Grundfunktionen von Mikronährstoffen: Coenzyme, Cofaktoren, Struktur und Regulation

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Mikronährstoffe sind für die Aufrechterhaltung zentraler Stoffwechsel-, Struktur- und Regulationsprozesse des menschlichen Organismus erforderlich. Zu ihnen zählen insbesondere Vitamine, Mineralstoffe und Spurenelemente. Im Gegensatz zu energieliefernden Makronährstoffen liefern Mikronährstoffe selbst keine Energie. Ihre biologische Bedeutung beruht vielmehr darauf, dass sie enzymatische Reaktionen ermöglichen oder modulieren, strukturelle Bestandteile bilden, als Elektrolyte wirken und zelluläre Regulations- und Signalprozesse beeinflussen.

Die einzelnen Mikronährstoffe unterscheiden sich hinsichtlich ihrer chemischen Eigenschaften und biologischen Funktionen erheblich. Eine eindeutige Zuordnung zu nur einer Funktion ist häufig nicht möglich. Zahlreiche Mikronährstoffe übernehmen gleichzeitig enzymatische, strukturelle und regulatorische Aufgaben. Diese funktionelle Mehrfachwirkung ist ein wesentliches Merkmal der Mikronährstoffphysiologie.

Funktionelle Systematik

Die Grundfunktionen von Mikronährstoffen lassen sich trotz zahlreicher Überschneidungen in zwei übergeordnete Bereiche gliedern:

• Mikronährstoffe als Coenzyme und Cofaktoren – Vitamine bzw. ihre biologisch aktiven Derivate sowie Mineralstoffe und Spurenelemente ermöglichen oder modulieren enzymatische Reaktionen und sind dadurch unter anderem für Energiegewinnung, Biosynthese, Abbauprozesse, Redoxreaktionen, Übertragungsreaktionen und Stoffwechselregulation erforderlich.
• Strukturelle und regulatorische Funktionen von Mikronährstoffen – Mineralstoffe bilden strukturelle Bestandteile von Geweben und wirken als Elektrolyte; Vitamine, Mineralstoffe und Spurenelemente beeinflussen darüber hinaus Signalübertragung, Genexpression, Proteinfunktion, Membranfunktion, Redoxhomöostase und weitere regulatorische Prozesse.

Diese Einteilung ist funktionell und nicht stoffbezogen. Ein einzelner Mikronährstoff kann beiden Bereichen gleichzeitig zugeordnet werden. Die Zweiteilung ermöglicht daher eine systematische Darstellung der Grundfunktionen, ohne die biologischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Funktionssystemen zu vernachlässigen.

Mikronährstoffe als Coenzyme und Cofaktoren

Eine zentrale Funktion von Mikronährstoffen besteht in ihrer Beteiligung an enzymatischen Reaktionen. Zahlreiche Enzyme benötigen neben ihrem Proteinanteil zusätzliche nichtproteinartige Komponenten, um katalytisch aktiv zu sein. Der Begriff Cofaktor umfasst solche für die Enzymfunktion erforderlichen Komponenten. Hierzu gehören insbesondere anorganische Ionen sowie organische Moleküle. Organische Cofaktoren werden als Coenzyme bezeichnet.

Bei Vitaminen ist häufig nicht das aufgenommene Vitamin selbst das eigentliche Coenzym. Vielmehr wird es nach Resorption und intrazellulärer Umwandlung in eine biologisch aktive Coenzymform überführt. Besonders ausgeprägt ist dieses Prinzip bei den Vitaminen der B-Gruppe, deren aktive Formen ein funktionell eng miteinander verbundenes Coenzymnetzwerk bilden [1].

