerfalls-Prozesse.

Daneben sind diese Enzyme an der Synthese von Desoxyribonukleotiden beteilgt, die die wesentlichen Bausteine der DNA darstellen. (Auch in Mikroorganismen und Tieren kommen Thioredoxin-Reduktasen vor, die teils andere Aufgaben erfüllen). Beim Menschen sind einige Selenoenzyme des Schilddrüsenstoffwechsels von spezieller Bedeutung.

Selen für die Schilddrüse

Für die funktionelle Steuerung der Schilddrüsenhormone sind drei Schilddrüsenhormon-Deiodinasen wichtig. Die Enzyme können Iod aus Schilddrüsenhormonen abspalten und die Botenstoffe dadurch aktivieren oder deaktivieren.

Man vermutet, dass Selen in der Lage ist, die Hashimoto Immunerkrankung zu beeinflussen, bei der die körpereigenen Schilddrüsenzellen vom eigenen Immunsystem als fremd angesehen und zerstört werden.

Hier konnte bei einer täglichen Einnahme von 0,2 Milligramm Selen eine Reduktion von TPO-Antikörpern (Thyreoperoxidase-Antikörper) um 21 Prozent beobachtet werden.

Ob aber diese 21 Prozent ausreichend sind, die Erkrankungen so nachhaltig zu beeinflussen, dass man sogar von einem therapeutischen Konzept reden könnte, muss sich noch herausstellen. Ich halte Selen jedenfalls für wichtig und würde das bestimmen lassen.

Bedarf und Vorkommen von Selen in der Nahrung

Der tägliche Mindestbedarf eines erwachsenen Menschen wird von Forschern auf 0,03 bis 0,1 mg beziffert.

Nahrungsmittel, die Selen enthalten sind, sind vor allem:

  • Nüsse,
  • Cerealien,
  • Fleisch,
  • Fisch,
  • Pilze,
  • Eier

Die Paranuss steht hier mit 2 mg pro 100 g an erster Stelle als Quelle für Selen in der Nahrung, allerdings hängt dies unter anderem auch von der Bodenbeschaffenheit ab.

Denn die Paranuss benötigt nicht unbedingt hohe Mengen an Selen für das eigene Gedeihen. Einen sehr hohen Selen-Gehalt hat auch Sesam mit 0,8 mg pro 100 g. Diese beiden Lebensmittel sollten daher nicht zu oft und in zu großen Mengen verzehrt werden, denn Selen ist zwar lebenswichtig, aber zu viel davon auch toxisch.

Hohe Konzentrationen an Selen liefern auch:

  • Ren
  • Thunfisch
  • Krabben
  • Hummer

Der Selengehalt des menschlichen Körpers wird auf 13 bis 20 Milligramm geschätzt.

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Selen-Überschuss

Die Salze von Selenverbindungen wirken in größeren Mengen toxisch.
Wenn der obere tolerable Grenzbereich von 400 Mikrogramm (0,4 Milligramm) pro Tag überschritten wird, dann droht eine Selenose (Selenvergiftung).

Allerdings ist dieser obere Grenzwert in einer Studie von 1986 an nur fünf chinesischen Patienten ermittelt worden, bei denen eine offensichtliche Symptomatik für eine Selenose auftrat.

Diese fünf Patienten tauchen wieder auf in einer Folgestudie in 1992. Hier plötzlich befand man in der Studie, dass der sichere Maximalwert etwa 800 Mikrogramm pro Tag beträgt bzw. 15 Mikrogramm pro Kilogramm Körpergewicht. Man empfahl aber dennoch einen oberen Grenzwert von 400 Mikrogramm täglich, um toxische Ereignisse zu vermeiden.

Des Weiteren sollte dadurch ein Ungleichgewicht von Nährstoffen vermieden werden (wie so was mit solchen Rechenkünsten zustande kommen soll, kann ich mir beim besten Willen nicht ausmalen). Außerdem sollte mit diesem wieder zurückgeschraubten Wert Rücksicht genommen werden auf andere Daten von anderen Ländern.

Diese medizinische Hampelmannwissenschaft macht deutlich, dass man offensichtlich keine genauen Vorstellungen von den wirklichen Grenzwerten hat und auch nicht sonderlich gewillt ist, diese systematisch festzulegen.

Von daher ist im eigenen Interesse zu empfehlen, den kleinsten empfohlenen Wert als sicheren Maximalwert anzusehen.

Die in der Studie versorgten Chinesen erlitten ihre Selenvergiftung aufgrund eines regelmäßigen Verzehrs von Mais. Dieser Mais wuchs auf einem selenreichen Brandschieferboden. Der Selengehalt des Bodens betrug hier über 9 Prozent.

Dies stellt die höchste jemals gemessene Selenkonzentration in einem Brandschieferboden dar. Eine Dosis von 5000 Mikrogramm (5 Milligramm) per Tag ist für die meisten Erwachsenen absolut tödlich.

Beim Menschen kommt es zu Selen-Intoxikationen durch Exposition an industriellen Arbeitsplätzen und Selen-Überdosierungen mit Nahrungsergänzungsmitteln.

Eine Selenvergiftung von Wassersystemen kann hervorgerufen werden durch neue agrikulturelle Entwässerungsmaßnahmen durch ein trockenes, noch nicht entwickeltes Stück Land.

Dieser Prozess laugt natürlich lösliches Selen aus dem Boden aus, was dann in konzentrierter Form in neuen bewässerten Arealen sich niederschlägt, so wie dieses Wasser verdunstet.

Hohe Konzentrationen von Selen, die durch diesen Prozess zustande kommen, verursachen bestimmte Veränderungen in der Genstruktur bei Feuchtgebietvögeln. Es ist nicht auszuschließen, dass dies über die Nahrungskette auch zu Selen-Vergiftungen des Menschen führen kann.

Die Symptome einer Selenose sind ein knoblauchartiger Mundgeruch, gastrointestinale Beschwerden, Haarverlust, Verschorfung der Nägel, Fatigue, Gereiztheit, neurologische Schäden, und Schleimhautreizungen mit Husten sowie Hautschäden. Für die Entgiftung können bisher keine spezifischen Maßnahmen ergriffen werden.

In extremen Fällen einer Selenose treten Leberzirrhosen auf, des Weiteren Lungenödeme und Herzschwäche. Letale Verläufe sind dokumentiert. Diese außerordentlich schweren Intoxikationen sind stets durch Selen-Verbindungen verursacht worden.

Dies sind beipielsweise Dimethylselenid, Selenomethionin, Selenocystein und Methylselenocystein. Diese Substanzen haben alle eine hohe Bioverfügbarkeit und sind ebenfalls in hohen Dosen giftig.

Selen in Nanogröße hat eine vergleichbare Wirksamkeit, ist aber deutlich weniger giftig. Elementares Selen und die meisten metallischen Selenide sind relativ ungiftig.

Dies rührt von ihrer geringen Bioverfügbarkeit her. Im Gegensatz dazu sind Selenate (Salze der Selensäure) und Selenite (Salze der selenigen Säure) äußerst toxisch. Sie wirken wie Oxidantien ähnlich wie das Arsentrioxid.

Die chronische toxische Dosis von Selenit für Menschen liegt bei 2400 bis 3000 Mikrogramm Selen pro Tag über einen längeren Zeitraum. Selenwasserstoff ist ein extrem toxisches, korrodierendes Gas.

Am 19. April 2009 starben 21 Polo-Pferde kurz vor einem Spiel der US Polo Open. Drei Tage später veröffentlichte eine Apotheke eine Erklärung, die besagte, dass die Pferde eine inkorrekte Dosis eines Inhaltsstoffs bekommen hätten, die in Vitamin- und Mineralsupplementierungen benutzt werden.

Mit diesen Supplementen sind die Pferde injiziert worden. Solche Nährstoffinjektionen sind üblich, damit es zu einer schnelleren Regeneration der Pferde nach einem Spiel kommt. In diesem Fall wurde die Mixtur von einer Apotheke zusammengestellt, die mit dieser Prozedur nicht vertraut war.

Die Analyse der Blutkonzentrationen der anorganischen Verbindungen in dem Supplement zeigte eine Selenkonzentration, die 15- bis 20-mal höher war als die normalerweise physiologische Konzentration bei Pferden.

Später wurde dann bestätigt, dass die fragliche toxische Substanz in der Mischung Selen war. Selen ist schon aktiv in geringsten Mengen und hat eine Geschichte in Sachen unfreiwilliger Vergiftung bei Nahrungsmittelergänzung, wenn die Dosierung in Mikrogramm angegeben werden muss, in der Praxis aber versehentlich in Milligramm angegeben wird. Dies erhöht die Konzentration um den Faktor 1000.

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Selenmangel

Ein Selenmangel ist ein seltener Zustand bei gesunden, gut ernährten Menschen. Symptome sind Läsionen an Haut und Nägeln, Muskel- und Herzschwäche, reduzierte Kondition, Durchblutungsstörungen, Ödeme, Atemnot, Schilddrüsenunterfunktion, Immunschwäche, Gelenk-Probleme und Fertilitäts-Störungen.

Der Selenmangel kann auftreten bei einer stark eingeschränkten gastrointestinalen Funktion, Nierenschwäche, bei einer ausschließlich durchgeführten parenteralen Ernährung und bei Menschen im fortgeschrittenem Alter über 90 Jahren, Alkoholmissbrauch sowie bei Frühgeborenen.

Menschen, die sich ausschließlich von Nahrung ernähren, die auf einem selenarmen Boden geerntet wird, können theoretisch ebenfalls betroffen sein. Auf der anderen Seite spricht die Tatsache dagegen, dass Neuseeland ebenfalls niedrige Selenkonzentrationen im Boden aufweist.

Ungünstige gesundheitliche Auswirkungen sind in dieser Beziehung dort aber noch nicht häufiger beobachtet worden als anderswo. Ein relevanter Selenmangel mag nur dann auftreten, falls ein niedriger Selenstatus im Zusammenhang mit zusätzlichen Stressfaktoren, wie Chemikalien oder erhöhter oxidativer Stress aufgrund von Vitamin E Mangel, auftritt.

Und dann gibt es da noch die Interaktionen von Selen mit anderen Nährstoffen wie Vitamin E und Jod. Diese Interaktionen können beobachtet werden im Werdegang von vielen Mangelerkrankungen in Tieren.

Ein reiner, isolierter Selenmangel indes ist äußerst selten. Der Effekt eines Selenmangels auf die Gesundheit ist nach wie vor schlecht einzuschätzen, speziell im Fall des Kashin-Beck-Syndroms.

Hierbei handelt es sich um eine Mangelerkrankung, die eine symmetrische Deformierungen der Gelenke von Armen und Beinen durch Hemmung des Skelettwachstums hervorruft. Man vermutet hier einen Selenmangel als Auslöser der Erkrankung, aber eine Selensubstitution bei diesen Kranken war nicht in der Lage, das Krankheitsbild zu verbessern.

Beim sogenannten „myxödematösen endemischen Kretinismus“ kommt es ebenfalls zu Störungen des embryonalen Wachstums. Dabei führt ein Selen-Defizit der werdenden Mutter zu Beeinträchtigung des Schilddrüsenhormon-Stoffwechsels.

In der Folge wird die Bildung des Nervensystems und der Knochen der Leibesfrucht gehemmt. Die Kinder sind dann sehr klein und oft minderbegabt. Außerdem können sie schwerhörig und dann auch sprachbehindert sein.

Ein Selenmangel kann mit einer Verbesserung der Ernährung sowie einer Supplementierung behandelt werden. Doch zuvor muss die Konzentration des Spurenelementes im Blut bestimmt werden. Dann ist auch die Bestimmung des Vitamin-E-Wertes angebracht, der oft mit dem Selenmangel einhergeht.

Selenwerte im Blut/Bestimmung im Blut

Zahlreiche Mediziner halten die Bestimmung der Selenwerte für überflüssig, ebenso wie die Krankenkassen. Da wird gerne von „Unwissenschaftlichkeit“ und „willkürlichen Normbereichen“ gesprochen.

Merkwürdig nur, dass das Umweltbundesamt sich zu den Selenwerten für verschiedene Altersgruppen äußert und sich dabei auch an der Glutathionperoxidase orientiert!

Ein Mangel an Glutathion oder der Glutathionperoxidaseaktivität steht im Zusammenhang zur Stabililität der roten Blutkörperchen, der Arteriosklerose und neurodegenerativer Erkrankungen. Es ist schon erstaunlich, dass das Umweltbundesamt sowohl die Serum- als auch die Vollblutmineralanalyse als validen Parameter aufführt.

Die Sache mit dem Glutathion halte ich sowieso für sehr wichtig. Eine einfache Maßnahme (die kaum jemand kennt!) um die Glutathionperoxidase zu erhöhen ist die Sache mit dem Kaffee-Einlauf. Das halte ich für so relevant, dass ich dazu ein kleines Büchlein verfasst habe: Die wundersame Wirkung des Kaffee-Einlaufs.

Und das bringt uns natürlich sofort zum Thema der „Kontroversen“!

Selen und seine gesundheitlichen Vorzüge: eine Kontroverse

Krebserkrankungen

Es gibt eine Reihe von Studien, die eine mögliche Verbindung zwischen Selenmangel und Krebs aufzeigen. Eine Studie unter dem Namen NPC wurde durchgeführt, um den Effekt einer Selensupplementierung auf das Wiederauftreten von Hautkrebs bei Männern mit Selenmangel zu untersuchen.

Es zeigte sich allerdings keine Reduktion der Wiederauftretensrate von Hautkrebs bei diesen Probanden. Es zeigte sich aber eine Reduktion im Auftreten von allen Krebsformen, speziell Lungenkrebs, kolorektaler und Prostatakrebs.

Es zeigte sich auch eine signifikante Reduktion in der totalen Krebsmortalität von über 50 Prozent, allerdings ohne eine statistisch signifikante Veränderung gegenüber der allgemeinen Gesamtmortalität.

