Spurenelement

Spurenelement (auch Mikroelement) wird allgemein ein chemisches Element genannt, das nur in geringer Konzentration oder Spuren vorkommt; bei äußerst geringer Konzentration wird auch von Ultra-Spurenelement gesprochen.

Die Häufigkeiten chemischer Elemente unterscheiden sich erheblich, betrachtet man ihr Vorkommen im Sonnensystem, im Planeten Erde, in Gesteinen der Erdkruste, im Wasser von Ozeanen oder beispielsweise im menschlichen Körper. Innerhalb der jeweiligen Häufigkeitsverteilung werden die häufigen Elemente als Mengenelemente von den seltenen Spurenelementen geschieden.

Während in der Geochemie Stoffanteile und Begleitelemente von Gesteinen und Mineralen in Konzentrationen unter 0,1 % bzw. 1000 ppm als Spurenelemente bezeichnet werden, bevorzugt die analytische Chemie meist einen Schwellenwert von 100 ppm bzw. 100 µg/g (= 100 mg/kg) oder 0,01 %. Davon zu unterscheiden ist der enger gefasste biologische Begriff:

Als essentielle Spurenelemente werden in der Biologie chemische Elemente bezeichnet, die für ein Lebewesen – umgangssprachlich meist auf den Menschen bezogen – (essentiell) nötig sind und in Massenanteilen von weniger als 50 mg/kg im Organismus vorkommen. Bei Konzentrationen von weniger als 1 µg/kg wird gelegentlich auch von Ultraspurenelementen gesprochen.[1] Mikroelemente gehören zu den Mikronährstoffen.

Für den Menschen essentielle Spurenelemente

Eine zu geringe Menge oder gar das Fehlen essentieller Spurenelemente ruft in Lebewesen Mangelerkrankungen hervor. Durch solche Mangelerscheinungen – etwa einer Anämie bei Eisenmangel oder einer Schilddrüsenvergrößerung bzw. -unterfunktion bei Iodmangel – wird die Unentbehrlichkeit (Essentialität) eines Elementes offensichtlich. Andererseits können auch Spurenelemente – wie jeder Stoff ab einer gewissen Dosis – in zu hohen Mengen nachteilige Folgen haben.

Spurenelemente werden üblicherweise beim Essen und Trinken mit der Nahrung aufgenommen, die sie in Spuren enthält. Bei verminderter Aufnahme, vermehrter Ausscheidung oder erhöhtem Bedarf kann es zu einer Unterversorgung des Körpers mit Spurenelementen kommen. Mögliche Gründe dafür sind

  • Ernährungsgewohnheiten – z. B. geringe Auswahl, einseitige Bevorzugung, besondere Zubereitungsformen bzw. abtrennende Aufbereitungsprozesse von Lebensmitteln
  • Regionale Gegebenheiten – beispielsweise sehr geringes Vorkommen in Ackerboden oder Trinkwasser
  • erhöhter Verlust, etwa durch Durchfallerkrankungen oder starkes Schwitzen
  • veränderte Bedingungen für Aufnahme, Ausscheidung und Bedarf bei unterschiedlichen Stoffwechselerkrankungen

Medizinisch wird Eisen (Fe) wegen seiner Wirkungsweise den Spurenelementen zugeordnet, im Menschen ist es durchschnittlich mit etwa 60 mg/kg enthalten.

Fluor (F) zählt dagegen nicht zu den essentiellen Spurenelementen, allerdings hat Fluorid (F−) einen Karies vorbeugenden Effekt. Als angemessene Fluoridzufuhr für Erwachsene empfiehlt das Bundesinstitut für Risikobewertung (Jahr 2006) auch bei schwangeren und stillenden Müttern eine durchschnittliche Gesamtmenge von 3,1 mg pro Tag.[2] Ein ähnlicher Wert von 0,05 mg/kg Körpergewicht für die tägliche Zufuhr wird von dem die EU-Kommission wissenschaftlich beratenden Ausschuss für Nahrungsmittelsicherheit empfohlen (Jahr 2013).[3] Die tägliche Höchstmengenempfehlung (Tolerable Upper Intake Level, UL) beträgt 7 mg für Erwachsene[2] bzw. 0,1 mg/kg Körpergewicht.[3] Eine zu hohe Fluoridzufuhr kann zu einer Fluorose der Zähne (dentale Fluorose)[4] und des Skeletts (ossäre Fluorose) führen.

