Mangan

Definition, Synthese, Resorption, Transport und Verteilung

Mangan ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Mn. Es ist mit etwa 0,1 % das zwölfthäufigste Element der Erdrinde und nach Eisen und Titan das dritthäufigste Übergangsmetall. In biologischen Systemen ist Mn2+ (Mangan II) neben Mn3+ die vorherrschende Form [5, 8, 14, 37].

Mangan ist Bestandteil von > 100 Mineralien einschließlich der Sulfide, Oxide, Carbonate, Silikate, Phosphate und Borate.

Mangan ist ein Spurenelement, das einerseits essentiell (lebensnotwendig) ist und andererseits eine hohe Toxizität (Giftigkeit) aufweist, wobei divalentes Mangan (Mn2+) toxischer ist als trivalentes (Mn3+). Demnach sollte darauf geachtet werden, Mangan in ausreichenden Mengen aber nicht in zu hohen Dosen aufzunehmen [4, 5, 8].

Mangan ist aufgrund seines ubiquitären Vorkommens (lat. ubique: "überall verbreitet") in allen pflanzlichen und tierischen Geweben enthalten, wobei die Fortpflanzungsorgane der Pflanzen am manganreichsten sind [5, 8]. Während in Lebensmitteln pflanzlicher Herkunft, wie Vollkorngetreide, Reis, Leguminosen (Hülsenfrüchte), Nüsse, grünes Blattgemüse, Früchte und Teeblätter, teilweise hohe Manganmengen zu finden sind, ist der Mangangehalt in Nahrungsmitteln tierischen Ursprungs, wie Fleisch, Fisch und Milch, sowie in hochgereinigten Stärke- und Zuckerprodukten meist sehr gering [5, 11, 13, 14, 17, 23, 37, 41, 46].

Resorption

Oral zugeführtes Mangan gelangt in den Dünndarm zur Resorption. Über den Mechanismus gibt es bislang nur wenige Erkenntnisse. Einige Autoren konnten nachweisen, dass sich Mangan mit dem Spurenelement Eisen den gleichen Absorptionsweg teilt. Dementsprechend wird Mangan in Form von Mn2+ vorwiegend im Duodenum (Zwölffingerdarm) und Jejunum (Leerdarm) aufgenommen. Dieser Prozess ist energieabhängig und erfolgt nach der Sättigungskinetik [4, 6, 20, 24, 37, 39, 43, 44]. Nach Tallkvist et al (2000) gelangt Mangan (Mn2+) – analog zum Eisen (Fe2+) – mittels des Transportproteins Ferroportin-1 durch die basolaterale (dem Darminneren abgewandte) Membran der Enterozyten in die Blutbahn [43]. Ob für Mangan neben der aktiven Absorption auch ein passiver Resorptionsmechanismus zur Verfügung steht, bedarf weiterer Untersuchungen.

Die Absorptionsrate von Mangan aus der Nahrung beträgt unter physiologischen Bedingungen zwischen 3-8 %. Bei Säuglingen und Kleinkindern, bei schlechtem Manganversorgungszustand oder geringer Manganzufuhr kann diese auch höher liegen [8, 14, 17]. Bei bedarfsübersteigendem Angebot an Mangan sinkt deren Bioverfügbarkeit [8].

Transport und Verteilung im Körper

Absorbiertes Mangan wird in freier Form oder gebunden an alpha-2-Makroglobuline (Proteine des Blutplasmas) über die Pfortader zur Leber transportiert. Dort gelangt der überwiegende Teil des Mangans in den enterohepatischen Kreislauf (Leber-Darm-Kreislauf), der die Abgabe von der Leber mit der Gallenflüssigkeit in den Darm, die erneute intestinale Resorption und den portalen Transport zur Leber beinhaltet. Ein geringer Teil des Mangans wird von der Leber in die Blutbahn abgegeben und an Transferrin (beta-Globulin, das vorrangig für den Eisentransport verantwortlich ist) oder ein spezifisches Transportprotein, wie beta-1-Globulin, gebunden, um von extrahepatischen (außerhalb der Leber gelegenen) Geweben aufgenommen werden zu können [5, 8, 14, 37]. Da Mangan mit Eisen um die gleichen Transportproteine konkurriert, ist bei einem Eisenmangel die Bindung von Mangan an Transferrin erhöht, während diese bei einem Eisenüberschuss erniedrigt ist [20, 39]. Ein hoher Eisengehalt im Körper kann schließlich zu einer reduzierten Mangankonzentration in den Geweben und somit zu einer verminderten Aktivität manganabhängiger Enzyme führen [9, 39].

