Kupfer, gegliedert nach Enzym,
Gewebe und Zahl

Cu(I) und Cu(II): der Wechsel, auf dem die Enzyme aufbauen

Kupfer gehört zu den Übergangsmetallen und kann ein Elektron abgeben oder aufnehmen, ohne dabei seine Bindungspartner zu verlieren. Enzyme nutzen genau diese Beweglichkeit: Sie setzen das Metall an Stellen ein, an denen ein Sauerstoffmolekül gespalten oder ein Elektron weitergereicht werden muss. Derselbe Vorzug hat allerdings eine Kehrseite, denn ein ungebundenes Kupferion würde im Zellinneren unkontrolliert reagieren.

Der Organismus löst das, indem er das Metall niemals frei lässt. Vom Moment der Aufnahme an wird es von einem Protein zum nächsten weitergegeben, wie ein Werkstück in einer Fertigungsstraße.

Warum das Metall im Blut niemals frei unterwegs ist

Nach der Aufnahme im Zwölffingerdarm bindet Kupfer zunächst an kleine Trag-Proteine, sogenannte Chaperone. Jedes von ihnen hat eine feste Adresse: Eines liefert an die Kupferpumpen der Golgi-Membran, ein zweites an die Superoxid-Dismutase im Zytosol, ein drittes an die Mitochondrien. Die Übergabe erfolgt Bindestelle an Bindestelle, sodass das Ion zu keinem Zeitpunkt allein im Zellwasser vorliegt.

ATP7A und ATP7B: zwei Pumpen mit getrennten Aufgaben

Zwei verwandte Transportproteine steuern die Verteilung. Das erste sitzt vor allem in Darmzellen und schleust das Metall in Richtung Blutkreislauf. Das zweite arbeitet in der Leber: Es belädt dort ein Plasmaprotein und leitet den Überschuss in die Galle. Beide wandern innerhalb der Zelle je nach Angebot zwischen Golgi-Apparat und Zellmembran hin und her — ein Mechanismus, der die Verteilung an das tatsächliche Angebot anpasst.

Milligramm auf dem Teller: Tabelle und Einordnung

Kupfer kommt in pflanzlichen wie tierischen Lebensmitteln vor, allerdings in sehr ungleicher Verteilung. Zwischen einer Portion Innereien und einer Scheibe Weißbrot liegen zwei Zehnerpotenzen. Die folgenden Werte stammen aus gängigen Nährwerttabellen und sind Durchschnittsangaben; Sorte, Anbaugebiet und Verarbeitung verschieben sie in beide Richtungen.

Richtwerte aus öffentlich zugänglichen Lebensmitteltabellen. Das Dossier führt die Liste mit rund 60 Positionen und Portionsangaben fort.

Zahlen, die auf Verpackungen erscheinen, und ihre Herkunft

Auf Etiketten steht für Kupfer meist der Referenzwert von 1 mg pro Tag. Diese Zahl stammt aus der Lebensmittelinformationsverordnung und dient allein dazu, Prozentangaben auf Packungen vergleichbar zu machen. Sie ist kein Zufuhrziel für eine bestimmte Person. Fachgremien nennen für Erwachsene Werte in der Größenordnung von 1,3 bis 1,6 mg täglich, wobei zwischen Männern und Frauen unterschieden wird. Wer beide Zahlen nebeneinanderlegt, sieht, dass sie unterschiedliche Fragen beantworten — die eine die der Kennzeichnung, die andere die der Bedarfsschätzung.

Wieviel die Leber wieder abgibt, und wohin

Bemerkenswert an diesem Spurenelement ist, dass die Bilanz weniger über die Aufnahme als über die Ausscheidung gehalten wird. Die Aufnahmequote im Darm bewegt sich je nach Angebot etwa zwischen einem Drittel und zwei Dritteln; die Leber gleicht den Rest aus, indem sie den Überschuss an die Galle abgibt. Dieser Weg führt zurück in den Darm und von dort hinaus. Ein Anteil wird unterwegs erneut aufgenommen, sodass sich ein Kreislauf ergibt statt einer einfachen Einbahnstraße.

Im Nervengewebe: Amidierung, Katecholamine, Markscheide

Das Gehirn gehört zu den Organen mit der höchsten Kupferkonzentration im Körper. Dort sind es vor allem zwei Enzymfamilien, an denen sich zeigt, wozu das Metall gebraucht wird — und beide arbeiten an Molekülen, die der Signalübertragung dienen.

Peptidylglycin-alpha-amidierende Monooxygenase und die Reifung der Neuropeptide

Neuropeptide entstehen als längere Vorläufer und werden schrittweise gekürzt. Bei einem großen Teil von ihnen fehlt dann noch der letzte Handgriff: eine Amidgruppe am Kettenende. Das dafür zuständige Enzym vereint zwei Teilaktivitäten in einem Molekül und trägt in jedem Teil ein Kupferzentrum. Die Reaktion läuft in den sekretorischen Vesikeln ab, bei saurem pH-Wert und in Gegenwart von Ascorbat.

Ein Hydroxylierungsschritt zwischen zwei Katecholaminen

In den Vesikeln sympathischer Nervenendigungen sitzt ein weiteres kupferabhängiges Enzym. Es setzt eine Hydroxylgruppe an die Seitenkette eines Katecholamins und führt damit die Umwandlung in den nächsten Botenstoff der Reihe aus. Auch hier stammt das Reduktionsmittel aus dem Vesikelinneren, und auch hier wechselt das Kupferion zwischen seinen beiden Ladungszuständen.

Faser und Pigment: Elastin, Kollagen, Melanin

Zwei weitere Angaben der Unionsliste betreffen Gewebe, die man mit einem Spurenelement zunächst nicht zusammenbringt: die Faserarchitektur des Bindegewebes und die Farbe des Haares. In beiden Fällen führt die Spur zu einer Oxidase mit Kupfer im aktiven Zentrum.

Desmosin-Brücken und die Rückstellkraft elastischer Fasern

Elastin wird als lösliche Vorstufe aus der Zelle abgegeben und erst im Zwischenraum vernetzt. Eine kupferabhängige Oxidase wandelt dazu die Aminogruppe bestimmter Lysinreste in eine Aldehydgruppe um. Je vier dieser veränderten Seitenketten schließen sich zu einem Ringsystem zusammen, das zwei Faserstränge dauerhaft verbindet. Kollagen wird nach demselben Prinzip stabilisiert, nur mit anderen Verknüpfungsmustern.

Tyrosinase im Melanosom: zwei Reaktionsschritte, ein Pigment

Am Grund jedes Haarfollikels liegen Melanozyten, in deren Bläschen ein Enzym mit zwei Kupferionen arbeitet. Es hydroxyliert Tyrosin zu DOPA und oxidiert dieses im nächsten Schritt weiter; erst danach setzen sich die Zwischenprodukte zum Pigment zusammen. Ob daraus das dunkle Eumelanin oder das rötliche Phäomelanin entsteht, entscheidet sich am Angebot an Cystein. Die fertigen Körnchen werden an die Keratinozyten der Haarmatrix weitergereicht.

Reaktive Sauerstoffspezies und die Bilanz in der Abwehrzelle

Bei einer Immunreaktion entstehen Sauerstoffradikale — gewollt, aber nur in engen Grenzen. Eine Dismutase im Zytosol, die je ein Kupfer- und ein Zinkatom trägt, wandelt das Superoxidanion in Wasserstoffperoxid um, das nachgeschaltete Enzyme übernehmen. Beschrieben ist außerdem ein Zusammenhang zwischen dem Kupferstatus und der Reifung neutrophiler Granulozyten.