Eine Reise durch die Physiologie - Wie der Körper des Menschen funktioniert
 

     
Mineral- und Eisenhaushalt des Körpers, Knochensystem

Calcium, Phosphat, Magnesium
© H. Hinghofer-Szalkay

Burnett-Syndrom: Charles Hoyt Burnett (1913-1967)
Calcium: calx = Kalk
Magnesium: μαγνησιη λιθός = Magnetstein (andere Deutungen: Nach antiken Städten, wie Magnisia oder Magnesia)
Phosphat: φως-φορος = licht-tragend (Phosphor leuchtet bei Kontakt mit Sauerstoff)
Calcium trägt etwa 2/3, Phosphat 1/3 zur Masse der anorganischen Knochensubstanz bei (die Hälfte der Knochenmasse entfällt auf Calciumphosphat). Knochen enthält 99% der Calcium- und 85% der Phosphatreserven des Körpers. Eine erwachsene Person benötigt mindestens 1 Gramm Calcium und 0,7 g Phosphor (entsprechend 3-4 g Phosphat) pro Tag - bei Wachstumsschüben oder in der Schwangerschaft entsprechend mehr. Calcium wird vor allem mit dem Stuhl, Phosphat mit dem Harn ausgeschieden.

 Abgesehen vom Knochen: Calcium wird praktisch von jeder Zelle benötigt, es hat u.a. eine Schlüsselfunktion als Signalstoff und bei der elektromechanischen Kopplung (Muskelkontraktion); Phosphat dient als Energieträger (ATP), Bestandteil der DNA / RNA, Puffer u.a.

 Die Blutwerte unterliegen hormoneller Regulation; vor allem muss der Wert des ional freien Calciums stabilisiert sein, da dieser die Erregbarkeit von Zellmembranen beeinflusst (Hypocalcämie erhöht die Wahrscheinlichkeit der Depolarisation). Das Elektrolytmuster in der extrazellulären Flüssigkeit wirkt sich insgesamt auf das freie Calcium aus, z.B. senkt Alkalose (etwa bei Hyperventilation) den Anteil des freien Calciums - das kann tetanische (hypocalcämische) Krämpfe auslösen.

 Um die benötigte Menge Magnesium (0,1 g/d) resorbieren zu können, muß - wegen der nur teilweisen Resorption - das 3- bis 4-fache davon mit der Nahrung angeboten werden. In der Zelle ist Magnesium nach Kalium das zweithäufigste Kation, etwa 600 Enzyme benötigen es, um aktiv werden zu können. Gehirn, Herz- und Skelettmuskel, Leber und Immunsystem gehören zu den Geweben, die in ihrer Funktion besonders stark magnesiumabhängig sind; Parathormon und Vassopressin wirken auf Umsatz und Verfügbarkeit des Magnesiums.


Calcium (Ca++)  Phosphat (HPO4--) Magnesium (Mg++)

Klinik         Core messages
  
Calcium (Ca++), Phosphat (Pi, "anorganisches" Phosphat PO43-) und Magnesium (Mg++) sind im Körper als Salze vor allem im Kollagen von Knochen und Zähnen gespeichert (Calcium >99%, bei erwachsenen Personen ca. 1 kg; Phosphor 85%; Magnesium ca. 50% des Körperbestandes). Aus diesen Vorräten kann der Organismus Calcium-, Phosphat- und Magnesiumionen mobilisieren und für verschiedene Zwecke nutzen.
 
Calcium (Ca++)
 
Freie Calciumionen liegen im Zytoplasma in enorm geringer Konzentration vor, weil sie einerseits durch die Zellmembran in den Extrazellulärraum befördert, andererseits in Zellorganellen (endoplasmatisches Retikulum, Mitochondrien) gespeichert werden. Der Konzentrationsunterschied (1:104-1:105) prädestiniert Calciumionen für eine Rolle als Signalsubstanz, Ca++ beteiligt sich an der Steuerung von Muskelkontraktion, Sekretion, Wachstum, Mitochondrienfunktion, Zilienmotorik.
 
 
Abbildung: Steuerung der Calciumkonzentration im Blutplasma
Nach einer Vorlage in Ward / Linden, Physiology at a Glance, Wiley Blackwell, 4th ed. 2017
Der extrazelluläre Calciumspiegel wird durch das Zusammenwirken von Parathormon (Epithelkörperchen), Vitamin-D-Hormon (1,25-(OH)2D) und Calcitonin (Schilddrüse) reguliert (farbige Pfeile).

Bei sinkendem extrazellulärem [Ca++] geben Hauptzellen der Nebenschilddrüsen Parathormon (PTH) an das Blut ab. Dieses steigert extrazelluläres [Ca++] durch Wirkung am Knochen (Osteolyse), Darm (Resorption) und Nieren (Rückresorption, gleichzeitig vermehrte Vit-D-Bildung und Phosphatausscheidung).
 
Bei steigendem extrazellulären [Ca++] geben parafollikuläre C-Zellen der Schilddrüse Calcitonin an das Blut ab. Dieses fördert die Einlagerung und reduziert die Resorption von Ca++ im Knochen, extrazelluläres [Ca++] nimmt ab.
 
