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Phosphor stellt ein für den Menschen essentiellen (lebensnotwendigen) Mineralstoff dar und ist nach Calcium das mengenmäßig häufigste Mineral im Körper [4, 7, 18].
Im menschlichen Organismus ist Phosphor wesentlicher Baustein von organischen Verbindungen, wie Kohlenhydraten, Proteinen, Lipiden, Nucleinsäuren, Nukleotiden und Vitaminen. Phosphor kommt ebenfalls in anorganischen Verbindungen vor, von denen insbesondere Calciumphosphat beziehungsweise Hydroxylapatit von Bedeutung ist. Diese Verbindung ist Bestandteil vom Skelett und den Zähnen..
Über die Nahrung zugeführtes Phosphat liegt meist in Form von organischen Verbindungen wie beispielsweise Phosphoproteine und Phospholipide vor. Diese Verbindungen müssen zunächst durch spezifische Enzyme (Phosphatasen) von den Zellen des Dünndarms (Enterozyten) freigesetzt werden. Im Anschluss kann das anorganisches Phosphat im Zwölffingerdarm (Duodenum) und Leerdarm (Jejunum) aufgenommen werden [2, 8, 9, 11, 12, 17].
Die Absorptionsrate von Phosphat ist in der Wachstumsphase höher als im Erwachsenenalter. So beträgt die Phosphat-Absorption beim Säugling, Kleinkind und Kind zwischen 65-90 %, während Erwachsene anorganisches Phosphat aus einer gemischten Kost zu 55-70 % resorbieren [8, 9, 10, 17].
Die Aufnahme von Phosphat über die Nahrung ist von einer Vielzahl an Faktoren abhängig.
Folgende Faktoren hemmen die Phosphat-Resorption [2, 4, 5, 8, 11, 12, 13, 14, 15, 16]:
Folgende Faktoren fördern die Phosphat-Resorption [2, 4, 7, 8, 15, 16]:
Aufgrund des teilweise hohen Phytinsäuregehalts pflanzlicher Nahrungsmittel, wie Getreide, Gemüse, Hülsenfrüchte und Nüsse, ist Phosphor aus Lebensmitteln tierischer Herkunft zumeist besser verfügbar. Phytatreiche Lebensmittel pflanzlichen Ursprungs können eine bis zu 50 % geringere Bioverfügbarkeit aufweisen [8, 10].
So wird Phosphor aus Fleisch im Durchschnitt zu 69 %, aus Milch zu 64 % und aus Käse zu 62 % resorbiert, während aus Roggen-Vollkornbrot im Mittel nur etwa 29 % des Phosphors im Darm aufgenommen werden [12].
Der Gesamtbestand an Phosphor im Körper beträgt beim Neugeborenen etwa 17 Gramm und beim Erwachsenen zwischen 600-700 Gramm [2, 4, 7, 8, 10, 17]. Über 85 % davon befinden sich in anorganischen Verbindungen mit Calcium in Form von Calciumphosphat beziehungsweise Hydroxylapatit im Skelett und in den Zähnen.
65-80 Gramm (10-15 %) des Körperbestandes an Phosphor sind überwiegend als Bestandteil organischer energiereicher Verbindungen, wie Adenosintriphosphat (ATP), Kreatinsphosphat und Phospholipide in den übrigen Geweben, wie Gehirn, Leber und Muskulatur, lokalisiert [2, 5, 7-9, 10, 11, 13, 17, 18]. Außerhalb der Zellen befidnen sich nur circa 0,1 % des Körperphosphors. Das Gesamtphosphor im Blut liegt bei circa 13 Millimol pro Liter [10].
Die Ausscheidung von Phosphor erfolgt zu 60-80 % über die Niere und zu 20-40 % über den Stuhl (Fäzes) [2, 7, 8, 9, 17, 18]. Die über den Stuhl eliminierte Menge beträgt zwischen 0,9 bis 4 Milligramm Phosphor pro Kilogramm Körpergewicht.