Der präventive Effekt, der in der NPC-Studie beobachtet wurde, war am ausgeprägtesten bei den Probanden mit den niedrigsten Selenausgangswerten.

2009 veröffentlichte die fünfeinhalb Jahre dauernde SELECT Studie, dass Selen und Vitamin E alleine und zusammen nicht in der Lage waren, signifikant das Aufkommen von Prostatakrebs zu reduzieren. Die Studie wurde mit 35.000 Männern durchgeführt, die zumeist ausreichende Selenausgangswerte aufwiesen.

Die SELECT Studie zeigte, dass Vitamin E Prostatakrebs nicht reduzieren konnte, im Gegensatz zur Alpha-Tocopherol, Betakarotin (ATBC) Studie. Aber die ATBC Studie enthielt einen hohen Prozentsatz an Rauchern, der in der SELECT Studie nicht gegeben war.

Hier zeigte sich ein leichter Trend hin zu einer erhöhten Neigung zu Prostatakrebs. Dieser Trend zeigte sich aber nur bei der Vitamin E Gruppe, die kein Selen erhalten hatte.

In Tierstudien zeigte natürliches Selen in der Nahrung einen Schutz vor einem chemisch induzierten Krebs. Von daher wurde angenommen, dass Selen Krebserkrankungen verhindern kann in der Eigenschaft als Antioxidans oder durch die Verbesserung der Immunabwehr.

Aber nicht alle Studien bestätigen diesen krebsverhindernden Effekt des Selens. Eine Studie mit physiologischen Konzentrationen von Selen von über 60.000 Teilnehmern zeigte keine signifikante Korrelation zwischen den Selenkonzentrationen und Krebs.

Die SU.VI.MAX Studie führte eine Supplementierung mit niedrigen Dosierungen von Vitamin C, 120 Milligramm, Vitamin E, 30 Milligramm, Betakarotin, 6 Milligramm, Selen, 100 Mikrogramm und Zink, 20 Milligramm, durch.

Diese Maßnahme resultierte in einer Reduktion von 30 Prozent von Krebserkrankungen und eine Reduktion von 37 Prozent der Gesamtmortalität der Männer.

Es gab aber keine signifikanten Resultate für die Frauen. Eine Cochrane „Nachlese“ von Studien ergab, dass es keinen überzeugenden Hinweis gibt, dass gut ernährte Personen einen Vorteil aus einer Selensupplementierung ziehen können bezogen auf das Krebsrisiko.

Auf der anderen Seite gibt es Hinweise, dass Selen zusammen mit einer Chemotherapie die Behandlung effektivieren kann, die Toxizität der Chemotherapeutika reduzieren kann und die Resistenzbildung gegen die Medikation herabsetzen hilft.

In vivo Studien an Krebszellen ergaben, dass Selen die Wirksamkeit von Chemotherapeutika auf die Krebszellen erhöhte.

Im März 2009 wurde berichtet, dass Vitamin E (400 IU) und Selen (200 Mikrogramm) die genetische Ausprägung beeinflussen können und somit als Tumor-Suppressor wirksam sind.

Dr. Eric Klein vom Glickman Urological and Kidney Institute in Ohio bemerkt dazu, dass Vitamin E und Selen entgegen früheren Vermutungen doch eine protektive Wirksamkeit gegen Krebs haben.

Hier stehen natürlich die Ergebnisse der epidemiologischen Studien, der in vivo Studien und der klinischen, randomisierten Studien nicht unbedingt in Eintracht zueinander.

Hierzu meint Dr. Klein, dass die randomisierten Studien nicht immer die biologischen Gegebenheiten wiedergeben, und dass die Modelle, auf die diese Studien aufbauen, Schwachstellen aufweisen für eine Beurteilung der klinischen Realität.

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HIV/AIDS

Einige Arbeiten geben Hinweise auf eine geographische Verbindung zwischen Regionen, in denen der Boden arm an Selen ist, und Spitzenaufkommen von HIV-Infektionen. Große Teile von Schwarz-Afrika z.B. zeigen niedrige Selenwerte in den Böden.

Der Senegal dagegen hat normale Werte und gleichzeitig eine signifikant geringere Inzidenz an HIV-Infektionen als der restliche Kontinent. AIDS scheint eine langsame und schleichende Abnahme von Selen im Körper des Infizierten zu bewirken.

Ob diese Abnahme der Selenkonzentrationen ein direktes Resultat der Virusreplikation ist oder eine Folge der allgemeinen Resorptionsstörungen, die bei AIDS Patienten oft auftreten, wird noch diskutiert.

Die niedrigen Selenkonzentrationen bei AIDS Patienten wurden direkt korreliert mit den erniedrigten Immunzellenzahlen und dem beschleunigten Fortschreiten der Erkrankung und Tod. Selen wirkt unter anderem wie ein Antioxidans. Somit verursachen erniedrigte Konzentrationen erhöhten oxidativen Stress auf das Immunsystem, was zu einem schnelleren Verfall führt.

Andere Wissenschaftler argumentieren, dass die Gene der T-Zellen Selenproteine kodieren. Herabgesetzte Selenkonzentrationen führen dann zu einer Abnahme von CD4-Helferzellen, was das Immunsystem noch weiter schwächt.

Aber unabhängig von der Ursache für die erniedrigten Serumkonzentrationen von Selen bei AIDS Patienten konnten Studien zeigen, dass dieser erniedrigte Status die Progression der Erkrankung und den Tod begünstigt.

Tuberkulose

Einige Untersuchungen vermuten, dass eine Selensupplementation zusammen mit anderen Nährstoffen in der Lage ist, das Rezidiv von Tuberkulose zu verhindern.

Diabetes

In einer gut kontrollierten Studie konnte gezeigt werden, dass die Selenkonzentrationen positiv korreliert waren mit dem Risiko einer Diabetes Typ 2 Erkrankung.

Da hohe Konzentrationswerte von Selen positiv korrelierten mit dieser Form der Erkrankung und weil ein Selenmangel selten auftritt, wird von einer Supplementierung mit Selen durch Nahrungsergänzungsmittel abgeraten.

Neuere Studien dagegen zeigten das genaue Gegenteil: Hier schien Selen geholfen zu haben bei der Verhinderung der Entwicklung von Diabetes Typ-2 bei Männern. Allerdings liegen die Mechanismen für diese Beobachtung noch im Dunkeln.

Quecksilber

Experimentelle Ergebnisse zeigten einen protektiven Effekt von Selen gegen die toxischen Wirkungen von Methylquecksilber. Epidemiologische Studien indes zeigten keine schlüssigen Belege, dass Selen für die protektive Wirkung gegen Methylquecksilber verantwortlich ist.

Biologische Anwendungsbereiche

Medizinischer Gebrauch

Die Substanz Selensulfid ist der aktive Bestandteil in einigen Shampoos gegen Schuppen. Die Selenverbindung entfernt den Kopfhautpilz Malassezia, der ein Abschuppen der Haut in Form von ausgetrockneten Fragmenten verursacht.

Die Substanz wird ebenfalls in Körperlotionen benutzt, um Tinea versicolor zu behandeln, eine andere Spezies des Malassezia-Pilzes.

Ernährung

Selen wird oft im Zusammenhang mit Vitaminpräparaten oder anderen Nahrungsergänzungsmitteln in geringen Dosen von 50 bis 200 Mikrogramm täglich verwendet. Futter für Nutztiere können ebenfalls mit Selen versehen sein.

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Quellen:

Beitragsbild: 123rf.com – Kateryna Kon

Molybdän

Molybdän (abgekürzt „Mo“, Ordnungszahl 42) ist ein Übergangsmetall der 6. Nebengruppe (Chromgruppe) im Periodensystem der Elemente. Das Schwermetall kommt im Erdmantel mit 1 mg pro kg vor.

Der Name kommt aus dem Griechischen und bedeutet soviel wie „Blei“, da das Metall dem Blei ähnlich sieht, weswegen es in der Antike oft zu Verwechslungen kam.  Allerdings gehört Blei nicht in dieselbe systematische Gruppe wie Molybdän.

Das wurde erst 1781 erkannt, als Peter Jacob Hjelm reines Molybdän darstellen konnte.

Das freie Element ist ein dunkel-silbriges Metall mit einem sehr hohen Schmelzpunkt von 2623 °C, der sechsthöchste Schmelzpunkt aller Elemente. Molybdän kommt in der Erdrinde kaum in reiner, elementarer Form vor, sondern überwiegend in kristallinen Verbindungen.

Dazu gehören Gelbbleiglanz (PbMoO4) und das häufigere Molybdänglanz (MoS2), das die größten lohnenden Lagerstätten bildet. Oft wird das Schwermetall zusammen mit Kupfer aus gemischten Erzen extrahiert. Die umfangreichsten Rohstoffvorkommen liegen in Nord- und Südamerika sowie in China.

Industriell dient Molybdän vor allem zur Stahlhärtung. Legierungen mit einem 60- bis 70-prozentigem Anteil Molybdän sind nicht nur physikalisch sehr widerstandsfähig, sondern auch äußerst säureresistent. Daneben wird das Schwermetall in der Elektrotechnik verwendet wie beispielsweise in Röntgenröhren. Als Katalysator kann Molybdän Schwefelanteile aus Erdöl entfernen. Molybdänsulfid (MoS2) ist ähnlich wie Graphit ein festes Schmiermittel.

Biologische Bedeutung

Molybdänsalze sind in Wasser löslich, sodass das Spurenelement in Form vom Molybdat-Ionen (MoO42-) von Lebewesen aufgenommen werden kann. Das Schwermetall ist für die meisten Organismen ein essenzielles Spurenelement, das überwiegend im katalytischen Zentrum von Enzymen eingebaut wird.

Ohne Molybdän könnten viele dieser Proteine nicht funktionieren. 50 solcher Enzyme sind bisher in Tieren einschließlich des Menschen, der Pflanzen und Bakterien beschrieben worden. Der größte Teil dieser Molybdän-Poteine kommt dabei in Bakterien vor.

Ein ökologisch wichtiges Molybdän-Enzym ist die Nitrogenase einiger Bakterien. Mit dem Protein katalysieren die Mikroben die Umwandlung von Luftstickstoff (N2) in Ammoniak (NH3), das dann zur Synthese von Aminosäuren genutzt werden kann.

Durch die Gewinnung von Stickstoff aus der Atmosphäre sind diese Organismen dann vom Stickstoff im Substrat unabhängig. Viele Leguminosen wie Erbsen, Bohnen, Soja und Linsen enthalten solche Bakterien als Symbionten in speziellen Wurzelknöllchen. Dadurch sind auch die Pflanzen weniger anfällig für Stickstoffmangel im Boden.

Allerdings erfordert die Stickstoff-Fixierung einen sehr hohen Betrag an Stoffwechsel-Energie. Einige Bakterien können unter Molybdän-Mangel auch eine Nitrogenase produzieren, die mit Vanadium oder Eisen funktioniert.

Im Jahr 2008 fanden Wissenschaftler heraus, dass ein Molybdän-Mangel in den Ozeanen der Erde vor 2 Milliarden Jahren ein limitierender Faktor für die weitere Evolution eukaryontischen Lebens war. Pflanzen, Pilze und Tiere waren also in ihrer weiteren Entwicklung behindert.

Grund dafür war, dass die höheren Zellen nicht in der Lage sind, Stickstoff zu fixieren. Herrscht Nitrat-Mangel im Boden vor, müssen sie den Stickstoff über Bakterien beziehen, die das gasförmige Element fixieren können.

Der Mangel an Molybdän war Resultat des geringen Sauerstoff-Gehaltes in den frühen Meeren. Als dann mehr und mehr Sauerstoff im Meerwasser gelöst wurde, wurde auch Molybdän aus den Mineralien des Seebodens gelöst. Damit wurde dieses Molybdän für stickstofffixierende Bakterien besser verfügbar.

Dieser Schritt erlaubte es dann, höhere Lebensformen mit mehr Stickstoff zu versorgen. Obwohl der Sauerstoff die Stickstofffixierung indirekt begünstigte, stellte er sich als Gift für die Nitrogenase-Enzyme heraus.

Nachdem der Sauerstoff in größeren Mengen in Luft und Wasser auftauchte, sahen sich die Organismen gezwungen, die die Stickstofffixierung unter aeroben Bedingungen durchführen mussten, ihre stickstofffixierenden Enzyme in Heterozysten zu „verpacken“.

Diese Heterozysten sind spezialisierte Zellen in mehrzelligen Cyanobakteria („Blaualgen“) in denen diese Stickstofffixierung durch Nitrogenase dann stattfindet. Hier sind die Enzyme vor zu viel Sauerstoff geschützt.

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Die Bedeutung von Molybdän für den Menschen

Molybdän ist in der Lage, Verbindungen mit einer Reihe von organischen Molekülen wie Kohlenhydraten und Aminosäuren einzugehen. Aber der größte Teil des Spurenelementes wird im menschlichen Körper als MoO42− transportiert.

Bisher sind einige menschliche Enzyme bekannt, die Molybdän als essenziellen Co-Faktor einlagern. Dazu zählt die Aldehydoxidase, die im Aminosäure-Stoffwechsel (Tryptophan) eine Rolle spielt.

Das Enzym kann auch Nikotin abbauen und hat in Lebrzellen eine besondere Funktion: dort beeinflusst das Enzym die hormonelle Regulation des Hungergefühls.

Die Molybdän-abhängige Sulfitoxidase in den Mitochondrien kann Sulfit zu Sulfat oxidieren und so Stoffwechsel-Energie gewinnen.
Die Xanthinoxidase oxidiert Xanthin zu Harnsäure. Die Aktivitäten der Xanthinoxidase sind dabei direkt proportional abhängig von der Menge des zur Verfügung stehenden Molybdäns im Körper.

Jedoch verkehren extrem hohe Konzentrationen von Molybdän den Trend ins Gegenteil. Dann wirkt das Element wie ein Inhibitor auf die Oxidation zur Harnsäure und auch auf andere Prozesse. Molybdän-Konzentrationen haben auch einen Effekt auf die Proteinsynthese, den Stoffwechsel und das Wachstum.