Für eine Reihe von Spurenelementen sehr geringer Konzentration ist bis heute ungeklärt, ob sie nur als akzidenteller („zufälliger“) Bestandteil im Menschen vorkommen oder ob ihnen irgendeine physiologische Funktion zukommt. Diese werden als Ultra-Spurenelemente bezeichnet.

Auflistung von Spurenelementen

Für den Menschen essentielle Spurenelemente sind:[1][5][6]

Für den Menschen möglicherweise essentielle Spurenelemente sind:

ElementGute QuelleBedeutung für den KörperEmpfohlene Zufuhr pro Tag
ChromFleisch, Vollkornprodukte, Pflanzenöle, Bier (In Westeuropa ist Stahl (Verarbeitung, Kochgeschirr) die wichtigste Quelle)[7]ungeklärt/umstritten,[8][9] Glucosestoffwechsel[10][11]20–100 µg (Schätzwert), 30–140 µg[12]
CobaltTierische Produkte aller ArtBestandteil von Cobalamin (Vitamin B12), nur als solcher essentiell0,2 µg, keine Empfehlung[12]
EisenSchweineleber, Sauerkraut u. a. Eisen aus pflanzlichen Nahrungsmitteln wird allgemein schlechter resorbiert, durch gleichzeitige Aufnahme von reduzierenden Nahrungsbestandteilen, insbesondere Ascorbinsäure (Vitamin C), kann die Resorptionsrate bei pflanzlichem Eisen aber deutlich erhöht werden.[13]), ausführlich im Artikel Eisenmangel.Bestandteil vieler Enzyme und z. B. des Hämoglobins10–15 mg[12]
IodMeeresfische, Krustentiere, essbare AlgenBestandteil der Schilddrüsenhormone200 µg[12]
KupferVollgetreide, Nüsse, Kakao, einige grüne Gemüse, Innereien von Wiederkäuern, Fische und SchalentiereBestandteil zahlreicher Redoxenzyme, Bestandteil lebenswichtiger Enzyme und Proteine; essentiell für das Wachstum von Säuglingen, die Knochenstärke, die Reifung von roten und weißen Blutzellen, den Eisentransport, den Cholesterin- und Glukosestoffwechsel, die Herzmuskelkontraktion und die Entwicklung des Gehirns.1–1,5 mg[12]
ManganSchwarztee, Nüsse, Vollgetreide und grünes BlattgemüseAktivator und Bestandteil zahlreicher Enzyme → antioxidativer Metabolismus, Knorpel- und Knochensynthese, Gluconeogenese1 mg, 2–5 mg[12]
MolybdänAllgegenwärtig (ubiquitär)Bestandteil des universellen Molybdän-Cofaktors50–100 µg[12]
NickelBestandteil der Urease, der Methyl-Coenzym-M-Reduktase, manchen Hydrogenasen, der Kohlenmonoxid-Dehydrogenase[12]25–30 µg[12]
SelenTierische Proteine aus selengefütterten Nutztieren (Mitteleuropa) → Eier, FleischBestandteil von 30–50 Selenoproteinen wie der Glutathionperoxidase1,5 µg/kg, 30–70 µg[12]
SiliciumHirse, Bieressentieller Bestandteil der Mucopolysaccharide in Epithelien und Bindegewebe[14][15] Etwa 1,4 g im menschlichen Körper.[16]30 mg
VanadiumHülsenfrüchte, Nüsse, Meeresfrüchteverschiedene Wirkungen im Körper, etwa Stimulierung der Glykolyse in der Leber, Hemmung der Gluconeogenese – Essenzialität ungeklärt<10 µg
ZinkTierische Lebensmittel, vor allem Käse, Innereien, Muskelfleisch, einige Fischsorten und besonders SchalentiereZinkabhängige Enzyme sind an nahezu allen Lebensvorgängen, z. B. Synthese von Kollagen, Thymulin, Testosteron oder Abbau von Alkohol durch Alkoholdehydrogenase, beteiligt12–15 mg, 7–10 mg[12]