In der Niere wird der Mineralstoff filtriert (140-250 mmol/Tag) und zu 80-85 % rückresorbiert [2, 4, 8]. Übersteigt die filtrierte Menge das Transportmaximum, erscheint Phosphor im Urin. Dies ist bei einem Phosphatgehalt im Blutplasma > 1 mmol/l der Fall, der bereits bei Gesunden überschritten wird [14].
Der Prozess der Phosphat-Ausscheidung der Niere beziehungsweise der Rückresorption wird hormonell kontrolliert. Die Peptidhormone Parathormon und Calcitonin sowie das weibliche Geschlechtshormon Östrogen und das Schilddrüsenhormon Thyroxin steigern die Phosphat-Ausscheidung über die Nieren. Wachstumshormone, Insulin und Cortisol vermindern die Aufnahme von Phosphor [2, 8, 11, 13, 14, 17].
Die Phosphat-Homöostase beschreibt ein dynamisches System, das die Aufrechterhaltung des Gleichgewichtszustandes von Phosphat gewährleistet. Diese Regulation steht unter hormoneller Kontrolle und erfolgt hauptsächlich über die Niere.
Daneben sind auch der Knochen aufgrund seiner physiologischen Funktion als Mineralstoffspeicher und der Dünndarm an der Regulation des Phosphathaushalts beteiligt [4, 8, 11, 13].
Der Phosphat-Stoffwechsel wird über verschiedene Hormone reguliert, von denen folgende am bedeutsamsten sind [1, 4, 8, 11]:
Die aufgeführten Hormone beeinflussen die Phosphat-Freisetzung beziehungsweise -aufnahme in die Knochen, die Phosphat-Resorption des Dünndarms sowie die Phosphat-Ausscheidung über die Niere [4, 8, 11]. Dabei ist der Stoffwechsel anorganischen Phosphats eng mit dem des Calciums verknüpft [2, 4, 18].
Die hormonelle Regulation des Phosphor-Stoffwechsels ermöglicht die Anpassung an wechselnde Höhen der Phosphor-Zufuhr beziehungsweise die Tolerierung relativ hoher Zufuhrmengen.
Da die tägliche Phosphor-Zufuhr deutscher Männer und Frauen (durchschnittlich 1.240-1.350 Milligramm pro Tag) die Zufuhrempfehlung (700 mg/Tag) übersteigen kommt der Regulation eine wesentliche Bedeutung zu. Im Gegensatz zu Calcium, dessen Serumkonzentration in relativ engen Grenzen konstant gehalten wird, ist die Phosphor-Homöostase weniger strikt reguliert [6-8, 11, 13, 18].
Bei einem Abfall des Calcium-Serumspiegels kommt es aufgrund von PTH und Calcitriol ausgelösten Effekten zu einer Zunahme der extrazellulären Calcium-Konzentration und Abnahme des Phosphat-Serumspiegels [1, 3, 11, 13].
Eine Zunahme der Calcium-Serumkonzentration führt zu einer vermehrten Synthese und Freisetzung von Calcitonin. Calcitonin fördert die Calcium- und Phosphat-Einlagerung in das Skelett und setzt die aktive Aufnahme von Calcium und Phosphat in die Dünndarmzellen herab.
Zugleich stimuliert Calcitonin in der Niere die Calcium- und Phosphat-Ausscheidung. Durch diese Mechanismen wird sowohl die Calcium- als auch Phosphat-Serumkonzentration gesenkt [1, 2, 11, 12, 13].
Bei Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz (chronische Nierenschwäche) ist die Filtrationsrate erniedrigt, wodurch Phosphor unzureichend ausgeschieden und Calcium ungenügend rückresorbiert wird.
Aufgrund der beeinträchtigten Nierenfunktion lässt sich die erhöhte Phosphat-Serumkonzentration durch PTH jedoch nicht normalisieren. Bei bestehender Niereninsuffizienz ist somit die Phosphatzufuhr über die Nahrung auf täglich 800-1.000 Milligramm zu beschränken.
