Eine kritische Betrachtung einer überhöhten Eisenzufuhr durch Nahrung und Supplemente

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Der Eisenstoffwechsel
2.1 Chemie von Eisen
2.2 Vorkommen von Eisen
2.3 Eisenproteine
2.3.1 Hämproteine
2.3.2 Nichthäm-Eisen-Proteine
2.4 Digestion und Resorption eisenhältiger Nahrungsmittel
2.4.1 Aufnahme aus dem Darmlumen in die Mukosazelle und proteinvermittelter intrazellulärer Transport
2.4.1.1 Regulation der Eisenabsorption der intestinalen Villi des Duodenums
2.4.2 Abgabe an das Eisentransportsystem des Blutplasmas
2.5 Eisenaufnahme in somatische Zellen
2.5.1 Intrazelluläre Eisenspeicherung
2.6 Regulation der Eisenhomöostase
2.6.1 Posttranskriptionelle Regulation des Eisenstoffwechsels durch IRPs
2.6.2 Modulation der IRP/IRE-Interaktion durch NO
2.6.3 Zusammenhänge zwischen Energie- und Eisenstoffwechsel
2.7 Eisenbestand und Eisenumsatz
2.8 Hämoglobin-Synthese und Erythropoese

3. Hämochromatosen
3.1 Definition und Klassifikation der Hämochromatosen
3.2 Ätiologie der hereditären Hämochromatosen
3.2.1 Hämochromatose Typ 1
3.2.2 Hämochromatose Typ 2
3.2.3 Hämochromatose Typ 3
3.2.4 Hämochromatose Typ 4
3.3 Die Bedeutung des HFE-Proteins bei Hämochromatose Typ 1
3.4 Epidemiologie
3.4.1 Prävalenz
3.4.2 Penetranz
3.4.3 Morbidität
3.4.4 Mortalität
3.4.5 Pathogenese

4. Mit Eisenüberladung assoziierte Krankheitsbilder
4.1 Mechanismen der Eisentoxizität
4.2 Eisen und das Herz-Kreislauf System
4.3 Eisen und Diabetes Mellitus
4.4 Eisen und Leberkrebs
4.5 Eisen und das Immunsystem
4.6 Eisen und Morbus Alzheimer

5. Diagnostik und Therapie der Hämochromatosen
5.1 Diagnostik
5.2 Therapie der Hämochromatosen
5.2.1 Phlebotomie
5.2.2 Pharmakologische Behandlung
5.3 Ernährungsrichtlinien für Hämochromatose-Patienten

6. Bedeutung der Eisenzufuhr durch Nahrung und Supplemente
6.1 Überlegungen zu Eisenzufuhr-Richtlinien
6.2 Einfluss von Lebensgewohnheiten auf den Eisenstatus
6.2.1 Fleisch- und Alkoholkonsum
6.3 Einfluss des BMI auf Eisenparameter
6.4 Bierkonsum und Eisenstatus in Afrika
6.4.1 Vermeidung von Eisenmangel bei Frauen im gebärfähigen Alter durch Bierkonsum
6.4.2 Eisenüberladung durch Bierkonsum
6.5 Bedeutung des Alkoholkonsums für das Auftreten einer Leberzirrhose
6.6 Vegetarismus und Eisenstatus
6.7 Eisenstatus und Eisenabsorption im Säuglingsalter
6.8 Nahrungseisen und Hepatokarzinogenese
6.9 Eisensupplementierung
6.9.1 Eisensupplementierung in Entwicklungsländern
6.9.2 Eisenmangel und Lipidperoxidation
6.9.3 Rhythmus der Eisensupplementierung
6.9.4 Indikation von Eisensupplementierung
6.9.5 Gastrointestinale Risiken einer Eisensupplementierung
6.9.6 Serumlipide und Eisensupplemente
6.9.7 DNA-Schäden und Eisensupplementierung

7. Schlussbetrachtung

8. Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

In dieser Arbeit soll zunächst der physiologische Eisenstoffwechsel beschrieben werden. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Erörterung der Steuerung der Eisenabsorption im Duodenum und der Regulation der Eisenhomöostase auf zellulärer Ebene.

Anschließend wird näher auf verschiedene Formen der Eisenspeicher­erkrankungen eingegangen, wobei die genaue Beschreibung der sogenannten Typ 1 Hämochromatose im Vordergrund steht.

Nach einer kurzen Beschreibung der möglichen Mechanismen der toxischen Wirkungen von Eisen werden die Zusammenhänge zwischen Eisenstatus und verschiedenen Erkrankungen, wie etwa jenen des Herz-Kreislauf-Systems, aufgezeigt.

Nachfolgend werden aktuelle Diagnose- und Therapieverfahren bei Eisenüberladungszuständen angeführt.

Schließlich ist das Ziel der Arbeit die Einschätzung, ob in den westlichen Industrieländern eine Eisenüberversorgung durch Ernährung möglich ist, und welche negativen Auswirkungen diese auf die Gesundheit der betroffenen Menschen haben könnte. Außerdem soll im letzten Abschnitt der vorliegenden Arbeit die Einnahme von Eisensupplementen kritisch betrachtet werden.

