Calcium für starke Knochen und Zähne

Das Mengenelement Calcium gehört zur Gruppe der Erdalkalimetalle und ist das fünfthäufigste Element auf der Erde [1]. Bereits im Jahr 1808 wurde es von dem Engländer Sir Humphrey Davy entdeckt; etwa 100 Jahre später wurde die Bedeutung des Calciums für die Blutgerinnung und Proteolyse erkannt. Im Serum des menschlichen Körpers beträgt die Calciumkonzentration normalerweise 10 bis 12 mg/dl (2,2 bis 2,6 mmol/l). Das biologisch aktive Calcium, das durch Zellmembranen diffundieren kann, liegt in ionisierter Form (Ca²⁺) vor. Der Anteil beträgt etwa 46% (5 bis 7 mg/dl). Weitere 14% (0,1 bis 2,3 mg/dl) sind komplex gebunden; insbesondere als anionischer Citratkomplex. Weitere 39% (3,5 bis 4 mg/dl) sind proteingebunden und somit nicht diffusionsfähig [2].

Zu den relevanten Calciumlieferanten sind Milch und Milchprodukte, aber auch einige Gemüsesorten sowie Kräuter und Nüsse zu zählen (Tab. 1). Muskelfleisch, Fisch, Obst oder Getreide enthalten Calcium dagegen nur in unbedeutenden Mengen [3]. Milch und Milchprodukte sind in jedem Lebensalter gute Calciumlieferanten. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) empfiehlt, vor allem fettarme Produkte zu verzehren [4]. Milch enthält, unabhängig vom Fettgehalt etwa 120 mg Calcium pro Liter. Da Milchprodukte in der Regel einen verminderten Wassergehalt aufweisen, findet sich darin entsprechend mehr Calcium. Das calciumreichste Lebensmittel ist alter, dehydrierter Parmesan mit ca. 1200 mg/100 g. Aber auch Hartkäse wie Emmentaler (ca. 900 mg/100 g) zählen zu den calciumreichen Lebensmitteln. Einzig in Milchprodukten wie Quark oder Frischkäse, bei denen Calcium durch Säurefällung aus den Bindungsstellen verdrängt und am Ende zusammen mit der Molke entfernt wird, finden sich weniger als 100 mg Calcium/100 g. Auch ist der Fettgehalt entscheidend: je fetter das Produkt, desto weniger Calcium ist enthalten [3]. Vorteilhaft ist, dass auch Personen mit Lactoseintoleranz eine Reihe von Milchprodukten wie Joghurt oder gereiften Käse ohne abdominelle Beschwerden vertragen. Weiterhin können einige Gemüsearten wie Broccoli, Grünkohl, Fenchel oder Lauch sowie Mineralwässer, die mehr als 150 mg Calcium/l enthalten, zur Bedarfsdeckung beitragen [4]. Zudem weisen Kräuter, u. a. Basilikum und Kerbel, hohe Calciumgehalte auf, allerdings werden sie nur als Gewürze verwendet und sind somit nicht von quantitativer Bedeutung. Ebenso verfügen Haselnüsse, Sesamsamen und Mandeln über größere Calciummengen (225 bis 785 mg Calcium/100 g); nachteilig ist jedoch der hohe Fettgehalt dieser Lebensmittel [3].

Die Bioverfügbarkeit von Calcium kann sowohl positiv als auch negativ beeinflusst werden. Vitamin D, einige Zuckerarten wie Lactose bzw. Aminosäuren wie Lysin und Arginin sowie Fruchtsäuren, z. B. Citrat und Malat, fördern die Bioverfügbarkeit. Dagegen wirken Protein, Phosphor (in Wurstwaren und sogenannten Erfrischungsgetränken), Phytat, Oxalat, Galacturonsäure, Cellulose und gesättigte Fettsäuren hemmend (weitere Einflussfaktoren sind in Tabelle 2 aufgeführt) [2]. Weiterhin wird die Calciumabsorption durch Glucocorticoide, Phenytoin, Diarrhoe und Malabsorption herabgesenkt [5].

