Basiswissen Ernährung (Folge 20)

Kupfer (Cu) war bereits 5000 v. Chr. in Ägypten bekannt. Seine Bedeutung für den menschlichen Organismus wurde jedoch erst im vergangenen Jahrhundert erkannt. 1931 beobachtete H. W. Josephs erstmals einen Kupfermangel bei Säuglingen. 1974 wurde dann auch über Kupfermangel beim Erwachsenen berichtet [1]. Bei Kupfer handelt es sich um ein weiches duktiles Metall, das über eine sehr gute Leitfähigkeit verfügt und bereits seit Jahrtausenden genutzt wird. Im Periodensystem ist es in der 11. Gruppe zu finden. Die wichtigste Oxidationsstufe ist Cu (II), allerdings kann es auch als Cu (I) oder Cu (III) vorliegen [2]. In Gesteinen ist Kupfer meist als Sulfid-, Chlorid oder Carbonat-Verbindung zu finden. Aufgrund seiner besonderen Elektronenkonfiguration ist dieses Metall sehr gut geeignet, um biochemische Verbindungen einzugehen [3].

Kupfer liegt im Boden in einer mittleren Konzentration von 30 bis 150 µg vor. Abbaufähige Erze sind insbesondere in den USA, Kanada, Russland, Zaire, Rhodesien und Sambia zu finden. Da Kupfer über eine sehr gute thermale und elektrische Leitfähigkeit verfügt, wird es zu über 50 Prozent in der Klempnerei und im Heizungsbau verwendet. Zudem wird es in der Chemie als Katalysator eingesetzt. Im Weinbau findet Kupfersulfat (sog. Kupfervitriol) in Verbindung mit Kalk und Soda als "Bordeaux-Mischung" zur Bekämpfung von Mehltau Anwendung [2].

Vorkommen: Weit verbreitet

Kupfer ist in Lebensmitteln weit verbreitet [4]. Reich an Kupfer sind Innereien, vor allem Leber, aber auch Schalentiere, Nüsse, Kakao, Kaffee, Tee, Hülsenfrüchte sowie Vollgetreide. Sie weisen Kupfergehalte zwischen 0,3 bis über 2 mg/100 g auf. Kupferarm sind hingegen Milch, Zucker und stark ausgemahlenes Getreide [1]. Auch Frauenmilch ist kupferarm. In den ersten sechs Monaten fällt der Gehalt in der Frauenmilch von 0,6 auf 0,2 mg ab. Ein voll gestilltes Kind erhält pro Tag durchschnittlich 60 µg Kupfer/kg Körpergewicht. Da das Kind bereits von Geburt an über einen Kupferspeicher in der Leber verfügt und zudem in diesem Lebensabschnitt die Absorptionsrate erhöht ist, ist die Versorgung mit der Frauenmilch dennoch ausreichend. Ein stark erhöhter Kupfergehalt im Trinkwasser, der über 10 g/l liegt, wird bei Säuglingen mit Leberschäden wie der frühkindliche Leberzirrhose in Verbindung gebracht. Daher dürfen Kupferrohre nicht für Wasser aus Hausbrunnen mit einem pH-Wert unter 7,3 verwendet werden. Liegt der Kupfergehalt höher als 2 mg Kupfer/l, ist der Sicherheitsabstand zu möglicherweise gesundheitsschädlichen Konzentrationen nicht ausreichend [5].

Stoffwechsel: Aufnahmein zwei Schritten

Kupfer wird im gesamten Dünndarm, doch vor allem im Duodenum absorbiert. Auch im Magen ist dies geringfügig möglich. Die Absorption scheint in zwei Schritten abzulaufen. Kupfer wird von der mukosalen Bürstenmembran mittels passiver Diffusion aufgenommen. Die Abgabe ins Blut über die basolaterale Membran erfolgt mittels eines sättigbaren Carriersystems. Da Kupfer intrazellulär an verschiedene Proteine, insbesondere Metalloproteine, gebunden wird, ist die Aufnahme in die Mukosazelle noch keine Garantie für den Weitertransport in den Körper. Auch scheint die Konzentration der basolateralen Transporteure vom physiologischen Zustand und eventuell vom Kupferstatus abhängig zu sein. Möglicherweise kann man den Antagonismus von Zink- und Cadmium-Ionen, der unter extremen Bedingungen beobachtet werden kann, damit erklären, dass all diese Ionen die basolateralen Carrier nutzen. Insgesamt können für Kupfer hohe Absorptionsraten, die zwischen 55 und 75 Prozent liegen, beobachtet werden [1].