Mangan wird im Blutplasma auch als Bestandteil der Erythrozyten (roten Blutkörperchen) – gebunden an Porphyrin (aus vier Pyrrol-Ringen bestehender, organisch-chemischer Farbstoff) – transportiert [5].

Der Manganbestand des menschlichen Körpers beträgt etwa 10-40 mg. Rund 25 % des Gesamtkörpermangans befinden sich im Knochen, vor allem im Knochenmark. Hohe Mangankonzentrationen lassen sich zudem in Leber, Niere, Pankreas (Bauchspeicheldrüse), Hypophyse (Hirnhangdrüse) und Darmepithel (Darmschleimhaut) nachweisen [5, 6, 8, 11, 14, 17, 37, 41]. Auch in den Haaren, der Muskulatur, der Milchdrüse und im Schweiß ist Mangan vorzufinden [5, 17, 37, 41]. Bei Kindern und jungen Tieren wird Mangan bevorzugt in bestimmten Hirnregionen konzentriert [8, 41].

Spezifische Speicherproteine, wie beispielsweise Ferritin für Eisen, sind für Mangan nicht bekannt. So wird das Spurenelement bei hohen Zufuhrmengen im Gegensatz zu Eisen und Kupfer nicht in der Leber gespeichert, sondern akkumuliert (reichert sich an) in bestimmten Geweben, wie im Gehirn. Aus diesem Grund wirkt Mangan in hohen Dosen toxisch (giftig) [4, 6, 14, 17]. Manganintoxikationen durch eine überhöhte Aufnahme mit der Nahrung konnten bisher nicht beobachtet werden [11, 14, 17, 21, 29, 37, 41]. Mehr Informationen zu diesem Thema finden Sie unter „Sicherheitsbewertung“.

Ausscheidung

Die Ausscheidung von Mangan erfolgt zum größten Teil über die Galle mit der Fäzes (Stuhl) (99 %) und nur geringfügig über die Niere mit dem Urin (< 0,1 %) [5, 11, 14, 17, 23, 37, 41].

Die Manganexkretion verläuft beim Menschen zweiphasig mit Halbwertzeiten von 13-34 Tagen [5, 27, 46].

Die Manganhomöostase wird vornehmlich durch die Anpassung der endogenen (körpereigenen) Exkretion, weniger durch die intestinale Absorption reguliert [6, 14, 37]. Dabei ist die Leber von entscheidender Bedeutung, die Mangan in variabler Menge – je nach Versorgungszustand – mit der Gallenflüssigkeit in den Darm abgibt. Bei einem Manganüberschuss übersteigt die Ausscheidung die intestinale Rückresorption, während im Mangel mehr Mangan im Darm reabsorbiert als über die Fäzes ausgeschieden wird [14, 37]. Bei Neugeborenen ist diese homöostatische Regulation noch nicht vollständig ausgereift [14].

Im Gegensatz zur Manganresorption bleibt die Manganausscheidung von der endogenen Versorgungslage anderer chemisch ähnlicher Spurenelemente unbeeinflusst, wie Studien mit radioaktiv markiertem Mangan zeigen konnten [14].