Stoffwechsel und Homöostase

Die Absorption von Calcium ist einerseits von der Nahrungszusammensetzung und andererseits von physiologischen Faktoren wie dem Calcium- und Vitamin-D-Status, dem Alter und einer möglichen Schwangerschaft oder Laktation abhängig [2]. Absorbiert wird Calcium im Duodenum und im Jejunum. Dies geschieht sowohl über einen aktiven transepithelialen Mechanismus als auch durch transzelluläre nicht sättigbare Diffusion. Die aktive Aufnahme ist sättigbar und erfolgt mit Hilfe des calciumbindenden Proteins, dem sogenannten Calbindin. Dessen Bildung wird von Vitamin D induziert. Calbindin fungiert als spezifischer Calciumcarrier, indem es den Mineralstoff durch die Enterozyten zur basolateralen Membran transportiert. Bei erhöhtem Bedarf steigt der aktive Transport, bei Vitamin-D-Mangel kann er dagegen nicht stattfinden [1; 2]. Die Resorptionsquote liegt zwischen 20 und 60%. Sie wird durch die Homöostase, die Löslichkeit der aufgenommenen Calciumverbindungen sowie durch Aufnahme-fördernde und -hemmende Verbindungen beeinflusst [3].

In der basolateralen Membran ist eine Ca²⁺ -ATPase lokalisiert, über die Calcium ins Blut gelangen kann [1]. Dort erfolgt durch hormonelle Gegenregulation eine sehr schnelle Verteilung in intrazelluläre Kompartimente, so dass der Plasmaspiegel kaum variiert. Der Hauptspeicher für Calcium im Körper sind die Knochen: Hier werden etwa 99% des Gesamtbestandes gespeichert, und täglich werden dort bis zu 1000 mg Calcium ausgetauscht. Nicht nur die Aktivierung von Osteoblasten und -klasten ist dafür erforderlich, sondern auch die Bereitstellung von Phosphat durch alkalische Phosphatase. Die Ausscheidung, die hormonell reguliert wird, erfolgt ausschließlich renal. Daneben gehen auch über die Galle- und Pankreassekretion sowie den Schweiß erhebliche Mengen verloren [1; 3]. Gesteigert wird die Ausscheidung in Abhängigkeit von der Dosis durch Speisesalz und Proteine, die einen hohen Anteil an schwefelhaltigen Aminosäuren (vor allem in tierischen Proteinen) haben [4].

Der Calcium-Plasmaspiegel wird in einem relativ engen Rahmen bei 2,2 bis 2,5 mmol/l konstant gehalten. Mehrere Hormonsysteme sind an der Regulation beteiligt. Eine zentrale Bedeutung haben Vitamin D, Parathormon (PTH) und Calcitonin. Weiterhin sind die Schilddrüsenhormone Thyroxin und Trijodthyronin, aber auch Estrogene, Androgene, Insulin und Glucagon an der Regulation beteiligt. Wenn der Calcium-Plasmaspiegel sinkt, wird aus der Nebenschilddrüse PTH ausgeschüttet. Dieses bewirkt dann in der Niere eine verstärkte Umwandlung von 25-Hydroxycholecalciferol (25-(OH)-D₃) in die biologisch aktive Form 1,25-Dihydroxycholecalciferol (1,25-(OH)₂ -D₃), wodurch in der Darmschleimhaut die Bildung von Calbindin induziert wird, so dass die Calciumabsorption ansteigt. 1,25-(OH)₂ -D₃ fördert zudem synergistisch mit PTH die Calciummobilisierung in den Knochen. Weiterhin wird die Reabsorption von Calcium in der Niere gesteigert und die renale Ausscheidung vermindert. Durch all diese Mechanismen wird der Calciumspiegel im Blut erhöht. Wird jedoch ein bestimmter Schwellenwert überschritten, wird Calcitonin sezerniert, das antagonistisch zu PTH wirkt. Es senkt den Calcium-Plasmaspiegel, indem es zusammen mit Estrogen die Einlagerung von Calcium in die Knochen verstärkt und gleichzeitig die tubuläre Reabsorption senkt [1].