Die Wirkungen von Molybdän über enzymatische Mechanismen sind für einige physiologische Funktionen unentbehrlich. Dies betrifft Teile des Protein-Stoffwechsels und die Harnsäureausscheidung, den Alkohol-Metabolismus und das Immunsystem sowie die Flourid-Anreicherung in den Zähnen.

Der menschliche Körper enthält 0,07 Milligramm Molybdän pro Kilogramm Körpergewicht. Es kommt in höheren Konzentrationen in der Leber, dem Zahnschmelz und den Nieren vor. In geringeren Konzentrationen zeigt es sich in den Wirbeln.

Man vermutet, dass es an der Verhinderung von Karies beteiligt ist. Schweine-, Lamm- und Kalbsleber enthalten ungefähr 1,5 ppm (parts per million) Molybdän. Andere wichtige Quellen für Molybdän sind grüne Bohnen, Sonnenblumenkerne, Eier, Weizenmehl, Gurken, Linsen etc.

Die tägliche Aufnahme von Molybdän liegt zwischen 0,12 und 0,24 Milligramm in Abhängigkeit vom Gehalt der Nahrungsmittel. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung gibt an, dass 50 bis 100 Mikrogramm Molybdän täglich als angemessen anzusehen sind.

Molybdän-Mangel

Ein Molybdän-Mangel tritt selten auf und ist manchmal auf extreme Fehlernährung zurückzuführen. Dies kann der Fall sein bei parenteraler Ernährung mit ausschließlich intravenöser Applikation über einen längeren Zeitraum.

Diagnostische Marker sind hohe Serumspiegel an Sulfit und Harnsäure. Weitere Symptome sind verstärkter Zahn-Karies, Magen-Darm-Beschwerden, Sehschwäche, Luftnot, Agitiertheit und emotionale Labilität.

Hinzutreten eine geschwächte Körperabwehr gegen Krankheitserreger, körperliche Schwäche, Nieren-Funktions-Einbußen und eingeschränkte Fruchtbarkeit. Bei Schwangeren droht eine Unterentwicklung der Leibesfrucht.

Da diese Form des Molybdän-Mangels auf der künstlichen Ernährung beruht und damit praktisch nur bei Erwachsenen auftritt, sind die neurologischen Effekte nicht so stark ausgeprägt wie beim Krankheitsbild der Molybdän-Cofaktor-Defizienz. Diese Erbkrankheit verursacht schon im Kindesalter erhebliche neurologischen Schäden.

Dabei kann der Körper Molybdän nicht in die betreffenden Enzyme einbauen. Die Ursache dafür ist die Unfähigkeit des Körpers, den Molybdän-Cofaktor zu produzieren. Dieser Cofaktor ist ein Molekül, das Molybdän an den aktiven Stellen aller bekannten Molybdän-abhängigen Enzyme beim Menschen bindet.

Die Folge der Enzym-Unwirksamkeit sind hohe Konzentrationen an Sulfit und erniedrigte Harnsäure-Werte.

Ernährungsbedingter Molybdän-Mangel aufgrund von niedrigen Bodenkonzentrationen wurde in Zusammenhang gebracht mit Speiseröhrenkrebs in einem geographischen Bereich, der sich vom Norden Chinas bis in den Iran erstreckt.

Verglichen mit den USA, das einen größeren Anteil an Molybdän im Boden hat, haben die Menschen in diesen Gebieten ein 16-fach höheres Risiko für einen Speiseröhrenkrebs.

Natriumwolframat ist ein kompetitiver Inhibitor des Molybdäns. Wolfram in Nahrungsmitteln kann die Konzentrationen von Molybdän im Gewebe reduzieren.

Im Falle des Molybdän-Mangels muss zunächst die Ernährung umgestellt werden. Darmerkrankungen, die eine Resorptions-Störung zur Folge haben, müssen behandelt werden. Für die Therapie der Molybdän-Cofaktor-Defizienz sind molekulargenetische Techniken in der tierexperimentellen Erprobung.

Der Kupfer-Molybdän-Antagonismus

Hohe Konzentrationen an Molybdän können mit der Fähigkeit des Körpers, Kupfer aufzunehmen, kollidieren. Das Resultat ist ein Kupfermangel. Molybdän behindert die Plasmaproteine, Kupfer an sich zu binden. Es erhöht auch die Menge an Kupfer, das über den Urin ausgeschieden wird.

Wiederkäuer, die hohe Mengen an Molybdän aufnahmen, entwickelten eine Reihe von Symptomen wie eingeschränktes Wachstum, Diarrhoe, Anämien und den Verlust von Fellpigementation. Diese Symptome konnten eingeschränkt werden durch eine zusätzliche Gabe von Kupfer, sowohl als orale als auch als intravenöse Gabe.

Eine Reduktion von Kupfer kann auch gezielt eingeleitet werden, z.B. als therapeutische Maßnahme, durch Tetrathiomolybdat. Hierbei handelt es sich um einen Kupfer-Chelatbildner, also eine biochemische Substanz, die in der Lage ist, Metalle zu binden und aus dem Körper auszuschleusen.

Diese Substanz wurde erstmalig therapeutisch genutzt bei Kupfer-Toxikosen (Kupfervergiftung aufgrund hoher Konzentrationen) bei Tieren. Danach wurde die Substanz beim Menschen bei Morbus Wilson eingesetzt. Morbus Wilson ist eine vererbte Kupfer-Stoffwechsel-Störung bei Menschen (siehe auch die Seite Mineralstoffe – Kupfer).

Die Substanz hat verschiedene Wirkmechanismen, denn sie reduziert die Resorption von Kupfer im Gastrointestinaltrakt und erhöht gleichzeitig die Kupfer-Ausscheidung. Sie zeigte auch einen inhibitorischen Effekt auf die Ausbildung von Blutgefäßen (Angiogenese).

Dies hängt mit der Fähigkeit, Kupfer zu eliminieren, zusammen. Natürlich hat man sich sofort dieses Themas angenommen und untersucht nun, inwieweit die Substanz für eine Krebstherapie in Frage kommt.

Aber auch altersabhängige Makuladegeneration und andere Krankheiten, die auf einer hohen Kupferablagerung an den Blutgefäßen beruhen, werden unter diesem Aspekt untersucht.

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Molybdän-Überschuss

Studien an Ratten haben gezeigt, dass die mittlere letale Dosis (LD50) 180 Milligramm pro Kilogramm Körpergewicht für einige Molybdän-Verbindungen ist. Für den Menschen gibt es solche Daten nicht.

Andere Tierstudien haben gezeigt, dass eine chronische Einnahme von mehr als 10 Milligramm pro Tag Durchfälle, Wachstumsstörungen, Unfruchtbarkeit, niedriges Geburtsgewicht und Gicht auslösen kann.

Es beeinträchtigt ebenfalls die Nieren, Lungen und die Leber.
Eine akute Toxizität wurde bislang beim Menschen noch nicht beobachtet.

Staub und Rauch von Molybdän, wie man sie in Minen oder in Metallwerken antrifft, können toxisch sein, besonders dann, wenn sie verschluckt werden. Eingeatmete Staubpartikel reichern sich in der Nasennebenhöhle an und gelangen so auch in den Magen-Darm-Trakt.

Eine andere Ursache für die chronische Molybdän-Vergiftung ist der Verzehr von Lebensmitteln, die aus überdüngtem Anbau stammen.

Niedrige Konzentrationen einer längerfristigen Aussetzung können zu Irritationen an Augen und Haut führen. Eine direkte Inhalation oder Verschlucken von Molybdän sollte vermieden werden.

Eine chronische Belastung von 60 bis 600 mg Milligramm pro Kubikmeter kann Symptome wie Fatigue und Kopfschmerzen hervorrufen. Zudem  treten im Zuge einer Gichterkrankung Gelenk- und Gliederschmerzen auf. Ursache ist die Produktion von zu viel Harnsäure.

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Quellen:

Beitragsbild: fotolia.com – Tonpor Kasa

Mangan

Mangan (abgekürzt: Mn, Ordnungszahl: 25) ist ein Übergangsmetall der 7. Nebengruppe im Periodensystem der chemischen Elemente.

Zu dieser „Mangangruppe“ zählen Elemente mit sehr geringem Vorkommen in der Erdkruste wie Technetium und Rhenium.

Mangan steht mit einem Massenanteil von 0,1 % im Erdmantel an 12. Stelle im Häufigkeits-Ranking aller dort vertretenen Elemente. Es ist ein hartes, sprödes, silberfarbenes Metall, dessen Natur in einigen Aspekten dem Eisen ähnlich ist. Deswegen zählt Mangan auch zu den Schwermetallen.

Das Element ist Bestandteil einiger Braunsteine. Diese Mineralien sind Oxide, Carbonate und Silikate des Mangans. Beispiele dafür sind Mangandioxid (MnO2) und Manganspat (MnCO3). Die wohl größten Vorkommen sind die Manganknollen auf den Böden der Ozeane, deren Abbau allerdings zu teuer ist.

Lohnende Schürfgebiete befinden sich in Afrika, China, Russland, Australien und Amerika. Braunsteine werden entweder direkt mit Eisenerzen gemischt und zu Legierungen verarbeitet oder elektrolytisch zum elementaren Metall umgewandelt.

Die Metallindustrie nutzt Mangan zur Herstellung von Legierungen mit Eisen, Kupfer, Aluminium und Nickel. Diese Stähle haben einige Vorzüge wie Festigkeit und Korrosions-Resistenz.

In Eisen und Stahl kann Mangan störenden Sauerstoff und Schwefel beseitigen. 90 % des genutzten Mangans umfassen diese technisch bedeutsamen Legierungen, während das schiere Metall wenig verwendet wird.

Mangan-Minerale dienen sehr verschiedenen, teils sehr speziellen, Zwecken. Mangan-Oxid wird als Kathode in Alkali-Mangan-Batterien eingesetzt.

Als Oxidationsmittel wird Kaliumpermanganat (KMnO4) in der analytischen Chemie verwendet und auch als Desinfektionsmittel in hygienisch relevanten Bereichen.

Mangan hat auch eine wichtige biologische Bedeutung mit sehr weitreichenden Konsequenzen.

Das Photosystem II: der Protein-Komplex mit erdgeschichtlicher Bedeutung braucht Mangan

Ohne die Photosynthese der grünen Pflanzen und einiger Bakterien wäre das Leben in seinem heutigen Bestand nicht denkbar. Weder könnte die Energie des Sonnenlichtes eingefangen und zum Aufbau organischer Substanz genutzt werden (Autotrophie).

Noch enthielte die Atmosphäre Sauerstoff mit einem Anteil von 20 %. Heterotrophe („fressende“) Organismen wie Menschen, Tiere, Pilze und viele Bakterien hätten ohne die epochale Erfindung der Evolution keine Existenz-Grundlage.

In den Membranen der Chloroplasten in den Blattzellen der Pflanzen und in den Zellmembranen der Cyanobakterien („Blaualgen“) ist das Photosystem II eingebettet.

Dort findet ein zentraler Zwischenschritt der Photosynthese statt: die Wasserspaltung oder Photolyse. Dabei wird Wasser unter Ausnutzung von Lichtenergie in Sauerstoff und Wasserstoff-Ionen gespalten. Während die Pflanze den Sauerstoff überwiegend in die Luft abgibt, verarbeitet sie den Wasserstoff weiter und produziert damit zusammen mit CO2 Zucker.

Das Photosystem II ist ein Protein-Komplex, der im funktionellen Zentrum 4 Mangan-Ionen trägt. Ohne das Spurenelement wäre der „Lichtfänger“ wirkungslos.

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Die biologische Funktion von Mangan in Enzymen

Neben der prominenten Bedeutung in der Photosynthese sind die Funktionen von Mangan nicht auf den ökologisch wichtigen Prozess beschränkt.

Mangan ist ein essenzielles Spurenelement für alle Formen des Lebens. Das Spurenelement ist vor allem ein Cofaktor von Enzymen, die ohne Mangan nicht funktionieren. Die katalytischen Mn-Proteine sind unter fast allen Enzymklassen zu finden.

Sie alle einzeln aufzuzählen würde den Rahmen hier sprengen. Von daher sei auf die Enzymklassen kurz hingewiesen, in denen die Mangan-abhängigen katalytischen Proteine vertreten sind:

  • Oxidoreduktasen (Elektronen-Übertragung bei Reduktionen und Oxidationen: z.B. die Alkoholdehydrogenasen in der alkoholischen Gärung und die Peroxidasen, die Wasserstoffperoxid unschädlich machen)
  • Transferasen (Austausch funktioneller Gruppen zwischen Molekülen: z.B. die Transaminasen im Aninosäurestoffwechsel und die Fett-Synthetase im Aufbau der Fettsäuren)
  • Hydrolasen (Spaltung von Molekülen unter Einbau von Wasser: z.B. das Speichelenzym Amylase, die Stärke in Einzelzucker spaltet und die Arginase des Harnstoffzyklus, die Arginin in Ornithin und Harnstoff spaltet.)
  • Lyasen (Spaltung von Molekülen ohne den Einbau von Wasser: z.B. die Aldolase, die Fructose spaltet)
  • Isomerasen (Molekül-Umlagerungen: z.B die Topoisomerase, die die DNA zur Superhelix spiralisiert)
  • Ligasen (Molekül-Verknüpfungen: z.B. wird durch den Einbau von Kohlendioxid eine organische Säure hergestellt wie die Acetyl-Carboxylase, die auf diese Weise Fettsäuren produziert)
  • Integrasen (Das virale Enzym kann Virus-DNA in die DNA der infizierten Wirtzelle einbauen)
  • DNA-Polymerasen (DNA-Aufbau: z.B.: die reversen Transkriptasen vieler Retroviren, die mit dem Enzym ihre RNA in DNA umschreiben können, sodass die befallene Zelle Virenproteine produziert)

Gut erforscht ist die Mn-Superoxid-Dismutase (Mn-SOD)

Die Mn-SOD ist eine Form der Superoxid-Dismutase, die in den Mitochondrien und Peroxisomen höherer Zellen vorkommt. Diese Oxidoreduktase ist weiterhin verbreitet in den meisten Bakterien.