2. Der Eisenstoffwechsel

2.1 Chemie von Eisen

Eisen steht als Übergangselement in der 8. Gruppe des Periodensystems und hat eine Atommasse von 55,874. Es kommt in Oxidationsstufen von +2 bis +6 vor. Da Fe2+ in wässrigen Lösungen zu schwer löslichem Fe3+- Hydroxid oxidiert, haben Organismen eisenbindende Proteine und niedermolekulare Chelatoren entwickelt, wie z. B. die Siderophoren der Bakterien. Diese binden Eisen und machen es trotz seiner schlechten Löslichkeit biologisch verfügbar. [1]

2.2 Vorkommen von Eisen

Eisen stellt mit annähernd 5% das vierthäufigste Element der Erdrinde und das häufigste Übergangsmetall in lebenden Organismen dar. [2, 3]

Eisen ist in zwei- und dreiwertiger Form, als Fe2+ bzw. Fe3+ für Lebewesen von Bedeutung und ist für die meisten lebenden Organismen essentiell. [2, 4] Im menschlichen Körper liegt Eisen als Isotop 54Fe und 56Fe vor. [5]

Eisen ist Bestandteil von verschiedenen Redoxsystemen. Die Hauptfunktion erfüllt es im Sauerstofftransport und im Elektronentransfer des Energie­stoffwechsels. [6] Die eisenhältigen Redoxsysteme werden in Hämproteine und Nichthämproteine eingeteilt. [3, 6] Hämproteine spielen eine Schlüsselrolle in der Sauerstoffbindung (Hämoglobin, Myoglobin), im Sauerstoff­metabolismus (Oxidasen, Peroxidasen, Katalasen) und in der Elektronen­übertragung (Cytochrome). Eisenhältige Nichthämproteine sind maßgeblich am Energiestoffwechsel (mitochondriale Aconitase und Fe-S Proteine der Elektronentransportkette) sowie an der DNA-Synthese (Ribonukleotid Reduktase) beteiligt. [6]

Der Gesamteisenbestand eines Erwachsenen beträgt im Durchschnitt 50 mg/kg Körpergewicht [2], dies entspricht etwa 4 g Eisen bei einem 75 kg schweren Mann und etwa 2,1 g Eisen bei einer 55 kg schweren Frau. [7]

Die quantitativ bedeutendsten Organe der Eisenspeicherung sind Leber, Milz, Knochenmark und die Darmschleimhaut. [4] Mehr als zwei Drittel des Bestandes findet man im Hämoglobin. [2, 4] Etwa ein Viertel ist an das Speicherprotein Ferritin und dessen Derivat Hämosiderin gebunden. Im Myoglobin finden sich noch 3-5% des Körpereisenbestandes. [2] Die Eisen­menge im Blutplasma beträgt 3-4 mg und ist tageszeitlichen Schwankungen unterworfen. [3]

2.3 Eisenproteine

2.3.1 Hämproteine

Zu diesen zählen das Hämoglobin und das Myoglobin. Hämproteine sind durch ihre prosthetische Gruppe, das Häm, charakterisiert. Dieses ist aus vier Pyrrol­ringen aufgebaut, die verschiedene Seitenketten tragen und in ihrer Mitte ein zweiwertiges Eisenatom binden. [8]

Hämoglobin (Hb) dient dem Sauerstofftransport in den Erythrozyten. [2, 8] An das zweiwertige Eisenatom kann Sauerstoff reversibel ohne Wertigkeits­änderung des Eisens angelagert werden. [8] Hämoglobin besteht aus vier Untereinheiten (jeweils zwei a- und zwei b- Polypeptiden). [9] Es hat ein Molekulargewicht von 64,65 kDa. Bisher konnten 500 verschiedene Varianten des Hämoglobins charakterisiert werden. Menschliches Hämoglobin hat eine Halbwertszeit von rund 120 Tagen. [10]

Abb. 1 (Buckberry L., Teesdale P., 2001): Hämoglobin [9]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Myoglobin (Mb) ist ein überwiegend im Muskelgewebe vorzufindendes Sauerstoff speicherndes Molekül, das der Sauerstoffversorgung des arbeitenden Muskels dient. [2, 11, 12] Es handelt sich um ein einfaches Polypeptid, welches ein nicht kovalent gebundenes Häm als prosthetische Gruppe besitzt. Es hat ein Molekulargewicht von 17,7 kDa. Myoglobin weist eine Halbwertszeit von 80 bis 90 Tagen auf. [11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 (Petrides P., 1997): Tertiärstruktur des Myoglobins [8]

Weitere wichtige Hämproteine sind die Cytochrome, die Bestandteile der mitochondrialen Atmungskette sind. Cytochrom a, b und c kommen in allen aeroben Zellen vor. [13, 14] Die Cytochrome sind am Elektronentransfer beteiligt, der zur Energiebereitstellung in Form von ATP führt.

Cytochrom c hat ein Molekulargewicht von 12,3 kDa. Es besteht aus einer Polypeptidkette und ist globulär um eine prosthetische Hämgruppe geformt. Das Häm ist kovalent an Cys-14 und Cys-17 der Polypeptidkette gebunden. Histidin und Methionin bilden axiale Liganden zum Häm Eisen. [13]

Abb. 3 (Löffler G., 1997): Transport von Reduktionsäquivalenten in der Atmungskette [14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Enzyme der Cytochrom P 450-Familie findet man überwiegend außerhalb der Mitochondrien. In höherer Konzentration kommen sie im endoplasmatischen Reticulum von Leber und Nebennieren vor. Es handelt sich um Mono­oxygenasen, die Substrate unter anderem zum Zwecke der Entgiftung und der Biosynthese (z. B. von Steroidhormonen) hydroxylieren. [15]

2.3.2 Nichthäm-Eisen-Proteine

Nichthäm-Eisen-Proteine sind zum überwiegenden Teil Eisen-Schwefel-Cluster (Fe-S-Cluster) beinhaltende Proteine. Diese sind in Lebewesen ubiquitär und können sich durch ihre vielseitigen Strukturen an unterschiedlichste Bedingungen und Erfordernisse anpassen.

Sie zeigen, ihre möglichen Funktionen betreffend, eine große Flexibilität: Ihre am längsten bekannte Funktion ist die Beteiligung an Elektronenübertragungen. Die Empfindlichkeit ihrer Strukturen gegenüber oxidativer Zerstörung ermöglicht außerdem das Fungieren als Sensoren für Sauerstoff, Eisen und wahrscheinlich Stickstoffmonoxid. Sie sind weiters an der Regulation der Genexpression beteiligt. Ein Beispiel dafür ist das FNR-Protein (Fumarate nitrate reduction protein) von Escherichia coli.