Funktionen: Knochen und Zähne brauchen Calcium

Für den menschlichen Organismus ist Calcium mengenmäßig der wichtigste Mineralstoff. Zusammen mit Phosphat ist es in Form von Hydroxylapatit (Ca₁₀ (OH)₂ PO₄)₆ Bestandteil von Knochen und Zähnen und stabilisiert somit das Hartgewebe. Knochen sind nicht nur aufgrund ihrer Stützfunktion bedeutend, sondern dienen auch als Calciumdepot und sind daher entscheidend an der Calcium-Homöstase beteiligt: Sinkt der Calciumspiegel im Serum, so wird aus den Knochen Calcium freigesetzt [1]. Weiterhin agiert Calcium als "second messenger" und koppelt die Erregung von hormonellen und neuronalen Rezeptoren an zelluläre Stoffwechselvorgänge. So können Kinasen direkt oder indirekt gemeinsam mit Diacylglycerin oder über die Aktivierung der NO-Synthetase und der Guanylatcyclase aktiviert werden. Diese Kinasen aktivieren wiederum diverse Enzyme. Daneben werden in vielen Zellen durch Calcium Kaliumkanäle geöffnet. Beispielsweise führt ein Anstieg der freien Ca²⁺ -Konzentration von 10^-7 auf 10^-6 bis 10^-5 mol/l zur Bindung an Troponin, wodurch die Aktin-Myosin-Bindung aufgehoben wird, woraus letztlich die Kontraktion der glatten und quergestreiften Muskulatur resultiert. In der Herzmuskulatur wird Calcium über eine Ca²⁺ -ATPase und einen Na⁺ /Ca²⁺ -Austausch-Carrier sehr schnell wieder aus den Zellen entfernt, wodurch der rasche Wechsel zwischen Kontraktion und Dilatation in den Herzmuskelfasern ermöglicht wird. Eine weitere Aufgabe hat Calcium während des Aktionspotenzials. Bei der Reizübertragung im Nervensystem strömt extrazelluläres Calcium ein, so dass Neurotransmitter aus den Vesikeln der Synapsen freigesetzt werden. Weiterhin beeinflusst es die Sekretion endokriner Drüsen und ist an der Aktivierung der Blutgerinnungskaskade beteiligt. Letztlich fördert es die Integrität der Plasmamembran und die Abdichtung der Epithelien in Darm und Gefäßen [5]. Daneben werden auch potenzielle Funktionen diskutiert: Dazu zählt der protektive Effekt bezüglich des Coloncarzinoms. Im Tierversuch konnte gezeigt werden, dass eine erhöhte intrazelluläre Calciumkonzentration die Fett- bzw. Gallensäure-induzierte Zellproliferation der Colonmukosa hemmt; der Mechanismus ist bislang nicht geklärt. Außerdem wurden bei Hypertonikern oft niedrige Calciumspiegel im Plasma beobachtet. Es wird vermutet, dass Calcium auch den Blutdruck beeinflusst. Unklar ist bislang, ob der mögliche Effekt Folge oder Ursache des Bluthochdrucks ist [2].

Calciumzufuhr bei Älteren oft zu niedrig

Die DGE empfiehlt für Frauen und Männer ab dem 19. Lebensjahr eine tägliche Calcium-Aufnahme von 1000 mg [4] (Tab. 3 und 4). Ziel ist ab dem 25. bis 30. Lebensjahr eine ausgeglichene Calciumbilanz [2]. Dies ist bereits mit einer Mindestzufuhr von 500 mg Calcium/d möglich. Um jedoch eventuelle Schwankungen abzufangen, wird bei der Empfehlung ein Sicherheitszuschlag berücksichtigt [3]. Eine überhöhte Zufuhr zeigt allerdings weder einen positiven Effekt auf die Calciumbilanz noch auf den Knochenmineralgehalt, da der Überschuss via Fäzes und Urin ausgeschieden wird [4]. Weiterhin muss stets beachtet werden, dass gleichzeitig vermehrt Vitamin D aufgenommen werden muss, damit Calcium im Körper gespeichert werden kann [2]. Für Säuglinge wird die erforderliche Calciumzufuhr auf 400 mg/d geschätzt; dieser Wert ergibt sich einerseits aus dem Calciumgehalt in Frauenmilch (220 mg Calcium/750 ml), andererseits aus der Absorptionsrate von ca. 67%. In der Phase der Pubertät und Adoleszenz liegt der alimentäre Calciumbedarf zwischen 1000 und 1500 mg/d, um eine maximale Calciumretention sowie maximale Knochenmineralisation zu erzielen. Da bislang der präventive Nutzen einer sehr hohen Zufuhr nicht belegt werden konnte, wurde die Empfehlung für diesen Lebensabschnitt auf 1200 mg/d festgelegt [4], denn in der Phase des Knochenaufbaus ist eine positive Calciumbilanz notwendig [2].