Diese Tatsache deutet auf die Wahrscheinlichkeit hin, dass Mitochondrien ursprünglich Bakterien waren, die von anderen Zellen einverleibt und funktionalisiert wurden.

Die Mn-SOD ist möglicherweise entwicklungsgeschichtlich eines der ältesten Enzyme, denn praktisch alle sauerstoffabhängigen Lebewesen benutzen sie, um die toxischen Effekte von Superoxiden zu eliminieren.
Hierbei verwandelt die Mn-SOD aggressive Sauerstoff- und Wasserstoff-Ionen zu Sauerstoff und Wasserstoffperoxid.

In dieser Redoxreaktion werden Mangan-Ionen vom zwei- (Mn2+) in den dreiwertigen (Mn3+) Oxidationszustand überführt. Das ebenfalls aggressive Wasserstoffperoxid wird in der Zelle durch spezielle weitere Enzyme zu Wasser und Sauerstoff abgebaut. Einige dieser Katalasen enthalten ebenfalls Mangan-Ionen im katalytischen Zentrum.

Wie wichtig die Mn-SOD ist, belegt eine Reihe von experimentellen Untersuchungen. So gedeiht Hefe, dem mitochondriales SOD fehlt, nur sehr bescheiden, während sie unter anaeroben Bedingungen deutlich besser gedeiht. Grund dafür ist das Fehlen von Superoxiden unter den anaeroben Bedingungen.

Mäuse, die kein Mn-SOD aufweisen, sterben 21 Tage nach der Geburt aufgrund von Neurodegeneration, Kardiomyopathien (Herzmuskelerkrankungen) und Milchsäureazidose.

Ein Fehlen von zytosolischer SOD (Zytosol = Flüssigkeit im Zellinneren), eine Mangan-unabhängige SOD, bewirkt bei diesen Mäusen eine Reihe von Erkrankungen, eine reduzierte Lebenserwartung, Leberkrebs, Muskelatrophien, Katarakte, Rückbildung des Thymus, hämolytische Anämie und eine rasche altersabhängige Abnahme der weiblichen Fruchtbarkeit.

Ein paar Bakterien, wie Lactobacillus plantarum, benutzen zu ihrem Schutz gegen Superoxide einen enzymunabhängigen Mechanismus, der aber nichtsdestotrotz auf Mangan-Ionen (Mn2+) aufgebaut ist.

Ein Komplex mit Polyphosphaten ist hier direkt in der Lage, Superoxide zu neutralisieren. Entwicklungsbiologen vermuten hier eine Art Vorläufermechanismus zur heutigen Mn-SOD.

Vorkommen von Mangan in nicht enzymatischen Proteinen

Mangan ist auch ein Cofaktor in den Integrinen. Diese Transmembran-Proteine dienen der Signal-Vermittlung zwischen Zellinnen- und Außen-Raum.

Daneben zählen viele Lektine zu den Mn-abhängigen Makromolekülen. Die komplexen Proteine und Glykoproteine (Proteine mit Kohlenhydratketten) steuern vor allem in Pflanzen, manche aber auch im Säugetier, einige Stoffwechselvorgänge.

Zu den Lektinen zählen daneben viele Toxine wie das Diphtherietoxin. Das bakterielle Gift blockiert die RNA und damit die Proteinbosynthese.

Die Wirkungen von Mangan im menschlichen Organismus

Die zahlreichen Stellen, an denen Mangan in unserem Körper gebraucht wird, sind für viele physiologische Funktionen lebenswichtig. Der Stoffwechsel der Eiweiße, Fette und Kohlenhydrate läuft nur dann zufriedenstellend an, wenn das Spurenelement ausreichend verfügbar ist.

Insulin, Sexual- und Schilddrüsen-Hormone können ohne Mangan kaum produziert werden. Auch die Blutgerinnung und der Zellschutz sind ohne die Schwermetall-Ionen herabgesetzt. Daneben kann Mangan Magnesium im Energie-Stoffwechsel ersetzen und hilft bei der Nutzung von Vitamin B1.

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Bedarf und Vorkommen von Mangan

Der menschliche Organismus enthält etwa 10 bis 40 Milligramm Mangan. Das Spurenelement wird hauptsächlich in der Leber, Bauchspeicheldrüse, Knochen und den Nieren gespeichert. Im menschlichen Gehirn kommt Mangan als Verbindung mit Metalloproteinen, meist mit Glutamat-Ammonium-Ligase, in den Astrozyten vor.

Der tägliche Bedarf liegt bei 2 bis 5 Milligramm. Die durchschnittliche Zufuhr an Mangan in Deutschland liegt mit 2,5 Milligramm im ausreichenden Maß. Von daher sind Manganmangelerscheinungen beim Menschen selten.

Nahrungsmittel, die besonders reich an Mangan sind, sind:

  • Weizenkeime,
  • Schwarzer Tee,
  • Haferflocken,
  • Heidelbeeren,
  • Haselnüsse,
  • Leinsamen,
  • Sojabohnen,
  • Roggenvollkornbrot etc.

Mangan-Mangel

Mangan-Mangel verursachte im Tierexperiment Skelettveränderungen, neurologische Störungen, Beeinträchtigungen im Kohlenhydrat-Stoffwechsel sowie Fruchtbarkeits- und Wachstumsstörungen.

Ähnliche Symptome sind auch beim Menschen zu beobachten. Die Betroffenen verlieren Körpergewicht, die Knochendichte nimmt ab und die Fähigkeit zur Blutgerinnung ist reduziert.

Ernst zu nehmen ist auch eine geschwächte Körperabwehr gegen Infektionen, Kramfpanfälle und Nervenkrankheiten wie Psychosen.
Ein Mangan-Mangel entsteht bei gewöhnlicher Ernährung nur dann, wenn der Darm das Spurenelement nicht ausreichend resorbiert.

Dies ist bei verschiedenen Erkrankungen der Fall, insbesondere und typischerweise bei der Erbkranklheit Phenylkenonurie. Daneben können einige Minerale bei zu hoher Aufnahme Mangan bei der Resorption verdrängen.

Deswegen sollte nicht dauerhaft zu viel Eisen, Calcium, Phosphat oder Zink supplementiert werden. Zu berücksichtigen ist auch, dass der Mangan-Bedarf bei stark zehrenden Krankheiten und in der Schwangerschaft erhöht ist.

Einen Mangan-Mangel erkennt der Arzt anhand von Blut- und Urin-Analysen. Die Mangan-Konzentration ist dann zu niedrig, manchmal auch die günstigen HDL-Cholesterine. Hingegen können die Werte für Glucose, Calcium und Phosphat erhöht sein.

In dieser Situation sollte die Ernährung optimiert und eventuelle Darmerkrankungen behandelt werden.

Der Manganismus und die akute Mangan-Vergiftung

Mangan-Verbindungen sind weniger toxisch als vergleichbare Verbindung mit anderen Metallen und Kupfer. Jedoch sollte man sich nicht zu intensiv Manganstaub und -dämpfen aussetzen.

Dieses Risiko besteht an vielen Arbeitsplätzen der Metallindustrie, im Mangan-Bergbau, der Batterie-Produktion und in Branchen, wo Lacke hergestellt oder verarbeitet werden. Schon Werte von 5 Milligramm pro Kubikmeter für einen kurzen Zeitraum wirken toxisch.

Eine Manganvergiftung äußert sich in einer reduzierten Koordination der Bewegung und kognitiven Störungen. Namensgebend ist die Mangan-Pneumonie, bei der es sich um eine ernste Lungenentzündung mit hohem Fieber handelt.

Eine spezifische Form der neurodegenerativen Erkrankung, die dem Parkinson-Syndrom ähnelt, wurde gehäuft bei Arbeitern beobachtet, die im frühen 19. Jahrhundert in Manganminen und -schmelzen arbeiteten.

Die Variante von Parkinson wird als Manganismus bezeichnet. Eine Studie aus dem Jahr 2010 konnte zeigen, dass höhere Konzentrationen von Mangan im Trinkwasser zu einer reduzierten intellektuellen Entwicklung und niedrigeren IQ-Werten bei Schulkindern führt.

Permanganate sind Salze des Mangans mit einem einfach geladenen MnO4-. Sie sind deutlich giftiger als Mangan(II)-Verbindungen. Die tödliche Dosis liegt bei 5 bis 8 Gramm.

Der bei der Vergiftung auftretende starke oxidative Effekt sorgt für einen Nekrose von Schleimhäuten. So ist z.B. die Speiseröhre betroffen, falls das Permanganat geschluckt wird. Innerhalb des Gastrointestinaltrakts wird nur ein begrenzter Prozentsatz resorbiert.

Jedoch genügt dieser geringe Teil schon, um Nieren und Leber nachhaltig zu schädigen.

Bei einer akuten Mangan-Vergiftung kann das Schwermetall mit Chelatbildnern wie EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure) ausgeleitet werden.

Die Komplex-Verbindungen schließen die Metallionen ein und bringen sie in Lösung. In dieser Form kann Mangan über die Nieren in den Urin abgegeben werden.

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Quellen:

Beitragsbild: 123rf.com – PAPAN SAENKUTRUEANG

Kupfer

Kupfer (Cu) zählt zu den Schwer- und Edelmetallen. Das Element mit der Ordnungszahl 29 gehört wie Silber (Ag) und Gold (Au) zur ersten Nebengruppe im Periodensystem.

Der Massenanteil in der Erdkruste beträgt 0,006 %. Sehr selten sind Funde gediegenen, elementaren Kupfers. Lohnende Vorkommen treten in Gestalt diverser mineralischer Erze auf. Dazu zählen beispielsweise Kupferkies (CuFeS2), Bornit (Cu5FeS4) und Kupferglanz (Cu2S).

Das bedeutendste Abbaugebiet ist Chile mit einer Fördermenge von fast 5.000 Tonnen jährlich. In Europa liegen kleinere Schürforte in Polen, Portugal und Schweden.

Der lateinische Name „cuprum“ geht auf die Römerzeit zurück und stellt eine Art Verkürzung für „aes cyprium“ dar, was soviel wie „Erz von Zypern“ bedeutet. Im Altertum war die Insel einer der wenigen Orte, wo in Kupfer größeren Mengen gewonnen wurde.

Die Nutzung des Metalls begann vor 10.000 Jahren. Die Historiker legen die Ära der Kupferzeit allerdings in das Jahr 5.000 vor Christi Geburt. In der Bronzezeit (2200 bis 800 v. Chr.) lernten die Menschen die Herstellung von Kupfer-Legierungen (Bronze: 40 % Zinn, 60 % Kupfer).

Heute gibt es zahlreiche andere Bronzen mit Anteilen diverser Metalle (z. B. Aluminium, Nickel, Blei). Schon im antiken Griechenland war die Herstellung von Messing bekannt (40 % Zink, 60 % Kupfer).

Kupfer ist gut formbar, weil es nicht zu hart, aber auch nicht zu brüchig ist. Stromkabel bestehen aus elementarem Kupfer, weil das Metall den Strom außerordentlich gut leitet. Daneben ist das Metall ein hervorragender Wärmeleiter.

Kupfer wird in reiner Form und auch als Legierung zu vielen Alltagsgegenständen verarbeitet. So bestehen Armaturen, Münzen, Besteck und vieles andere vollständig oder teilweise aus Kupfer. Am wichtigsten ist allerdings die Anwendung in der Elektronik.

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Physiologische Bedeutung

Für viele Organismen, zu denen auch der Mensch gehört, ist Kupfer ein essenzielles Spurenelement. Der menschliche Körper enthält ca. 1,4 bis 2,1 mg pro Kilogramm Körpermasse. Man geht von einem täglichen Kupferbedarf von 1 bis 3 Milligramm aus. Der Blut-Serum-Gehalt liegt bei einem gesunden Erwachsenen zwischen 75 und 130 µg/dl Kupfer.

Nach der Resorption im Dünndarm wird das Spurenelement an Albumin gebunden und gelangt so in die Leber. Dort wird Kupfer gespeichert und gebunden an das Transport-Protein Coeruloplasmin bei Bedarf ins Blut abgegeben. Die Konzentration freien Kupfers ist sehr gering. Die Ausscheidung von Überschüssen besorgt die Galle.

Ein- (Cu+) oder zweiwertige Kupfer-Ionen (Cu2+) sind Bestandteile vieler Enzyme, die den Stoffwechsel der Aminosäuren, Fette und Kohlenhydrate bewerkstelligen. Daneben ist die Monoaminooxidase Kupfer-abhängig. Das Enzym ist am Neurotransmitterstoffwechsel beteiligt. Benötigt wird das Spurenelement auch für die Immun-Funktion und den Eisen-Stoffwechsel. So aktiviert Kupfer das Gen für Transferrin, das Eisen über die Blutbahn transportiert.

Kupfer hat auch einen Einfluss auf die Aktivität einiger Gene, wie Wissenschaftler in Tierversuchen entdeckten. Gebremst werden 2 Gene aus dem Zuckerstoffwechsel (Beta-Enolase, ENO3 und Aldose-Reduktase-1). Ebenfalls durch Kupfer herunterreguliert werden die Gene für die Kreatinase des Muskelstoffwechsels sowie für die Aconitase der Mitochondrien, die das Enzym für ihren Eisenhaushalt brauchen. Das Spurenelement bremst auch die Gene für das antioxidativ wirksame Enzym Glutathionperoxidase und für die Carboanhydrase, die im Bikarbonat-Haushalt („Kohlensäure“) eine Rolle spielt.