Enzyme, die Fe-S-Cluster beinhalten, sind u. a. die Aconitase, die NO-Synthase und die Ferrochelatase, welche den letzten Schritt in der Häm-Biosynthese katalysiert. [16, 17]

Abb. 4 (Beinert H., Holm R.H., Münck E., 1997): Zusammensetzungen von Fe-S-Clustern und anderen Komponenten aktiver Zentren verschiedener Enzyme [16]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4 Digestion und Resorption eisenhältiger Nahrungsmittel

Die Resorption von Eisen findet im oberen Intestinum besonders im Duodenum statt. [3, 18,19] Durchschnittlich werden 10% des Nahrungseisens resorbiert. Dieser Prozentsatz ist jedoch bei Eisenmangel auf bis zu 40% steigerbar.

Er ist hauptsächlich von zwei Faktoren abhängig: erstens vom Eisenstatus der jeweiligen Person und zweitens von der Nahrungszusammensetzung. Man kann im Hinblick auf die Mechanismen der Absorption zwei Arten von Eisen unterscheiden: Häm-Eisen, welches in Fleischprodukten enthalten ist und bei den meisten Menschen in den Industrieländern etwa 15% der Eisenversorgung gewährleistet, und Nichthäm-Eisen, das in Getreideprodukten, Obst, Gemüse­produkten und Hülsenfrüchten enthalten ist, und den Rest der Eisenversorgung ausmacht. [20]

Häm-Eisen (Fe2+) wird zu 60-70% absorbiert. Die Absorption kann durch vorhandenes Calcium sowie durch Achlorhydrie gehemmt werden. Die Absorptionsrate für Nichthäm-Eisen (Fe3+) ist sehr variabel und liegt zwischen 3 und 8%. Dies ist abhängig von der Vitamin C-Verfügbarkeit, dem Vorhandensein organischer Säuren (z. B. Zitronensäure), der gleichzeitigen Einnahme von Fleisch, Cystein und anderen schwefelhaltigen Aminosäuren, die jeweils absorptionsfördernd wirken. Hemmend wirken Phosphat, Zink, Kupfer, Mangan, Antazida, Sojaprotein, Phytate, Oxalate und Polyphenole wie das Tannin (in Tee und Kaffee) [21]

Im sauren Milieu des Magens erfolgen die Aufspaltung und Freisetzung des Eisens aus Protein und Kohlenhydratkomplexen. Das Eisen wird durch Anlagerung an Mucin löslich und für die Resorption im Duodenum verfügbar.

Die Resorption des Eisens kann in 3 Abschnitte gegliedert werden: [3]

- Aufnahme aus dem Darmlumen in die Mukosazelle
- Proteinvermittelter intrazellulärer Transport
- Abgabe an das Eisentransportsystem des Blutplasmas

2.4.1 Aufnahme aus dem Darmlumen in die Mukosazelle und proteinvermittelter intrazellulärer Transport

Die Eisenaufnahme in die Mukosazelle stellt einen komplexen Vorgang dar, der noch nicht zur Gänze aufgeklärt werden konnte, bei dessen Aufklärung aber in den letzten Jahren Fortschritte erzielt wurden.

Nichthäm-Eisen aus der Nahrung (Fe2+) wird im proximalen Duodenum von reifen Enterozyten der Villi aufgenommen. Da Membran-Eisentransportsysteme spezifisch für zweiwertiges Eisen (Fe2+) sind, muss der erste Schritt der Eisenaufnahme in der Reduktion von drei- zu zweiwertigem Eisen liegen.

Ein dafür in Frage kommendes Di-Häm-Protein, das ein Homologes zu mitochondrialen Cytochromen b verschiedener Spezies darstellt, wurde an hypotransferrinämischen (hpx/hpx) Mäusen entdeckt und duodenales Cytochrom b (Dcytb) genannt. Dcytb wird auf dem Bürstensaum der Enterozyten exprimiert und soll als Eisen-Reduktase fungieren.

Nach der Reduktion wird das Eisen mit Hilfe des transmembranen Proteins DMT1 (Divalent metal transporter auch als Nramp2 und DCT1 bekannt) durch den Bürstensaum transportiert. [22] DMT1 wird in den intestinalen Epithelial­zellen des Bürstensaums und im Recycling-Endosom somatischer Zellen exprimiert. In letzteren bewerkstelligt DMT1 die Aufnahme von transferringebundenem Eisen. [23]

Außer den oben genannten wurden im Laufe der letzten Dekade weitere Proteine, die mit der Absorption von Eisen und deren Regulation im Zusammenhang stehen, entdeckt und beschrieben.

Dazu gehören Mobilferrin und b3-Integrin, die in die Aufnahme dreiwertigen Eisens involviert sind und Bestandteile eines großen Proteinkomplexes bilden, sowie SFT (Stimulator of iron transport), das die Aufnahme von zwei- und dreiwertigem Eisen erhöhen soll. [24] Schließlich sind auch noch Hephaestin (ein Caeruloplasmin Homologes) und Ferroportin (FP1 auch als IREG1 bzw. MTP1 bezeichnet) zu erwähnen, deren Beteiligung an der Abgabe des Eisens aus intestinalen Zellen an die basolateralen Blutgefäße postuliert wird. [25]

Alle genannten Proteine existieren auch in Nichtintestinalen Zellen. Man vermutet eine Involvierung dieser Proteine in weitere, dem Transport von Eisen in die Zelle nachfolgende Abläufe.

Ein bisher nicht identifiziertes Häm-Transportprotein gelangt wahrscheinlich über einen vesikulären Transportmechanismus in die Zelle. [24]

2.4.1.1 Regulation der Eisenabsorption der intestinalen Villi des Duodenums

Die Mechanismen, welche die Expression der in die Absorption von Eisen aus dem Darm involvierten Gene regulieren, sind nicht zur Gänze bekannt. Aber folgendes Modell konnte entwickelt werden: [22]

Kryptenzellen der Villi des Duodenums erhalten möglicherweise von den Eisenspeichern (besonders der Leber) und von den blutbildenden Organen (Knochenmark) über noch nicht ausreichend geklärte Mechanismen Informationen über den Körpereisenstatus. [26] Die Kryptenzellen setzen daraufhin den Grad der Expression des Eisenaufnahme-Systems der an die Spitze der Villi migrierenden, reifen und absorptionsfähigen Enterozyten fest.