In der Schwangerschafts- und Stillzeit bleiben die Zufuhrempfehlungen unverändert. Zwar kommt es zu einem Knochenmineralverlust, da die Frau zusätzlich Calcium bereitstellen muss und es zu einer hormonellen Umstellung kommt, doch wirken sich sowohl mehrere Geburten als auch lange Stillzeiten nicht Osteoporose-fördernd aus, da nach dem Abstillen durch erneute hormonelle Anpassungsmechanismen die Knochenmasse wieder ausgeglichen wird. Dagegen kann für Frauen nach der Menopause ein Knochenmasseverlust nicht allein durch die Nahrung aufgehalten werden. Die Calciumeinlagerung kann aber bei gleichzeitiger Calciumaufnahme und Estrogengabe gesteigert werden. Ein Optimum für die Calciumzufuhr ab dem 50. Lebensjahr ist nicht bekannt und obwohl der Bedarf sicherlich erhöht ist, dürfte dieser mit 1000 mg/d gedeckt werden können [4].

Die in Deutschland realisierte Zufuhr wird im Durchschnitt nur in der Altersklasse der über 65-Jährigen nicht erreicht, doch es gibt auch bei den jüngeren Altersgruppen einen erheblichen Anteil, deren Calciumversorgung suboptimal ist.

Calciummangel und die Folgen

Wenn im Plasma die Konzentration an ionisierten Ca²⁺ -Ionen zu gering ist, kommt es zur Tetanie, die mit Parästhesien, schmerzhaften tonischen Krämpfen oder generalisierten Krampfanfällen einhergeht. Von einer "normocalcämischen Tetanie" spricht man im Falle einer Alkalose: Plasmacalcium bindet verstärkt an Plasmaproteine, so dass der Anteil der biologisch aktiven Ca²⁺ -Ionen sinkt. Die "echte" Hypocalcämie tritt in Folge eines PTH-Mangels auf. Dieser kommt zustande, wenn versehentlich Epithelkörperchen im Rahmen einer Schilddrüsenoperation entfernt werden oder wenn wie beim selten auftretenden Pseudohyperparathyreoidismus die PTH-Wirkung durch eine Mutation des Guanin-bindenden Proteins im Erfolgsorgan inhibiert wird. Leiden Mütter an Hyperparathyreoidismus, so sind deren Neugeborene von der rasch verschwindenden neonatalen Tetanie betroffen. Daneben kann bei ausgeprägter Niereninsuffizienz überschüssiges Phosphat die Konversion von 25-(OH)-D₃ zu 1,25-(OH)₂ -D₃ blockieren und zur Hypocalcämie führen, die gleichsam bei unzureichender alimentärer Zufuhr von Vitamin D und Ca²⁺ auftritt [5]. Auch Medikamente wie Calcitonin, Furosemid und Mithramycin senken den Calciumspiegel [1]. Die daraus resultierenden Hypocalcämien induzieren einen Dauerstimulus der PTH-Synthese, der mit einer Osteolyse und Entkalkung des Skeletts einhergeht. In der Wachstumsphase kommt es durch chronische Unterversorgung mit Calcium infolge eines Vitamin-D-Mangels zur Rachitis, bei der die Mineralisation der Knochenmatrix gestört ist. Von größerer Bedeutung ist heute jedoch die Osteoporose (Tab. 5). Unterschieden werden primäre und sekundäre Formen. Während die primäre Osteoporose durch nutritive und hormonelle Einflüsse bedingt ist, tritt die sekundäre Form infolge systemischer Erkrankungen oder durch Glucocorticoid- oder Diphenylhydantoinkonsum auf.