"Vitamin D" ist ein Sammelbegriff für die Moleküle Ergocalciferol (Vit D2, pflanzlicher Herkunft) und Cholecalciferol (Vit D3, aus Milchprodukten, kann auch vom Körper selbst gebildet werden). Die Haut kann unter UV-Einwirkung aus 7-Dehydrocholesterol (Provitamin D) Cholecalciferol (Vitamin D3) bilden, das von Leber (an C25) und Nieren (an C1) zum biologisch aktiven 1,25-(OH)2D (Vitamin D-Hormon) hydroxyliert wird

Calcium (Ordnungszahl 20, Atommasse 40, in der Erdkruste zu 3,4% vertreten) ist Bestandteil von Knochen und Zähnen; dieses Calcium wird alle 6-7 Monate erneuert. Im Kreislauf liegt es frei gelöst, proteingebunden und als Komplexsalz (Phosphat, Citrat..) vor.

Funktionen: Zu den Aufgaben des Calciums gehören der Aufbau von Knochen und Zähnen, die Beeinflussung der Permeabilität der Zelle, intrazelluläre Signalwirkung, Blutgerinnung, Impulsübertragung im Nervensystem, Muskelkontraktion, Schrittmachertätigkeit (Herzmuskel).
  Calcium
  s. dort
 
Calciumionen liegen im Blutplasma in drei Formen vor:
  
*  Ionisiert (~50%), die physiologisch aktive Form
  
*  proteingebunden (~40%)
  
*  als Komplexsalz (~10%)

Damit sind ~60% des Plasma-Ca++ diffusibel (in mikromolekularer Form), treten ohne weiteres durch Kapillarwände und können auch Zellmembranen (über Ca++-Kanäle) passieren. 40% sind an Eiweiß gebunden (davon ~90% an Albumin) und können dies nur bei hoher Durchlässigkeit (diskontinuierliches Endothel), z.B. in der Leber.

Im extrazellulären Raum stabilisiert Calcium das elektrische Potential an Zellmembranen und aktiviert verschiedene Enzyme, u.a. solche der Blutgerinnung. Dieser Pool ist sehr mobil; das im Blut zirkulierende Calcium wird in kurzer Zeit gegen solches aus den Knochen ausgetauscht (Abbildung).


Abbildung: Calciumbilanz einer erwachsenen Person
Modifiziert nach einer Vorlage in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Fast der gesamte Calciumvorrat des Körpers befindet sich in den Knochen.
 
Bei ausgeglichener Calciumbilanz scheidet der Körper gleich viel Calcium aus wie er mit der Nahrung aufnimmt (in diesem Beispiel 1 g/d). Beträgt die Netto-Aufnahme aus dem Darm 175 mg/d, dann werden 175 mg/d mit dem Harn ausgeschieden. Innerhalb des Organismus wird Calcium zum größeren Teil wiederverwertet, z.B. werden ~280 mg/d (oder mehr) aus dem Knochen resorbiert und die gleiche Menge neu eingelagert.
  
Diese Bilanz kann sich zu Netto-Aufnahme verschieben, z.B. während des Wachstums, bei Krafttraining oder bei Schwangeren (Calciumeinbau in zunehmende Knochenmasse) - vorausgesetzt, es wird genügend Calcium mit der Nahrung zugeführt (Milchprodukte). Umgekehrt scheidet man bei sinkender Belastung des Bewegungsapparates vermehrt Calcium aus (Bettlägrigkeit, Gefahr von Nierensteinbildung)

      Bei Knochenwachstum (Kinder, Jugendliche) und -aufbau (Training) nimmt der Calciumpool im Körper zu; bei mangelnder mechanischer Belastung nimmt er ab. In der Postmenopause kommt es jährlich zu Verlust von etwa 1% der Calciummasse aus den Knochen. Bei Immobilisierung (Bettlägrigkeit, Lähmung, Aufenthalt im schwerelosen Zustand..) kann der Verlust an unbelasteten Stellen viel höher sein (bis >1% pro Monat), je nach (mangelnder) Beanspruchung der jeweiligen Strukturen. In Abwesenheit entsprechender mechanischer Belastung (die Druck- und Zugbelastbarkeit von Lamellenknochen liegt bei ~1000 kg/cm2!) setzt sich der Abbau über unbegrenzte Zeit fort.

      Die tägliche Ca++-Aufnahme des Erwachsenen sollte ~1 Gramm (Empfehlung: 1200-1500 mg/d) betragen. Unterversorgung kann die Entwicklung von Osteoporose fördern. Körperliche Fitness ist neben ausreichender Calciumzufuhr (Milch, Milchprodukte, Fisch, Meerestiere, Getreideprodukte) die wichtigste Maßnahme, um das Skelettsystem belastbar zu halten. Bei verringerter Belastung der Knochen wird Calcium mobilisiert und ausgeschieden und kann der Bildung von Nierensteinen Vorschub leisten (so sind z.B. Astronauten potentiell nierensteingefährdet).
 
