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

     
Kalzium- und Mineralhaushalt des Körpers, Knochensystem

Kalzium, Phosphat, Magnesium
© H. Hinghofer-Szalkay

Burnett-DSyndrom: Charles Hoyt Burnett
Kalzium:
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)




Kalzium trägt etwa 2/3, Phosphat 1/3 zur Masse der anorganischen Knochensubstanz bei (die Hälfte der Knochenmasse entfällt auf Kalziumphosphat). Knochen enthält 99% der Kalzium- und 85% der Phosphatreserven des Körpers. Eine erwachsene Person benötigt mindestens 1 Gramm Kalzium und 0,7 g Phosphor (entsprechend 3-4 g Phosphat) pro Tag - bei Wachstumsschüben oder in der Schwangerschaft entsprechend mehr. Kalzium wird vor allem mit dem Stuhl, Phosphat mit dem Harn ausgeschieden.

Abgesehen vom Knochen: Kalzium 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 DNS / RNS, Puffer u.a.

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


Kalzium (Ca++ Phosphat (HPO4--)
Magnesium (Mg++) Klinik

Core messages
 
Kalzium und Phosphat finden sich vor allem als Strukturträger in Knochen und Zähnen (Apatit), spielen aber auch eine entscheidende Rolle in der Regulation des Stoffwechsels, bei der zellulären Signalvermittlung (Ca++), als Bestandteil der Erbsubstanz (Nukleotide) oder als Energieträger (ATP). Als Quelle kurzfristig vom Körper benötigten Kalziums und Phosphats dient die Nahrung, allenfalls (z.B. postresorptiv, bei Schwangeren und Stillenden) auch der Knochen selbst, der einen großen Kalzium (1000-1200 g) - und Phosphatspeicher (Phosphor: ~600 g - jeweils für eine 70 kg schwere Person) darstellt und dessen Mineralbilanz von Hormonen feinreguliert wird.

In
Hydroxylapatit beträgt das atomare Verhältnis Ca zu P 5:3 (Ca5[PO4]3[OH]) - 1,6 mal so viel Ca (Molekulargewicht 40) wie P (MG 31). Der Anteil von Kalzium zu Phosphor in Knochen und Zähnen beträgt rund 2 zu 1 - genauer: Molar etwa 62 zu 38%, gewichtsmäßig 68 zu 32%.
 
Kalzium (Ca++)
 
Kalzium (Ordnungszahl 20, Atommasse 40, in der Erdkruste zu 3,4% vertreten) ist Bestandteil von Knochen und Zähnen (99% des Körperkalziums befinden sich in den Knochen - beim Erwachsenen ~1 kg; dieses Kalzium wird alle 6-7 Monate erneuert). Im Kreislauf liegt es frei gelöst, proteingebunden und als Komplexsalz (Phosphat, Bikarbonat, Zitrat..) vor.


Abbildungen: Kalziumbilanz einer erwachsenen Person
Unter Verwendung von Werten in pubs.rsc.org und einer Vorlage bei Kidney International 2008

Bei ausgeglichener Kalziumbilanz scheidet der Körper gleich viel Kalzium aus wie er mit der Nahrung aufnimmt (in diesem Beispiel 1 g/d). Beträgt die Netto-Aufnahme aus dem Darm 200 mg/d, dann werden 200 mg/d mit dem Harn ausgeschieden. Innerhalb des Organismus wird Kalzium wird zum größeren Teil wiederverwertet, z.B. werden ~500 mg/d 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
(Kalziumeinbau in zunehmende Knochenmasse) - vorausgesetzt, es wird genügend Kalzium mit der Nahrung zugeführt (Milchprodukte). Umgekehrt scheidet man bei sinkender Belastung des Bewegungsapparates vermehrt Kalzium aus (Bettlägrigkeit, Gefahr von Nierensteinbildung)


Funktionen: Zu den Aufgaben des Kalziums gehören der Aufbau von Knochen und Zähnen, die Beeinflussung der Permeabilität der Zelle, intrazelluläre Signalwirkung, Blutgerinnung, Impulsübertragung im Nervensystem, Muskelkontraktion, Schrittmachertätigkeit (Herzmuskel).

