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 Planet 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. 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. 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). Die tägliche Höchstmengenempfehlung (Tolerable Upper Intake Level, UL) beträgt 7 mg für Erwachsene bzw. 0,1 mg/kg Körpergewicht. Eine zu hohe Fluoridzufuhr kann zu einer Fluorose der Zähne (dentale Fluorose) 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 (bzw. Ultraspurenelemente) sind:

Chrom (Cr)
Cobalt (Co)
Eisen (Fe)
Iod (I), Aufnahme als Iodid (I⁻)
Kupfer (Cu)
Mangan (Mn)
Molybdän (Mo)
Selen (Se)
Silicium (Si)
Zink (Zn)

Für den Menschen möglicherweise essentielle Spurenelemente sind

Arsen (As)
Nickel (Ni)
Rubidium (Rb)
Zinn (Sn)
Vanadium (V)

Element	Gute Quelle	Bedeutung für den Körper	Empfohlene Zufuhr pro Tag
Chrom	Fleisch, Vollkornprodukte, Pflanzenöle, Bier (In Westeuropa ist Stahl (Verarbeitung, Kochgeschirr) die wichtigste Quelle)	ungeklärt/umstritten, Glucosestoffwechsel	20–100 µg (Schätzwert), 30–140 µg
Cobalt	Tierische Produkte aller Art	Bestandteil von Cobalamin (Vitamin B₁₂), nur als solcher essentiell	0,2 µg, keine Empfehlung
Eisen	Schweineleber, Sauerkraut (Der früher empfohlene Spinat hat zwar einen hohen Eisengehalt, wegen der ebenfalls enthaltenen Oxalate und Tannine kann dieses Eisen aber nur in geringem Maß aufgenommen werden. 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 bis zum siebenfachen erhöht werden.)	Bestandteil vieler Enzyme und z.B. des Hämoglobins	10–15 mg
Iod	Meeresfische, Krustentiere, essbare Algen	Bestandteil der Schilddrüsenhormone	200 µg
Kupfer	Vollgetreide, Nüsse, Kakao, einige grüne Gemüse, Innereien von Wiederkäuern, Fische und Schalentiere	Bestandteil zahlreicher Redoxenzyme	1–1,5 mg
Mangan	Schwarztee, Nüsse, Vollgetreide und grünes Blattgemüse	Aktivator und Bestandteil zahlreicher Enzyme → antioxidativer Metabolismus, Knorpel- und Knochensynthese, Gluconeogenese	1 mg, 2–5 mg
Molybdän	Allgegenwärtig (ubiquitär)	Bestandteil des universellen Molybdän-Cofaktors	50–100 µg
Nickel		Bestandteil der Urease, der Methyl-Coenzym-M-Reduktase, manchen Hydrogenasen, der Kohlenmonoxid-Dehydrogenase	25–30 µg
Selen	Tierische Proteine aus selengefütterten Nutztieren (Mitteleuropa) → Eier, Fleisch	Bestandteil von 30–50 Selenoproteinen wie der Glutathionperoxidase	1,5 µg/kg, 30–70 µg
Silicium	Hirse, Bier	essentieller Bestandteil der Mucopolysaccharide in Epithelien und Bindegewebe Etwa 1,4 g im menschlichen Körper.	30 mg
Vanadium	Hülsenfrüchte, Nüsse, Meeresfrüchte	verschiedene Wirkungen im Körper, etwa Stimulierung der Glykolyse in der Leber, Hemmung der Gluconeogenese – Essenzialität ungeklärt	< 10 µg
Zink	Tierische Lebensmittel, vor allem Käse, Innereien, Muskelfleisch, einige Fischsorten und besonders Schalentiere	Zinkabhängige Enzyme sind an nahezu allen Lebensvorgängen, z.B. Synthese von Kollagen, Thymulin, Testosteron oder Abbau von Alkohol durch Alkoholdehydrogenase, beteiligt	12–15 mg, 7–10 mg

Position im Periodensystem der chemischen Elemente:

H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn		Fl		Lv

			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
			**	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

Die vier organischen Grundelemente

Mengenelemente

essentielle Spurenelemente

wahrscheinlich 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 Metabolismus spielt. Ultra-Spurenelemente beim Menschen sind neben Cobalt auch Nickel und Silicium sowie möglicherweise Vanadium, Chrom, Bor, Brom, Lithium, Arsen und Zinn.

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 diskutiert.

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.

Biologische Bedeutung für den Menschen

Eisen

Eisen wird vom Körper unter anderem für den Aufbau wichtiger Proteine und die Regenerierung von roten Blutkörperchen und Muskeln benötigt. Eisenmangel ist die häufigste Ursache für eine Blutarmut (Anämie). Diese äußert sich zunächst durch eine schnelle Erschöpfung bei körperlicher Tätigkeit und im manifesten Stadium auch durch eine blasse, spröde Haut sowie brüchige Fingernägel und Haare.

Eisen ist in vielen Nahrungsmitteln in ausreichender Form vorhanden. Für die Eisenaufnahme ist der tatsächliche Eisengehalt eines Nahrungsmittels nur von untergeordneter Bedeutung. Wichtiger ist, welche Nahrungsmittel kombiniert werden. Das liegt daran, dass eine Reihe von Nahrungsbestandteilen die Eisenaufnahme sehr stark fördert beziehungsweise hemmt. Förderlich für die Resorption von Eisen aus pflanzlichen Quellen ist insbesondere eine Kombination mit Vitamin C. Dagegen hemmen beispielsweise Substanzen in Kaffee, schwarzem Tee und dem früher fälschlich als guten Eisenlieferanten empfohlenen Spinat die Eisenaufnahme besonders stark.

wichtige Eisenquellen
Nahrungsquelle	Eisengehalt
Schweineleber	$22{,}1\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Hühnereigelb	$7{,}2\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Rinderleber	$7{,}1\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Linsen	$6{,}9\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Pfifferlinge	$6{,}5\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Blutwurst	$6{,}1\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Weiße Bohnen	$6{,}0\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Hirse	$5{,}9\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Erbsen	$5{,}0\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$
Haferflocken	$4{,}6\,{\tfrac {\mathrm {mg} }{100\,\mathrm {g} }}$

Literatur

Ivor E. Dreosti: Trace Elements, Micronutrients, and Free Radicals, 1. Ed., Totowa: Humana Press, New Jersey 1991, ISBN 978-0-89603-188-3
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.
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.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de

H																		He
Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	La	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	Ac	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Cn		Fl		Lv

			*	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
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Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y		Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
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Li	Be												B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg												Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc		Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
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