  Über das Calcium-Handling in der Niere s. dort
 
Nur ein kleiner Teil des Knochencalciums ist für die schnelle Regulation des Calciumspiegels in den extrazellulären Flüssigkeiten verfügbar.

     Freies (ungebundenes, ionales) extrazelluläres Calcium bestimmt die Erregbarkeit von Zellmembranen:

Extrazelluläre Abnahme der Konzentration an freien Calciumionen (normalerweise ~1mM) kann bei Werten unter 0,6 mM zu Tetanie (hypocalcämischen Muskelkrämpfen) sowie Herzrhythmusstörungen führen.
 

Abbildung: Erklärungsmodell für die Abhängigkeit der Membranerregbarkeit vom extrazellulären Calciumspiegel
Nach Ma Z, Siebert AP, Cheung KH, Foskett JK, Calcium homeostasis modulator 1 (CALHM1) is the pore-forming subunit of an ion channel that mediates extracellular Ca2+ regulation of neuronal excitability. PNAS 2012; 109: E1963-71
Nach diesem Modell erhöht sich die Öffnungswahrscheinlichkeit spezieller Membrankanäle bei Depolarisation und/oder erniedrigtem extrazellulärem Calciumspiegel. Beides führt zum Einstrom von Kationen und Auslösung von Aktionspotentialen.
  
CALHM1 (Calcium homeostasis modulator 1) ist der porenbildende Anteil des Ionenkanals. Dieser enthält einen Spannungs- und einen Ca++-Sensor, der die extrazelluläre Calciumkonzentration detektiert. Der CALMH1-Kanal  ist bei physiologischen Calciumkonzentrationen und aufgeladener Membran geschlossen (oben). Depolarisierung oder Hypocalcämie erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit des Kanals, worauf Kationen (Natrium, Calcium) einströmen und die Zelle depolarisieren (unten)

Es war lange nicht klar, wie die Höhe des extrazellulären Calciumspiegels die Erregbarkeit von Nervenzellen beeinflusst. Der Mechanismus ist durch Calcium- / Spannungssensoren erklärbar, die Teil von Ionenkanälen in der Zellmembran sind. CALHM1 (Calcium homeostasis modulator 1) ist Teil eines Ionenkanals, über den der extrazelluläre Ca++-Spiegel die Erregbarkeit von Nervenzellen beeinflusst.

Der CALMH1-Kanal enthält einen Spannunssensor und einen Calciumsensor und ist bei physiologischen Calciumkonzentrationen (s. oben) und aufgeladener Membran geschlossen. Verringerung des Membranpotentials oder der extrazellulären Calciumkonzentration (Hypocalcämie) erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit des Kanals, worauf Kationen einströmen und die Zelle (weiter) depolarisieren ( Abbildung). Das kann zur Auslösung von Aktionspotentialen führen (Motorische Vorderhornzellen übererregt → tetanische Krämpfe).
Erhöhung des Calciumspiegels im Blut (Hypercalcämie) senkt den Natriumeinstrom (u.a. über spannungsgesteuerte Natriumkanäle) und steigert den Kaliumausstrom (über mehrere Kaliumpermeasen), was in einer Hyperpolarisierung der Zellen resultiert. Damit nimmt auch die Erregbarkeit der Muskeln ab.
 
Freie Calciumionen sind für die Funktion zahlreicher Enzymsysteme wesentlich. So ist der Ablauf der Blutgerinnung im Extrazellulärraum u.a. calciumabhängig.

Calcium ist mit über 1g/kg in Milch und Milchprodukten, Makrelen, Sardinen, Soja- und Weizenprodukten enthalten. Der tägliche Umsatz im Knochen (bone remodeling) beträgt ~500-700 mg.

Die Aufnahme im Darm ist an Calbindin (ein in verschiedenen Geweben exprimiertes Ca++-Bindungs- und Transportprotein) gebunden, welches von Calcitriol (Vit. D3) reguliert wird. Dies ist wahrscheinlich der bedeutendste Ca++-regulierende Mechanismus; die Calciumausscheidung mit dem Harn ist ziemlich konstant, wenn auch Hypercalcämie die Ausscheidung mit dem Harn steigen, und Hypocalcämie die Ca++-Ausscheidung sinken lässt.
 
       Über Mangel und Überschuss s. unten
 
Phosphat
  
Phosphor findet sich in den Knochen (80-85%) und in anderen Geweben: In Form von Phospholipiden (Zellmembran) und energiereichen Phosphaten (ATP, CP), in Botenstoffen (cAMP) und Nukleinsäuren (DNA, RNA). Als "anorganisch" (Pi: inorganic) bezeichnet man das Element in Phosphatsalzen, als "organisch" z.B. in Nukleinsäuren, Phospholipiden, verschiedenen Estern. Bei Neugeborenen macht der Anteil des Phosphors am Körpergewicht 0,5% (16-18 g), bei erwachsenen Personen etwa 1% aus (600-700 g).

Die Resorption von Phosphat ist Vit-D3-abhängig, die Einlagerung in die Knochen wird über Parathormon gesteuert (Calciumphosphat aus dem Knochen mobilisiert), die renale Ausscheidung wird durch Parathormon gefördert (die tubuläre Resorption gehemmt).