Literatur

  1. Aschner M., Aschner J.L. (1991) Manganese neurotoxicity: cellular effects and blood-brain barrier transport. Neurosci Biobehav Rev; 15(3): 333-340
  2. Aschner J.L., Aschner M. (2005) Nutritional aspects of manganese homeostasis. Mol Aspects Med; 26(4-5): 353-362
  3. Aschner M., Dorman D.C. (2006) Manganese: pharmacokinetics and molecular mechanisms of brain uptake. Toxicol Rev; 25(3): 147-154
  4. Au C., Benedetto A., Aschner M. (2008) Manganese transport in eukaryotes: the role of DMT1. Neurotoxicology; 29(4): 569-76
  5. Biesalski H. K., Köhrle J., Schümann K. (2002) Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Prävention und Therapie mit Mikronährstoffen. Georg Thieme Verlag, Stuttgart
  6. Biesalski H. K., Fürst P., Kasper H. et al. (2004) Ernährungsmedizin. Nach dem Curriculum Ernährungsmedizin der Bundesärztekammer. 3. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart
  7. Bouchard M., Laforest F., Vandelac L. et al (2007) Hair manganese and hyperactive behaviors: pilot study of school-age children exposed through tap water. Environ Health Perspect; 115(1): 122-127
  8. Bundesinstitut für Risikobewertung: Domke A., Großklaus R., Niemann B. et al (Hrsg.) (2004) Verwendung von Mineralstoffen in Lebensmitteln – Toxikologische und ernährungsphysiologische Aspekte. Teil 2. BfR-Hausdruckerei, Dahlem
  9. Davis C.D., Greger J.L. (1992) Longitudinal changes of manganese-dependent superoxide dismutase and other indexes of manganese and iron status in women. Am J Clin Nutr; 55(3): 747-752
  10. Davis J.M. (1998) Methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl: health risk uncertainties and research directions. Environ Health Perspect; 106(Suppl 1): 191-201
  11. Dietl H., Ohlenschläger G. (2003) Handbuch der Orthomolekularen Medizin. Karl F. Haug Verlag, Stuttgart
  12. Dobson A.W., Erikson K.M., Aschner M. (2004) Manganese neurotoxicity. Ann NY Acad Sci; 1012: 115-128
  13. Ekmekcioglu C., Marktl W. (2006) Essentielle Spurenelemente: Klinik und Ernährungsmedizin. Springer Verlag, Wien, New York
  14. Elmadfa I., Leitzmann C. (2004) Ernährung des Menschen. 4. Auflage. Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart
  15. Environmental Protection Agency (EPA) Office of Water. Current Drinking Water Standards. Environmental Protection Agency, [Web page]. Available at: www.epa.gov/safewater/mcl.html
  16. Erikson K.M., Thompson K., Aschner J., Aschner M. (2007) Manganese neurotoxicity: a focus on the neonate. Pharmacol Ther; 113(2): 369-377
  17. Eschenbruch B. (1994) Wasser und Mineralstoffe in der Ernährungsmedizin. Umschau Zeitschriftenverlag Breidenstein GmbH, Frankfurt am Main
  18. Finley J.W., Johnson P.E., Johnson L.K. (1994) Sex affects manganese absorption and retention by humans from a diet adequate in manganese. Am J Clin Nutr; 60(6): 949-955
  19. Finley J.W. (1999) Manganese absorption and retention by young women is associated with serum ferritin concentration. Am J Clin Nutr; 70(1): 37-43
  20. Fitsanakis V.A., Zhang N., Garcia S., Aschner M. (2009) Manganese (Mn) and Iron (Fe): Interdependency of Transport and Regulation. Neurotox Res
  21. Food and Nutrition Board, Institute of Medicine (2001) Manganese. Dietary reference intakes for vitamin A, vitamin K, boron, chromium, copper, iodine, iron, manganese, molybdenum, nickel, silicon, vanadium, and zinc. Washington, D.C.: National Academy Press; 394-419
  22. Food Standards Agency (2003) Safe Upper Levels for Vitamins and Minerals. UK-Food Standard Agency. Expert Group on Vitamins and Minerals. www.food.gov.uk/multimedia/pdfs/vitmin2003.pdf
  23. Hahn A., Ströhle A., Wolters M. (2006) Ernährung. Physiologische Grundlagen, Prävention, Therapie. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH Stuttgart
  24. Hansen S.L., Ashwell M.S., Moeser A.J. et al (2010) High dietary iron reduces transporters involved in iron and manganese metabolism and increases intestinal permeability in calves. J Dairy Sci; 93(2): 656-65