Ein möglicher Informationsübermittler aus der Leber ist das aus 25 Aminosäuren bestehende Peptid Hepcidin (Hepatic bactericidal Protein), welches aus menschlichem Plasma und Urin isoliert wurde. [27] Bei Mäusen wird Hepcidin ausschließlich in Hepatozyten exprimiert. In Tierversuchen an Mäusen konnte gezeigt werden, dass die mRNA-Konzentrationen sowohl durch Nahrungseisenüberladung als auch durch genetisch verursachte Eisen­überladung (b2-M knockout mice) ansteigen. [22] Man schließt daraus, dass hohe Hepcidin-Spiegel die intestinale Eisenabsorption nach unten regulieren. [28] Außerdem können die Kryptenzellen über die Aufnahme von an Transferrin (Tf) gebundenem Eisen die in Zirkulation befindliche Eisenmenge einschätzen.

Die Aufnahme des Tf gebundenen Eisens könnte folgendermaßen funktionieren: Das HFE-Protein (Näheres dazu im Kapitel 3.2), das besonders häufig in den Kryptenzellen vorkommt, assoziiert mit dem Transferrin-Rezeptor 1 (TfR1), vielleicht auch mit dem Transferrin-Rezeptor 2 (TfR2), und ermöglicht die Aufnahme des an Transferrin gebundenen Eisens. Die eingehenden Signale (Hepcidin, Eisenkonzentration und mögliche andere Signalmoleküle) steuern den Transkriptionsgrad von Dcytb, DMT1, Ferritin (Ft) und FP1, die für die Reduktion, die Aufnahme, die Sequestrierung bzw. den Export von Nahrungseisen ins Blutplasma verantwortlich zeichnen. In Abwesenheit eines intakten HFE-Proteins ist die Eisenaufnahme über das Tf/TfR-System der Kryptenzellen verschlechtert. Folglich gelangen keine ausreichenden Informationen über die Transferrin gebundene Eisenmenge in die Kryptenzelle. Dies hat einen unangemessen hohen Expressionsgrad von Dcytb, DMT1 und FP1, und eine unangemessen niedrige Ferritinkonzentration zur Folge. Dies führt zu einer erhöhten Aufnahme von Nahrungseisen in die Enterozyten. [22]

Abb. 5 (In Anlehnung an Philpott CC., 1999): Modell der Regulation der Eisenabsorption der intestinalen Villi des Duodenums [22]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Über die Beziehungen der einzelnen Proteine zueinander ist allerdings noch zu wenig bekannt, um die Wege des Eisens in der Zelle ausreichend exakt zu beschreiben. [24]

2.4.2 Abgabe an das Eisentransportsystem des Blutplasmas

In intestinale Epithelzellen aufgenommenes Eisen kann entweder in Ferritin gespeichert oder über die basolaterale Membran in den Blutkreislauf abgegeben werden.

Das Eisen verlässt die Zelle über einen Fe2+-Transporter namens Ferroportin. [29] Außer auf der Oberfläche der basolateralen Membran der Enterozyten ist FP1 noch auf der Oberfläche der Hepatozyten und der Oberfläche der Retikuloendothelialen Zellen der Leber und Milz besonders stark exprimiert. FP1 transportiert Fe2+ über die basolaterale Membran, anschließend muss Fe2+ zu Fe3+oxidiert werden, um an das zirkulierende Transferrin binden zu können. Die notwendige Ferroxidaseaktivität wird von Hephaestin (Hp) bereitgestellt.

Die Klonierung des Hp ergab eine 50%ige Übereinstimmung mit dem Caeruloplasmin der Maus. Caeruloplasmin ist ein Kupfer bindendes Protein mit Ferroxidase-Aktivität. [22] Mutationen im für Caeruloplasmin codierenden Gen führen zu Defekten im zellulären Eisenexport, die Eisenüberladung, Diabetes und Demenz zur Folge haben. [30] Hp weist außerdem noch Ähnlichkeit mit der Multikupfer-Oxidase Fet3 der Hefe auf, die ebenso eine Ferroxidase-Aktivität besitzt und über eine Transmembrandomäne verfügt. Fet3 interagiert mit der Eisen-Permease (Ftr1). Der aus diesen beiden Proteinen gebildete Komplex ermöglicht die Eisenaufnahme in die Hefe. Hp arbeitet möglicherweise analog dem Fet3/Frt1-Mechanismus, in dem es mit FP1 zusammenarbeitet und das von FP1 transportierte Eisen oxidiert, welches anschließend als Fe3+ an zirkulierendes Tf gebunden wird. [22]

2.5 Eisenaufnahme in somatische Zellen

Transferrin ist für den Eisentransport zwischen dem Absorptionsort, dem Ort der Eisenspeicherung, und dem Ort des Eisengebrauchs verantwortlich. Es wird in vielen Organen wie z. B. den Lymphknoten, der Milz und dem Thymus synthetisiert. Die Hauptquelle für Tf stellt aber die Leber dar, in der es auch wieder abgebaut wird. Den größten Anteil des Eisens erhält das Tf vom in den Makrophagen des Retikuloendothelialen Systems (z. B. Kupfferzellen) abgebauten Hb. [6]

Die Aufnahme des ursprünglich an zirkulierendes Tf gebundenen Eisens in die somatische Zelle vollzieht sich durch Interaktion von Tf mit dem Transferrin-Rezeptor (TfR). [6, 22] Es gibt Hinweise darauf, dass in allen Organen auch ein Aufnahmesystem für nicht an Tf gebundenes Eisen besteht. [6]

Transferrin ist ein homologes, dimeres Glykoprotein mit einem Molekular­gewicht von etwa 80 kDa. Die beiden über Disulfidbrücken miteinander verbundenen Domänen verfügen jeweils über eine hoch affine Fe3+ bindende Stelle. Die Affinität des Eisens zu Tf ist pH-Wert abhängig. Im Plasma bei pH 7,4 (Dk etwa 10-23 mol/l) ist sie extrem stark. Bei stark sauren Bedingungen (pH £ 4,5) findet so gut wie keine Bindung statt. Diese Eigenschaften spielen eine Rolle bei der Freisetzung des Eisens aus Tf. Sowohl die Bindung als auch die Freisetzung des Eisens sind von starken Konformationsänderungen des Tf begleitet.