• Thiamin (Vitamin B1) – Thiamindiphosphat ist unter anderem an oxidativen Decarboxylierungen und Transketolase-Reaktionen beteiligt.
• Riboflavin (Vitamin B2) – bildet die Flavinkofaktoren Flavinmononukleotid (FMN) und Flavinadenindinukleotid (FAD), die Elektronenübertragungen in zahlreichen Oxidoreduktasen ermöglichen.
• Niacin (Vitamin B3) – ist Ausgangssubstanz für Nicotinamidadenindinukleotid (NAD⁺) und Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADP⁺), zentrale Cofaktoren des Energie-, Redox- und Biosynthesestoffwechsels.
• Pantothensäure (Vitamin B5) – ist Bestandteil von Coenzym A und damit wesentlich für Acylgruppenübertragungen sowie den Kohlenhydrat-, Fettsäure- und Aminosäurestoffwechsel.
• Vitamin B6 – Pyridoxal-5'-phosphat ist Cofaktor zahlreicher Reaktionen des Aminosäurestoffwechsels.
• Biotin (Vitamin B7) – fungiert als Cofaktor biotinabhängiger Carboxylasen und ermöglicht die Übertragung von Carboxylgruppen.
• Folat (Vitamin B9) – Tetrahydrofolat-Derivate übertragen C1-Einheiten und sind dadurch für Nukleotidsynthese, Aminosäurestoffwechsel und Methylierungsprozesse erforderlich.
• Vitamin B12 – Methylcobalamin und Adenosylcobalamin ermöglichen spezifische Methylgruppenübertragungen bzw. molekulare Umlagerungsreaktionen.

Die B-Vitamine sind damit funktionell unter anderem mit Glykolyse, Citratzyklus, Atmungskette, Fettsäurestoffwechsel, Aminosäurestoffwechsel, Nukleotidsynthese und C1-Stoffwechsel verbunden. Die Energiegewinnung aus Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen ist deshalb nicht allein von der Verfügbarkeit der energieliefernden Substrate abhängig, sondern ebenso von der Funktionsfähigkeit der beteiligten mikronährstoffabhängigen Enzymsysteme [1].

Auch Mineralstoffe und Spurenelemente wirken als anorganische Cofaktoren. Ein besonders bedeutendes Beispiel ist Magnesium. Zahlreiche ATP-abhängige Enzyme nutzen ATP überwiegend in Form eines Magnesium-ATP-Komplexes. Magnesium ist dadurch eng mit Energieübertragung, Phosphorylierungsreaktionen, Nukleinsäurestoffwechsel, Proteinsynthese und zahlreichen weiteren enzymatischen Prozessen verbunden [2].

Zink besitzt katalytische, strukturelle und regulatorische Funktionen und ist Cofaktor bzw. Bestandteil zahlreicher Enzyme und Proteine [3]. Eisen wird unter anderem in Häm und Eisen-Schwefel-Clustern gebunden und ist dadurch an mitochondrialer Atmung, Elektronentransport, DNA-Stoffwechsel und weiteren enzymatischen Prozessen beteiligt [4]. Selen wird als Selenocystein gezielt in Selenoproteine eingebaut. Hierzu gehören unter anderem Glutathionperoxidasen, Thioredoxinreduktasen und Iodthyronin-Deiodinasen [5].

Auch Vitamin C besitzt neben seiner Reduktionswirkung eine ausgeprägte Cofaktorfunktion. Ascorbat unterstützt insbesondere eisenabhängige 2-Oxoglutarat-Dioxygenasen, die unter anderem an Kollagenmodifikation, Sauerstoffsensorik sowie DNA-, RNA- und Histon-Demethylierung beteiligt sind [6].

Der Funktionsbereich Coenzyme und Cofaktoren umfasst damit insbesondere:

• Energiegewinnung und mitochondrialer Stoffwechsel
• Redoxreaktionen und Elektronentransport
• Übertragung chemischer Gruppen
• Biosynthese von Nukleinsäuren, Proteinen, Fettsäuren und weiteren Biomolekülen
• Abbau und Umbau von Kohlenhydraten, Fetten und Aminosäuren
• C1-Stoffwechsel und Methylierungsreaktionen
• enzymatische Regulation zellulärer Stoffwechselwege

Strukturelle und regulatorische Funktionen von Mikronährstoffen

Neben ihrer Beteiligung an enzymatischen Reaktionen übernehmen Mikronährstoffe zentrale strukturelle und regulatorische Funktionen. Diese reichen von der Mineralisierung des Skeletts über die Stabilisierung von Proteinen und die Aufrechterhaltung elektrochemischer Gradienten bis zur Regulation von Signalwegen und Genexpression.