Nachdem Kupfer ins Blut abgegeben wurde, erfolgt eine Bindung an Albumin oder Transcuprein, einem spezifischen Transportprotein für Kupfer. So gelangt es über die Pfortader zur Leber, die es über einen Carrier-vermittelten Vorgang aufnimmt. Die Leber ist das Zentralorgan des Kupferstoffwechsels. Hier wird es gespeichert und in kupferhaltige Metalloenzyme eingebaut. Von zentraler Bedeutung ist das Caeruplasmin. Dabei handelt es sich um ein Glycoprotein mit spezifischer Bindungs- und Transportfunktion für Kupfer. Dieses wird von der Leber an das Blut abgegeben und ermöglichst so, dass das Spurenelement auch zu anderen Organen transportiert werden kann. Vom Gesamtkörperbestand von 80 bis 100 mg Kupfer werden rund 10 bis 15 mg in der Leber lokalisiert. Die übrigen Bestände finden sich in Muskulatur, Skelett, Gehirn, Herz und Nieren. Im Blut befinden sich lediglich 6% des Kupferbestandes, wovon 95 Prozent in Form von Caeruplasmin vorliegen [3].

Die Ausscheidung von Kupfer erfolgt hauptsächlich mit der Gallenflüssigkeit, wo es an Proteine, Gallensäuren und Aminosäuren gebunden wird. Da dieses gebundene Kupfer kaum reabsorbiert wird und die Höhe der Ausscheidung vom Versorgungszustand des Organismus abhängt, scheint die Ausscheidung zur Aufrechterhaltung des Kupfergleichgewichts von Bedeutung zu sein. Daneben kann Kupfer auch in kleinen Mengen direkt in den Darm abgegeben werden. Verluste via Urin oder Haut sind gering. Bei tubulären Defekten kann die renale Ausscheidung allerdings signifikant ansteigen [1].

Bioverfügbarkeit: Vielfältige Einflussfaktoren

Die Bioverfügbarkeit von Kupfer ist mehr von der Höhe der Kupferkonzentration im Lebensmittel abhängig als von der Nahrungszusammensetzung. Generell lässt sich sagen, dass die Bioverfügbarkeit von Kupfer von der Anwesenheit anderer Übergangselemente und Komplexbildnern in der Nahrung bestimmt wird. So wirken hohe Konzentrationen an Calcium, Zink, Eisen, Cadmium, Sulfid und Phytat absorptionshemmend, einige essenzielle Aminosäuren sowie Fumarat und Oxalat dagegen positiv auf die Bioverfügbarkeit. Für Ascorbinsäure konnte beobachtet werden, dass tägliche Supplementationen von 600 mg zwar keine negative Auswirkung auf die Absorption haben, jedoch die Caeruplasminkonzentration senken. Möglicherweise können extrem hohe Vitamin-C-Gaben wegen ihrer reduzierenden Wirkung die Oxidase-Aktivität von Caeruplasmin beeinträchtigen [1].