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Im menschlichen Organismus ist Phosphor wesentlicher Baustein von organischen Verbindungen, wie Kohlenhydraten, Proteinen, Lipiden, Nucleinsäuren, Nukleotiden und Vitaminen, sowie von anorganischen Verbindungen, von denen insbesondere Calciumphosphat beziehungsweise Hydroxylapatit (Ca10(PO4)6(OH)2), das im Skelett und in den Zähnen lokalisiert ist, von Bedeutung ist.
Über die Nahrung zugeführtes Phosphat liegt meist in Form von organischen Verbindungen vor – zum Beispiel Phosphoproteine, Phospholipide – und muss zunächst durch spezifische Phosphatasen (Enzyme, die durch Wassereinlagerung aus Phosphorsäureestern oder Polyphosphaten Phosphorsäure abspalten) der Bürstensaummembran der Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) freigesetzt werden, um im Anschluss im Duodenum (Zwölffingerdarm) und Jejunum (Leerdarm) als anorganisches Phosphat resorbiert (aufgenommen) werden zu können [2, 8, 9, 13, 14, 19].
Aus seiner Verbindung gelöstes Phosphat – freies, anorganisches Phosphat – wird vorrangig durch einen aktiven, Natrium-abhängigen Mechanismus in die Mukosazellen (Schleimhautzellen) des Duodenums (Zwölffingerdarm) beziehungsweise Jejunums (Leerdarm) transportiert. Zusätzlich existiert ein passiver Prozess, bei dem anorganisches Phosphat parazellulär (durch die Zwischenräume der Darmepithelzellen) entlang eines elektrochemischen Gradienten in die Blutbahn gelangt.
Die Absorptionsrate von Phosphat ist in der Wachstumsphase höher als im Erwachsenenalter. So beträgt die Phosphatabsorption beim Säugling, Kleinkind und Kind, die eine positive Phosphatbilanz (Phosphataufnahme übersteigt die Phosphatausscheidung) aufweisen, zwischen 65-90 %, während Erwachsene anorganisches Phosphat aus einer gemischten Kost zu 55-70 % resorbieren [8-10, 19].
Folgende Faktoren hemmen die Phosphatresorption [2, 4, 5, 8, 13-18]:
Aufgrund des teilweise hohen Phytinsäuregehalts pflanzlicher Nahrungsmittel, wie Getreide, Gemüse, Hülsenfrüchte und Nüsse, ist Phosphor aus Lebensmitteln tierischer Herkunft zumeist besser verfügbar. Phytatreiche Lebensmittel pflanzlichen Ursprungs können eine bis zu 50 % geringere Bioverfügbarkeit aufweisen [8, 10]. So wird Phosphor aus Fleisch im Durchschnitt zu ~ 69 %, aus Milch zu ~ 64 % und aus Käse zu ~ 62 % resorbiert, während aus Roggen-Vollkornbrot im Mittel nur etwa 29 % des Phosphors im Darm aufgenommen werden [14].
Folgende Faktoren fördern die Phosphatresorption [2, 4, 7, 8, 17, 18]:
Der Gesamtbestand an Phosphor im Körper beträgt beim Neugeborenen etwa 17 g (0,5 %) und beim Erwachsenen zwischen 600-700 g (0,65-1,1 %) [2, 4, 7, 8, 10, 19]. Über 85 % davon befinden sich in anorganischen Verbindungen mit Calcium in Form von Calciumphosphat beziehungsweise Hydroxylapatit (Ca10(PO4)6(OH)2) im Skelett und in den Zähnen. 65-80 g (10-15 %) des Körperbestandes an Phosphor sind überwiegend als Bestandteil organischer Verbindungen – energiereiche Phosphatverbindungen, wie Adenosintriphosphat (ATP, universeller Energieträger) und Kreatinsphosphat (PKr, Energielieferant im Muskelgewebe), Phospholipide etc. – in den übrigen Geweben, wie Gehirn, Leber und Muskulatur, lokalisiert. Der Extrazellulärraum enthält nur etwa 0,1 % des Körperphosphors [2, 5, 7-10, 13, 15, 19, 21].
