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Kupfer

Kupfer ist ein für den Menschen lebensnotwendiges (essentielles) Spurenelement. Kupfer kommt in verschiedenen Formen vor, wobei es in der Natur hauptsächlich als Cu+ und Cu2+ zu finden ist. Bei Menschen liegt es überwiegend als Cu2+ vor [6, 11, 13, 19].

Aufnahme von Kupfer

Kupfer liegt in der Nahrung und im Organismus in gebundener und nicht in freier Form vor. Das Spurenelement kann mit wichtigen Verbindungen wie Proteinen Komplexe bilden [9, 10, 15, 19, 26]. Kupfer wird zum größten Teil aus dem Magen und oberen Dünndarm (Duodenum) aufgenommen (resorbiert) [18]. Da die Aufnahmerate (Absorptionsrate) stark von der Nahrungszusammensetzung abhängt, schwankt sie zwischen 35 und 70 % [5, 9, 13, 29]. Aus der Muttermilch wird Kupfer zu 75 % resorbiert, aus Kuhmilch hingegen nur zu etwa 23 %.

Der Kupfer-Bestand im Körper wird zum einen durch die Anpassung der Absorption im Dünndarm und zum anderen durch die der Ausscheidung reguliert. Somit führt ein Kupfer-Mangel zu einer gesteigerten Absorptionsrate, während bei erhöhtem Kupfer-, Zink- oder Eisen-Angebot die Kupfer-Aufnahme beziehungsweise Kupfer-Abgabe reduziert oder blockiert wird [2, 4, 5, 9, 10, 14, 22, 24, 25, 29].

Dosisabhängige Mechanismen der Kupfer-Aufnahme

Dier Mechanismus der Kupfer-Absorption ist dosisabhängig. In niedrigen Konzentrationen wird Kupfer durch einen aktiven (energieabhängigen) sättigbaren Transportmechanismus in die Dünndarmzellen (Epithelzellen) aufgenommen. Bei höheren Konzentrationen dominiert die passive Diffusion. Die Absorption erfolgt energieunabhängig durch die Enterozytenmembran in Richtung des Konzentrationsgefälles [6, 13].

Für den Kupfer-Transfer aus den Dünndarmzellen in die Blutbahn ist ein sättigbares Carriersystem (MNK-ATPase) verantwortlich [4, 9]. Bei Säuglingen wird Kupfer hingegen durch Diffusion und in einem kaum sättigbaren Cotransport mit Wasser resorbiert [4].

Transport und Verteilung von Kupfer im Körper

Das aufgenommene (absorbierte) Kupfer wird im Blut an die Plasmaproteine Albumin und Transcuprein sowie an kleinere Stoffe, wie beispielsweise die Aminosäure Histidin, gebunden. Transcuprein stellt ein spezifisches Transportprotein dar und besitzt für Kupfer eine höhere Bindungsstärke (Affinität) als Albumin [1].

Transcuprein, Albumin und Histidin transportieren Kupfer über die Pfortader (vena portae) zur Leber, die es über einen spezifischen Kupfer-Transporter (hCtr1-Carrier) aufnimmt [2, 3, 8, 10, 14, 15]. Die Leber ist das zentrale Organ des Kupfer-Stoffwechsels und der wichtigste Kupfer-Speicher. In den Leberzellen (Hepatozyten) wird Kupfer zum Teil gespeichert und in Kupfer-abhängige Enzyme, wie Caeruloplasmin, Cytochrom-C-Oxidase oder Superoxid-Dismutase eingebaut [1, 4, 5, 13, 19, 21, 22, 28].

Caeruloplasmin

Von besonderer Bedeutung ist das Plasmaprotein Caeruloplasmin. Dieses weist sowohl eine Enzymfunktion als auch eine spezifische Bindungs- und Transportfunktion für Kupfer auf. Das im Plasma an Caeruloplasmin gebundene Kupfer wird bedarfsgerecht im Organismus an verschiedene Organe und Gewebe verteilt. Die zelluläre Aufnahme erfolgt durch membranständige Kupfer-Rezeptoren [4].