Funktionen: In Enzymen gefragt

Kupfer ist für eine Reihe von Enzymen von Bedeutung (Tab. 1). Dabei handelt es sich vielfach um Oxidoreduktasen mit einem hohen Redoxpotenzial. Wichtige Vertreter sind Ferrooxidasen, zu denen auch Caeruplasmin (Ferrooxidase I) zählt. Es katalysiert u.a. die Oxidation von Eisen (II) zu Eisen (III). Dadurch wird Eisen mobilisiert und kann somit vom Intestinaltrakt oder den Speichern an den Ort der Hämoglobinsynthese transportiert werden. Kupfer ist auch in der Cytochrom-c-Oxidase, dem Endglied in der Elektronentransportkette und limitierender Faktor der Elektronentransportrate, enthalten. Ebenfalls spielt es für die Superoxid-Dismutase eine Rolle. Dieses Enzym katalysiert die Reaktion von Superoxid-Radikalen zu Peroxiden, die schließlich von der Katalase oder der Selen-abhängigen Glutathion-Peroxidase zu Wasser umgesetzt werden. Auch beim extrazellulären Caeruplasmin bzw. den intrazellulären Kupferthioneinen kann eine antioxidative Wirkung beobachtet werden. Weiterhin ist Kupfer in Oxidoreduktasen in Form der Lysyl-Oxidase für die Ausbildung von Kollagen- und Elastin-Querverbindungen verantwortlich, während die Cytochrom-c-Oxidase für die Synthese der Phospholipide in der Myelinschicht der Nerven zuständig ist. Außerdem sind Kupferenzyme in den Katecholaminstoffwechsel (Dopamin-β-Hydroxylase, Monoamin-Oxidase) und bei der Bildung von Melanin (Tyrosinase), das die Pigmentierung von Augen, Haaren und Haut bestimmt, eingebunden. Schließlich werden durch kupferhaltige Diamin- und Amin-Oxidasen viele biogene Amine wie Histamin, Tyramin, Dopamin und Putreszin inaktiviert [1].

Bedarf: Bitte schätzen

Bislang sind die Kenntnisse zum Kupferbedarf des Menschen vergleichsweise gering. Daher gibt die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) lediglich Schätzwerte zum Bedarf an (Tab. 2). Für den gesunden Erwachsenen sind dies 1,0 bis 1,5 mg/d. Nach dem aktuellen Kenntnisstand kann mit dieser Menge der Bedarf ausreichend gedeckt werden. Da Kupfer ubiquitär verbreitet ist und auch die Bioverfügbarkeit vergleichsweise gut ist, ist die Kupferversorgung der Bevölkerung im Allgemeinen sichergestellt [3] (Tab. 3). Die tatsächliche tägliche Zufuhr beträgt 2 mg, so dass Kupfer nicht zu den kritischen Spurenelementen zu zählen ist [4]. Für Personen, die total parenteral ernährt werden, wird eine Zufuhr von 0,5 bis 1,5 mg Kupfer/ d empfohlen, wobei bereits 0,3 mg/d für die Aufrechterhaltung des Kupferstatus eines Erwachsenen ausreichend sind. In der Schwangerschaft erhält das Ungeborene ab der zweiten Schwangerschaftshälfte täglich etwa 50 µg/kg Körpergewicht Kupfer. Die Schwangere reduziert hierzu die biliäre Kupferexkretion, so dass kein Mehrbedarf notwendig ist. Während reif geborene Säuglinge über einen Kupferspeicher in der Leber verfügen, der im letzten Trimenon angelegt wurde, sind Frühgeborene schlecht mit Kupfer versorgt. Zudem ist ihr Bedarf durch das Aufholwachstum und die unausgereiften, Carrier-vermittelten intestinalen Absorptionsmechanismen erhöht. Aus diesem Grunde wird Frühgeborenen eine Supplementierung von 900 µg Kupfer/l in der Flaschenmilch empfohlen [2].