  25. He P. et al (1994) Effects of high-level-manganese sewage irrigation on children´s neurobehavior.Chung Hua Yu Fang I Hsueh Tsa Chih; 28: 216-218 (Abstract)
  26. Hendler S.S., Rorvik D.R., eds. (2001) PDR for Nutritional Supplements. Montvale: Medical Economics Company, Inc.
  27. Heseker (2000) Mangan. Funktionen, Physiologie, Stoffwechsel, Empfehlungen und Versorgung in der Bundesrepublik Deutschland. Ernährungs-Umschau; 47: 64-65
  28. Johnson P.E., Lykken G.I. (1991) Manganese and calcium absorption and balance in young women fed diets with varying amounts of manganese and calcium. J Trace Elem Exp Med; 4: 19-35
  29. Keen C.L., Zidenberg-Cherr S. (1994) Manganese toxicity in humans and experimental animals. In: Klimis-Tavantzis D (ed). Manganese in health and disease. Boca Raton: CRC Press, Inc.
  30. Keen C.L., Zidenberg-Cherr S. (1996) Manganese. In: Ziegler EE, Filer LJ, eds. Present Knowledge in Nutrition. 7th ed. Washington D.C.: ILSI Press; 334-343
  31. Keen C.L., Ensunsa J.L., Watson M.H. et al (1999) Nutritional aspects of manganese from experimental studies. Neurotoxicology; 20(2-3): 213-223.
  32. Kies C. (1994) Bioavailability of manganese. In: Klimis-Tavantzis D.L., ed. Manganese in health and disease. Boca Raton: CRC Press, Inc; 39-58
  33. Leach R.M., Harris E.D. (1997) Manganese. In: O'Dell BL, Sunde RA, eds. Handbook of nutritionally essential minerals. New York: Marcel Dekker, Inc; 335-355
  34. Ljung K., Vahter M. (2007) Time to re-evaluate the guideline value for manganese in drinking water? Environ Health Perspect; 115(11): 1533-1538
  35. Muszynska A., Palka J., Gorodkiewicz E. (2000) The mechanism of daunorubicin-induced inhibition of prolidase activity in human skin fibroblasts and its implication to impaired collagen biosynthesis. Exp Toxicol Pathol; 52(2): 149-155
  36. Nielsen F.H. (1999) Ultratrace minerals. In: Shils M., Olson J.A., Shike M., Ross A.C., eds. Modern Nutrition in Health and Disease. 9th ed. Baltimore: Williams & Wilkins; 283-303
  37. Niestroj I. (2000) Praxis der Orthomolekularen Medizin. Hippokrates Verlag GmbH, Stuttgart 2000
  38. Pal P.K., Samii A., Calne D.B. (1999) Manganese neurotoxicity: a review of clinical features, imaging and pathology. Neurotoxicology; 20(2-3): 227-238
  39. Roth J.A., Garrick M.D. (2003) Iron interactions and other biological reactions mediating the physiological and toxic actions of manganese. Biochem Pharmacol; 66(1): 1-13
  40. Santamaria A.B., Sulsky S.I. (2010) Risk assessment of an essential element: manganese. J Toxicol Environ Health A; 73(2): 128-155
  41. Schmidt E. und Schmidt N. (2004) Leitfaden Mikronährstoffe. Orthomolekulare Prävention und Therapie. 1. Auflage. Urban & Fischer Verlag, München
  42. Shetlar M.R., Shetlar C.L. (1994) The role of manganese in wound healing. In: Klimis-Tavantzis D.L., ed. Manganese in health and disease. Boca Raton: CRC Press, Inc.; 145-157
  43. Tallkvist J., Bowlus C.L., Lönnerdal B. (2000) Functional and molecular responses of human intestinal Caco-2 cells to iron treatment. Am J Clin Nutr; 72(3): 770-5
  44. Wang D., Song Y., Li J. et al (2011) Structure and metal ion binding of the first transmembrane domain of DMT1. Biochem Biophys Acta; 1808(6): 1639-44
  45. Wasserman G.A., Liu X., Parvez F. et al (2006) Water manganese exposure and children's intellectual function in Araihazar, Bangladesh. Environ Health Perspect; 114(1): 124-129
  46. WHO (1996) Guidelines for drinking-water quality, 2nd edition. Vol. 2: Health criteria and other supporting information. World Health Organization, Geneva
  47. Wright R.O., Amarasiriwardena C., Woolf A.D. et al (2006) Neuropsychological correlates of hair arsenic, manganese, and cadmium levels in school-age children residing near a hazardous waste site. Neurotoxicology; 27(2): 210-216
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