Elektronentransport und Sauerstofftransport

Kupferhaltige Proteine haben verschiedene Rollen beim biologischen Elektronentransport. Bei diesen oxidativen Prozessen wird Cu(I) zu Cu(II) (vom einwertigen zum zweiwertigen Kupfer) konvertiert. So spielt Kupfer in der Cytochrom-c-Oxidase der Mitochondrien eine wichtige Rolle.

Das Kupfer-Eisen-Protein ist in die aerobe Zellatmung eingeschaltet, wo es die Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser mit bewerkstelligt.

Man vermutet, dass die biologische Bedeutung des Kupfers mit dem Auftauchen von Sauerstoff in der Erdatmosphäre begann. Die Oxidation mit Sauerstoff wurde von da ab für die aufkeimenden tierischen (und auch Pilze – allotrope Organismen) Lebewesen wichtig, die Stoffwechsel-Energie aus der Oxidation („Verbrennung“) gewinnen.

Kupfer ist Bestandteil der Cytochrom-Komplexe 1 bis 5 in der Elektronen-Transportkette der inneren Mitochondrien-Membran. In diesem terminalen Schritt des oxidativen Abbaus („Verbrennung“) von Fetten und Kohlenhydraten entsteht ATP, die sogenannte „Energie-Währung des Körper“. Kupfer ist auch im Protein Ceruloplasmin enthalten, das das Spurenelement in die Mitochondrien transportiert.

Die Cytochrom-Komplexe schützen die innere Mitochondrien-Membran auch vor oxidativer Zerstörung. Besonders wichtig für die Struktur des Elektronentransport-Systems ist das Phospholipid Cardiolipin, das ohne den Schutz-Faktor schnell der Oxidation anheimfiele. Dieses Risiko ist dann noch größer, wenn Cardiolipin mit ungesättigten Fettsäuren wie der Omega-6-Fettsäure Linolsäure verknüpft ist. Daher kommt hier der Ernährung eine hohe Bedeutung zu.

Eine Sonder-Funktion hat Kupfer bei den Mollusken und vielen Gliederfüßlern (Arthropoden: z.B. Krebse, Insekten). Das Protein Hämocyanin ist bei ihnen Teil des Sauerstofftransporters im Blut. Weil Hämocyanin blau ist, haben diese Organismen auch blaues Blut. Das Rot des Bluts in Säugetieren und Menschen dagegen beruht auf dem Hämoglobin, das kein Kupfer, sondern Eisen als Sauerstoffträger benutzt.

Kupfer kann man auch in vielen Superoxid-Dismutasen finden. Diese Proteine entgiften Superoxide, indem sie aggressive Sauerstoff- und Wasserstoff-Ionen zu Sauerstoff und Wasserstoffperoxid umwandeln.

Die meisten Kupferproteine wie die blauen Kupferproteine reagieren nicht unmittelbar mit ihren Substraten, weswegen sie keine Enzyme im klassischen Sinne sind. Diese Proteine sind am Elektronentransfer beteiligt.

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Nahrungsquellen für Kupfer

Kupfer ist reichlich enthalten in einer Reihe von Lebensmitteln wie:

  • Leber,
  • Getreide,
  • Gemüse,
  • Schokolade,
  • Nüssen,
  • Fleisch,
  • Meeresfrüchten
  • etc.

Kupfermangel

Kupfermangel entsteht hierzulande selten durch eine Fehl- und Mangelernährung. Öfter sind es Resorptions-Störungen im Dünndarm wie die Zöliakie, die das Defizit des Spurenelementes verursacht. Eine zu hohe Zink-Aufnahme kann Kupfer verdrängen, wodurch es dann zu Mangelerscheinungen kommt.

Beim Menkes-Syndrom liegt ein Gendefekt vor, bei dem ein Kupfer-Transport-Protein in den Zellen nicht funktioniert. Deswegen kann der Dünndarm kaum Kupfer aufnehmen. Die betroffenen Neugeborenen leiden an allgemeinen und zerebralen Entwicklungsstörungen, Dermatitis, Muskelschwäche und Krampfanfällen.

Da Kupfer bei der Resorption von Eisen im Magen-Darm-Trakt eine Rolle spielt, kann es bei einem Kupfermangel gleichzeitig zu anämieartigen Symptomen kommen.

Kupfermangel bewirkt außerdem Knochenanomalien, eingeschränktes Wachstum, Neutropenie (Verminderung der neutrophilen Granulozyten im Blut), Mangelpigmentation, häufiges Auftreten von Infektionen, Unregelmäßigkeiten im Glukose- und Cholesterinstoffwechsel etc.

Der Arzt erkennt den Kupfermangel an einer Labor-Analyse des Blutes. Abhängig von der Ursache soll entweder die Ernährung umgestellt oder es muss Kupfer supplementiert werden. Eine eventuelle Darm-Funktions-Störung muss ebenfalls behandelt werden.

Oft meinen Ärzte, bei zu niedrigen Ferritin-Werten läge ein Eisenmangel vor. Doch das Eisenspeicher-Protein kann auch infolge eines Kupfermangels reduziert sein, sodass der Hämoglobin-Wert immer mit bestimmt werden sollte. Daneben ist ein Blick auf das Eisen-Recycling-System sinnvoll, damit ein Kupfermangel nicht als Eisenmangel fehlinterpretiert wird. Sichtbar wird der Irrtum anhand der Aktivität der kupferabhängigen Ferroxidase und des Transferrins. Die Eisentransport-Proteine Ferroportin und Hephaestin schleusen Eisen aus Zellen heraus und sind ebenfalls von Kupfermangel betroffen. Allerdings sind diese Proteine schwer messbar.

Kupferüberschuss

Ein Kupfer-Überschuss ist eine Schwermetallvergiftung. Meist sind veraltete Wasserrohre oder Küchengeräte die Ursache oder zu hohe Dosierungen eines Supplementes. Die Symptome sind Magen-Darmstörungen mit Übelkeit und Erbrechen, Herz-Rhythmus-Störungen, Schweißausbrüche und Hautausschläge.

Mögliche Komplikationen sind Gelbsucht und Zirrhose. Letztere ist vermehrt beobachtet worden, wenn Milch in Kupfergefäßen gekocht wird.

Die Intoxikation offenbart sich durch eine Blutuntersuchung. Der Arzt wird dann Präparate verordnen, die bei einer Schwermetallentgiftung angezeigt sind. Dazu zählen Komplex-Bildner, die Kupfer binden, das dann ausgeschieden werden kann.

Beispiele für diese Mittel sind DMPS (Dimercaptopropansulfonsäure) und EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure).

Im Zuge der Erbkrankheit Mobus Wilson kommt es zur Akkumulation von Kupfer in Leber, Hornhaut, Nerven, Knochen und den Nieren. Ursache ist auch hier wie beim Menkes-Syndrom ein Fehler im Kupfer-Transport-System. Infolgedessen kann die Galle nicht mehr genügend überschüssiges Kupfer ausscheiden.

Gravierende Folgen sind eine Beeinträchtigung der Leber und neurologischen Schädigungen. Zudem kann es zu DNA-Veränderungen kommen, weil der schützende Effekt antioxidativer Prozesse gestört ist. Bei einer frühzeitigen Erkennung der Krankheit kann den Patienten mit einer lebenslangen Schwermetallentgiftung gut geholfen werden.

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Beitragsbild: 123rf.com – Alexander Raths

Cobalt

Cobalt (manchmal auch Kobalt, kurz Co) ist ein Übergangsmetall mit der Ordnungszahl 27 der 9. Gruppe im Periodensystem der Elemente.

Hierher gruppiert werden auch Rhodium, Iridium und das kurzlebige radioaktive und nur künstlich erzeugte Meitnerium. Cobalt ist ein ferromagnetisches Schwermetall.

Der Name „Cobalt“ hat seinen Ursprung im Lateinischen „cobaltum“, was soviel wie „Kobold“ bedeutet. Diese etwas seltsame Form der Namensgebung stammt wohl aus dem Mittelalter.

Hier wurden Cobaltverbindungen für wertvolle Kupfer- oder Silberverbindungen gehalten. Leider ließen sich mit den damaligen Mitteln die Cobaltverbindungen nicht verarbeiten.

Zudem enthalten viele der Cobaltverbindungen Arsen, das beim Erhitzen freigesetzt wird und unangenehme Düfte erzeugt. Die mittelalterlichen Alchemisten erklärten diese Phänomene als Werk von Hexen und Kobolden, die das kostbare Kupfer und Silber aufgefressen und durch wertlose Imitate ersetzt hätten. Der schwedische Chemiker Georg Brandt entdeckte dann 1735 das Element und gab ihm den Namen.

Cobalt hat an der Erdkruste nur einen Massenanteil von 0,003 Prozent. Es kommt auch kaum in seiner elementaren Form vor, sondern fast immer als Verbindung. Cobalt ist zwar in vielen Mineralien zu finden, jedoch stets in sehr geringen Mengen.

Cobalt kommt häufig zusammen mit Nickel, Uran, Kupfer, Silber und Eisen vor. Zudem lässt sich Cobalt als Spurenelement in den meisten Böden nachweisen.

Cobalt-Erze, die weltweit abgebaut werden, sind beispielsweise Cobaltit (CoAsS) und Cobaltnickelkies (Co3S4). Die lohnendsten Vorkommen liegen im Kongo. Das Land deckt über ein Drittel des globalen Cobalt-Bedarfs.

Cobaltverbindungen sind schon seit langer Zeit bekannt. Sie wurden zum Färben von Keramiken und Glas als Cobaltblau benutzt. Heute wird Cobalt für viele anderen technischen Anwendungen gebraucht. Dazu zählt die Herstellung von Metall-Legierungen, Akkus und Katalysatoren. Radioaktives Cobalt (60Cobalt) wird zur Strahlen-Therapie bei Krebs eingesetzt.

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Physiologische Bedeutung

Cobalt ist als Spurenelement Bestandteil des Vitamins B12. Dieses Cobalamin wird ausschließlich von Mikroorganismen produziert, die auch im Dickdarm des Menschen vorkommen. Doch dort kann Vitamin B12 nicht mehr resorbiert werden, weswegen die Aufnahme des Cobalt-haltigen Vitamins für den Menschen als essenziell gilt.

Der Vitalstoff ist Cofaktor vieler biochemischer Reaktionen. Ohne Vitamin B12 funktioniert der Stoffwechsel der Fette, Kohlenhydrate und Eiweiße sowie der genetische Stoffwechsel nur unvollständig.

In Mikroorganismen und Pflanzen kommen etliche Enzyme vor, die das Spurenelement ohne Cobalamin nutzen. Beim Menschen sind bsiher nur wenige Enzyme nachgewiesen, die Cobalt ohne den Cobalamin-Anteil benötigen.

Jedenfalls scheint die Zufuhr mineralischen Cobalts bedeutungslos zu sein oder der Bedarf ist so gering, dass Mangelerscheinungen nicht vorkommen. Entscheidend ist die Versorgung mit Vitamin B12, in dem das Spurenelement enthalten ist.

Cobalt-Mangel

Ein Cobalt-Mangel ist daher gleichzeitig immer in Mangel an Vitamin B12. Eine extreme Mangelernährung kann die Hypovitaminose auslösen. Daneben kann eine beeinträchtigte Darmschleimhaut mit Resorptionsstörungen die Ursache sein, wie es bei Alkoholismus vorkommt.

Auch ein Defizit am Intrinsic Factor verursacht die einen Cobalamin-Mangel. Dieses Protein wird im Magen produziert und ist für die Aufnahme des Cobalt-Vitamins erforderlich. Die Hypovitaminose zeigt sich durch Konditions-Schwäche, Anämie, Schleimhautblutungen, Lähmungen und psychiatrische Erkrankungen.

Supplementationen mit Vitamin B12 sowie eine Ernährungsumstellung können den Mangel beseitigen. Auch eine mögliche Grunderkrankung des Darmes muss abgeklärt werden.

Cobalt-Vergiftung

Leichte Überdosierungen sind selten und nicht besonders problematisch. Bei sehr hohen Dosierungen ab 25 mg und mehr kommt es zu ernsthaften Problemen. Meist geschieht dies nur bei Menschen, die am Arbeitspaltz einer hohen Cobalt-Emission ausgesetzt sind.

Die Symptome sind Kontaktekzeme an der Haut, Magen-Darm-Probleme und eine erhöhte Zahl der roten und weißen Blutkörperchen sowie der Thrombozyten. Zu den Folgen der Cobalt-Intoxikation zählen auch eine Vergrößerung von Leber und Milz, Hypertonie, Thrombosen, Herz- und Lungenerkrankungen, Geschwüre des Magens und des Zwölffingerdarmes sowie eine Unterfunktion der Schilddrüse.

In den 1960er Jahren in den USA und Kanada kam es zu einer Vergiftungswelle durch Cobalt.  Hier traten eine Reihe von Kardiomyopathien auf, die auf überdurchschnittlicher Cobaltzufuhr zurückzuführen waren.

So wurden in Quebec 49 und in Omaha 64 Personen beobachtet, die über Magenschmerzen, Übelkeit, Atemnot, Gewichtsverlust, Husten etc. klagten. Dazu kam eine Sterblichkeitsrate von 40 Prozent. Bei den Autopsien konnten schwere Schäden an Leber und Herz gezeigt werden.

Grund für die Cobaltvergiftung waren Brauereien, die einen „Schaumstabilisator“ eingeführt hatten, der aus Cobalt(II)-sulfat bestand.

Da die betroffenen Patienten starke Biertrinker waren – etwa 1,5 bis 3 Liter Bier täglich – , nahmen diese eine überdurchschnittliche Menge an Cobalt über den Bierkonsum auf. Die Brauereien stellten den Cobaltzusatz im Bier ein, was zu einem sofortigen Abklingen der Vergiftungserscheinungen führte.

Bei Cobalt-Intoxikationen ist zunächst eine Entgiftung mit Chelatbildnern angezeigt. Diese Verbindungen komplexieren die Co-Ionen, die dann über die Nieren ausgeschieden werden.

