Der Eisenstoffwechsel oder -metabolismus ist die Aufnahme, Verteilung und Ausscheidung von Eisen im Organismus. Der Begriff ist insofern irreführend, da Eisen als solches nicht „verstoffwechselt“ wird, sondern lediglich gebunden an die verschiedensten organischen Moleküle im Organismus vorliegt.Gerhard Lanzer: Grundzüge des Eisenstoffwechsels. Patient Blood Management, 2. Teil, 6/2010 klinik, S. 43–46 bmgf.gv.at (PDF)
Eisen Das Element Eisen ist ein wichtiges Spurenelement im menschlichen Körper. Der Sauerstofftransport, die Sauerstoffaufnahme, Zellfunktionen wie der mitochondriale Elektronentransport, Cytochrom P450 und letztlich der gesamte Energiestoffwechsel sind von einem ausreichenden Eisenangebot abhängig.
Der Körper eines Menschen enthält durchschnittlich 4–5 g Eisen. Es kommt in Enzymen (Zytochromen, Peroxidasen, Katalase), in Hämoglobin und Myoglobin sowie als Depot- oder Reserve-Eisen in Form von Ferritin und Hämosiderin vor. Das Depot-Eisen befindet sich hauptsächlich in Leberzellen und Macrophagen des retikulohistiozytären Systems.
Verteilung im Körper
Die folgende Verteilung findet sich bei Männern mit 70 kg Körpergewicht.
Hämoglobin 66,1 % 2800 mg Depot-Eisen (Ferritin, Hämosiderin) 18,8 % 800 mg Nichthämenzym-Eisen 10 % 420 mg Myoglobin 4,7 % 200 mg Transport-Eisen (Transferrin) 0,2 % 10 mg Eisenhaltige Enzyme 0,2 % 10 mg
Täglicher Bedarf Der tägliche Eisenbedarf beträgt zwischen 0,5–1,5 mg/Tag bei Kleinkindern und 2–5 mg/Tag bei Frauen in der Schwangerschaft. Mit Ausnahme von Menstruationsblutungen sind die täglichen Eisenverluste, zum Beispiel durch Abschilferung von Haut- und Schleimhautzellen und über den Urin, gering. Der tägliche Eisenverlust von ca. 1 mg bei einem gesunden erwachsenen Mann wird normalerweise über die Nahrung ersetzt. Die tatsächlich aufgenommene Menge an Eisen sollte jedoch deutlich über dem täglichen Bedarf liegen, da nur etwa 10–15 % des zugeführten Eisens für den Körper verfügbar sind. Es empfiehlt sich eine Zufuhr von 10 mg/Tag für Männer und 15 mg/Tag für Frauen. Bei Schwangeren und Stillenden kann sich die Menge auf bis zu 30 mg/Tag erhöhen.Bundesinstitut für Risikobewertung, Eisen
Blutverluste können den Eisengehalt des Körpers beträchtlich verringern: pro 2 ml Blut gehen 1 mg Eisen verloren. Der durchschnittliche Blutverlust bei der Menstruation beträgt 30–60 ml, das ist also ein Eisenverlust von 15–30 mg; bei Hypermenorrhoen verliert eine Frau bis zu 80 ml Blut, beim Uterus myomatosus bis zu 120 ml.