Der Transferrin-Rezeptor (TfR) sitzt an der Oberfläche der meisten Zellen des Organismus. Er ist ein Glykoprotein Homodimer mit einem Molekulargewicht von 180 kDa. Jede Untereinheit kann ein Molekül Transferrin binden.

Die N-terminale zytoplasmatische Domäne des TfR ist notwendig für die Internalisierung. Eine Tetrapeptidsequenz innerhalb dieses Teils agiert als Signal für eine hoch effiziente Endozytose. [6]

Der Eisenstatus von Tf hat wichtige Auswirkungen auf die Affinität des Tf zu TfR. Mit zwei Fe3+ beladenes Tf hat die größte, mit einem Fe3+ beladenes eine mittlere und Apotransferrin hat die niedrigste Affinität zum TfR.

Die normale Plasmatransferrin-Konzentration beträgt etwa 50 mmol/l. Davon sind 10% mit zwei Fe3+ beladen. Mit zwei Fe3+ beladenes Tf weist im Vergleich mit nur einfach beladenem Tf eine 30fach höhere Dk gegenüber dem TfR auf. Im Vergleich mit dem Apotransferrin weist das zweifach beladene Tf eine um das 500fach höhere Dk auf.

Abb. 6 (In Anlehnung an Ponka P., 1999): Eisenaufnahme aus Transferrin durch Rezeptor-vermittelter Endozytose in Säugerzellen [6]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach bisherigen Kenntnissen sieht der Ablauf der Eisenaufnahme folgendermaßen aus: Tf bindet an den TfR an der Zelloberfläche. Der entstandene Komplex wird in einer temperatur- und energieabhängigen Reaktion von endozytischen Vesikel umschlossen und internalisiert. Die Freisetzung ist von einer Acidifizierung (pH Wert bei 5,3) begleitet. Der Eisentransport durch die endosomale Membran erfordert einen spezifischen Transporter. [6] Ein dafür in Frage kommendes Protein ist das DMT1, auch „Natural Resistance Associated Macrophage Protein 2“ (Nramp2) genannt, dessen Mutation bei mikrozytären anämischen Mäusen (mk/mk) eine verminderte Eisenaufnahme in erythroiden Zellen zur Folge hat. DMT1 ist auch in die intestinale Eisenabsorption involviert. (siehe Kap. 2.4.1) [32] Das eisenfreie Apotransferrin kehrt an die Zelloberfläche zurück, von wo es freigesetzt wird und neues Eisen von Makrophagen und anderen Zellen aufnehmen kann. [6]

2.5.1 Intrazelluläre Eisenspeicherung

Über die intrazellulären Wege des Eisens ist noch wenig bekannt. Wahrscheinlich wird Eisen an einen noch nicht identifizierten Liganden gebunden und an den Ort des Gebrauchs bzw. den Ort der Speicherung gebracht. Nur für erythroide Zellen gibt es Evidenz für einen spezifischen Transport zu den Mitochondrien, den Ort der Häm-Synthese. [6]

Das Eisenspeicherprotein Ferritin (Ft) ist ein aus 24 symmetrisch angeordneten Untereinheiten aufgebautes Molekül. Es besitzt sogenannte L-(light) und H-(heavy) Untereinheiten. Säugetier-Ferritin besteht aus einer Proteinschale, in deren Aushöhlung bis zu 4500 Atome Eisen Platz finden können. Das am besten charakterisierte Ferritin ist jenes aus der Milz des Pferdes. Sein Molekular­gewicht liegt zwischen 430 und 460 kDa. Bei voller Ausnutzung des Speicherplatzes wächst sein Molekulargewicht auf 900 kDa.

Eintritt und Austritt des Eisens erfolgen möglicherweise über spezifische Kanäle in der Proteinschale. In der Schale wird Eisen als dreiwertiges Eisen-Oxy-Hydroxid-Phosphat in annähernd folgender Komposition festgehalten: (FeOOH)8 (FeO-OPO3H2). Zweiwertiges Eisen, welches leichter in die Ferritin­schale inkooperiert wird, wird nach Anlagerung an der inneren Oberfläche zu dreiwertigem Eisen oxidiert und als solches gespeichert.

Der Abbau des Ferritins scheint ein wichtiger Mechanismus in der intrazellulären Eisenfreisetzung zu sein. Genaueres über den Austausch von Eisen mit Ferritin ist nicht bekannt. Geringe Mengen von Ferritin finden sich auch im Plasma. Über die mögliche physiologische Bedeutung des Plasma­ferritins ist noch nichts bekannt. [6]

Jedoch ist bekannt, dass erhöhte Plasmaferritin-Werte bei folgenden patho­physiologischen Zuständen auftreten: [3]

- Leberzellschädigung
- Chronischen Entzündungen und Infekten
- Bei Karzinomen (durch erhöhte Ferritinbiosynthese der Tumorzellen)

Abb. 7 (Buckberry L., Teesdale P., 2001): Eisen-Ferritin Komplex [9]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ferritin kann in zwei voneinander verschiedene Isoferritine eingeteilt werden: Einerseits in die eisenreichen basischen Isoferritine, welche besonders in der Leber, der Milz und im Knochenmark vorkommen, und andererseits in die eisenarmen sauren Isoferritine, die in der Plazenta, dem Herzen und in Tumoren gehäuft auftreten. [33]

Neben löslichem Ferritin zählt das unlösliche Hämosiderin zu den bekannten Eisenspeicherproteinen. Diese beiden speichern das Eisen und machen es für die Protein- bzw. Häm-Synthese verfügbar. Hämosiderin findet sich in hohen Konzentrationen in eisenspeichernden Geweben, wie z. B. der Leber und der Milz. Dort finden sich etwa 80% des Eisens als Hämosiderin. Besonders hoch wird die in Form von Hämosiderin gespeicherte Eisenmenge bei hereditärer Hämochromatose und Thalassämie. Innerhalb der Zelle kann man Hämosiderin in den Lysosomen, in welchen es durch die Aufnahme von Ferritin-Clustern gebildet wird, nachweisen.