Geeignet sind EDTA (Ethylendiamintetraacetat), DMPS (Dimercaptopropansulfonsäure) und DMSA (Dimercaptobernsteinsäure). Künftige Expositionen mit dem Schwermetall sind ausfiindig zu machen und zu meiden.

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Quellen:

Chrom picolinat – Erfahrungen, Wirkung, Studien

Chrom – ein kleines Spurenelement, das in unserer modernen Ernährung oft zu kurz kommt und dennoch eine entscheidende Rolle im Stoffwechsel spielt. Ein Mangel daran kann zu Diabetes, Übergewicht und anderen Stoffwechselstörungen führen. Was dahinter steckt und wie Sie sich schützen können, erfahren Sie hier.

Eins ist klar: Es geht bei Chrom picolinat um Chrom. Das essenzielle (lebenswichtige) Spurenelement Chrom spielt bei der Regulation des Metabolismus eine wichtige Rolle. Sowohl für viele katabole (abbauende) als auch für eine Reihe von anabolen (aufbauenden) Stoffwechsel-Reaktionen ist das Übergangsmetall unerlässlich.

Gut beschrieben ist die Funktion von Chrom im Kohlenhydrat-Stoffwechsel und hier besonders die Bedeutung des Spuren-Elementes für die Verarbeitung der Glucose, als Zucker ganz allgemein.

Denn die biologisch aktiven Chrom-III-Komplexe steuern die Bindung des Hormons Insulin an die Insulin-Rezeptoren der Gewebezellen.

Ohne Chrom wirkt Insulin nicht

Nur wenn neben Insulin auch Chrom an die Insulin-Rezeptoren andockt, können die Zellen den Blutzucker aufnehmen, um daraus für den Körper nutzbare Energie zu erzeugen.

Hepatozyten (Leberzellen) und Muskelzellen nehmen Traubenzucker auf und wandeln ihn in Glykogen (Leberstärke) um. In dieser Form wird Glucose gespeichert und ist jederzeit abrufbar. Wir sehen also, dass die Resorption der Glucose in die Zellen hinein lebenswichtig ist. Der Chrom-III-Komplex ist Bestandteil des Glucosetoleranz-Faktors, der neben dem Insulin für die Aufnahme von Glucose in die Zellen gebraucht wird.

Beim „Alterszucker“ ist Insulin ohnehin weniger effektiv

Vor allem beim altersbedingten Diabetes (Diabetes Typ 2) kommt es häufig zu einer Unempfindlichkeit der Insulin-Rezeptoren gegenüber dem Insulin. Es wird zwar genügend Insulin produziert, dennoch nehmen die Gewebe den Zucker nicht ausreichend auf. Die Erkrankung nimmt in den westlichen Industrienationen durch die sich ändernde Lebensweise vieler Menschen stetig zu.

Bewegungsmangel bei gleichzeitig hohem Verzehr von Zucker und anderen Kohlenhydraten fördern den Diabetes Typ 2 und lösen das metabolische Syndrom aus. Verbunden ist dies auch mit Übergewicht, das durch die gesteigerte, Insulin-vermittelte Fett-Synthese zustande kommt. Hinzu kommt, dass das Sättigungsgefühl im Zuge der Insulinresistenz nachlässt, wodurch eine Neigung zum verstärkten Essen aufkommt.

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Risiko: zu viel Zucker, zu wenig Chrom

Eine optimale Versorgung mit dem Spurenelement kann die Glucose-Aufnahme der Zellen um den Faktor 20 verbessern. Die Bedeutung von Chrom nimmt im Hinblick auf den steigenden Zucker-Konsum stetig zu. In den letzten 100 Jahren hat sich der Verzehr  von Saccharose verzehnfacht, wodurch das Risiko für die Entstehung von Diabetes Typ 2 ebenfalls gestiegen ist. Zucker führt zu einem schnellen Anstieg des Blut-Glucose-Gehaltes, der mit einer Insulin-Ausschüttung beantwortet wird.

Daraufhin fällt der Glucose-Wert rapide ab und es folgt eine kurzzeitige Hypoglykämie. Diese extremen Schwankungen stellen für den Stoffwechsel ein erhebliches Problem dar und sind letztlich die Ursache für die Unempfindlichkeit der Insulin-Rezeptoren. Der Chrom-Mangel durch industriell verarbeitete Lebensmittel verschärft das Problem noch. Gleichzeitig hat der Bedarf an dem Spurenelement zugenommen.

Chrom hilft bei der Behandlung des Diabetes Typ 2 und Typ 1

Um den Körper wieder gegen Insulin zu sensibilisieren, muss vor allem die Ernährung umgestellt werden. Das heißt insbesondere, weniger kohlenhydratreiche Lebensmittel zu verzehren. Saccharose (Industriezucker) sollten die Patienten am besten ganz weglassen. Daneben verordnet der Arzt Antidiabetika wie Metformin.

Zusätzlich sollte der Chrom-Mangel ausgeglichen werden. Präparate mit einem Chrom-III-Komplex verbessern die Verwertung des Insulins. Hilfreich ist der Effekt auch bei Diabetikern vom Typ 1. Bei dieser Erkrankung produziert die Bauchspeicheldrüse zu wenig Insulin, sodass die Patienten das Hormon injizieren müssen. Dies kann langfristig zu einer fatalen Insulin-Resistenz führen, weswegen die Insulin-Dosierungen so gering wie möglich gehalten werden sollten. Da Chrom die Insulin-Wirkung verstärkt, kann eine Supplementierung mit dem Spurenelement den Bedarf an dem extern zugeführten Hormon verringern. Das Risiko der gefürchteten Insulin-Resistenz kann so vermindert werden.

Chrom kann also die mit einem Diabetes einhergehenden Erkrankungen verlangsamen oder sogar verhindern.

Chrom als Anti-Aging-Faktor

Insulin ist, neben der Regulation des Blutzuckerspiegels, zusätzlich an der Steuerung vieler Alterungsprozesse beteiligt. Deshalb ist es günstig, die Werte so niedrig wie möglich zu halten. Ist im Organismus genügend Chrom vorhanden, so genügen geringere Mengen Insulin, um den Blutzuckerspiegel stabil zu halten. Chrom wird daher auch eine wichtige Anti-Aging-Wirkung zugeschrieben. Bekannt ist zumindest, dass besonders bei älteren Menschen sehr oft ein diskreter Chrom-Mangel feststellbar ist.

Chrom unterstützt den Fettstoffwechsel

Chrom ist auch ein bedeutender Faktor im Fettstoffwechsel. Wie das Spuren-Element hier eingebunden ist, ist noch nicht vollständig geklärt. Es konnte jedoch festgestellt werden, dass ein Zusammenhang besteht zwischen sehr niedrigem Chrom-Spiegel und der Koronaren Herzkrankheit (KHK). Umgekehrt kann eine Supplementierung mit Chrom arteriosklerotische Prozesse bremsen. Bei künstlich induziertem Chrom-Mangel zeigte sich im Tierversuch eine rasante Zunahme der Arteriosklerose.

Bei Ratten löst ein Chrom-Defizit die Arteriosklerose regelrecht aus (https://www.deutsche-apotheker-zeitung.de/daz-az/2006/daz-11-2006/uid-15588). Insulin hat nachweislich auch einen Einfluss auf die Cholesterin-Synthese. Das belegt der Zusammenhang zwischen hohen HDL-, niedrigen LDL-Werten mit einer gesteigerten Insulin-Produktion. Diese Hinweise haben Untersuchungen am Menschen ergeben. Eine ausreichende Chrom-Versorgung könnte diese negativen Auswirkungen mildern.

Chrom ist auch für den Protein-Stoffwechsel wichtig

Chrom spielt auch in der Regulation der Protein-Biosynthese eine wichtige Rolle. Auch hier ist nur die Tatsache an sich bekannt, aber nicht der genaue Wirk-Mechanismus. Ohne das Spuren-Element könnte unser Körper wahrscheinlich kein Eiweiß produzieren. Gesichert ist, dass Insulin die Speicherung von Proteinen in den Muskelzellen fördert. Deswegen unterstützt Chrom die Bildung und Erhaltung der Muskelmasse. Besondere Bedeutung hat dies bei Diäten zur Gewichts-Reduktion.

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Chrom spielt eine Rolle für viele andere Funktionen

Auch die Schilddrüsen-Funktion ist chromabhängig. Wie hier die Zusammenhänge sind, ist ebenfalls nicht genau erforscht. Sicher ist nur, dass wir auch für die Physiologie dieser Hormon-Drüse auf Chrom angewiesen sind.

Wahrscheinlich werden Wissenschaftler künftig noch viele weitere biologische Funktionen entdecken, die ohne Chrom nicht denkbar wären. Nach den bisherigen Erkenntnissen ist es nicht verwunderlich, dass ein Mangel des Spuren-Elementes gravierende Symptome hervorruft. Die Anzeichen gleichen denen eines Diabetes mellitus. Es kommt zu einem riskanten Wasserverlust durch verstärkte Ausscheidung (Polyurie) und zu einer bleiernen Muskelschwäche. Hinzu kommen psychische Beschwerden wie Nervosität, Depressionen und Demenz-Symptome.

Chromium Picolinat liefert Chrom(III)-Ionen

Der Körper kann nur Chrom(III)-Ionen verwerten. Das Nahrungsergänzungsmittel Chromium Picolinat ist besonders geeignet, einem Mangel des Spurenelements vorzubeugen, da die Picolinsäure eine organische Verbindung ist. Dadurch sind die Resorption im Darm und die Aufnahme in die Zellen begünstigt. Der Körper kann die Metall-Ionen im begrenzten Umfange speichern, und zwar in der Leber, den Muskeln und Knochen, aber auch in der Lunge, der Milz und der Niere.

Anorganisches Chrom nimmt der Dünndarm nur mit einem Anteil von 1 % des in der Nahrung enthaltenen Spuren-Elementes auf. Die WHO empfiehlt die Aufnahme von 30 – 100 Mikrogramm Chrom pro Tag. Medikamentöse Gaben von 200 Mikrogramm täglich konnten in einer Studie den Blut-Glucose-Wert senken und den Fettstoffwechsel normalisieren. In einer anderen Arbeit mit Diabetes-Typ-2-Patienten konnte eine Supplementierung von 1000 Mikrogramm pro Tag den Blutzucker komplett ins Gleichgewicht bringen.

Fazit

Chrom kann Zivilisationskrankheiten lindern und vorbeugen. Chrom ist ein Faktor bei vielen physiologischen Prozessen. Ein Mangel an dem Spurenelement ruft Störungen im Zucker-, Fett- und Proteinstoffwechsel hervor. Eine optimale Chrom-Versorgung kann verschiedenen Zivilisationskrankheiten vorbeugen und Folgeerkrankungen lindern.

Dazu zählen Diabetes, Arteriosklerose und Herz-Kreislauferkrankungen. Wegen möglicher Nebenwirkungen von Chrom sollte die Supplementierung allerdings 100 Mikrogramm täglich nicht überschreiten.

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Beitragsbild: 123rf.com – Alexander Raths

Was bewirkt Bor im Körper?

Bevor wir zur Frage kommen, was Bor im Körper bewirkt, schauen wir uns mal an, was Bor eigentlich ist. Macht Sinn – oder?

Also: Das Element Bor kennen wir am ehesten als „Borwasser“, das eine 3-prozentige wässrige Lösung aus Orthoborsäure (H3BO3) darstellt.

Die desinfizierende Mixtur wird als äußerliche angewendetes Mittel bei Hautinfektionen eingesetzt. Aber auch Augentropfen dürfen Borwasser zur Pufferung und Konservierung enthalten.

Zur Haltbarmachung von Lebensmitteln ist die Borverbindung nur für Kaviar zugelassen (E 284). Wegen der geringen Verzehrmengen gelten Vergiftungen und Nierenschäden als ausgeschlossen.

Bor (abgekürzt „B“, Ordnungszahl 5) ist ein Halbmetall, dessen Atome strukturell mitAluminium und Thallium „verwandt“ sind.

Das Element existiert in einer Reihe von allotropen Modifikationen. Unter „allotrop“ versteht man dabei, dass dieses Element in einem spezifischen Aggregatzustand (fest, flüssig oder gasförmig) in mindestens 2 oder auch mehreren Strukturen auftritt, die sich physikalisch und chemisch in ihrer Reaktionsbereitschaft voneinander unterscheiden.

Man kann fast sagen, dass man zwar das gleiche Element hat, aber aufgrund der Modifikationen das Element sich chemisch wie zwei völlig verschiedene Elemente verhält. Ursache dafür ist die Elektronegativität von 2,04 auf der Pauling-Skala.

Bor liegt damit zwischen den echten Metallen und den Nichtmetallen. Daher hat das Element besondere Bindungseigenschaften, die die Entstehung komplizierter Moleküle und Kristallgitter erlauben.

So bilden bis zu 121 Bor-Atome einen β-Rhomboeder oder 12 Atome verbinden sich zum α-Rhomboeder. Schwarzes Bor ist ein Metall, das den elektrischen Strom allerdings nicht gut leitet. Das braune, amorphe Bor (nicht kristalline) reagiert als Nichtmetall.

Bor kommt in der Natur ausschließlich als Verbindung mit Sauerstoff vor. Dazu zählen Borax mit der Summenformel Na2[B4O5(OH)4] und Kernit mit der Zusammensetzung Na2[B4O6(OH)2]. Weil das Element aber auch in den Weltmeeren vorkommt, gehört es zu den 10 häufigsten der Erdkruste.

Lohnende Lagerstätten sind rar und liegen in der Türkei, Kasachstan und Kalifornien. Der Borax-Gehalt in deutschen Böden wird auf rund 80 bis 180 mg/kg beziffert.

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Technische Anwendungen

Schon in der Antike verwendeten die Ägypter Bor zur Mumifizierung. Im chinesischen Kaiserreich und bei den Römern dienten Borverbindungen zur Glasherstellung (Borglas).