  Kalzium (Serum)
~2,4 (2,1-2,6) mM/l
oder ~4,8 (4,25-5,2) mEqu/l  oder   ~9,6 (8,5-10,4) mg/dl
 
(Hypokalzämie bei <2,1 mM, Hyperkalzämie bei >2,6 mM)
 
Anteil des freien (biologisch wirksamen, ionisierten) Ca++ ~50%, d.h. 1,15-1,30 mM/l
Gebunden: ~40% an Albumin und Globulin, ~10% an Bikarbonat, Phosphat und Zitrat (komplexiert)
 
Freier (ungebundener) Anteil nimmt ab mit Proteinkonzentration (mehr Valenzen) und Blut-pH (Alkalose: Steigende Bindung an Protein)
 
Ausscheidung mit dem Harn: 130-400 mg/24h (2,5-7,5 mM/24h)
 
Kalziumionen 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 Kalzium das elektrische Potential an Zellmembranen und aktiviert verschiedene Enzyme, u.a. solche der Blutgerinnung. Dieser Pool ist sehr mobil;
das im Blut zirkulierende Kalzium wird in kurzer Zeit gegen solches aus den Knochen ausgetauscht (>Abbildung).

      Bei Knochenwachstum (Kinder, Jugendliche) und -aufbau (Training) nimmt der Kalziumpool im Körper zu; bei mangelnder mechanischer Belastung nimmt er ab. In der Postmenopause kommt es jährlich zu Verlust von etwa 1% der Kalziummasse 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 Kalziumzufuhr (Milch, Milchprodukte, Fisch, Meerestiere, Getreideprodukte) die wichtigste Maßnahme, um das Skelettsystem belastbar zu halten. Bei verringerter Belastung der Knochen wird Kalzium mobilisiert und ausgeschieden und kann der Bildung von Nierensteinen Vorschub leisten (so sind z.B. Astronauten potentiell nierensteingefährdet).
 
  Über das Kalzium-Handling in der Niere s. dort
 
Nur ein kleiner Teil des Knochenkalziums ist für die schnelle Regulation des Kalziumspiegels in den extrazellulären Flüssigkeiten verfügbar.


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

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

Erklärungsmodell für die Abhängigkeit der Membranerregbarkeit vom extrazellulären Kalziumspiegel
Nach Ma Z et al, 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 Kalziumspiegel. Beides führt zum Einstrom von Kationen und Auslösung von Aktionspotentialen

   
CALHM1, Calcium homeostasis modulator 1


Es war lange nicht klar, wie die Höhe des extrazellulären Kalziumspiegels die Erregbarkeit von Nervenzellen beeinflusst. Der Mechanismus ist durch Kalzium- / Spannungssensoren erklärbar, die Teil von Ionenkanälen in der Zellmembran sind (<Abbildung). 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 Kalziumsensor und ist bei physiologischen Kalziumkonzentrationen (s. oben) und aufgeladener Membran geschlossen (<Abbildung oben). Depolarisation oder Kalziumabsenkung (Hypokalzämie) erhöht die Öffnungswahrscheinlichkeit des Kanals, worauf Kationen (Natrium, Kalzium) einströmen und die Zelle depolarisieren (<Abbildung unten). Das kann zur Auslösung von Aktionspotentialen führen (Motorische Vorderhornzellen übererregt →
tetanische Krämpfe).

Freie Kalziumionen sind weiters für die Funktion zahlreicher Enzymsysteme wesentlich. So ist der Ablauf der Blutgerinnung im Extrazellulärraum u.a. kalziumabhängig.

Kalzium 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 Kalzitriol (Vit. D3) reguliert wird. Dies ist wahrscheinlich der bedeutendste
Ca++-regulierende Mechanismus; die Kalziumausscheidung mit dem Harn ist ziemlich konstant, wenn auch Hyperkalzämie die Ausscheidung mit dem Harn steigen, und Hypokalzämie 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 (DNS, RNS).
 
   
Abbildung: Phosphorbilanz einer erwachsenen Person
Modifiziert nach einer Vorlage bei Kidney International 2008

Die Werte können auch höher liegen, z.B. Ingestion von 2 g/d oder 600 mg/d Ausscheidung mit dem Stuhl


Als "anorganisch" (Pi: inorganic) bezeichnet man das Element in Phosphatsalzen, als "organisch" in Phospholipiden und verschiedenen Estern. Der menschliche Körper enthält etwa 10 g Phosphor / kg Körpergewicht.