Der Kern des Hämosiderins ist heterogen aufgebaut und umfasst verschiedene Eisenmineralisationsformen, wie z. B. amorphes Eisenoxid, Ferrioxyhydrit und andere. Das Molekulargewicht von Hämosiderin liegt bei 4000 kDa, ist aber variabel. [34, 35]

Abb. 8 (THOMAS C., DIENES H. P., 2001): Hämosiderin (nach HE-Färbung dunkelbraun) im Zytoplasma der Hepatozyten [36]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.6 Regulation der Eisenhomöostase

Eisen ist ein für lebensnotwendige Redox-Reaktionen essentielles Element, jedoch besitzt es durch seine Fähigkeit, an Ein-Elektronenübertragungen teilzunehmen, auch ein toxisches Potential. Da die Grenze zwischen der physiologisch notwendigen frei verfügbaren Eisenmenge und der durch zu hohe Eisenkonzentrationen möglichen schädigenden Wirkungen sehr schmal ist, waren Organismen gezwungen sehr feine Regulationsmechanismen zu entwickeln. Diese sollen an dieser Stelle näher beschrieben werden. [37]

Die wahre chemische Natur von Eisen im sogenannten „Labile Iron Pool“ (LIP) wird noch immer nicht vollständig verstanden. Dennoch ist bekannt, dass Eisen in diesem sowohl kinetisch als auch metabolisch aktiven Pool durch Chelatoren abgefangen werden kann. Außerdem sind Lebewesen mit umfassenden Regulationsmechanismen zur Koordination der Eisenaufnahme, Eisen­speicherung und zur Aufrechterhaltung des jeweils erforderlichen LIP ausgestattet. Zur Erfassung der Eisenmenge im LIP dienen sogenannte Iron Regulatory Proteins (IRPs). Die IRPs sind für die Regulation der Ferritin- und TfR-Expression verantwortlich. Die IRPs können nicht nur durch Eisen, sondern auch durch oxidativen Stress und Stickstoffmonoxid (NO) moduliert werden. [37]

2.6.1 Posttranskriptionelle Regulation des Eisenstoffwechsels durch IRPs

Iron Regulatory Protein 1 (IRP1) und Iron Regulatory Protein 2 (IRP2) sind zytoplasmatische Proteine, die mit spezifischen Nukleotidsequenzen inter­agieren, die als Iron-Responsive-Elements (IREs) bekannt sind. Die IREs sind z. B. in der „5´untranslated region“ der Ferritin-mRNA bzw. der „3´untranslated region“ des Transferrin-Rezeptors (TfR) lokalisiert.

Das Zusammenspiel zwischen IRPs und IREs zur Kontrolle des zellulären Eisenmetabolismus funktioniert folgendermaßen: Falls Eisen limitierend wird, ist IRP2 im Zytosol präsent, und IRP1 wird in den „high affinity binding state“ rekruitiert. Die Bindung der IRPs an das IRE in der „5´untranslated region“ der Ferritin-mRNA verhindert die Translation von Ferritin. Hingegen führt eine Assoziation von IRPs mit IREs in der „3´untranslated region“ der TfR-mRNA zu einer Stabilisierung des Transkripts. Wenn allerdings der intrazelluläre Eisenpool gefüllt ist, kann IRP1 nicht an die IREs binden und IRP2 wird abgebaut. Daraus resultiert eine effiziente Translation der Ferritin-mRNA und ein schneller Abbau von TfR-mRNA. [38]

IRP1 wird von einem Eisen-Schwefel-Cluster-Switch gesteuert, wobei Cystein-437 große Bedeutung für die Koordination des Clusters hat. Der Ersatz von Cys-437 führt zu Mutanten, welche auf Änderungen des zellulären Eisenstatus nicht entsprechend reagieren und an verwandte mRNA-IRE´s binden.

Die Expression von IRP1C437S wurde bislang mit Störungen der Eisen­homöostase sowie mit der Toxizität von Eisen in Zusammenhang gebracht.

Wang und Pantopoulos [39] verwendeten in einem Versuchsansatz Klone von menschlichen Lungen- bzw. Brustkrebszellen (H1299 bzw. MCF7), die große Mengen an IRP1C437S exprimieren. Dabei fanden sie erwartungsgemäß, dass IRP1C437S durch Bindung an die jeweiligen IRE´s die TfR-mRNA stabilisiert und die Translation der Ft-mRNA inhibiert. Es konnte allerdings beobachtet werden, dass es H1299 Zellen, die in hoher Dichte gewachsen sind, möglich war, die IRP1C437S vermittelte Hemmung der Ferritin-Synthese zu umgehen. Über den Mechanismus, der diesem Geschehen zu Grunde liegt, ist noch nichts Genaueres bekannt. Die Daten dieser Studie legen also nahe, dass es Zellen gibt, in denen die Translation der Ft-mRNA der Kontrolle bzw. Steuerung durch das IRE/IRP-System ausweichen kann. Diese Ausweichmöglichkeit scheint auch einen Schutz vor Eisen assoziiertem oxidativen Stress bzw. Apoptose zu repräsentieren. [39]

IRP 1 weist eine 30%ige Homologie mit der mitochondrialen Aconitase auf. 18 Aminosäure-Reste des aktiven Zentrums der Aconitase, inklusive dreier Cystein-Reste, sind im IRP1 erhalten. In an Eisen verarmten Zellen verliert IRP1 seinen [4Fe-4S] Cluster wie auch seine Aconitase-Aktivität, verfügt aber über eine IRE-Bindungsaktivität. Hingegen beobachtet man bei mit Eisen gesättigten Zellen einen intakten [4Fe-4S] Cluster und eine vorhandene Aconitase-Aktivität, aber eine nicht vorhandene IRE-Bindungsaktivität im IRP1.