Stoffwechsel Im Unterschied zu Metallen wie Natrium und Calcium kann der Eisen-Haushalt nur über die Resorption reguliert werden, da die normalen Verluste nicht steuerbar sind. Die Resorptionsquote des in der Nahrung vorhandenen Eisens beträgt zwischen 6 % beim Mann und 12 % bei der Frau, bei Eisenmangel bis zu 20 %.John W. Adamson (für die deutsche Ausgabe: Joachim Peter Kaltwasser und Axel Braner). Eisenmangel und andere hypoproliferative Anämien. In: Manfred Dietel, Joachim Dudenhausen, Norbert Suttorp (Hrsg.) Harrisons Innere Medizin. Berlin 2003, ISBN 3-936072-10-8, S. 733
Resorption (Allgemeines) Bei der in Europa üblichen Nahrung liegt das Eisen zu einem Drittel als Häm vor, ein Bestandteil von Hämoglobin im Blut und Myoglobin, das in Fleisch vorkommt. Das restliche Nahrungseisen liegt hauptsächlich in Form von Eisen(III)-Komplexen, die in der Regel an Cysteinreste von Proteinen gebunden sind, vor. Wirklich freies Eisen(III) als Fe3+ kommt biologisch nie vor, da es als Hydroxid oder Phosphat unlösliche Niederschläge bilden würde. Sowohl Fe2+ und im stärkeren Maße auch Fe3+ bilden mit quasi allen Biomolekülen (außer Fett) lockere Komplexe, die dafür sorgen, dass das Eisen in Lösung bleibt. In Häm sind vier der sechs Bindungsstellen des Eisens schon fest besetzt, so dass es keine festen oder unlöslichen Komplexe mit anderen Komplexbildnern (Chelatoren) mehr bilden kann. Daher ist die Aufnahme (Resorption) von Häm-Eisen unabhängig von anderen Nahrungsbestandteilen. Obwohl Häm-Eisen nur ein Drittel des Nahrungseisens ausmacht, liefert es daher etwa zwei Drittel des resorbierten Eisens.M. E. Conrad, J. N. Umbreit: Iron absorption and transport-an update. In: American Journal of Hematology. Band 64, Nummer 4, August 2000, S. 287–298, . PMID 10911382.
Pflanzliche Nahrung enthält einerseits Liganden, welche die Eisenresorption erleichtern, andererseits aber auch Phosphate, Polyphenole und Phytate, die mit Eisen schwer lösliche Verbindungen eingehen. So ist z. B. die geringe Verfügbarkeit des Eisens im Spinat und ähnlichen Gewächsen auf den hohen Gehalt von Oxalsäure zurückzuführen, die mit Eisen schwer lösliche Komplexe bildet. Die Resorption kann bei phytathaltigen Lebensmitteln durch gleichzeitigen Fleischverzehr oder Zusatz von Reduktionsmitteln wie Ascorbinsäure (= Vitamin C) verbessert werden. Ferritin aus Sojabohnen kann Eisenmangel auch bei Vegetariern teilweise ausgleichen.B. Lönnerdal: Soybean ferritin: implications for iron status of vegetarians. In: The American journal of clinical nutrition, Mai 2009, Band 89, Nummer 5, S. 1680S–1685S, . doi:10.3945/ajcn.2009.26736W. PMID 19357222.
Die Resorptionsquote des Nahrungs-Eisens liegt normalerweise bei ca. 6 bis 12 %. Sie ist bei Eisenmangel erhöht und kann bis zu 20 % betragen. Die Resorptionsquote wird vom Organismus in Abhängigkeit vom Eisenbedarf und der Eisen-Speichergröße reguliert, wobei die Regulationsmechanismen noch weitgehend unerforscht sind. Genetisch bedingte Fehlsteuerungen bei der Eisenresorption können über Jahre zu einer Eisenüberladung führen, die sich in lebensbedrohlichen Organschäden manifestiert.
Der menschliche Organismus resorbiert sowohl zweiwertige (Fe2+) als auch dreiwertige (Fe3+) Eisen-Ionen. Da Fe3+ und Fe2+ grundsätzlich fest an Nahrungsproteine gebunden ist, ist der Abbau der Proteine durch spezielle Verdauungsenzyme wie zum Beispiel Pepsin eine Voraussetzung für die Eisenaufnahme. Bei ausreichender HCl-Produktion im Magen ist dieser Abbau sichergestellt. Eine Hitzedenaturierung (durch Kochen, Braten, Backen) erleichtert den Abbau der Eisenbindeproteine im Magen, da die natürliche stabile Faltung der Proteine zumindest teilweise zerstört wird und daher mehr Angriffsstellen für die Verdauungsenzyme vorhanden sind. Nach Abbau der Eisenbindeproteine im Magen liegt im Dünndarm das meiste Eisen als Fe3+ in lockeren Komplexen mit anderen Molekülen vor. Alle Nahrungsmoleküle, die sowohl eine Säuregruppe als auch weitere OH-, NH- oder SH-Gruppen enthalten, können mit Fe3+ und Fe2+ lockere Komplexe bilden und gleichzeitig (über die zusätzlichen Gruppen) die Löslichkeit sicherstellen. Diese Moleküle sind Ascorbinsäure, Citronensäure, Glycin, Cystein und viele andere Aminosäuren.