Calcium und Phosphat bilden in Form von Hydroxylapatit den wesentlichen mineralischen Bestandteil von Knochen und Zähnen. Knochen ist dabei kein statisches Speichergewebe, sondern unterliegt einem kontinuierlichen Umbau durch Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten. Mineralisierung und Remodelling sind eng mit der systemischen Calcium- und Phosphathomöostase verbunden [7].

Eine strukturelle Funktion kann auch auf molekularer Ebene bestehen. Zink stabilisiert beispielsweise definierte Proteindomänen, darunter Zinkfingerstrukturen zahlreicher Transkriptionsfaktoren. Damit verbindet Zink enzymatische Katalyse, Proteinstabilisierung und Regulation der Genexpression [3].

Mineralstoffe erfüllen außerdem wesentliche Funktionen als Elektrolyte. Natrium, Kalium und Chlorid tragen maßgeblich zur Regulation von Flüssigkeitsverteilung, Osmolarität und Membranpotential bei. Natrium- und Kaliumgradienten über Zellmembranen bilden eine wesentliche Voraussetzung für elektrische Erregbarkeit, Nervenleitung, Muskelaktivität und sekundär aktive Transportprozesse. Calcium und Magnesium beeinflussen darüber hinaus Ionenkanäle, Muskelkontraktion, Sekretionsvorgänge und intrazelluläre Signalwege.

Calcium besitzt damit eine ausgeprägte Doppelfunktion: Es ist einerseits Strukturmineral des Skeletts und andererseits einer der wichtigsten intrazellulären Botenstoffe. Veränderungen der intrazellulären Calciumkonzentration regulieren unter anderem Muskelkontraktion, Sekretion, Stoffwechsel, Genexpression, Zellproliferation und Apoptose. Die intrazelluläre Calciumkonzentration wird deshalb durch Kanäle, Transporter, Pumpen und calciumbindende Proteine eng kontrolliert [8].

Auch Vitamine können vorwiegend regulatorische Funktionen übernehmen. Das hormonell aktive 1,25-Dihydroxyvitamin D₃ bindet an den Vitamin-D-Rezeptor (VDR), einen nukleären Transkriptionsfaktor. Die Aktivierung des VDR beeinflusst Promotor- und Enhancerregionen und kann dadurch die Transkription zahlreicher Zielgene aktivieren oder reprimieren. Vitamin D verbindet auf diese Weise die Regulation der Calciumhomöostase mit genomischen Regulationsmechanismen [9].

Ein vergleichbares Prinzip besteht bei Vitamin A. Retinsäure, ein biologisch aktiver Metabolit des Retinols, wirkt hauptsächlich über nukleäre Retinsäurerezeptoren und beeinflusst dadurch Genexpression, Zelldifferenzierung und Entwicklungsprozesse [10]. Vitamin A und Vitamin D unterscheiden sich damit funktionell von Vitaminen, deren Hauptaufgabe in der Bereitstellung klassischer Coenzymformen liegt.

Ein weiterer regulatorischer Funktionsbereich ist die Redoxhomöostase. Vitamin E wirkt in biologischen Membranen als lipophiler Radikalfänger und kann die Kettenreaktion der Lipidperoxidation begrenzen [11]. Vitamin C wirkt als wasserlösliches Reduktionsmittel und kann mit lipophilen antioxidativen Systemen funktionell interagieren [6, 11]. Selenabhängige Enzyme wie Glutathionperoxidasen und Thioredoxinreduktasen sind Bestandteile der enzymatischen Redoxregulation [5]. Antioxidative Schutzmechanismen beruhen damit nicht auf der isolierten Wirkung eines einzelnen Mikronährstoffs, sondern auf miteinander gekoppelten enzymatischen und nichtenzymatischen Redoxsystemen.

Der Funktionsbereich Struktur und Regulation umfasst insbesondere:

• Mineralisierung und Stabilität von Knochen und Zähnen
• Stabilisierung spezifischer Proteinstrukturen
• Elektrolyt- und Flüssigkeitshaushalt
• Membranpotential und elektrische Erregbarkeit
• intrazelluläre und interzelluläre Signalübertragung
• Genexpression und Transkriptionskontrolle
• Zellproliferation und Zelldifferenzierung
• Membranfunktion und Redoxhomöostase
• hormonelle und metabolische Regulation

Funktionelle Überschneidungen

Die beiden übergeordneten Funktionsbereiche sind eng miteinander verbunden. Gerade die Mehrfachzuordnung einzelner Mikronährstoffe verdeutlicht, weshalb ihre biologische Bedeutung durch eine ausschließlich stoffbezogene Klassifikation nur unvollständig beschrieben werden kann.