Im Zytoplasma liegt Phosphat in höherer Konzentration vor als in der extrazellulären Flüssigkeit. In der Zelle findet es sich vor allem in energiereichen Phosphaten (z.B. ATP), als Bestandteil der DNA / RNA, und in Membran-Phospholipiden.

Da Phosphat (anders als Calcium) in zahlreiche verschiedene organische Verbindungen integriert ist, enthält (unverkalktes) Gewebe etwa 10-mal so viel Phosphat als Ca++ und ist ein führender Bestandteil der Zelle.

Ausgebreitete Gewebeverletzungen (z.B. Quetschungen) führen zu Austritt von Phosphat in den Extrazellulärraum und zu Hyperphosphatämie, was wiederum Komplexierung mit Ca++ und Hypocalcämie bedingen kann.
 
   
Abbildung: Phosphorbilanz einer erwachsenen Person
Modifiziert nach einer Vorlage in in Boron / Boulpaep: Concise Medical Physiology, Elsevier 2021
Die Werte können auch höher liegen, z.B. Ingestion von 2 g/d oder 600 mg/d Ausscheidung mit dem Stuhl.
 
Rund 600 g Phospat befinden sich in den Knochen, etwa 100 g in unverkalktem Gewebe; der Phosphatpool in der extrazellulären Flüssigkeit beträgt ~0,5 g.
 
Bei ausgeglichenem Phosphathaushalt werden mit der Nahrung täglich ~1,4 g zugeführt, davon ~1,1 g resorbiert und ~0,2 g sezerniert (im Stuhl ~0,5 g/d ausgeschieden). Die Netto-Aufnahme in der Körper beträgt in diesem Beispiel 900 mg/d, diese Menge gelangt mit dem Harn zur Ausscheidung

Phosphat wird im Darm zu etwa 80% der mit der Nahrung angebotenen Menge resorbiert (sowohl tierische als auch pflanzliche Kost enthält Phosphor in verwertbarer Form, mangelnde Phosphatzufuhr ist selten), die restlichen 20% werden zusammen mit einem Teil des in den Darm sezernierten Phosphats mit dem Stuhl ausgeschieden.

Bei ausgeglichener Phosphatbilanz scheiden die Nieren dieselbe Menge Phosphat mit dem Harn aus, die netto aufgenommen wird (Abbildung: 800 mg/d). In der Wachstumsphase ist die Phosphatbilanz positiv, es wird mehr aufgenommen (in die Knochen eingebaut) als ausgeschieden. Wachsende Kinder zeigen auch höhere Phosphatspiegel im Blut als erwachsene Personen.

Funktionen: Knochenaufbau, Energiestoffwechsel, Nukleinsäuren, Aufgaben im Blut und bei der neuromuskulären Koppelung.

Die tägliche Phosphoraufnahme einer erwachsenen Person sollte mindestens ~0,7 Gramm betragen (Fleisch, Fisch, Milchprodukte, Brot); in entwickelten Ländern kann man von einem täglichen Austausch von 1-2 Gramm Phosphor mit der Umwelt ausgehen (Abbildung: 1200 mg).
  Phosphat
   s. dort

Während des Wachstums wird Phosphat im Knochen angereichert. Die Phosphatabsorption ist energieabhängig, die Ablagerung im Knochen abhängig von Parathormon, welches - zusammen mit Calcitriol - Calciumphosphat im Knochen  mobilisiert.

Der Phosphathaushalt wird in Niere und Gastrointestinaltrakt reguliert:
 

       Parathormon, Glucocorticoide, Hyperphosphatämie, Azidose steigern die renale Phosphatausscheidung (Parathormon steigert auch die Phosphatresorption im Darm und Knochen und wirkt sich unter physiologischen Umständen nicht auf den Phosphatspiegel aus);
 
       Vit. D (Calcitriol), Insulin, GH, T3 und Alkalose senken die Phosphatausscheidung.
 
In der Niere wird glomerulär filtriertes Phosphat zu 90% rückresorbiert: 80% von proximalen und 10% vom distalen Tubulus.

Die Vorstufe des Vitamin D wird durch enzymatische Hydroxylierung in Leber (D25-Hydroxylase → Calcidiol) und Niere (1α-Hydroxylase) zum biologisch aktiven Calcitriol (1,25(OH)2-Form). Die 1α-Hydroxylase-Aktivität in der Niere wird durch Parathormon und niedrigen Calcium- oder Phosphatspiegel im Blut angeregt, durch Calcitriol (Selbsthemmung) sowie Hypercalcämie oder Hyperphosphatämie gehemmt. Das bedeutet, dass niedrige Phosphatspiegel das D-Hormon-System aktivieren (Steigerung des Phosphatspiegels) und umgekehrt (negative Rückkopplung).

Phosphat hat weiters Pufferfunktion. Primäres und sekundäres Phosphat ergeben zusammen ein Puffersystem mit einem pK-Wert von 6,8, also recht nahe am zu stabilisierenden Wert von ~7,4. Das macht den Phosphatpuffer - vor allem intrazellulär - zu einem wichtigen Stabilisator des pH-Wertes im Körper.
 