Heute hat Bor eine lange Liste von industriellen Verwendungen, z.B. als Isolier- und Bleichstoff als Borax und Perborate. Des Weiteren als Additiv für Raketentreibstoff, Legierungszusatz, Reduktionsmittel von Kupfer, Zünder für Airbags und Bauteile für Helikopterrotoren. Das Element findet auch Anwendung in Leuchtmunition, Feuerwerksartikel und Steuerstäben in Atommeilern.

Auch in vielen Gebrauchsgegenständen wie Tennisschlägern, Golfschlägern und Angelruten ist das Element enthalten. Daneben werden Bor-Verbindungen als Schmiermittel eingesetzt und sind Bestandteile von Medikamenten, Dünger und Pestiziden. Diese Liste der vielfältigen Anwendungen ist keineswegs vollständig.

Biologische Bedeutung – oder: Was macht Bor im Körper?

Bor ist für Pflanzen ein essenzieller Nährstoff. Deren Trockenmasse beinhaltet daher einen Bor-Gehalt von 5 bis 60 mg/kg, wobei das Element in den Fortpflanzungs-Organen höher konzentriert ist. In pflanzlichen Zellwänden vernetzt Bor die Pektine und sorgt so für höhere Festigkeit des Pflanzenkörpers.

Das Element ist auch am Stoffwechsel der Phytohormone beteiligt, weswegen Bor das Pflanzenwachstum fördert. Eine bekannte Mangelerscheinung sind die Trocken- und Herzfäule bei Zuckerrüben (Beta vulgaris).

Auf der anderen Seite können hohe Konzentrationen im Boden – mehr als 1 ppm (rund 1 mg/l) – zu Nekrosen an Blattspitzen bzw. -rändern führen (Borchlorose). Diese hohen Konzentrationen führen dann ebenfalls zu einem eingeschränkten Wachstum.

Für Pflanzen mit einer geringeren Toleranz gegenüber Bor treten diese Effekte schon bei Konzentrationen von nur 0,8 ppm auf. Für fast alle Pflanzen ist eine Bodenkonzentration von über 1,8 ppm mehr oder weniger toxisch.

Für Tiere, Ratten z.B., ist Bor unbedingt notwendig, um ein optimales Gedeihen zu gewährleisten. Hier kommt es aber nur als Ultra-Spurenelement in Frage. Um bei den Tieren einen Bor-Mangel zu erzeugen, ist es notwendig, hoch gereinigtes Futter zu verabreichen und die Luft durch spezielle Staubfilter zu reinigen.

Als Mangelerscheinung erhält man dann ein schlecht entwickeltes Fell mit schlechter Haarqualität. Beim Menschen ist die Notwendigkeit noch umstritten, obwohl die Aufnahme des Elementes zunehmend als lebenswichtig gilt. Wahrscheinlich ist Bor ein wichtiges Agens innerhalb des Gehirn- und Knochenstoffwechsels.

Desweiteren unterstützt das Spurenelement das Gleichgewicht der Sexual- und Schilddrüsen-Hormone. Außerdem scheint Bor bei bestimmten Formen der Arthritis zu helfen sowie das Krebs-Risiko zu senken. Einige Forscher vermuten auch, dass Bor die Verfügbarkeit von Vitamin D optimiert.

Bor steht daneben auch im Zusammenhang mit dem Elektrolyt-Stoffwechsel, der sich durch das Spurenelement zu verbessert. Aus diesen Gründen wird Bor teils als „semiessenziell“ bezeichnet.

Die durchschnittliche Ernährung liefert zwischen 1 und 3 mg täglich, wodurch die angenommene Mindest-Versorgung gewährleistet ist. Deswegen sind bisher noch keine Mangelerscheinungen beschrieben worden. Die Nieren scheiden Bor ohne Weiteres aus, weswegen es bei leichten Über-Dosierungen nicht zu einer Akkumulation im Gewebe kommt.

Das Zytostatikum Bortezomib ist eine organische Bor-Verbindung, die beim multiplem Myelom, einer Form von Knochenkrebs, angewendet wird. Wie alle Zytostatika blockiert das Medikament die Zellteilung und soll so besonders die Tumor-Zellen abtöten, die sich rasant vermehren.

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Studien zu Bor

Über die genauen Wirkmechanismen der Toxizität und Physiologie beim Menschen ist wenig bekannt. Dennoch gibt es eine Reihe von Arbeiten, die Bor im Zusammenhang mit verschiedenen physiologischen Parameter darstellen.

Essential Nutrients for Bone Health and a Review of their Availability in the Average North American Diet
Price CT, Langford JR, Liporace FA.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3330619/

Der Artikel gibt einen Überblick über die für den Knochenstoffwechsel notwendigen und förderlichen Vitalstoffe. Bor wird hervorgehoben als positiver Faktor für die physiologische Ausnutzung von Calcium und Magnesium sowie Vitamin D. Auch die Verlängerung der Halbwertszeit von Östrogen wird hier betont.

Essentiality of boron for healthy bones and joints.
Newnham RE.
Rex Newnham and Associates, North Yorkshire, England.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/7889887

Diese Arbeit sieht in Bor eine Substanz, die hilft, Arthritis zu verhindern bzw. zu therapieren. Es erfolgt eine Aufzählung von Hinweisen auf das Auftreten von Arthritis in Abhängigkeit zum Bor-Konsum und die Erwähnung einer Studie mit nur 20 Probanden. Das reicht sicherlich nicht aus, hier schon eine abgesicherte Korrelation zu postulieren.

Boron regulates mineralized tissue-associated proteins in osteoblasts (MC3T3-E1)
Hakki SS, Bozkurt BS, Hakki EE.
https://www.academia.edu/21121161/Boron_regulates_mineralized_tissue-associated_proteins_in_osteoblasts_MC3T3-E1 _

Versuche mit Zellkulturen von Osteoblasten zeigten, dass Bor verschiedene Aktivitäten der Knochenzellen fördert. Dazu zählt die Mineralisation und offensichtlich auch die Kollagen-Synthese, worauf betreffende Gen-Produkte hinweisen (mRNA für Kollagen Typ 1). Im Vergleich zu niedrigen Bor-Gaben (0,0 ng/ml bis 0,1 ng/ml) führten höhere Dosierungen (1 bis 10 ng/ml) zu einem Anstieg von Markern für die Knochenbildung (Osteopontin, Bone Sialoprotein, Osteocalcin, RunX2 mRNA).

Boron enhances odontogenic and osteogenic differentiation of human tooth germ stem cells (hTGSCs) in vitro.
Taşlı PN, Doğan A, Demirci S, Şahin: Ebenfalls in Zellkulturen wiesen die Wissenschaftler nach, dass Bor die Entwicklung von Zahnkeimzellen fördert. Dies kommt sowohl der Zahn- als auch der Knochenbildung zugute.

The nutritional and metabolic effects of boron in humans and animals.
Samman et al., Department of Biochemistry, University of Sydney, Australia.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10050922

Diese Arbeit ist eine von mehreren Arbeiten, die übereinstimmend eine Erhöhung des Testosteron- und Östradiolspiegels beim Menschen und Ratten unter erhöhtem Bor-Konsum beobachtet haben. Allerdings konnte der genaue Wirkmechanismus des Bors, der zu diesen Veränderungen führte, nicht erklärt werden.

Effect of dietary boron on mineral, estrogen, and testosterone metabolism in postmenopausal women.
Nielsen FH, Hunt CD, Mullen LM et al.
https://www.fasebj.org/doi/abs/10.1096/fasebj.1.5.3678698

Die Studie mit Frauen zwischen 48 und 82 Jahren, also nach der Menopause, bestätigt den positiven Einfluss von Bor auf den Hormonstoffwechsel. Unter zusätzlichen Bor-Gaben von rund 3 mg pro Tag stieg sowohl der 17-β-Estradiol- als auch der Testosteron-Spiegel. Gleichzetig sank die Ausscheidung von Calcium und Magnesium über die Nieren.

Comparative effects of daily and weekly boron supplementation on plasma steroid hormones and proinflammatory cytokines. Naghii MR, Mofid M, Asgari AR et al. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21129941

Die Arbeit bestätigt die positive Auswirkung von Bor auf den Hormonstoffwechsel auch für Männer. Die Konzentration von freiem Testosteron erhöht sich unter der ergänzenden Gabe von Bor. Darüber hinaus sinken die Entzündungs-Marker im Blut (hsCRP und TNF-α).

The importance of boron nutrition for brain and psychological function.
Penland JG. US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Grand Forks Human Nutrition Research Center, USA. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10050926

In dieser Arbeit wurde festgestellt, dass eine Bor-Gabe psychologische und neurologische Funktionen verbessert, da Bor die elektro-chemischen Aktivitäten im Gehirn unterstützt. Leider lässt sich im Abstract nicht feststellen, auf welcher Basis und mit wie vielen Patienten die Autoren zur ihren Ergebnissen gekommen sind.

Calcium Fructoborate – Potential Anti-inflammatory Agent.
Scorei RI, Rotaru P. https://www.researchgate.net/publication/49792303_Calcium_Fructoborate-Potential_Anti-inflammatory_Agent

sowie: Calcium fructoborate helps control inflammation associated with diminished bone health.
Scorei RI, Rotaru P. https://link.springer.com/article/10.1007/s12011-013-9800-y 

Die Autoren berichten über die Wirkungen von Calciumfructoborat, das besonders reichhaltig in Trockenobst, Kräutern und einigen Gemüsen sowie im Wein vorkommt. Festgestellt wird eine Knochenverdichtung bei Osteoporose-Patienten sowie antioxidativen und entzündungshemmenden Eigenschaften der Komplex-Verbindung. Diese Wirkungen führen auch zu einem nachweisbaren Gefäßschutz.

Dietary boron intake and prostate cancer risk. Cui Y, Winton MI, Zhang ZF et al. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15010890 

Die Studie beruht auf Daten aus der National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES III). Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass eine Bor-Zufuhr von 1,36 mg bis 1,54 mg täglich mit einem deutlich niedrigeren Risiko für Prostata-Krebs verbundnen ist als bei Männern mit suboptimaler Aufnahme. Die Wahrscheinlichkeit war im Vergleich zu Männern mit einer Zufuhr von 0,52 mg und 0,62 mg täglich um 64 % geringer.

Boron supplementation inhibits the growth and local expression of IGF-1 in human prost-ate adenocarcinoma (LNCaP) tumors in nude mice. Gallardo-Williams MT, Chapin RE, King PE et al. https://journals.sagepub.com/doi/10.1080/01926230490260899 

In der Arbeit wird die Wirkung von Bor auf Prostata-Tumore bei Mäusen untersucht. Die Tumor-Größe war unter einer Bor-Supplementation um bis zu 38 % geringer als bei den Kontroll-Tieren. Die PSA-Werte (Prostata-spezifisches Antigen) fielen entsprechend um bis zu 88 % niedriger aus. Der Wirkmechanismus hängt offensichtlich mit einer Reduzierung der Konzentration des IGF 1 (Insulin-like Growth-Factor 1) in den Tumorzellen zusammen. In den Krebszellen war das Peptidhormon niedriger konzentriert als im Serum.

Comparative effects of boric acid and calcium fructoborate on breast cancer cells.
]Scorei R, Ciubar R, Ciofrangeanu CM et al. https://link.springer.com/article/10.1007/s12011-007-8081-8 

Die Arbeit zeigt, dass Borsäure und Calciumfructoborat das Wachstum von Brustkrebszellen hemmen. Calciumfructoborat kann sogar den programmierten Zelltod (Apoptose) in den malignen Zellen auslösen.

Effects of dietary boron on cervical cyto-pathology and on micronucleus frequency in exfoliated buccal cells.
Korkmaz M, Uzgören E, Bakirdere S et al.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/tox.20229 

Die Untersuchung an Frauen in Bor-reichen und Bor-Mangelgebieten zeigt, dass eine höhere Bor-Aufnahme mit einem geringeren Risiko für Gebärmutterhalskrebs verbunden ist.

Dietary boron and hormone replacement therapy as risk factors for lung cancer in women.
Mahabir S, Spitz MR, Barrera SL et al.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3390773/ 

Diese Studie legt einen gleichgerichteten Zusammenhang für Lungenkrebs bei Frauen nach. Dies trifft für zwei untersuchte Frauengruppen zu, diejenigen mit und ohne Hormonersatz-Therapie.

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Gehalt in Lebensmitteln und Toxizität

Man vermutet heute, dass die normale tägliche Bor-Zufuhr durch die Lebensmittel zwischen 2,1 und 4,3 Milligramm liegt. Dies liegt nicht zuletzt auch daran, dass praktisch alle pflanzlichen Lebensmittel mehr oder weniger Bor enthalten.

Besonders hoch ist der Gehalt in getrockneten Pflaumen mit 27 mg/kg und in Rosinen mit 25 mg/kg. Auch Mandeln (23 mg/kg), Haselnüsse (16 mg/kg) und Erdnüsse (18 mg/kg) sind reich an dem Spurenelement. In Obst und Gemüse sind zwischen 1 und 2,7 mg Bor /kg enthalten.

Bor ist in seiner elementaren Form nicht besonders giftig, vorausgesetzt, es handelt sich um geringe Dosen. Dagegen gibt es Borverbindungen, vor allem die Borwasserstoffverbindungen, die schon in geringen Dosen hoch toxisch wirken. Borsäure und Borax z.B. werden seit geraumer Zeit als fortpflanzungsgefährdend eingestuft.

Erst ab einer Menge von ab 3 g besteht bei Kindern die Gefahr einer akuten Vergiftung, die auch tödlich enden kann. Bei Erwachsenen können Aufnahme-Mengen ab 15 g einen letalen Verlauf nehmen.

Mehr als 10 mg pro Tag sollten laut EFSA nicht aufgenommen werden. Über 100 mg Bor täglich gelten als chronisch toxifizierend. Symptome sind Übelkeit, Durchfall, Erbrechen sowie Kreislaufstörungen und Muskelkrämpfe.