• Magnesium – wirkt als enzymatischer Cofaktor und Bestandteil von Magnesium-ATP-Komplexen und beeinflusst zugleich Ionenkanäle, Membranfunktion und neuromuskuläre Erregbarkeit [2].
• Calcium – ist Strukturkomponente des Skeletts und zugleich intrazellulärer Signalstoff mit Funktionen bei Muskelkontraktion, Sekretion und zahlreichen regulatorischen Prozessen [7, 8].
• Zink – besitzt katalytische, strukturelle und regulatorische Funktionen und ist Bestandteil zahlreicher Enzyme, Proteine und Transkriptionsfaktoren [3].
• Eisen – ist Bestandteil funktioneller Cofaktoren und Proteine und zugleich Gegenstand einer eng regulierten zellulären und systemischen Homöostase [4].
• Selen – wird in Selenoproteine eingebaut und verbindet dadurch enzymatische Redoxregulation mit dem Schilddrüsenhormonstoffwechsel [5].
• Vitamin C – wirkt als Reduktionsmittel und unterstützt zugleich mikronährstoffabhängige Dioxygenasen [6].
• Vitamin D – verbindet Calciumhomöostase und Knochenstoffwechsel mit rezeptorvermittelter Genregulation [9].

Die physiologische Wirkung von Mikronährstoffen ist somit durch ein ausgeprägtes funktionelles Netzwerk gekennzeichnet. Ein einzelner Stoffwechselweg kann gleichzeitig von mehreren Mikronährstoffen abhängen, während ein einzelner Mikronährstoff an zahlreichen unterschiedlichen Stoffwechsel- und Regulationsprozessen beteiligt sein kann [1-6].

Funktionelle Verfügbarkeit und Homöostase

Für die physiologische Funktion eines Mikronährstoffs ist nicht allein seine alimentäre Zufuhr entscheidend. Nach der Aufnahme müssen Resorption, Transport, gegebenenfalls metabolische Aktivierung, zelluläre Aufnahme, intrazelluläre Verteilung und Einbindung in das jeweilige Funktionssystem gewährleistet sein.

Die einzelnen Mikronährstoffe unterscheiden sich dabei erheblich. B-Vitamine müssen teilweise in spezifische aktive Coenzymformen überführt werden [1]. Magnesium unterliegt einer kontrollierten intestinalen Aufnahme, zellulären Verteilung und renalen Regulation [2]. Die intrazelluläre Verfügbarkeit von Zink wird durch Transport- und Bindungsproteine reguliert [3]. Eisen benötigt komplexe Transport-, Speicher- und Regulationsmechanismen sowie eine gezielte Bereitstellung für Häm- und Eisen-Schwefel-Cluster-Biosynthese [4]. Selen entfaltet zahlreiche seiner Funktionen erst nach dem Einbau in spezifische Selenoproteine [5]. Vitamin D benötigt metabolische Aktivierung und anschließend die Bindung des aktiven Metaboliten an den Vitamin-D-Rezeptor [9].

Die funktionelle Mikronährstoffversorgung ergibt sich daher aus dem Zusammenspiel von Zufuhr, Resorption, Transport, metabolischer Umwandlung, Gewebeverteilung, Speicherung, zellulärer Regulation und Ausscheidung. Die Konzentration eines Mikronährstoffs in einem einzelnen Kompartiment kann deshalb je nach Substanz nur einen Teil seiner funktionellen Verfügbarkeit abbilden.

Bedeutung für die Mikronährstoffmedizin

Die funktionelle Einteilung in Coenzyme und Cofaktoren einerseits sowie Struktur und Regulation andererseits schafft eine biochemische Grundlage für das Verständnis der Mikronährstoffversorgung. Sie verdeutlicht, weshalb Veränderungen der Verfügbarkeit eines Mikronährstoffs nicht ausschließlich einzelne biochemische Reaktionen betreffen können, sondern miteinander verknüpfte Stoffwechsel-, Struktur- und Regulationssysteme.