       Über Mangel und Überschuss s. unten
  

Abbildung: Übersicht Calcium-, Phosphat- und Magnesiumregulation
Nach einer Vorlage in Panini SR, Medical Biochemistry, 2nd ed. 2021 (Thieme)
Vor allem drei Hormone können den extrazellulären Calcium- und Phosphatspiegel beeinflussen: PTH (Parathormon), Calcitriol (aktive Form von Vit. D3) und Calcitonin.
  PTH steigert den Calciumspiegel, indem es im Darm die Resorption von Ca++ (und Phosphat) anregt, in der Niere die Resorption von Ca++ (auch die von Mg++), und im Knochen dessen Abbau fördert.
  Calcitriol regt die intestinale Resorption von Ca++ und PO43- an sowie die renale Resorption von Ca++. Im Knochen fördert es den Umsatz von Ca++ und PO43- (Mobilisierung und gleichzeitiger Neuanbau). Insgesamt stabilisiert oder steigert es den Calcium- und Phosphatspiegel im Blut.
  Calcitonin fördert die renale Calciumausscheidung und fördert die Einlagerung von Ca++ und PO43- im Knochen - ohne wesentlichen Effekt auf den Calciumspiegel im Blut

Calciummangel / Hypocalcämie führt zu Muskelkrämpfen (tetanische Krämpfe), kardialen Arrhythmien, über längere Zeit Entkalkung der Knochen (Osteoporose). Calciummangel kann u.a. entstehen bei Unterfunktion der Epithelkörperchen (primärer Hypoparathyreoidisums), Vitamin-D-Mangel, Hypoalbuminämie (normalerweise sind 45% des Calciums im Blut proteingebunden, vor allem an Albumin).

Calciumüberschuss / Hypercalcämie kann bei längerer Dauer u.a. zur Bildung von Nierensteinen führen und die Psyche beeinflussen (Psychosen, depressive Gemütslagen). Ursache kann primärer Hyperparathyreoidismus sein.

Phosphatmangel / Hypophosphatämie verursacht u.a. Muskelschwäche und tritt bei ungenügender intestinaler Resorption (Malabsorption) oder exzessiven renalen Verlusten auf.

Phosphatüberschuss / Hyperphosphatämie kann sekundären Hyperparathyreoidismus verursachen und auf ungenügende renale Ausscheidung zurückzuführen sein.

Magnesiummangel / Hypomagnesiämie kann hinter Muskelschäche oder -krämpfen, Tachykardie oder Reizbarkeit stecken und tritt bei erhöhten renalen Verlusten auf (z.B. als Nebenwirkung von Diuretika).

Magnesiumüberschuss / Hypermagnesiämie kann kardiale Arrhythmien, niedrigen Blutdruck oder Muskelschwäche bewirken; Ursache kann ungenügende renale Ausscheidung sein.
 
Calcium und Phosphat im Blutplasma
(Werte gerundet)

Nach Koeppen BM, Stanton BA: Renal Physiology, 4th ed., Mosby 2007
 
 		gesamt
 		ionisiert
 		proteingebunden
 		komplexiert
Ion
 		mg/dl
 		%
 		%
 		%
Ca++
 		10
 		50
 		45
 		5
Pi
 		4
 		84
 		10
 		6
 
Magnesium
  
Magnesium (Mg++; Ordnungszahl 12, Atommasse ~34, in der Erdkruste zu 1,9% vertreten) ist ein Cofaktor von Transport- und Enzymsystemen. In der Zelle wirkt es u.a. im Energiestoffwechsel (ATP muss Magnesiumionen binden, um mit verschiedenen Proteinen interagieren zu können). Etwa die Hälfte des Körperbestandes ist in den Knochen gespeichert.


Abbildung: Magnesiumbilanz einer erwachsenen Person
Nach de Baaij JHF, Hoenderop JGJ, Bindels RJM. Magnesium in Man: Implications for Health and Disease. Physiol Rev 2015; 95: 1-46
Mehr als die Hälfte des im Körper gespeicherten Magnesiums befindet sich in den Knochen, gut ein Viertel in der Skelettmuskulatur. Im freien Extrazellulärraum befinden sich etwas mehr als 10 mM Magnesium, das Blut enthält nur ~1% des Körperspeichers.
  
Nimmt man z.B. 370 mg Magnesium mit der Nahrung auf, extrahiert der Darm 30-50% davon (ca. 120 mg) - hauptsächlich parazellulär im unteren Dünndarm (100 mg/d), feinabgestimmt transzellulär im Colon. Bei Magnesiummangel kann der Anteil des resorbierten Magnesiums auf ~80% der mit der Nahrung zugeführten Menge ansteigen

Der Körper einer erwachsenen Person enthält insgesamt etwa 20-24 Gramm Magnesium. Mehr als die Hälfte des Körper-Magnesiums befindet sich in der Knochenmatrix, der Rest zum größten Teil im Intrazellulärraum (27% im Skelettmuskel, ~7% in anderen Zellen, Abbildung).