Die schleichende Vergiftung verursacht Schäden an Nieren und Leber, Anämie und einen azyklischen Verlauf der Regelblutung der Frau. Dann muss die Ursache der Vergiftung geklärt und ausgeschaltet werden. Zusätzlich helfen allgemeine Maßnahmen der Detoxifikation.

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Beitragsbild: 123rf.com – PAPAN SAENKUTRUEANG

Arsen

Das Element Arsen kennen wir vor allem als Mordgift. Ob es der Mensch in Spuren zum Leben braucht, ist nicht ganz klar. Manche Forscher halten das aber für wahrscheinlich.

Arsen (abgekürzt As, Ordnungszahl 33) gehört zur Stickstoff-Phosphor-Gruppe und ist ein Halbmetall. Einige Modifikation haben metallische, andere nichtmetallische Eigenschaften.

So ist graues Arsen mit seinem durchgehenden Kristallgitter eher ein Metall, das den elektrischen Strom relativ gut leitet. Hingegen sind gelbes Arsen (As4) und das amorphe (nicht kristalline) schwarze Arsen Nicht-Metalle, ebenso wie das polymere braune Arsen.

Arsen kommt nur sehr selten in reiner, gediegener Form vor, sondern liegt meist als Verbindung vor, zumeist mit Sulfiden (Sulfide sind Salze des Schwefelwasserstoffs H2S).

Das Element kommt praktisch überall im Boden vor, allerdings in sehr geringen Konzentrationen, die selten 10 ppm (parts per million = Teile von Millionen, in diesem Fall 10 Millionstel) übersteigen. Die Häufigkeit von Arsen ist mit der von Uran zu vergleichen. Unter allen Elementen liegt es in der „Hitparade“ der häufigsten Elemente an Platz 53. In den Weltmeeren gibt es fast kein Arsen, da die Substanz praktisch nicht wasserlöslich ist. Etwa 1,6 ppb (parts per billion = Teile von einer Milliarden) lassen sich nachweisen.

In der Luft kommt Arsen als Arsen(III)-oxid vor. Sie rühren mit hoher Wahrscheinlichkeit von Vulkanausbrüchen als natürliche Ursache. In der Erdkruste sind höhere Arsen-Gehalte oft mit Blei, Kupfer und Cobalt vergesellschaftet. Deswegen wird das Element meistens zusammen mit den entsprechenden Erzen gefördert. Solche Vorkommen befinden sich in Russland, Chile und Mexiko sowie Frankreich und Schweden.

In Deutschland liegen kleinere Fundstellen im Harz. Die legendäre Gletschermumie „Ötzi“ weist eine erhebliche Arsen-Belastung auf, weswegen Wissenschaftler von einer Beteiligung des Mannes an der Kupferverhüttung ausgehen.

Verwendung

Viele Metall-Legierungen werden mit Arsen dotiert, um optimale technische Eigenschaften zu erzielen. In der Industrie wird das Element beispielsweise eingesetzt um Blei gießbar zu machen, damit die fein strukturierten Platten von Akkumulatoren gegossen werden können, was ohne Arsen nicht machbar wäre. In der Elektronik spielt reines, elementares Arsen als Halbleiter eine Rolle.

Es wird in integrierten Schaltkreisen, Leuchtdioden etc. eingesetzt. Da Arsen hoch toxisch ist, besonders das Arsen(III)-oxid, wird es als Schädlingsbekämpfungsmittel und Fungizid in verschiedenen Bereichen eingesetzt, wie z.B. im Weinbau, in der Holzwirtschaft usw. In Deutschland ist die Anwendung im Pflanzenschutz verboten, wird aber in vielen Ländern noch praktiziert.

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Arsen in Medikamenten

Interessant ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von Arsen in Medikamenten. In der Antike wurden arsenhaltige Mineralien als Fiebermittel eingesetzt. Arsen erfuhr aber auch Verwendung zur Behandlung von Rheuma, Malaria, Migräne, Tuberkulose und sogar Diabetes.

Im 18. Jahrhundert wurde ein Wundermittel auf den Markt gebracht, das Kaliumarsenit und Lavendelwasser enthielt, die sogenannte Fowlersche Lösung. Das Lavendelwasser hatte nichts mit der medizinischen Wirkung zu tun, sondern diente nur zur Geschmacksverbesserung. Das Mittel war sogar in Deutschland noch bis in die 1960er Jahre als Mittel gegen Schuppenflechte im Einsatz.  Ein wichtiges Medikament auf Arsenbasis ist ein Antibiotikum, das gegen die afrikanische Schlafkrankheit wirksam ist.

1905 entdeckten Wissenschaftler, dass Atoxyl die Erreger der Schlafkrankheit abtötet. Atoxyl ist ein Natriumsalz der Arsanilsäure. Es ist heute noch unter anderem Namen im Einsatz, allerdings mit der Zulassung zur Behandlung der akuten Promyelozyten Leukämie (ALP). Synthetisiert wurde die Substanz 1863 von Antoine Béchamp, der der Substanz auch ihren Namen gab.

Er wollte mit der Namensgebung auf die vergleichsweise geringe Toxizität im Gegensatz zu Arsen hinweisen. Einsatz fand die Substanz ursprünglich aber nur bei Hauterkrankungen. Paul Ehrlich entwickelte etwa zur gleichen Zeit ein Medikament zur Behandlung von Syphilis, das ebenfalls auf Arsen beruhte, das Arsphenamin. Mit Entwicklung der Penicilline wurden die arsenhaltigen Substanzen für diese Indikation obsolet.

Auch Atoxyl wurde bei der Schlafkrankheit durch ein verträglicheres Medikament abgelöst, das allerdings auch auf einer Arsenbasis beruht, dem Melarsoprol. „Verträglicher“ ist jedoch ein relativer Begriff, denn die Nebenwirkungsrate ist hier ebenfalls recht hoch und kann dramatisch werden.

Von daher ist die Behandlung mit Atoxyl und Melarsoprol als besonders risikoreich einzustufen und kann nur in einem Krankenhaus durchgeführt werden. Zum Schluss sei noch bemerkt, dass verschiedene Arsensulfide auch Bestandteil von einigen Arzneimitteln der traditionellen chinesischen Medizin sind.

Arsenicum album ist ein häufig verordnetes Arzneimittel in der Homöopathie.

Arsen als Spurenelement und Gift

Ob Arsen als Spurenelement eine Bedeutung für den Menschen hat, ist bislang nicht geklärt. So wurden bislang auch noch keine Mangelerscheinungen beobachtet.

Bei Tieren verhält sich die Sache allerdings etwas anders. Eindeutig belegt ist die lebenswichtige Abhängigkeit von Arsen nur für den Felsenhummer (Jasus spec.). Bei einer Reihe von Tieren ist die essenzielle Bedeutung des Elementes sehr wahrscheinlich.  Hühner und Ratten zeigen z.B. bei einer Ernährung, die frei von Arsen ist, signifikante Wachstumsstörungen.

Man vermutet hier einen Einfluss von Arsen auf den Arginin-Stoffwechsel. Man konnte auch beobachten, dass Arsengaben zu einer erhöhten Erythrozyten-Bildung führt. Dies war der Grund, warum früher das Futter von Schweinen und Geflügel mit Arsen versetzt wurde, um eine ausgeprägtere Mästung zu erzielen.

Dieses Verfahren ist in der EU und den USA aufgrund der Gesundheits-Risiken heute nicht mehr zugelassen. Zur Steigerung der Erythrozyten-Zahl und der Leistungsfähigkeit von Rennpferden wurde Arsen ebenfalls verwendet. Auch dieses Doping wurde schließlich verboten. Über Urinanalysen lassen sich Arsenzusätze im Futter der Tiere relativ schnell und sicher nachweisen.

Auch beim Menschen kann eine höher dosierte Arsen-Gabe offensichtlich die Erythrozyten-Vermehrung anregen. So war es bei den Bauern in den Höhenlagen der Alpen früher üblich, bis zu 500 mg Arsen wöchentlich einzunehmen. Damit sollte die Arbeitsfähigkeit in der sauerstoffarmen Luft verbessert werden. Diese Mengen nähern sich einer tödlichen Dosis an, die bei 1,4 mg/kg Körpergewicht (LD50) veranschlagt wird.

Wahrscheinlich, aber nicht nachgewiesen, sind Todesfälle durch diese früher praktizierte Anwendung. Möglicherweise kann sich der Organismus aber auch an Arsen gewöhnen, worauf Erkenntnisse von Bewohnern der Atacama-Wüste hindeuten. Die Menschen dort vertragen das hier stark Arsen-haltige Trinkwasser gut.

Beim Menschen vermutet man einen täglichen Bedarf an Arsen von zwischen 5 und 50  Mikrogramm. Diese Grenze wird durch die Nahrung mehrfach überschritten, denn in den Nahrungsmitteln sind, je nach Art des Nahrungsmittels, bis zu 1 Milligramm/kg enthalten können. Solche Extrem-Mengen kommen aber selten vor und sind nur dann bedenklich, wenn Arsen in anorganischen Verbindungen vorliegt.

So reichern Reispflanzen mineralisches Arsen an und sind die häufigste Quelle für eine Arsen-Belastung. Die EU-Grenzwerte für Reis liegen je nach Sorte zwischen 0,1 mg/kg (für Baby-Nahrung) und 0,3 mg/kg (für Reiswaffeln und Reiscracker). Gering belastet sind Bio- und Basmatireis. Der Grenzwert für Trinkwasser beträgt 0,01 mg/l.

Muscheln und Garnelen sind ebenfalls besonders reichhaltig an Arsen mit bis zu 175 ppm. Wie die Praxis bis heute hat zeigen können, sind solche Mengen für den Menschen (noch) nicht toxisch, zumal es in Meeresfrüchten in der risikoärmeren organischen Form gebunden ist. Arsen verteilt sich im gesamten Organismus des Menschen.

Anorganisches Arsen (Arsen-Ionen) kann Zink aus Enzymen und anderen Proteinen verdrängen. Die biologische Wirkung der Proteine wird dadurch verändert oder ganz ausgeschaltet. Auf diesem Wege stört Arsen viele Stoffwechsel-Reaktionen. Dazu gehört die Reparatur der DNA, die Bereitstellung physiologischer Energie und die Fähigkeit des Körpers, Krebszellen zu vernichten (Beeinträchtigung des Zink-Finger-Proteins). Deswegen kann eine Arsen-Belastung Krebs auslösen.

Schneller eintretende Wirkungen durch akute Intoxikationen sind Schleimhaut- und Gefäßschäden. Erste Symptome sind Magen-Darm-Störungen mit Durchfall und Erbrechen sowie Kreislauf-Kollaps. Als Gegengifte werden Komplex-Bildner gegeben, die Arsen binden, das dann ausgeschieden werden kann. Zu diesen Antidoten gehören DMPS (Dimercaptopropansulfonsäure) und DMSA (Dimercaptobernsteinsäure).

Die größten Konzentrationen des normalen Arsen-Gehaltes werden in Lungen, Knochen, Muskeln und Nieren gefunden. Im Blut lassen sich etwa 8 ppb (= 8 Billionstel) nachweisen. Die Knochen enthalten deutlich mehr mit etwa 1,5 ppm. Bei niedrigeren Werten kann es auch zu einer Konzentration von nur 0,1 ppm kommen. Im Durchschnitt enthält der Körper eines Erwachsenen 7 Milligramm Arsen.

Bakterien und einige Pilze sind in der Lage, Trimethylarsin zu bilden, das leicht verdampft. So vermutete man vor etwa 100 Jahren, dass Tapeten mit arsenhaltigen Farbpigmenten zur Bildung arsenhaltiger Gase, dem Trimethylarsin z.B., beitrugen, besonders dann, wenn die Tapeten feucht wurden und sich darauf hin ein Pilzbefall einstellte.

Heute ist sich die Fachwelt allerdings nicht vollkommen einig, ob die Gasbildung seitens der Schimmelpilz-Tapeten einen relevanten Einfluss auf die Gesundheit hat. Eine weitere Quelle für Arsen in der Atmosphäre ist die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdöl und Kohle. Die Konzentration für Arsen liegt zwischen 0,5 und 15 Nanogramm pro Kubikmeter in der Luft.

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„Sozialbiologische“ Bedeutung von Arsen

Arsen ist mit das bekannteste Mordgift, das seine Runde durch Film und Literatur gemacht hat. In den Werken wird die Verwendung der „Königin der Gifte“ als „Erbschaftspulver“ bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts reflektiert.

Die Substanz hatte eine „todsichere“ Wirkung in zweierlei Hinsicht. Zum einen war der toxische Effekt so stark, dass der Mörder von einem erfolgreichen Unternehmen ausgehen konnte. Zweitens war das Gift lange Zeit nicht nachzuweisen, zumindest nicht, wenn es in kleineren Mengen verabreicht worden war.

Erst 1836 entwickelte James Marsh das nach ihm benannte Nachweisverfahren (Marshsche Probe), die auch Spuren von Arsen bzw. seinen Verbindungen aufspüren konnte. Aber das hielt viele Mörder nicht ab, auch weiterhin von Arsen Gebrauch zu machen. Nicht zuletzt mag hier auch der Umstand eine Rolle gespielt haben, dass die Verfügbarkeit unproblematisch war, als Herbizid oder Rattengift.

Oder aber, um einen vorsätzlichen Tod zu verschleiern, täuschten chronische Gaben des Gifts eine Krankheit vor, an der das Opfer nach geraumer Zeit verstarb. Die erste gerichtliche Überführung eines Giftmörders bzw. -mörderin erfolgte 1840, als Marie Lafarge durch die Anwendung der Marshschen Probe der Einsatz von Arsen nachgewiesen werden konnte.

„Arsen und Spitzenhäubchen“ aus dem Jahr 1944 ist der bekannteste Film bzw. Filmkomödie, in der es um Arsenmorde geht.

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Beitragsbild: 123rf.com – nito500