Eisenresorption, Eisentransport und Erythrozytenabbau
Der Weg des Eisens von der Aufnahme im Dünndarm über Transferrin und Ferritin bis zur Wiederverwertung beim Abbau alter Erythrozyten.
Das Wichtigste in Kürze
- Der Eisenhaushalt ist ein fast geschlossener Kreislauf aus Resorption im Dünndarm, Transport an Transferrin, Speicherung in Ferritin und Recycling beim Erythrozytenabbau.
- Enterozyten nehmen Eisen apikal als \(\ce{Fe^2+}\) über DMT1 auf, Häm-Eisen aus tierischer Nahrung als intaktes Häm.
- Basolateral verlässt Eisen den Enterozyten als \(\ce{Fe^2+}\) über das Transportprotein Ferroportin, Hephaestin oxidiert es danach zu \(\ce{Fe^3+}\).
- Transferrin transportiert im Plasma zwei \(\ce{Fe^3+}\) je Molekül, Ferritin speichert Eisen intrazellulär als \(\ce{Fe^3+}\).
- Beim Häm-Abbau in Makrophagen entstehen Biliverdin, \(\ce{Fe^2+}\) und \(\ce{CO}\), anschließend das gelbe Bilirubin; das Eisen wird wiederverwertet.
Worum es geht
Ohne Eisen kann das Knochenmark kein Hämoglobin bilden. Der Körper nimmt Eisen deshalb gezielt auf, transportiert und speichert es an Proteine gebunden und verwertet es aus alten Erythrozyten fast vollständig wieder. Für die Pharmazie ist das die Grundlage, um Eisenmangel, Eisenpräparate und Laborwerte wie Ferritin zu verstehen.
Eisenkreislauf im Überblick
Der größte Teil des Körpereisens steckt im Hämoglobin der Erythrozyten. Für die laufende Neubildung roter Blutkörperchen braucht das Knochenmark täglich etwa 20 bis 25 mg Eisen. Aus der Nahrung stammen davon nur 1 bis 2 mg. Den Rest liefert das Recycling.
Man kann sich den Eisenhaushalt wie einen fast geschlossenen Kreislauf vorstellen. Er hat vier Stationen:
- Aufnahme im Dünndarm
- Transport im Plasma an Transferrin
- Speicherung in Ferritin, vor allem in Leber, Milz und Knochenmark
- Recycling beim Abbau alter Erythrozyten in Makrophagen
Einen aktiven Ausscheidungsweg für Eisen gibt es kaum. Die Menge im Körper wird deshalb über die Resorption im Darm gesteuert.
Resorption im Dünndarm
Eisen wird im Dünndarm resorbiert, vor allem im Duodenum. Die resorbierenden Zellen sind die Enterozyten (zum Bau siehe Gliederung des Magen-Darm-Kanals). Ihre zum Darmlumen gerichtete Seite heißt apikal, die zum Blut gerichtete basolateral.
Apikale Aufnahme
Eisen gelangt auf zwei Wegen in den Enterozyten. Nicht-Häm-Eisen liegt in der Nahrung meist als \(\ce{Fe^3+}\) vor. Eine Reduktase der Bürstensaummembran, Dcytb, reduziert es zu \(\ce{Fe^2+}\). Erst dann nimmt der Transporter DMT1 (divalenter Metalltransporter 1) das zweiwertige Eisen auf.
Häm-Eisen aus tierischer Nahrung wie Fleisch geht einen eigenen Weg. Der Enterozyt nimmt es als intaktes Häm auf (zum Aufbau des Häms siehe Hämoglobin). Im Zellinneren öffnet die Hämoxygenase den Porphyrinring und setzt \(\ce{Fe^2+}\) frei. Ab hier mündet es in denselben Eisenpool wie das Nicht-Häm-Eisen.
Basolaterale Abgabe
Im Enterozyten hat das Eisen zwei Möglichkeiten. Es wird entweder in Ferritin gespeichert oder an das Blut abgegeben. Die Abgabe erfolgt über ein spezifisches Transportprotein, das Ferroportin. Es schleust Eisen als \(\ce{Fe^2+}\) durch die basolaterale Membran. Die membranständige Ferroxidase Hephaestin oxidiert es direkt danach zu \(\ce{Fe^3+}\), damit Transferrin es binden kann.
Das Leberhormon Hepcidin hemmt Ferroportin. Sind die Speicher voll, gelangt so weniger Eisen ins Blut.
Transport und Speicherung
Freies Eisen ist im Körper gefährlich. Zweiwertiges Eisen katalysiert die Fenton-Reaktion und erzeugt dabei aggressive Hydroxylradikale:
\[\ce{Fe^2+ + H2O2 -> Fe^3+ + OH- + OH^{\bullet}}\]
Deshalb liegt Eisen im Plasma und in den Speichern fest an Proteine gebunden vor, und zwar als \(\ce{Fe^3+}\).