Kupfer-Plasma-Spiegel

Der Kupfer-Plasma-Spiegel liegt unter normalen Bedingungen bei etwa 0,5-1,5 Mikrogramm pro Milliliter und ist bei Frauen um 10 % höher als bei Männern [1, 3, 9, 16]. Weder Nahrungsaufnahme noch Fasten beeinflusst den Kupfer-Gehalt im Plasma. Aus noch ungeklärten Gründen ist der Kupfer-Plasma-Spiegel am Ende einer Schwangerschaft beziehungsweise nach Einnahme von Kontrazeptiva (Antibabypille) nahezu verdoppelt bis verdreifacht [4, 9, 18].

Kupfer-Bestand im Körper

Kupfer ist mit einem Körper-Bestand von 80-100 Milligramm 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 Kupfer-Bestandes sind im Serum enthalten. Davon liegen etwa 80 bis 95 % in Form von Kupfer-Caeruloplasmin vor [13, 27].

Kupfer-Verteilung bei Föten und Säuglingen

Föten und Säuglinge weisen eine veränderte Kupfer-Verteilung als Erwachsene auf. Zur Geburt entfällt die Hälfte des Körperbestandes auf Leber und Milz. Schließlich ist die Kupfer-Konzentration der Leber von Neugeborenen im Gegensatz zu der von Erwachsenen um das 3-10-fache erhöht. Diese Leberreserven sind physiologisch normal und scheinen den Säugling während der ersten Monate vor einem Kupfer-Mangel zu schützen [9].

Ausscheidung von Kupfer

Neben der Aufnahme (Absorption) ist die Ausscheidung eine wichtige Regulationsgröße für die Aufrechterhaltung des Kupfer-Gleichgewichts im Körper. Überschüssiges Kupfer wird zu etwa 80 % in der Galle mit dem Stuhl ausgeschieden.

Nur 2-4 % werden über die Niere (renal) mit dem Urin ausgeschieden [3, 9]. Bei Defekten der Nierenkanälchen 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 Milligramm pro Tag geschätzt. Ein sehr geringer Kupfer-Anteil gelangt über den Leber-Darm-Kreislauf (enterohepatischen Kreislauf) vom Darm zurück in den Organismus beziehungsweise wird rückresorbiert [6, 13, 16, 24].

Literatur

  1. Bertelsmann Stiftung (1992) Mineralstoffe und Spurenelemente. Leitfaden für die ärztliche Praxis. 30 Verlag Bertelsmann Stiftung, Gütersloh

  2. Bertinato J., L' Abbe M.R. (2004) Maintaining copper homeostasis: regulation of copper-trafficking proteins in response to copper deficiency of overload. J Nutr Biochem  15 (6): 316-322

  3. BGA; Monographie für den humanmedizinischen Bereich, Bundesgesundheitsamt, Kommission B5 (Gastroenterologie, Stoffwechsel) vom 13.12.1993: Monographie: Kupfer. Bundesantzeiger Nr. 39 vom 25.02.1994, S. 1790-1791

  4. Biesalski H.K., Grimm P. (1999) Taschenatlas der Ernährung. 142-145. Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York

  5. Biesalski H.K., Fürst P., Kasper H., Kluthe R., Pöhlert W., Puchstein Ch., Stähelin H.B. (1999) Ernährungsmedizin. 178-179. Georg Thieme Verlag, New York

  6. Biesalski H.K., Köhrle J., Schümann K. (2002) Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. 147-150. Georg Thieme Verlag, Stuttgart/New York

  7. Buddecke E. (1980) Grundriss der Biochemie. 6. neubearbeitete Auflage. Verlag Walter de Gruyter, Berlin, New York, p. 307-308

