Kupfer
Definition, Resorption, Transport und Verteilung
Kupfer gehört zu den essentiellen (lebensnotwendigen) Spurenelementen und ist ein weiches, duktiles (verformbares) Übergangsmetall – Schwermetall/Halbmetall. Es steht in der 11. Gruppe des Periodensystems, hat das Symbol Cu, die Ordnungszahl 29 und eine Atommasse von 63,546.
Kupfer kommt in den Oxidationsstufen Cu+, Cu2+ und Cu3+ vor, wobei es in der Natur hauptsächlich als Cu+ und Cu2+ zu finden ist. In biologischen Systemen überwiegt die 2-wertige Oxidationsstufe – Cu2+ [6, 11, 13, 19].
Resorption
Kupfer liegt in der Nahrung und im Organismus in gebundener Form und nicht als freies Ion vor. Der Grund dafür ist seine besondere Elektronenkonfiguration, wodurch es mit biochemisch wichtigen Verbindungen, wie Proteine, Komplexbindungen eingehen kann [9, 10, 15, 19, 26].
Kupfer wird zum größten Teil aus dem Magen und oberen Dünndarm (Duodenum) resorbiert [18]. Da die Absorptionsrate stark von der Nahrungszusammensetzung abhängt, schwankt sie zwischen 35 und 70 % [5, 9, 13, 29]. Andere Autoren geben sie in Abhängigkeit vom Kupfergehalt der Nahrung mit 20 bis über 50 % an [26]. Aus der Muttermilch wird Kupfer zu 75 % resorbiert, aus Kuhmilch hingegen nur zu etwa 23 %.
Der Kupferbestand im Körper wird durch Anpassung der intestinalen Absorption und der Ausscheidung reguliert. So ist im Kupfermangel die Absorptionsrate gesteigert, während bei erhöhtem Kupfer-, Zink- oder Eisen-Angebot die weitere Cu-Aufnahme beziehungsweise Cu-Abgabe reduziert beziehungsweise blockiert wird [2, 4, 5, 9, 10, 14, 22, 24, 25, 29].
Die Kupferabsorption ist anhand einer dualen Kinetik zu erklären. In niedrigen Konzentrationen wird Kupfer durch einen aktiven, das heißt energieabhängigen, sättigbaren Transportmechanismus in die Enterozyten der Bürstensaummembran des Dünndarms aufgenommen. Bei höheren Konzentrationen dominiert die passive Diffusion, das heißt ein Transport durch die Enterozytenmembran in Richtung des Konzentrationsgefälles ohne jegliche Zufuhr von Energie sowie Membrantransport-Proteinen [6, 13].
Für den Cu-Transfer aus der basolateralen Enterozytenmembran in die Blutbahn ist die MNK-ATPase, ein sättigbares Carriersystem, verantwortlich [4, 9].
Bei Säuglingen wird Kupfer hingegen durch Diffusion und in einem kaum sättigbaren Cotransport mit Wasser resorbiert [4].
Transport und Verteilung
Das absorbierte Kupfer wird im Blut an die Plasmaproteine Albumin und Transcuprein sowie an niedrigmolekulare Liganden, wie beispielsweise die Aminosäure Histidin, gebunden. Transcuprein stellt ein spezifisches Cu-Transportprotein dar und besitzt für Kupfer eine höhere Affinität (Bindungsstärke) als Albumin [1].
Der Cu-Plasma-Spiegel liegt unter normalen Bedingungen bei etwa 0,5-1,5 µg/ml und ist bei Frauen um 10 % höher als bei Männern [1, 3, 9, 16]. Weder Nahrungsaufnahme noch Fasten beeinflusst den Cu-Gehalt im Plasma. Aus noch ungeklärten Gründen ist der Cu-Plasma-Spiegel am Ende einer Schwangerschaft beziehungsweise nach Einnahme von Kontrazeptiva (Antibabypille) nahezu verdoppelt bis verdreifacht [4, 9, 18].
Transcuprein, Albumin und Histidin transportieren Kupfer über die Pfortader (vena portae) zur Leber, die es über den hCtr1-Carrier aufnimmt [2, 3, 8, 10, 14, 15].
Die Leber ist das zentrale Organ des Kupferstoffwechsels und der wichtigste Kupferspeicher des Organismus. In den Hepatozyten (Leberzellen) wird Kupfer zum Teil gespeichert und in kupferabhängige Enzyme, wie Caeruloplasmin, Cytochrom-C-Oxidase oder Superoxid-Dismutase eingebaut [1, 4, 5, 13, 19, 21, 22, 28].
Von besonderer Bedeutung ist das Plasmaprotein Caeruloplasmin. Dieses weist sowohl eine Enzymfunktion als auch eine spezifische Bindungs- und Transportfunktion für Kupfer auf. Als
Das im Plasma an Caeruloplasmin gebundene Kupfer wird bedarfsgerecht im Organismus an verschiedene Organe und Gewebe verteilt. Die zelluläre Aufnahme erfolgt durch membranständige Cu-Rezeptoren [4].
Kupfer ist mit einem Körperbestand von 80-100 mg nach Eisen und Zink das dritthäufigste Spurenmetall im Organismus [4, 6, 8, 9, 13]. Die höchsten Konzentrationen an Kupfer finden sich vor allem in Leber (15 %) und Gehirn (10 %), gefolgt von Herz und Nieren. Etwa die Hälfte des Gesamtgehalts entfällt auf Muskulatur (40 %) und Skelett (20 %) [4, 9, 13]. Nur 6 % des gesamten Kupferbestandes sind im Serum enthalten. Davon liegen etwa 80 bis 95 % in Form von Cu-Caeruloplasmin vor [13, 27].
Die Cu-Verteilung bei Feten und Säuglingen weicht von der beim Erwachsenen ab. Zur Geburt entfällt die Hälfte des Körperbestandes auf Leber und Milz. Schließlich weist die Leber von Neugeborenen im Gegensatz zu der von Erwachsenen eine um das 3-10fach höhere Cu-Konzentration auf. Diese Leberreserven sind physiologisch normal und scheinen den Säugling während der ersten Monate vor einem Kupfermangel zu schützen [9].
Ausscheidung
Neben der Absorption ist die Ausscheidung mit die wichtigste Regulationsgröße für die Cu-Homöostase beziehungsweise die Aufrechterhaltung des Cu-Gleichgewichts im Körper.
Überschüssiges Kupfer wird zu etwa 80 % in der Galle mit dem Stuhl ausgeschieden.
Nur 2-4 % werden renal mit dem Urin ausgeschieden [3, 9]. Bei tubulären Defekten können die Verluste über die Nieren mit dem Urin signifikant ansteigen [9]. Verluste an Kupfer über die Haut sind variabel und werden im Durchschnitt auf 0,34 mg/d geschätzt. Ein sehr geringer Kupferanteil gelangt über den enterohepatischen Kreislauf (Leber-Darm-Kreislauf) vom Darm zurück in den Organismus beziehungsweise wird rückresorbiert [6, 13, 16, 24].
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