Kupfermangel und die Folgen

Ein schwerer Kupfermangel ist durch einen drastischen Abfall des Kupferserumspiegels bzw. von Caeruplasmin erkennbar, aber auch die Aktivitäten von kupferhaltigen Enzymen wie der Superoxid-Dismutase können als sensitive Indikatoren dienen [1]. Ein nutritiv bedingter Kupfermangel ist beim Menschen äußerst selten. Eher treten Versorgungslücken wegen einer gestörten gastrointestinalen Absorption auf. Ursachen dafür können Zöliakie und das Kurzdarmsyndrom sein. Auch erhöhte Verluste, wie sie beim nephrotischen Syndrom auftreten, können zu einem Mangel führen. Da der Eisenstoffwechsel eng mit dem Kupferstoffwechsel verbunden ist, äußert sich ein Mangel in einer mikrozytären Anämie. Da Caeruplasmin nur unzureichend gebildet werden kann, ist die Umwandlung von Eisen beeinträchtigt und die Hämoglobinsynthese vermindert. Weiterhin ist der Kollagen- und Elastinstoffwechsel eingeschränkt. Dadurch ist nicht nur die Knochenbildung gestört und das Frakturrisiko erhöht, sondern auch die Gefahr für kardiovaskuläre Schäden höher. Zudem können Pigmentstörungen bei Haut und Haaren und eine Kräuselung der Haare beobachtet werden (Tab. 4). In sehr wenigen Fällen beruht ein Kupfermangel auf einem genetischen Defekt. Bekannt ist das Beispiel der rezessiv, X-chromosomal vererbten Menke‘s kinky hair disease. Dabei sind sowohl die intestinale Kupferabsorption und der Kupferstoffwechsel gestört. Bereits im Säuglingsalter ist diese Erkrankung mit schweren Komplikationen verbunden und führt meist im Alter von zwei bis drei Jahren zum Tod [3].

Kupferintoxikation und die Folgen

Vergleicht man die Toxizität von Kupfer mit anderen Metallen, so kann diese als relativ gering eingestuft werden. Dennoch kann eine akzidentielle oder suizidale Kupferaufnahme genauso wie die Inhalation des Metalls am Arbeitsplatz akute Intoxikationserscheinungen hervorrufen. Lösliche Kupferionen, etwa in Fruchtsäften, die längere Zeit mit kupferhaltigen Gefäßen oder Leitungen in Kontakt gekommen waren, können bereits in Milligramm-Dosen zu Erbrechen führen. Daher wurden früher Kupfersulfatlösungen als Emetikum eingesetzt.

Werden mehrere Gramm Kupfer aufgenommen, kann dies zu Hämolyse, Leber- und Nierenschäden bis hin zu Koma oder Tod führen, da es im Vergleich zu anderen Metallen besser absorbiert wird. Die letale Dosis bei oraler Aufnahme liegt für Kupfer bei 10 g. Bei Inhalation von Stäuben und Dämpfen, die beim Schmelzen von Kupfererzen und bei der Verarbeitung des Metalls entstehen, kann es zu akuten Irritationen der oberen Luftwege kommen. Dennoch sind keine Schäden der Luftwege, die allein durch Kupfer bedingt sind, bekannt. Auch kann dem Metall weder eine teratogene, mutagene oder karzinogene Wirkung zugeschrieben werden. So wird die erhöhte Inzidenz von Lungenkarzinomen, die bei Arbeitern in Kupferhütten festgestellt wurden, auf erhöhte Arsenbeimengungen zurückgeführt. In Europa konnten zudem chronische Intoxikationen, die alimentär bedingt sind nicht beobachtet werden [2]. Ob kupferhaltige Intrauterinpessare (Spirale) chronische Kupferintoxikationen verursachen, ist bislang ungeklärt [1].

Um Intoxikationen zu therapieren, wird D-Penicillamin eingesetzt, wodurch die renale Ausscheidung von Kupferionen gesteigert wird. Liegt eine Überempfindlichkeit gegenüber diesem Chelator vor, ist auch Triethylentetramindihydrochlorid wirksam [2].