Position im Periodensystem der chemischen Elemente:

H He
LiBe BCNOFNe
NaMg AlSiPSClAr
KCaSc TiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
RbSrY ZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
CsBaLa*HfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
FrRaAc**RfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
 
 *CePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu
 **ThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLr
Die vier organischen GrundelementeMengenelementeessentielle Spurenelementewahrscheinlich essentielle Spurenelemente

Ultra-Spurenelemente

In der Biochemie ist ein Ultra-Spurenelement definiert als ein chemisches Element, das normalerweise weniger als ein Mikrogramm pro Gramm (< 1 µg/g; unter 1 ppm bzw. 0,0001 Gewichtsprozent) eines bestimmten Organismus ausmacht und dennoch eine bedeutende Rolle in dessen Stoffwechsel spielt. Ultra-Spurenelemente beim Menschen sind neben Cobalt auch Nickel und Silicium sowie möglicherweise Vanadium, Chrom, Bor, Brom, Lithium, Arsen und Zinn.[1][17][18][19]

Womöglich sind einige Ultra-Spurenelemente in der Ernährung wichtiger als derzeit anerkannt. Zum Beispiel gibt es Hinweise aus Studien am Menschen, dass Bor eine vorteilhafte Wirkung auf den Kalziumstoffwechsel, die Gehirnfunktion, den Energiestoffwechsel und möglicherweise auf Immunprozesse hat. Für Chrom wird eine bedeutsame Funktion bei der Potenzierung der Insulinwirkung im Metabolismus von Glucose und Lipiden bzw. eine vorteilhafte Wirkung bei Diabetes mellitus diskutiert.[20]

Da bisher für keines dieser Elemente eine spezifische biochemische Funktion identifiziert wurde, ist ihre ernährungsphysiologischen Bedeutung noch nicht geklärt. Der vermutete Bedarf an Ultra-Spurenelementen hat jedoch das Interesse der Nahrungsergänzungsmittelindustrie geweckt.

Sonstige Bedeutung

Neben den oben genannten Aspekten sind Spurenelemente im Sinne von „chemischen Fingerabdrücken“ u. a. auch bei archäologischen, archäometrischen, anthropologischen oder kriminaltechnischen Untersuchungen von Bedeutung. Durch deren Bestimmung können Rückschlüsse auf Herkunft, Lebensweise, Zeitraum oder Verunreinigung von Artefakten und Beweisstücken gewonnen werden.[21]

In der Geochemie spielen Spurenelement-Informationen bei der Diskussion der Entstehungsgeschichte von Gesteinen und Mineralen eine wichtige Rolle.

Literatur

  • Ivor E. Dreosti: Trace Elements, Micronutrients, and Free Radicals. 1. Auflage. Humana Press, Totowa NJ 1991, ISBN 0-89603-188-8.
  • Bruce Alberts, Alexander Johnson, Peter Walter, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts: Molecular Biology of the Cell. 5. Auflage. Taylor & Francis, 2007, ISBN 978-0-8153-4106-2.
  • Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5.
  • Donald Voet, Judith G. Voet: Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons, New York 2004, ISBN 0-471-19350-X.