Über die intrazelluläre Magnesiumkonzentration divergieren die Angaben; im Blutplasma beträgt sie ~1 mM/l (ionisiert bei pH=7,4 etwa 60%).
 
Der Körper speichert Magnesium vor allem in Knochen und Muskeln
   
Funktionen: Magnesium unterstützt die neuromuskuläre Kommunikation, regt die Parathormonsekretion an (was sich auf die Calciumhomöostase auswirkt), aktiviert zahlreiche Enzyme im Kohlenhydrat- und Proteinstoffwechsel, und regt allgemein den Zellstoffwechsel an (Transport von Natrium, Kalium und Calcium über die Zellmembran, Proteintransport). In der Zelle liegt es vor allem als ATP-Komplex vor (Cofaktor aller ATPasen) und hemmt Ionenkanäle (NMDA, K+- und Ca++-Kanäle).

Die neuromuskuläre Erregbarkeit ist bei Hypomagnesiämie erhöht, es können Muskelkrämpfe auftreten.

Magnesium im Blutplasma: Rund 20% sind an Albumin gebunden, etwa 60% sind frei (ionisiert) und damit glomerulär filtrierbar (~3,5 g/d), ~20% sind komplex gebunden (als Phosphat, Oxalat, Sulfat u.a.)

Der tägliche Bedarf beträgt bei Männern ~420 mg/d und bei Frauen ~320 mg/d - etwa ein Drittel wird tatsächlich resorbiert (in der Abbildung wird von 100 mg Mg++/d Netto-Resorption ausgegangen; 120 mg resorbiert, 20 mg/d sezerniert).
 
       Über Mangel und Überschuss s. unten
 
Magnesium wird hauptsächlich aus Vollkornprodukten, Leber, Geflügel, Fisch, Nüssen aufgenommen.

  Magnesium (Serum)
  s. dort
  Nur ~1% des Körper-Magnesiums befindet sich im Blut.
Magnesiummangel kann auch bei normalen Blutwerten vorliegen!
 
Starke Schweißsekretion kann zu Magnesiummangel führen; Muskelschwäche, Zittern, Krämpfe, erhöhter Gefäßwiderstand (Wadenkrämpfe durch Gefäßspasmen) sind die Folge.
 

Abbildung: Zelluläre Physiologie des Magnesiums
Nach de Baaij JHF, Hoenderop JGJ, Bindels RJM. Magnesium in Man: Implications for Health and Disease. Physiol Rev 2015; 95: 1-46
Die Magnesium- Homöostase in der Zelle wird durch die gemeinsame Funktion mehrerer Transporter in der Zellmembran reguliert.
  
Die Mg++-Aufnahme kann durch Wachstumsfaktoren erhöht werden (EGFR = epidermal growth factor receptor), dabei wird mTOR (mammalian target of rapamycin) aktiviert und Ca++ aus dem endoplasmatischen Retikulum freigesetzt - ein für Zellwachstum und Proliferation wesentlicher Mechanismus.
  
MRS2-Transporter (mitochondrial RNA splicing 2) regulieren die Mg++-Konzentration in den Mitochondrien. Im Zellkern beteiligt sich Mg++ an Stabilität und Reparatur der DNA und reguliert die Aktivität von Polymerasen. Im Zytoplasma beeinflusst Mg++ die Aktivität hunderter Enzyme sowie RNA-Stabilität und ATP-Bindung.

CNNM3, cyclin M3    IP3, Inositoltrisphosphat    MagT1, magnesium transporter 1    PI3K, Phosphoinositol-3-Kinase    PIP3, Phosphatidylinositol 3,4,5-Trisphosphat     PLCγ, Phospholipase C-γ    SLC41A1, solute carrier family 41 type 1    TRPM7, transient receptor potential melastatin type 7

Biologische Bedeutung. Magnesium ist nach Kalium das zweithäufigste Kation in der Zelle. Es ist für die Funktion von über 600 Enzymen notwendig. Die physiologische Bedeutung zeigt sich vor allem für das Funktionieren von

      Gehirn (der neuronale Magnesiumgehalt ist wesentlich für die Regulierung der Empfindlichkeit von NMDA-Rezeptoren; Magnesiummangel kann Migräne, Depressionen und Epilepsie verursachen),

      Herz (Magnesium beeinflusst die Aktivität von kardialen Ionenrezeptoren, reguliert die Kontraktilität über die Verfügbarkeit intrazellulärer Calciumionen - Kompetition um Bindungsstellen am kontraktilen Apparat! -, und wirkt vasodilatierend sowie antiinflammatorisch)
 
      Skelettmuskulatur (als Ca++-Antagonist, dessen Bindung an Troponin durch Mg++ kompetitiv gehemmt wird - in der ruhenden Muskelzelle ist [Mg++] etwa 104-fach höher als [Ca++], und Calciumionen verdrängen im Rahmen der elektromechanischen Kopplung Magnesium von den Bindungsstellen. Das Gleichgewicht ist bei Magnesiummangel zugunsten der Calciumbindung verschoben, und es können Muskelkrämpfe auftreten)
 
Aber auch die Funktion anderer Organe, wie Leber und Immunsystem, hängt von der Verfügbarkeit von Mg++ ab. Magnesium wirkt entzündungshemmend und Ca++-antagonistisch. Es ist wichtig für Energiehaushalt, Eiweißsynthese, Protein- und Nukleotidstruktur: Es bildet eine wesentliche Komponente der DNA- und RNA-Tertiärstruktur und ist notwendig für Struktur und Aktivität der DNA- und RNA-Polymerasen. Die Funktion zahlreicher Enzyme der Glykolyse hängen von der Anwesenheit von Mg++ ab; Mg-ATP ist für mehrere Enzyme notwendig. Aber auch darüber hinaus gibt es kaum einen Stoffwechselweg, der nicht der Anwesenheit von Magnesiumionen bedarf.