Enterale Resorption, hepatische Regulation gerahmt|rechts|Hypothetische Regulierung der enteralen Eisenresorption mit den verschiedenen Transportproteinen für die unterschiedliche Eisenaufnahme und -speicherung. Das Glykoprotein Gastroferrin, ein eisenbindendes Protein des Magensafts, dürfte für die Steigerung der Eisen-Resorption von geringer Bedeutung sein. mini|Enterozyt, schematische Darstellung, die apikale Seite mit der Bürstensaummembran Im Darm liegt das Eisen dann in absteigender Menge in lockeren Fe3+-Komplexen, als Fe2+ in Häm, und in lockeren Fe2+ Komplexen vor. Die Löslichkeiten von Fe3+ und Fe2+ aus der anorganischen Chemie beziehen sich auf die Bildung von Hydroxidniederschlägen und sind in diesem Zusammenhang irrelevant, da die lockeren Komplexe dafür sorgen, dass selbst Fe3+ auch beim pH des Dünndarms in Lösung bleibt. Daher ist es nicht verwunderlich, dass trotz der Unlöslichkeit von Fe3+ in (reinem) Wasser bei pH 9 der wichtigste Aufnahmeweg von Eisen im Körper der größten Menge an Eisen in der Nahrung entspricht. Es gibt zurzeit drei bekannte Aufnahmewege:Marcel E. Conrad, Jay N. Umbreit: Iron absorption and transport – An update In: American Journal of Hematology MIP-Weg: Fe3+ wird über Mobilferrin, Integrin und Paraferritin aufgenommen. Das Mobilferrin löst dabei Fe3+ aus lockeren Komplexen heraus und bindet es fest. Dies ist nicht möglich, wenn das Fe3+ vorher sehr feste oder gar unlösliche Komplexe gebildet hat. Häm-Weg: Das Eisen wird zusammen mit dem Häm aufgenommen, das heißt, es passiert die Zellmembran des Enterozyten. Normalerweise liegt das Eisen in Häm als Fe2+ vor. In der Darmzelle folgt dann eine Häm-Oxygenase, die das im Häm enthaltene Fe2+ freisetzt und in den labilen Eisen-Pool der Darmzelle überführt. Da Eisen im Häm fest gebunden ist, kann es immer aufgenommen werden unabhängig von sonstigen Nahrungsbestandteilen im Darm. Dies geschieht durch das Hem Carrier Protein 1 (HCP1).J. Przybyszewska, E. Zekanowska: The role of hepcidin, ferroportin, HCP1, and DMT1 protein in iron absorption in the human digestive tract. In: Przegla?d gastroenterologiczny, 2014, Band 9, Nummer 4, S. 208–213; . doi:10.5114/pg.2014.45102. PMID 25276251. . [DMT1]-Weg: Fe2+ wird direkt aufgenommen.J. Przybyszewska, E. Zekanowska: The role of hepcidin, ferroportin, HCP1, and DMT1 protein in iron absorption in the human digestive tract. In: Przegla?d gastroenterologiczny, 2014, Band 9, Nummer 4, S. 208–213; . doi:10.5114/pg.2014.45102. PMID 25276251. . Dieser Weg ist im Gegensatz zu den anderen nicht spezifisch für Eisen, sondern es werden auch andere zweiwertige Metallionen damit transportiert (Divalenter Metallionen Transporter). Die Transportproteine sind in der Lage Fe2+ aus lockeren Komplexen zu lösen. Auch Fe2+ steht zum Transport nicht zur Verfügung, wenn es feste oder unlösliche Komplexe gebildet hat. Dreiwertiges Nonhäm-Eisen kann auch für die Resorption zunächst zu Fe2+ reduziert werden. Dies geschieht entweder durch Reduktionsmittel wie Ascorbinsäure oder durch eine Ferrireduktase (membranständiges, duodenales Cytochrom b) in der Darmzellmembran.A. T. McKie, D. Barrow, G. O. Latunde-Dada, A. Rolfs, G. Sager, E. Mudaly, M. Mudaly, C. Richardson, D. Barlow, A. Bomford, T. J. Peters, K. B. Raja, S. Shirali, M. A. Hediger, F. Farzaneh, R. J. Simpson: An iron-regulated ferric reductase associated with the absorption of dietary iron. In: Science, März 2001, Band 291, Nummer 5509, S. 1755–1759; . doi:10.1126/science.1057206. PMID 11230685.