Weblinks

Wiktionary: Spurenelement – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c Heinrich Kasper: Ernährungsmedizin und Diätetik. 11. Auflage. München 2009, ISBN 978-3-437-42012-2.
  2. ↑ a b Bundesinstitut für Risikobewertung: Höchstmengen für Bor und Fluorid in natürlichen Mineralwässern sollten sich an Trinkwasserregelungen orientieren (PDF; 0,1 MB) Stellungnahme Nr. 024/2006 des BfR vom 7. Februar 2006, S. 13.
  3. ↑ a b Stellungnahme des die EU-Kommission wissenschaftlich beratenden Ausschusses für Nahrungsmittelsicherheit, EFSA Panel on Dietetic Products, Nutrition, and Allergies (NDA): Scientific Opinion on Dietary Reference Values for Fluoride. In: EFSA Journal. Band 11, Nr. 8, August 2013; doi:10.2903/j.efsa.2013.3332.
  4. ↑ Dental Fluorosis
  5. ↑ Aliasgharpour Mehri: Trace Elements in Human Nutrition (II) – An Update. In: International Journal of Preventive Medicine. Band 11, Nr. 2, Januar 2020, doi:10.4103/ijpvm.IJPVM_48_19, PMID 32042399, PMC 6993532 (freier Volltext).
  6. ↑ Klevay L: Coronary heart disease: the zinc/copper hypothesis., Am J Clin Nutr. 1975 Jul;28(7):764-74, PMID 1146731
  7. ↑ Review (Memento vom 26. September 2011 im Internet Archive) (PDF; 103 kB) Food Standards Agency (FSA)
  8. ↑ John B. Vincent: Chromium: Biological Relevance. In: Encyclopedia of Inorganic Chemistry, John Wiley, New York 2005.
  9. ↑ DM Stearns: Is chromium a trace essential metal? In: Biofactors. Band 11, Nr. 3, 2000, S. 149–162, doi:10.1002/biof.5520110301, PMID 10875302.
  10. ↑ Harry Binder: Lexikon der chemischen Elemente. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3
  11. ↑ Erika Fink: Ernährung und Diätetik. WVG, Stuttgart 2002, ISBN 3-8047-1933-3
  12. ↑ a b c d e f g h i j k Gerhard Eisenbrand, Peter Schreier, Alfred Hagen Meyer: RÖMPP Lexikon Lebensmittelchemie. 2. Auflage. 2006. Ausgabe 2: Georg Thieme Verlag, 2014, ISBN 978-3-13-179282-2, S. 1098.
  13. ↑ Claus Leitzmann, Andreas Hahn: Vegetarische Ernährung. UTB 1868, Verlag Eugen Ulmer, Stuttgart 1996, ISBN 3-8252-1868-6
  14. ↑ K. Schwarz: New essential trace elements (Sn, V, F, Si): Progress report and outlook. In: Trace Element Metabolism in Animals-2. University Park Press, Baltimore MD 1974, S. 366.
  15. ↑ F. H. Nielsen, H. H. Sandstead: Are nickel, vanadium, silicon, fluorine, and tin essential for man? A review. In: Am J Clin Nutr, 27, 1974, S. 515–520, PMID 4596029
  16. ↑ Gisela Boeck: Kurzlehrbuch Chemie. Ausgabe 2. Georg Thieme Verlag, 2008, ISBN 978-3-13-151772-2. S. 209.
  17. ↑ J. Mann & A. S. Truswell (editors). Essentials of Human Nutrition (3rd edition, 2007). Oxford: Oxford University Press
  18. ↑ Kazuhiro Yamada: Interrelations between Essential Metal Ions and Human Diseases. Hrsg.: Astrid Sigel, Helmut Sigel, Roland Sigel (= Metal Ions in Life Sciences. Band 13). Springer, 2013, Chapter 9. Cobalt: Its Role in Health and Disease, S. 295–320, doi:10.1007/978-94-007-7500-8_9.
  19. ↑ Forrest H. Nielsen: Ultratrace Elements in Nutrition. In: Annual Review of Nutrition, Vol. 4, S. 21–41 (Volume publication date July 1984)
  20. ↑ F. H. Nielsen: Nutritional requirements for boron, silicon, vanadium, nickel, and arsenic: current knowledge and speculation. In: FASEB journal: official publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology. Band 5, Nr. 12, September 1991, ISSN 0892-6638, S. 2661–2667, PMID 1916090.
  21. ↑ Spurenelemente bei der Himmelsscheibe. (PDF) Abgerufen am 21. Oktober 2021.