  8. Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE), Österreichische Gesellschaft für Ernährung (ÖGE), Schweizerische Gesellschaft für Ernährungsforschung (SGE), Schweizerische Vereinigung für Ernährung (SVE) (2000) Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr. 1. Auflage; S. 201-208. Umschau/Braus, Frankfurt am Main

  9. Elmadfa I., Leitzmann C. (2004) Ernährung des Menschen. 259-262. Eugen Ulmer Verlag, Stuttgart

  10. Faa G., Crispino G. (2001) Molecular interactions in copper metabolism. Adv Clin Path 4 (4): 195-201

  11. Failla M.L., Johnson M.A., Prohaska J.R. Copper. Chapter 35. In: Present Knowledge in Nutrition. Bowman B.A., Russel R.M. (Eds.) Eighth Edition. ILSI Press, Washington, DC, p. 373-383

  12. Fairweather-Tait S.J. (2997) Biovailability of copper. Eur. J. Clin. Nutr. 51: S24-S26; 1997

  13. Hahn A., Ströhle A., Wolters M. (2006) Ernährung - Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. 153-156. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart

  14. Harris E.D. (1997) Copper. In: O' Dell B.L., Sunde R.A., eds. Handbook of Nutritionally Essential Mineral Elements. New York: Marcel Dekker; 231-2754

  15. Harris E.D. (2000) Cellular copper transport and metabolism. Annu Rev Nutr 20: 291-310

  16. Heseker H. (1998) Kupfer - Funktionen, Physiologie, Stoffwechsel, Empfehlungen und Versorgung in der Bundesrepublik Deutschland. Ernährungs-Umschau 45: 215-217

  17. Leitzmann C., Müller C., Michel P., Brehme U., Hahn A., Laube H. (2005) Ernährung in Prävention und Therapie. 79. Hippokrates Verlag, Stuttgart

  18. Löffler G., Petrides P.E. (Hrsg.) (2003) Biochemie und Pathobiochemie. 7, völlig neu bearbeitete Auflage. Kapitel 24.2.2: Kupfer, S.709-713. Springer Verlag, Heidelberg

  19. Lönnerdal B., Uauy R., eds. (1998) Genetic and Environmental Determinants of Copper Metabolism. Am J Clin Nutr. 67 (Suppl.): 951S-1102S

  20. Marquardt H., Schäfer S.G. (Hrsg.) (1994) Lehrbuch der Toxikologie. Wissenschaftsverlag, Mannheim, Leipzig, Wien, Zürich

  21. Percival S.S. (1998) Copper and immunity. Am J Clin Nutr 67 (5 Suppl): 1064S-1068S; 1998

  22. Schmidt E., Schmidt N. (2004) Leitfaden Mikronährstoffe. Orthomolekulare Prävention und Therapie. 280-285. Urban& Fischer, München

  23. Schümann K. (2002) Kupfer. In: Biesalski H.K., Köhrle J., Schümann K.: Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Prävention und Therapie mit Mikronährstoffen. 147-150. Thieme Stuttgart, New York

  24. Scientific Committee on Food, European Commission (2003) Opinion of the Scientific Committee on Food on the Tolerable Upper Intake Level of Copper (expressed on March 2003). SCF/CS/NUT/UPPLEV/57 Final, Bruxelles/Brussels, Belgium

  25. Sharp P. (2004) The molecular basis of copper and iron interactions. Proc Nutr Soc 63 (4): 563-9

  26. Turnlund J.R. (1998) Human whole-body copper metabolism. Am. J. Clin. Nutr. 67; 960S-964S

  27. Turnlund J.R. (1999) Copper. In: Modern Nutrition in Health and Disease. Shils M.E., Olson J.A., Shike M., Ross A.C. (Eds.). Ninth Edition. Williams & Wilkins, Baltimore; p. 242-251

  28. Uauy R. et al (1998) Essentiality of copper in humans. Am J Clin Nutr 67 (5 Suppl): 952S-959S

  29. Wapnir R.A. (1998) Copper absorption and bioavailability. Am. J. Clin. Nutr. 67: 1054S-1060S

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