Neben Intoxikationen kann es auch zu einer Kupferüberladung in verschiedenen Organen und Geweben kommen, wenn Personen von der autosomal-rezessiv vererbten Stoffwechselerkrankung Morbus Wilson betroffen sind. Diese Erkrankung beruht auf einer Mutation in dem auf Chromosom 13 lokalisierten Wilson-Gen. Dies führt zur Abnahme der biliären Kupferausscheidung. Vor allem sind Leber, Niere, Auge und Gehirn von der daraus resultierenden Kupferüberladung betroffen. Die Erkrankung manifestiert sich klinisch meist zwischen dem 15. und 40. Lebensjahr. Dabei treten nicht nur neurologische Symptome wie Dyskinese, Akinese, Rigor und Spastik, sondern meist auch abdominal-hepatische Beschwerden auf. So kommt es in schweren Fällen zur Hepatitis, die sich bis zur Leberzirrhose entwickeln kann. Charakteristisch für diese Erkrankung ist der Kayser-Fleischer-Kornealring, einer pigmentförmigen Kupferablagerung in der Cornea des Auges [3]. Morbus Wilson-Patienten sollten theoretisch nicht mehr als 0,6 mg Kupfer am Tag aufnehmen, doch eine streng kupferarme Diät ist kaum praktikabel und wenig wirksam. Patienten sollten dennoch stark kupferhaltige Lebensmittel wie Leber, Niere, Gehirn, Nüsse u.a. meiden. Der Verzehr von Milch, Butter, Käse, Eiern, raffiniertem Zucker, Getreide, Reis, Nudeln sowie frischem Obst und blattarmen Gemüse muss nicht eingeschränkt werden. Insgesamt ist die kupferreduzierte Kost nur eine flankierende Maßnahme in der Therapie, die parallel zur medikamentösen Therapie mit D-Penicillamin empfohlen wird [6].

Weitere Stoffwechselstörungen, die mit Kupfer in Verbindung gebracht werden, sind "Cutis laxa" und die amyotrophe laterale Sklerose. Bei "Cutis laxa" handelt es sich um eine X-chromosomal rezessiv vererbte Erkrankung. Dabei mangelt es an der kupferabhängigen Lysyloxidase, die die Kollagenfibrillen vernetzt. Die amyotrophe laterale Sklerose ist eine neurodegenerative Erkrankung. Sie kann sowohl in sporadischer als auch als erbliche Form auftreten. Bei der erblichen Form bewirkt eine Mutation der Cu, Zn-Superoxid-Dismutase (SOD-1), dass diese als Peroxidase wirkt. So können in Gegenwart von Kupfer freie Radikale entstehen, die eine Oxidation und Aggregation von Proteinen verursacht, aber auch den axonalen Transport verlangsamt und die Neurofilamente der motorischen Neuronen schädigt. Da somit die Motorneuronen im Rückenmark und im Gehirn verloren gehen, resultiert daraus eine fortschreitende Muskelschwäche [2].

• Folge 1: Nahrungsenergie (DAZ Nr. 18/2006, S. 57f)
• Folge 2: Kohlenhydrate (DAZ Nr. 22/2006, S. 64f)
• Folge 3. Fette (DAZ Nr. 27/2006, S. 51f)
• Folge 4: Proteine (DAZ Nr. 31/2006, S. 46f)
• Folge 5: Vitamin A (DAZ Nr. 36/2006, S. 68f)
• Folge 6: Vitamin D (DAZ Nr. 41/2006, S. 80f)
• Folge 7: Vitamin E (DAZ Nr. 44/2006, S. 68f)
• Folge 8: Vitamin K (DAZ Nr. 50/2006, S. 60f)
• Folge 9: Vitamin B₁ (DAZ Nr. 1/2007, S. 71f)
• Folge 10: Vitamin B₂ (DAZ Nr. 5/2007, S. 64f)
• Folge 11: Calcium (DAZ Nr. 9/2007, S. 50f)
• Folge 12: Kalium (DAZ Nr. 13/2007, S. 73f)
• Folge 13: Natrium und Chlorid (DAZ Nr. 18/2007, S. 72f)
• Folge 14: Magnesium (DAZ Nr. 22/2007, S. 80f)
• Folge 15: Phosphor (DAZ Nr. 27/2007, S. 81f)
• Folge 16: Eisen (DAZ Nr. 31/2007, S. 58f)
• Folge 17: Jod (DAZ Nr. 36/2007, S. 68f)
• Folge 18: Fluor (DAZ Nr. 41/2007, S. 80f)
• Folge 19: Zink (DAZ Nr. 45/2007, S. 90f)