Das zweite IRE bindende Protein, IRP2, teilt 62% seiner Aminosäuresequenz-Identität mit IRP1, unterscheidet sich aber in einer einmaligen, 73 Aminosäuren umfassenden Einfügung in seiner N-terminalen Region von IRP1. Dieser Abschnitt ist für den Abbau des Proteins über den „Ubiquitin Proteasom Pathway“ in mit Eisen gesättigten Zellen verantwortlich.

Aufgrund der Homologie zwischen IRP1 und der mitochondrialen Aconitase, deren Aktivität von NO moduliert wird, ist es nicht verwunderlich, dass die biologische Aktivität von IRP1 ebenso von NO beeinflußt werden kann. [38]

2.6.2 Modulation der IRP/IRE-Interaktion durch NO

Stickstoffmonoxid ist ein kurzlebiges Signalmolekül, das eine bedeutende Rolle in der Funktion verschiedener biologischer Abläufe spielt. Diese umfassen die Vasorelaxation, die Adhäsion und Aggregation von Thrombozyten und neutrophilen Granulozyten sowie die Neurotransmission und die durch Makrophagen vermittelte Zytotoxizität. Viele seiner Funktionen verdankt das NO seiner Fähigkeit, an das Hämeisen der prosthetischen Gruppe der Guanylat­cyclase zu binden, wodurch dieses Enzym schließlich aktiviert wird und zur Erhöhung der cGMP-Konzentration führt.

Zahlreiche Forschergruppen haben den Einfluss von NO auf die Ferritin­synthese, auf TfR-mRNA und auf TfR-Konzentrationen untersucht. Allerdings sind die Ergebnisse der Studien sehr kontroversiell. [37]

Während Weiss et al. [40] und Juckett et al. [41] eine Verringerung der Ferritinsynthese unter NO-Einfluss feststellten, berichten Recalcati et al. [42] und Oberle et al. [43] über eine durch NO gesteigerte Ferritinsynthese.

Einen möglichen Erklärungsansatz für die widersprüchlichen Ergebnisse liefert die Tatsache, dass NO als NO· und als NO+ vorliegen kann und seine Wirkung daher entsprechend seinem Redox-Status auch entgegengesetzt sein kann.

Richardson et al. fanden an K 562 Zellen, dass NO· die IRP1-Bindungsaktivität sowie TfR-mRNA- und TfR-Anzahl erhöhen, und NO+ die IRP1-Bindungsaktivität sowie TfR-mRNA und TfR-Anzahl absenken. [38]

Der hinter den gegensätzlichen Effekten der beiden NO-Varianten stehende Mechanismus sieht wahrscheinlich folgendermaßen aus: NO·, welches in der Lage ist, Eisen zu binden, bindet an das [Fe-S] Zentrum von IRP1 und aktiviert es durch Zerstörung des Clusters, ein Zustand, in dem TfR-mRNA stabilisiert wird. Hingegen führt die Behandlung von K 562 Zellen mit NO+ zu einer S-Nitrosylierung wichtiger Thiol-Gruppen im IRP1, was die Bindung des IRP1 an das IRE verhindert und so zum Abbau der TfR-mRNA führt. [38]

Eine Studie von Kim und Ponka [37] zeigt, dass IRP2 ein mögliches Ziel von NO+ darstellen kann. Es wurde eine Makrophagen-Zelllinie aus Mäusen (RAW 264.7 Zellen) mit einem NO+ -Generator namens SNAP (S-Nitroso-N-acetyl-penicillamin) behandelt. Nach einer einstündigen Einwirkdauer zeigte sich eine signifikant verringerte IRP2-Bindung an IRE, gefolgt von einem IRP2-Abbau, der möglicherweise im Proteasom erfolgte. Das Absinken der IRP2-Konzentration war von einem deutlichen Rückgang der TfR-mRNA-Menge begleitet. Diese Veränderungen wurden zu einem Zeitpunkt nachgewiesen, an dem die IRP1-Bindungsaktivität durch die NO+ -Behandlung noch nicht beeinflusst war. Dies lässt den Schluss zu, dass IRP2 alleine eine bedeutende Rolle in der Steuerung der TfR-mRNA-Konzentrationen besitzt.

In einer anderen Studie untersuchten selbige Autoren [38] die Effekte von Interferon-g und Lipopolysaccharid auf den Eisenstoffwechsel der RAW 264.7 Zellen (siehe oben). Dabei zeigte sich eine starke Reduktion der IRP2-Aktivität nach Stimulation mit Interferon-g und Lipopolysaccharid, die mit massivem Absinken der TfR-mRNA-Konzentrationen einhergingen. Diese Wirkungen sind ähnlich denen, die nach NO+ -Behandlung der RAW 264.7 Zellen beobachtet werden. Es deutet alles auf eine durch Interferon-g und Lipopolysaccharid stimulierte und durch NO+ vermittelte S-Nitrosylierung von IRP2, die von einer Inaktivierung und dem IRP2-Abbau gefolgt werden, was schließlich in einem Absinken der TfR-mRNA-Spiegel resultiert. Weiters wird eine Erhöhung der Ferritinsynthese beobachtet.

Diese Ergebnisse lassen auf eine wichtige Rolle des NO+ vermittelten IRP2-Abbaus in der Inflammation schließen. [38]

2.6.3 Zusammenhänge zwischen Energie- und Eisenstoffwechsel

Watts und Richardson [44] untersuchten die Abhängigkeit der NO vermittelten Eisenfreisetzung vom Energiestoffwechsel in verschiedenen Zelllinien.