Da Phosphat (anders als Kalzium) 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 Hypokalzämie bedingen kann.

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 (Serum)
  ~1 mM/l  (2,5-5,0 mg/dl oder 0,85-1,5 mM/l)

Ausscheidung mit dem Harn: ~800 mg/24h (13-42 mM/24h)
Phosphat-Clearance 6-16 ml/min - tubuläre Resorption >85%

Ausscheidung mit dem Stuhl: ~400 mg/d

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

Der Phosphathaushalt wird in Niere und Gastrointestinaltrakt reguliert:
 

       Parathormon, Glukokortikoide, 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 (Kalzitriol), 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.

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
  
 
Kalzium 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 Kofaktor von Transport- und Enzymsystemen.


<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.
  
Pro Tag wird etwa 0,1 Gramm Magnesium netto über den Darm aufgenommen (Resorption ~120 mg/d, hauptsächlich parazellulär im unteren Dünndarm, feinabgestimmt transzellulär im Colon - Sekretion ~20 mg/d) und gleich viel von den Nieren ausgeschieden


Der Körper einer erwachsenen Person enthält insgesamt etwa 20-24 Gramm Magnesium (<Abbildung).

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 im Knochen und in den Muskeln.
   
Funktionen: Magnesium unterstützt die neuromuskuläre Kommunikation, regt die Parathormonsekretion an (was sich auf die Kalziumhomöostase auswirkt), aktiviert zahlreiche Enzyme im Kohlenhydrat- und Proteinstoffwechsel, und regt allgemein den Zellstoffwechsel an (Transport von Natrium, Kalium und Kalzium über die Zellmembran, Proteintransport). In der Zelle liegt es vor allem als ATP-Komplex vor (Kofaktor 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)
  ~1 mM/l  (0,75-1,10 mM/l bzw. 1,8-2,6 mg/dl)
Ionisierter Anteil (pH 7,4): 0,53-0,67 mM/l
Hypomagnesiämie bei ≤1,7 mg/dl
Hypermagnesiämie bei >4 mg/dl - Bereich zwischen 2,6 und 4 mg/dl klinisch unbedeutend

Harn: 2,5-8,5 mM/l
  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 Magnesiumhomöostase 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 DNS und reguliert die Aktivität von Polymerasen. Im Zytoplasma beeinflusst Mg++ die Aktivität hunderter Enzyme sowie RNS-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 Kalziumionen - 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 Kalziumionen verdrängen im Rahmen der elektromechanischen Kopplung Magnesium von den Bindungsstellen. Das Gleichgewicht ist bei Magnesiummangel zugunsten der Kalziumbindung 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 DNS- und RNS-Tertiärstruktur und ist notwendig für Struktur und Aktivität der DNS- und RNS-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 DNS-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).



 
Kalzium

     Übertriebene Kalziumaufnahme kann zum Burnett-Syndrom (Milch-Alkali-Syndrom) führen: Überangebot an Kalzium (Milch!) und leicht resorbierbaren Alkalien (Bikarbonat) 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 Kalziummangel (streng vegetarische Diät ohne Milchprodukte, Verdauungs- und Resorptionsstörungen, Magnesium- oder Vit. D-Mangel) kann eine Neigung zu Muskelkrämpfen bewirken (Hypokalzämie!).

Die Konzentration an ionisiertem Kalzium wird mittels selektiver Messelektroden bestimmt (Ionenaustauscher, Ag/AgCl-Bezugselektrode). Das Gesamt-Kalzium 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 Glukose). 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, Hyperkalzämie, 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, hat 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.
 


 
      Kalzium (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; Hypokalzämie besteht bei <2,1 mM, Hyperkalzämie bei >2,6 mM. ~40% des Serum-Kalziums ist proteingebunden, ~10% an Bikarbonat, Phosphat und Zitrat 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 hypokalzämische 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 (DNS, RNS) 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, Glukokortikoide, 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 Kalziumionen. Magnesiummangel oder erhöhter Verlust (starkes Schwitzen) erhöht die neuromuskuläre Erregbarkeit, es können Muskelkrämpfe und Gefäßspasmen auftreten
 

 

Eine Reise durch die Physiologie


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