Magnesium ist auch ein wichtiger Faktor für die Kontrolle der Zellproliferation (die wiederum von der Proteinsynthese abhängt - Abbildung). Steigt [Mg++] in der Zelle, dann nimmt die Eiweißsynthese innerhalb einer Stunde zu (die DNA-Synthese innerhalb von 10 Stunden).

Regulierung. Der Magnesiumhaushalt wird u.a. in den Nieren und im Gastrointestinaltrakt reguliert (Parathormon, Vasopressin - Vasopressin steigert u.a. die Mg++-Verfügbarkeit in der Zelle). Im Knochen fördert Magnesium den Knochenaufbau - es stimuliert die Proliferation von Osteoblasten und Knorpelzellen in den Wachstumsfugen.

  Die Resorption im Darm (25-60% der mit der Nahrung angebotenen Menge) erfolgt zum Großteil parazellulär im unteren Jejunum und im Ileum (unreguliert, konzentrationsabhängig - kaum durch Claudine in tight junctions behindert) sowie transzellulär (TRPM - epitheliale Transportsysteme s. Abbildung) im Dickdarm. Bei Magnesiummangel nimmt die Effizienz der intestinalen Magnesiumresorption zu.

Rund die Hälfte der resorbierten Magnesiummenge wird mit dem Stuhl ausgeschieden.

  Die Nieren sind der Hauptort der Regulation des Magnesiumspiegels: Die Magnesium-Rückresorption aus dem Nephron erfolgt in erster Linie (~70%) im dicken Teil des aufsteigenden Schenkels der Henle-Schleife - vorwiegend parazellulär (das tight-junction-Protein Claudin reguliert die Diffusion), bei Bedarf (Magnesiummangel) auch transzellulär. Die kortikalen Tubuli resorbieren zusammen ~25% der filtrierten Menge. 5% der primär filtrierten Menge werden mit dem Harn ausgeschieden (etwa dieselbe Menge wie im Darm aufgenommen, d.h. ~0,1 g/d).



 
Calcium

     Übertriebene Calciumaufnahme kann zum Burnett-Syndrom (Milch-Alkali-Syndrom) führen: Überangebot an Calcium (Milch!) und leicht resorbierbaren Alkalien (Bionat) führt zu Alkalose (erhöhter Phosphatspiegel) mit Übelkeit, Erbrechen, Schwindelgefühl und Ataxie, längerfristig zu Kalkablagerungen in conjunktiva und evt. cornea des Auges sowie in die Nierentubuli (Niereninsuffizienz!).

     Chronischer Calciummangel (streng vegetarische Diät ohne Milchprodukte, Verdauungs- und Resorptionsstörungen, Magnesium- oder Vit. D-Mangel) kann eine Neigung zu Muskelkrämpfen bewirken (Hypocalcämie!).

Die Konzentration an ionisiertem Calcium wird mittels selektiver Messelektroden bestimmt (Ionenaustauscher, Ag/AgCl-Bezugselektrode). Das Gesamt-Calcium wird mittels Atomabsorptions-Spektroskopie (Referenzmethode), Flammenphotometrie (spezifische Wellenlänge) oder Photometrie ermittelt (Farbkomplexreaktion).


Phosphat

     Phosphatmangel: Im Bereich von 1,0 - 2,5 mg/dl spricht man von milder, unter 1 mg/dl von schwerer Hypophosphatämie. Chronischer Phosphatverlust kann sich - außer infolge Mangelernährung - durch chronische Sekretverluste oder bei Alkoholmißbrauch ergeben (verminderte Zufuhr, Phosphat → Intrazellulärraum etc). Akut kann sich Phosphatmangel z.B. durch Insulingabe einstellen (Phosphat → intrazellulär, zusammen mit Glucose). Es kann zu ATP-Mangel mit Zellschäden kommen (Myopathien, Atemstörungen..)

     Hyperphosphatämie liegt bei Werten über 5 mg/dl vor (ab 9 mg/dl schwer). Häufigste Ursache ist verringerte renale Ausscheidung (Niereninsuffizienz). Folge können extraossäre Verkalkungen sein. Verringerte Zufuhr wird durch eiweißarme Diät erreicht.