- Transportprotein des Plasmas, gebildet in der Leber
- bindet pro Molekül zwei \(\ce{Fe^3+}\)
- liefert Eisen über den Transferrinrezeptor an Zellen, vor allem an Vorläufer der Erythrozyten im Knochenmark
- intrazelluläres Speicherprotein, vor allem in Leber, Milz, Knochenmark und Enterozyten
- Hohlkugel aus 24 Untereinheiten, die bis zu etwa 4500 Eisenatome aufnimmt
- lagert Eisen als \(\ce{Fe^3+}\) in Form eines Eisen(III)-oxidhydroxids
Transferrin gehört zu den Plasmaproteinen. Die Zielzelle nimmt den beladenen Komplex durch Endozytose auf. Im sauren Endosom löst sich das Eisen ab. Ferritin gibt sein Eisen bei Bedarf wieder frei. Kleine Mengen Ferritin gelangen ins Serum. Der Serumferritinwert spiegelt deshalb die Größe der Eisenspeicher wider.
Durch Membranen wandert Eisen als \(\ce{Fe^2+}\). Gebunden an Transferrin und gespeichert in Ferritin liegt es als \(\ce{Fe^3+}\) vor. In zweiwertiger Form wird Eisen intrazellulär nicht gespeichert.
Abbau der Erythrozyten
Ein Erythrozyt lebt etwa 120 Tage (zu seiner Bildung siehe Erythropoiese). Gealterte Zellen werden starrer. Makrophagen vor allem der Milz fangen sie ab und bauen sie ab. Das Hämoglobin zerfällt dabei in das Protein Globin und das Häm. Globin wird zu Aminosäuren abgebaut.
Vom Häm zum Bilirubin
Der Abbau des Häms verläuft in zwei Schritten:
- Ringöffnung: Die Hämoxygenase spaltet den Porphyrinring. Es entstehen das grüne Biliverdin, freies \(\ce{Fe^2+}\) und Kohlenmonoxid (\(\ce{CO}\)).
- Reduktion: Die Biliverdin-Reduktase reduziert Biliverdin zum gelben Bilirubin.
- Abtransport: Bilirubin ist schlecht wasserlöslich. Es gelangt an Albumin gebunden zur Leber.
Bilirubin ist also das eisenfreie, gelbe Abbauprodukt des Häms. Diese Farbstoffkette kennt man vom blauen Fleck, der sich über Grün nach Gelb verfärbt. Wie die Leber Bilirubin weiterverarbeitet, steht unter Stoffwechselleistungen der Leber.
Eisen wird wiederverwertet
Das freigesetzte Eisen geht nicht verloren. Makrophagen speichern es in Ferritin oder geben es über Ferroportin an Transferrin ab. So kehren täglich rund 20 bis 25 mg Eisen ins Knochenmark zurück.
Die Abbauprodukte der Erythrozyten sind damit Bilirubin, Eisen-Ionen und die Aminosäuren des Globins. Hämolysine gehören nicht dazu, denn sie sind Auslöser und kein Produkt des Zerfalls. Es handelt sich um Stoffe wie bakterielle Toxine, die Erythrozytenmembranen auflösen. Auch Myoglobin entsteht hier nicht. Es ist ein eigenständiges Sauerstoffspeicherprotein der Muskulatur.
Quiz
Aussage 1
Ferritin speichert Eisen in den Zellen in zweiwertiger Form, damit es rasch wieder verfügbar ist.
Ferritin lagert Eisen als \(\ce{Fe^3+}\). Zweiwertiges Eisen wird intrazellulär nicht gespeichert, weil es Radikalreaktionen katalysiert.
Aussage 2
Beim Abbau gealterter Erythrozyten in der Milz entsteht Myoglobin.
Myoglobin ist ein eigenständiges Sauerstoffspeicherprotein der Muskulatur. Abbauprodukte sind Bilirubin, Eisen-Ionen und die Aminosäuren des Globins.
Aussage 3
Nicht-Häm-Eisen wird über DMT1 in dreiwertiger Form in den Enterozyten aufgenommen.
DMT1 transportiert nur zweiwertiges Eisen. \(\ce{Fe^3+}\) muss vorher durch Dcytb zu \(\ce{Fe^2+}\) reduziert werden.
Aussage 4
Häm-Eisen aus Fleisch gelangt als intaktes Häm in den Enterozyten und wird dort durch die Hämoxygenase freigesetzt.
Häm wird als Ganzes aufgenommen. Erst im Zellinneren öffnet die Hämoxygenase den Ring und setzt \(\ce{Fe^2+}\) frei.
Aussage 5
Ferroportin schleust Eisen als \(\ce{Fe^2+}\) über die basolaterale Membran des Enterozyten ins Blut.
Ferroportin ist das spezifische basolaterale Transportprotein. Erst danach oxidiert Hephaestin das Eisen zu \(\ce{Fe^3+}\).
Aussage 6
Ein Transferrinmolekül kann zwei dreiwertige Eisen-Ionen binden.
Transferrin bindet pro Molekül zwei \(\ce{Fe^3+}\) und transportiert sie im Plasma zu den Zielzellen.
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