In den Körperflüssigkeiten liegt Phosphor zu etwa 30 % in anorganischer Form vor, vorrangig als divalentes (zweiwertiges) Hydrogenphosphat (HPO42-) und monovalentes (einwertiges) Dihydrogenphosphat (H2PO4-). Das Dihydrogenphosphat-Hydrogenphosphat-System (H2PO4- ↔ H+ + HPO42-) wirkt im Rahmen des Säure-Basen-Haushalts als Puffer in der Zelle, im Blutplasma sowie im Urin (→ Aufrechterhaltung des pH-Wertes). Daneben existieren organische Phosphatverbindungen, wie Phosphatester, lipid- und proteingebundenes Phosphat [11].
Das Gesamtphosphor im Blut liegt bei circa 13 mmol/l (400 mg/l) [10]. Das anorganische Phosphat im Blutplasma (Erwachsene 0,8-1,4 mmol/l [2, 7, 19-21]; Kinder 1,29-2,26 mmol/l) ist zu 45 % komplexiert, zu 43 % ionisiert und zu 12 % an Proteine gebunden. Zu den organischen Phosphatverbindungen des Blutes zählen unter anderem Lipoproteine (Aggregate aus Lipid und Protein) des Plasmas und Phospholipide der Erythrozyten (roten Blutkörperchen) [4, 7, 8, 15].
Die Phosphatausscheidung erfolgt zu 60-80 % über die Nieren und zu 20-40 % über den Fäzes (Stuhl) [2, 7-9, 19, 21]. Die über den Stuhl eliminierte Phosphatmenge beträgt zwischen 0,9-4 mg/kg Körpergewicht. Davon entfällt der meiste Anteil (~ 70-80 %) auf intestinal nicht resorbiertes und ein geringerer Prozentsatz auf in den Verdauungstrakt sezerniertes (abgesondertes) Phosphor [8].
In der Niere wird Phosphat in den Glomeruli (kapillare Gefäßknäuel der Niere) filtriert (140-250 mmol/Tag) und – im Cotransport mit Natrium-Ionen (Na+) – im proximalen Tubulus (Hauptstück der Nierenkanälchen) zu 80-85 % rückresorbiert [2, 4, 8]. Übersteigt die filtrierte Phosphatmenge das Transportmaximum des proximalen Tubulus, erscheint Phosphat im Urin. Das ist bei einem Phosphatgehalt im Blutplasma > 1 mmol/l der Fall, der bereits bei Gesunden überschritten wird [16].
Der Prozess der renalen Phosphatausscheidung beziehungsweise tubulären Phosphatreabsorption wird hormonell kontrolliert. Während Parathormon (ein in der Nebenschilddrüse synthetisiertes Peptidhormon), Calcitonin (ein in den C-Zellen der Schilddrüse synthetisiertes Peptidhormon), Östrogen (Steroidhormon, weibliches Geschlechtshormon) und Thyroxin (T4, Schilddrüsenhormon) die Phosphatexkretion über die Nieren steigern, wird diese durch Wachstumshormon, Insulin (blutzuckersenkendes Peptidhormon) und Cortisol (Glucocorticoid, das katabole (abbauende) Stoffwechselvorgänge aktiviert) vermindert [2, 8, 13, 15, 16, 19].
Die Regulation der Phosphathomöostase steht unter hormoneller Kontrolle und erfolgt hauptsächlich über die Niere. Daneben sind auch der Knochen aufgrund seiner physiologischen Funktion als Mineralstoffspeicher und der Dünndarm an der Regulation des Phosphathaushalts beteiligt [4, 8, 13, 15].
Der Phosphatstoffwechsel wird über verschiedene Hormone reguliert, von denen folgende am bedeutsamsten sind [1, 4, 8, 13]:
Die aufgeführten Hormone beeinflussen die Phosphatfreisetzung beziehungsweise -aufnahme in die Knochen, die intestinale Phosphatresorption sowie die renale Phosphatausscheidung [4, 8, 15]. Dabei ist der Stoffwechsel anorganischen Phosphats eng mit dem des Calciums verknüpft [2, 4, 21].