Für die Mikronährstoffmedizin ist daher neben der quantitativen Zufuhr insbesondere die physiologische Verfügbarkeit und funktionelle Einbindung eines Mikronährstoffs in seine jeweiligen Zielsysteme relevant. Die unterschiedlichen Funktionsmechanismen bilden zugleich die Grundlage für die vertiefende Betrachtung der beiden Themenbereiche "Mikronährstoffe als Coenzyme und Cofaktoren" sowie "Strukturelle und regulatorische Funktionen von Mikronährstoffen".

Fazit

Die Grundfunktionen von Mikronährstoffen lassen sich trotz vielfältiger Überschneidungen in zwei übergeordnete Funktionsachsen gliedern:

• Mikronährstoffe als Coenzyme und Cofaktoren – sie ermöglichen und modulieren enzymatische Reaktionen und bilden damit eine wesentliche Voraussetzung für Energiegewinnung, Biosynthese, Abbauprozesse, Redoxreaktionen und Stoffwechselregulation.
• Strukturelle und regulatorische Funktionen von Mikronährstoffen – sie tragen zur Struktur von Geweben und Proteinen bei und beeinflussen Elektrolythaushalt, Membranfunktion, Signalübertragung, Genexpression und Redoxhomöostase.

Beide Funktionsachsen bilden die Grundlage für die vertiefenden Fachartikel:

• Mikronährstoffe als Coenzyme und Cofaktoren
• Strukturelle und regulatorische Funktionen von Mikronährstoffen

Literatur

1. Yoon Y, Hwang J, Park R et al.: The Dynamic Coenzyme Network of B Vitamins in Nutritional Neuropathy and Neuropsychiatric Vulnerability: A Mechanistic Narrative Review. Nutrients. 2026;18(14):2306. doi:10.3390/nu18142306
2. Kröse JL, de Baaij JHF: Magnesium biology. Nephrol Dial Transplant. 2024;39(12):1965-1975. doi:10.1093/ndt/gfae134
3. Kiouri DP, Chasapis CT, Mavromoustakos T et al.: Zinc and its binding proteins: essential roles and therapeutic potential. Arch Toxicol. 2025;99(1):23-41. doi:10.1007/s00204-024-03891-3
4. Galy B, Conrad M, Muckenthaler M: Mechanisms controlling cellular and systemic iron homeostasis. Nat Rev Mol Cell Biol. 2024;25:133-155. doi:10.1038/s41580-023-00648-1
5. Köhrle J: Selenium, Iodine and Iron–Essential Trace Elements for Thyroid Hormone Synthesis and Metabolism. Int J Mol Sci. 2023;24(4):3393. doi:10.3390/ijms24043393
6. Smith-Díaz CC, Das AB, Jurkowski TP et al.: Exploring the Ascorbate Requirement of the 2-Oxoglutarate-Dependent Dioxygenases. J Med Chem. 2025;68(3):2219-2237. doi:10.1021/acs.jmedchem.4c02342
7. Margiotta A: Coupling of Intracellular Calcium Homeostasis and Formation and Secretion of Matrix Vesicles: Their Role in the Mechanism of Biomineralization. Cells. 2025;14(10):733. doi:10.3390/cells14100733
8. Staruschenko A, Alexander RT, Caplan MJ et al.: Calcium signalling and transport in the kidney. Nat Rev Nephrol. 2024;20(8):541-555. doi:10.1038/s41581-024-00835-z
9. Carlberg C: Genomic signaling of vitamin D. Steroids. 2023;198:109271. doi:10.1016/j.steroids.2023.109271
10. Wu D, Khan FA, Zhang K et al.: Retinoic acid signaling in development and differentiation commitment and its regulatory topology. Chem Biol Interact. 2024;387:110773. doi:10.1016/j.cbi.2023.110773
11. Valgimigli L: Lipid Peroxidation and Antioxidant Protection. Biomolecules. 2023;13(9):1291. doi:10.3390/biom13091291