Magnesium

     Magnesiummangel: Eine mangelnde Deckung dieses Bedarfs mit der Nahrung ist häufig, z.T. wegen des geringen Mineralgehalts landwirtschaftlich genutzter Böden; z.B. ist in den letzten 50 Jahren der durchschnittliche Magnesiumgehalt von Obst um 20-30% gesunken. Außerdem gehen bei der Nahrungsmittelaufarbeitung 80-90% des ursprünglich enthaltenen Magnesiums verloren. Achtung: Magnesiummangel kann auch bei normalen Blutwerten vorliegen (99% des Magnesiums befindet sich außerhalb der Blutbahn).

Hypomagnesiämie kann - außer durch verminderte Zufuhr - bedingt sein durch

     renale Verluste (Hemmung der Rückresorption durch Diuretika, Hypercalcämie, Hyperthyreose, tubuläre Schäden u.a.)
  
     intestinale Verluste (Malabsorption infolge Durchfall, Entzündung, Laxantienmissbrauch u.a.).

Ein Magnesiummangel ist schwer zu diagnostizieren, da Magnesium zum Großteil in den Zellen gespeichert wird und die Messung des Serumspiegels kaum aussagekräftig ist. Eine Möglichkeit ist eine Magnesiumbelastung: Nach einer Magnesiuminfusion wird über 2 Tage die Ausscheidung mit dem Harn ermittelt; hält die Person viel Magnesium zurück, hatte der Körper vermutlich wenig gespeichert und es liegt ein Magnesiummangel vor.

     Magnesiumüberschuss: Bei Magnesiumspiegeln über 5 mg/dl (vgl. Referenzwerte) ist die muskuläre Erregungsübertragung blockiert (motorische Endplatte, Herzmuskel, glatte Muskulatur). Folge sind u.a. schlaffe Lähmungen, Schließmuskelschwäche, Obstipationen u.a.; ab Magnesiumwerten über ~9 mg/dl Atemschwäche; und ab ~12 mg/dl drohen Herz- und Atemstillstand.

Hypermagnesiämie kann - außer durch übertriebene Magnesiumsubstitution - bedingt sein durch

     Niereninsuffizienz (akut oder chronisch) - filtriertes Magnesium wird nicht ausreichend tubulär rückresorbiert, Magnesium staut sich im Körper zurück.
 
Magnesiumüberschuss zeigt sich in einem erhöhten Serumspiegel.
 

 
      Calcium (Ca) - zu über 99% in den Knochen gespeichert - hat als freies Ion (Ca++) vielfältige Funktionen (extrazellulär: Enzyme - Permeabilität, Blutgerinnung, Komplementsystem; intrazellulär: Signalübertragung, Muskelkontraktion). Die Aufnahme im Darm ist an Calbindin - ein Vitamin D3-abhängiges Ca++-Transportprotein - geknüpft
 
      Extrazelluläres [Ca++] wird hormonell reguliert; Hypocalcämie besteht bei <2,1 mM, Hypercalcämie bei >2,6 mM. ~40% des Serum-Calciums ist proteingebunden, ~10% an Bionat, Phosphat und Citrat komplexiert. Der biologisch wirksame ~50%-Anteil des Ca++ (1,15-1,30 mM/l) sinkt mit Proteinkonzentration und Blut-pH. Unter 0,6 mM treten hypocalcämische Tetanie und Herzrhythmusstörungen auf
 
      Phosphor findet sich zu 4/5 als Bausubstanz (Apatit) in den Knochen, sowie als Phosphatpuffer, in Phospholipiden (Zellmembran), energiereichen Phosphaten (ATP, CP), Botenstoffen (cAMP) und Nukleinsäuren (DNA, RNA) überall im Körper - dieser enthält ~10 g P / kg Körpergewicht. Phosphat wird im Darm zu ~80% resorbiert. In der Wachstumsphase ist die Phosphatbilanz positiv, wachsende Kinder haben höhere Serum-Phosphatspiegel als erwachsene Personen. Die tägliche Phosphataufnahme beträgt 1-2 g (Minimum 0,7 g/d); die Ausscheidung erfolgt über Harn (~0,8 g/d) und Stuhl (~0,4 g/d) - reguliert über Parathormon, Glucocorticoide, Phosphatbilanz
 
      Magnesium ist Bestandteil vieler (>600) Transport- und Enzymsysteme; 99% intrazellulär. Im Blutplasma sind ~20% an Albumin, ~20% komplex gebunden, ~60% ionisiert (filtrierbar). Mehr als die Hälfte des Körperbestandes (≥20 g) befindet sich in den Knochen, gut ein Viertel in der Muskulatur. Der Darm resorbiert ~120 mg/d (parazellulär - das Dreifache muss mit der Nahrung zugeführt werden), die Nieren - Hauptort der Regulation des Magnesiumspiegels - scheiden eine gleiche Menge aus. Magnesium erleichtert den Ionentransport über die Zellmembran, reguliert glutamaterge Rezeptoren und aktiviert Enzyme im Kohlenhydrat- und Proteinstoffwechsel. In der Muskelzelle gibt es eine Kompetition mit Calciumionen. Magnesiummangel oder erhöhter Verlust (starkes Schwitzen) erhöht die neuromuskuläre Erregbarkeit, es können Muskelkrämpfe und Gefäßspasmen auftreten
 

 




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