Parathormon und Calcitriol
Bei einem Abfall des Calcium-Serumspiegels wird Parathormon (PTH) in den Nebenschilddrüsenzellen vermehrt synthetisiert und in die Blutbahn sezerniert (abgesondert). PTH gelangt zur Niere und stimuliert im proximalen Tubulus (Hauptstück der Nierenkanälchen) die Umwandllung von 25-OH-D3 (25-Hydroxycholecalciferol, Calcidiol) in 1,25-(OH)2-D3, der biologisch aktiven Form von Vitamin D [1-4, 12, 13, 15, 19, 21].
Am Knochen stimulieren PTH und 1,25-(OH)2-D3 die Aktivität der Osteoklasten, die zum Abbau von Knochensubstanz führen. Da Calcium in Form von Hydroxylapatit (Ca10(PO4)6(OH)2) im Skelettsystem eingelagert ist, werden zugleich Calcium- und Phosphationen aus dem Knochen freigesetzt und in den Extrazellulärraum abgegeben [1-3, 13-15].
An der Bürstensaummembran des Duodenums (Zwölffingerdarm) und Jejunums (Leerdarm) fördert 1,25-(OH)2-D3 die aktive transzelluläre Calcium- und Phosphatresorption und somit den Transport beider Mineralstoffe in den Extrazellulärraum [1-4, 13-15, 19, 21].
In der Niere hemmt PTH die tubuläre Phosphatreabsorption, während die tubuläre Rückresorption von Calcium gefördert wird. Schließlich kommt es zu einer gesteigerten renalen Ausscheidung von Phosphat.
Das Resultat der Effekte von PTH und Calcitriol auf die Calcium- und Phosphatbewegungen zwischen den einzelnen Kompartimenten (durch Biomembranen abgegrenzte Teilbereiche des Körpers) ist eine Zunahme der extrazellulären Calciumkonzentration und Abnahme des Phosphat-Serumspiegels [1, 3, 13, 15].
Bei Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz (chronische Nierenschwäche) ist die glomeruläre Filtrationsrate erniedrigt, wodurch Phosphat unzureichend ausgeschieden und Calcium ungenügend rückresorbiert wird. Aufgrund der beeinträchtigten Nierenfunktion lässt sich die erhöhte Phosphat-Serumkonzentration durch PTH jedoch nicht normalisieren. Bei bestehender Niereninsuffizienz ist somit die Phosphatzufuhr über die Nahrung auf 800-1.000 mg/Tag zu beschränken.
Calcitonin
Eine Zunahme der Calcium-Serumkonzentration veranlasst die C-Zellen der Schilddrüse, vermehrt Calcitonin zu synthetisieren und zu sezernieren (abzusondern). Calcitonin hemmt am Knochen die Aktivität der Osteoklasten und damit den Abbau von Knochengewebe, wodurch die Calcium- und Phosphateinlagerung in das Skelett gefördert wird. Im Duodenum (Zwölffingerdarm) und Jejunum (Leerdarm) setzt das Peptidhormon die aktive Aufnahme von Calcium und Phosphat in die Enterozyten (Zellen des Dünndarmepithels) herab. Zugleich stimuliert Calcitonin in der Niere die Calcium- und Phosphatausscheidung durch Hemmung der tubulären Reabsorption. Über diese Mechanismen führt Calcitonin zur Senkung sowohl der Calcium- als auch Phosphat-Serumkonzentration [1, 2, 13-15].
Die hormonelle Regulation des Phosphatstoffwechsels ermöglicht die Anpassung an wechselnde Höhen der Phosphatzufuhr beziehungsweise die Tolerierung relativ hoher Phosphatmengen, was aufgrund der Tatsache, dass die tägliche Phosphatzufuhr deutscher Männer und Frauen – durchschnittlich 1.240-1.350 mg/Tag – die Empfehlungen von 700 mg/Tag übersteigt, von wesentlicher Bedeutung ist. Im Gegensatz zu Calcium, dessen Serumkonzentration in relativ engen Grenzen konstant gehalten wird, ist die Phosphathomöostase weniger strikt reguliert [6-8, 13, 15, 21].
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