Therapieder Hypocalcämie

Hypocalcämische Tetanien werden durch langsame intravenöse Gabe von Calciumsalzen therapiert. Dabei können Nebenwirkungen auftreten wie gastrointestinale Irritationen, Verstopfung, Hitzegefühl und Blutdruckabfall durch Vasodilatation und Herzsynkopen. Bei einer Hypercalcämie und Calcinosen ist die medikamentöse Calciumzufuhr kontraindiziert. Bei einer Digitalisintoxikation muss beachtet werden, dass vermehrte Calciumgabe das Risiko für Herzrhythmusstörungen fördert. Beachtet werden sollte auch, dass Eisensupplemente, Phenytoin sowie Tetracycline die enterale Calciumabsorption reduzieren. In der Therapie der Osteoporose, aber auch bei Insektenstichen, bieten sich Calciumsalze mit Lactat, Gluconat oder Citrat an, die eine gute Bioverfügbarkeit aufweisen. Weiterhin sollte berücksichtigt werden, dass Calcium über den Tag verteilt aufgenommen werden sollte. Gerade am Abend sollte ein Teil des Calciums aufgenommen werden, um die nächtliche PTH-Ausschüttung zu reduzieren. Vitamin D in Dosen von 400 bis 800 IE/d kann diesen Effekt unterstützen und gleichzeitig die Calciumabsorption steigern. Weiterhin können Estrogensubstituenten helfen, nach der Menopause die Knochenmasse zu erhalten und somit osteoporotischen Frakturen vorzubeugen [5]. Letztlich ist körperliche Aktivität ein entscheidender Faktor, um einer Osteoporose entgegenzuwirken [4].

Bei sehr hoher Zufuhr droht eine Hypercalcämie

Zusammen mit Vitamin D führt eine stark erhöhte Calciumzufuhr von mehreren Gramm zu Hypercalcämien. Werden hohe Milch- und Alkali-Mengen aufgenommen, ist die renale Ausscheidung gestört und es kommt zum sogenannten Milch-Alkali-Syndrom, bei dem insbesondere in der Niere und anderen Weichteilen Calcium abgelagert wird. Die dabei aufgenommenen Mengen lagen bei dokumentierten Fällen allerdings bei mehr als 4 g Calcium pro Tag, die durch Supplemente und weniger durch die Nahrung erzielt wurden [4; 5]. Bei der benignen familiären Hypercalcämie wird die renale Calciumausscheidung durch Mutation eines Calciumsensorproteins vermindert. Bei Hyperparathyreoidismus ist die Ca²⁺ -Mobilisation aus dem Skelett gesteigert. Weiterhin kann es, wenn das Löslichkeitsprodukt von Calcium und Phosphat im Plasma überschritten wird, zu Verkalkungsherden mit Funktionseinschränkung der betroffenen Organe kommen. Die häufig auftretende Tumorhypercalcämie resultiert aus der Fähigkeit maligner Tumoren, die ein "PTH related protein" sezernieren können, das den PTH-Rezeptor anregt. Dies alles führt zu Appetitlosigkeit, Obstipation, Lethargie, Muskelschwäche, Nephrocalcinose und Polyurie und exzessivem Flüssigkeitsverlust. Hypercalcämien können durch Glucocorticoid-, Bisphosphonat- oder Calcitonin-Gaben behandelt werden [5].

Allgemein gilt für eine gesunde Person mit einem Urinvolumen von > 2 l/d eine Calciumzufuhr bis zu 2 g/d als unbedenklich. Für Personen mit einem Risiko für Harnsteine sollte jedoch beachtet werden, dass die empfohlene Zufuhr nicht überschritten wird [4].