Nachdem sie in einer früheren Studie festgestellt hatten, dass NO die Freisetzung von Eisen aus 59Fe markierten Zellen erhöhen kann, ging es nun darum, die Energieabhängigkeit dieses Geschehens zu ermitteln. Dazu wurden Versuche an vier verschiedenen Zelltypen, jeweils zwei menschlichen und zwei aus Mäusen, durchgeführt. Die gewonnenen Resultate konnten in weitgehender Übereinstimmung an allen Zelltypen beobachtet werden.

Die Zellen wurden mit GSNO (S-Nitrosoglutathion) und verschiedenen Monosacchariden inkubiert. Anschließend wurde die von den Zellen abgegebene 59Fe-Menge mittels g - Szintillationszähler bestimmt. Man fand, dass metabolisierbare Monosaccharide wie D-Glukose (D-Glc) und D-Mannose (D-Man) die NO vermittelte Eisenabgabe zu erhöhen vermochten. Hingegen waren nicht-metabolisierbare bzw. nicht in Zellen transportierbare Mono­saccharide wie z. B. L-Glukose und D-2-Desoxyglukose nicht in der Lage, einen signifikanten Einfluss auf die Eisenfreisetzung auszuüben.

Abb. 9 (Watts RN., Richardson DR., 2001): Eisenfreisetzung aus Fibroblastenzellen nach Behandlung mit GSNO und Inkubation mit verschiedenen Monosacchariden [44]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Einfluss von L-Glukose war nicht auf eine Änderung der Lebensfähigkeit der Zelle zurückzuführen, genauso wenig wie auf einen Effekt auf das NO freisetzende Reagens.

In einer weiteren Versuchsanordnung wurde überprüft, über welchen Stoffwechselweg die D-Glukose an der Eisenfreisetzung beteiligt war. Dazu inkubierte man die Fibroblastenzellen wieder mit GSNO sowie mit Metaboliten der Glykolyse bzw. des Citratzyklus, nämlich Pyruvat und Citrat, und stellte fest, dass keines der beiden eine Wirkung auf die Eisenfreisetzung hatte. Man schließt daraus, dass die D-Glukose über den Hexosen-Monophosphatweg (HMPS) abgebaut wurde. Dies führt zu einem Anstieg des NADPH-Spiegels und in der Folge zu einer Erhöhung von GSH gegenüber GSSG.

Möglicherweise ist dieser GSH-Anstieg für die Änderung des zellulären Redox-Status und/oder für eine veränderte Zugänglichkeit von NO zum 59Fe-Pool verantwortlich. Das heißt, dass NO seinen Effekt auf den Eisenstoffwechsel zumindest zu einem gewissen Grad über die Änderung des GSH-Spiegels ausübt. [44]

Im aktuellen Experiment zeigte man auch eine Senkung des GSH-Spiegels nach Inkubation mit NO ohne D-Glukose, was auf die Bildung von intra­zellulärem S-Nitrosoglutathion zurückzuführen ist. Bei Zugabe von D-Glukose hingegen konnte ein Absinken der GSH-Spiegel verhindert werden.

Die geschilderten Beobachtungen deuten darauf hin, dass D-Glukose über deren Verstoffwechslung im HMPS in der Gegenwart von NO der GSH-Absenkung entgegenwirkt.

Schließlich stellte man auch noch fest, dass GSH für die NO vermittelte Eisenfreisetzung essentiell ist. [44]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 10 (Watts RN., Richardson DR., 2001): Glutathion-Konzentrationen in Fibroblastenzellen nach GSNO-Behandlung mit und ohne Glukose [44]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abschließend spekulieren die Autoren über den Mechanismus der Eisenfreisetzung aus der Zelle: GSH könnte als Ligand agieren, welcher zusammen mit NO und Eisen einen „gemischten Eisenkomplex“ bildet, der entweder durch die Zellmembran diffundiert oder per Transporter durch diese befördert wird. Für einen „gemischten Eisenkomplex“ sprechen Messergebnisse aus Elektronenparamagnetischer-Resonanzspektroskopie-Untersuchungen. [44]

Als Transporter kommt Ferroportin 1 in Frage. Ob dieser allerdings NO gebundenes Eisen aus der Zelle befördern kann, ist nicht bekannt.

Zusammenfassend hat die Studie von Watts und Richardson gezeigt, dass die NO vermittelte Eisenfreisetzung durch D-Glukose erhöht werden kann. Weiters ist diese Freisetzung abhängig vom Vorhandensein des reduzierten Glutathions (GSH). Schließlich existiert ein Zusammenhang zwischen D-Glukose- und Eisenstoffwechsel, dem möglicherweise Bedeutung bei der intrazellulären Signal­vermittlung über NO bzw. bei der NO vermittelten Zytotoxizität der Makrophagen zukommt. [44]

Tab. 1 (Pietrangelo A., 2002): Überblick über Proteine, Carrier und Regulatoren des Eisenstoffwechsels [28]

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2.7 Eisenbestand und Eisenumsatz

Der menschliche Körper kann keine größeren Mengen Eisen ausscheiden.

Bei Mann und Frau (nach der Menopause) beträgt die tägliche Ausscheidung 1-2 mg. Die Ausscheidung erfolgt über die Desquamation von Darmepithel- bzw. Hautzellen sowie über Urin, Galle und Schweiß. Nur bei Blutungen treten größere Eisenverluste auf. Mit der Menstruation gehen zwischen 12,5-30 mg Eisen verloren. In der Schwangerschaft treten Verluste bis 300 mg auf. Der Eisenverlust während der Geburt bzw. in der Stillzeit kann nahezu durch die ausbleibende Menstruation kompensiert werden. [3]

Abb. 11 (In Anlehnung an Petrides PE., 1998): Übersicht über den täglichen Eisenumsatz im menschlichen Organismus [3]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aufgrund der geringen physiologischen Eisenausscheidung müssen nur 1-2 mg pro Tag resorbiert werden, um eine ausgeglichene Bilanz zu erzielen. Dreh­scheibe des Eisenstoffwechsels ist das Plasmaeisen, das über Resorption und Ausscheidung mit dem inneren Eisenstoffwechsel verbunden ist. [3]

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