Strukturelle und regulatorische Funktionen von Mikronährstoffen

Mikronährstoffe können unmittelbar zur Struktur von Geweben und Proteinen beitragen oder auch als Regulatoren zellulärer Prozesse wirken. Strukturelle Funktionen beruhen beispielsweise auf dem Einbau von Calcium und Phosphat in mineralisierte Gewebe oder auf der Stabilisierung definierter Proteindomänen durch Zink. Regulatorische Funktionen umfassen dagegen unter anderem die Steuerung der Genexpression (Umsetzung genetischer Information in funktionelle Produkte) und die intrazelluläre Signalübertragung. Einzelne Mikronährstoffe können dabei mehrere Funktionsprinzipien gleichzeitig erfüllen. So besitzen Calcium und Zink sowohl strukturelle als auch regulatorische Funktionen [1-4, 10].

Strukturelle Funktionen von Mikronährstoffen

Eine strukturelle Funktion liegt vor, wenn ein Mikronährstoff unmittelbar Bestandteil einer biologischen Struktur ist oder die räumliche Stabilität eines Moleküls wesentlich mitbestimmt.

Calcium und Phosphor als Bestandteile mineralisierter Gewebe

Das Skelett ist das klassische Beispiel für eine direkte strukturelle Funktion von Mineralstoffen. Die Knochenmatrix besteht aus einer organischen Phase, deren Hauptbestandteil Kollagen Typ I ist, und einer mineralischen Phase aus überwiegend carbonathaltigem Calciumphosphat in apatitähnlicher Struktur. Calcium und Phosphat sind damit wesentliche Bestandteile der mineralisierten Knochenmatrix. Die hierarchische Verbindung von Kollagenfibrillen und Calciumphosphatmineralen ist entscheidend für die mechanischen Eigenschaften und strukturelle Integrität des Knochens [1, 2].

Knochen ist zugleich ein dynamisches Gewebe und ein bedeutender Mineralspeicher. Die mineralisierte Matrix wird lebenslang in einem räumlich und zeitlich koordinierten Prozess durch Osteoklasten (knochenabbauende Zellen), Osteoblasten (knochenaufbauende Zellen) und Osteozyten (reife Knochenzellen) umgebaut. Dieses Knochenremodeling dient sowohl der strukturellen Integrität des Skeletts als auch der Mineralhomöostase [3]. Damit sind die strukturelle Funktion von Calcium und Phosphor und ihre systemische Regulation eng miteinander verknüpft.

Zink als struktureller Bestandteil von Proteinen

Zink besitzt neben katalytischen Funktionen ausgeprägte strukturelle Aufgaben. Zinkionen können durch definierte Aminosäurereste eines Proteins koordiniert werden und dadurch dessen dreidimensionale Struktur stabilisieren. An strukturellen Zinkbindungsstellen beteiligen sich insbesondere Histidin- und Cysteinreste, abhängig vom jeweiligen Protein jedoch auch andere Aminosäuren [4].

Ein klassisches Beispiel sind Zinkfinger-Domänen (durch Zink stabilisierte Proteinabschnitte). Bei den häufigen Cys2His2-Zinkfingern wird ein Zinkion durch zwei Cystein- und zwei Histidinreste koordiniert. Dadurch entsteht eine stabile Proteinfaltung, die beispielsweise spezifische Bindungen an Desoxyribonukleinsäure (DNA), Ribonukleinsäure (RNA) oder andere Proteine ermöglicht [5]. Viele Zinkfingerproteine wirken anschließend als Transkriptionsfaktoren (Proteine zur Steuerung der Genaktivität). Die strukturelle Bindung von Zink bildet in diesen Fällen somit die Voraussetzung für die regulatorische Funktion des jeweiligen Proteins [4, 5].

Zink ist funktioneller Bestandteil von mehr als 3.000 humanen Proteinen, die zusammen als Zinkproteom (Gesamtheit der zinkabhängigen Proteine) bezeichnet werden. Dazu gehören Proteine mit katalytischen oder strukturellen Zinkbindungsstellen sowie weitere zinkabhängige Proteininteraktionen [4].

Schnittstelle zwischen struktureller Funktion und Cofaktorfunktion

Bei manchen Mikronährstoffen entsteht eine strukturelle Wirkung nicht dadurch, dass sie selbst dauerhaft in ein Gewebe eingebaut werden. Vielmehr ermöglichen sie als Cofaktoren enzymatische Reaktionen, die für den Aufbau und die Stabilität von Gewebestrukturen notwendig sind. Vitamin C und Kupfer sind dafür typische Beispiele.

Vitamin C unterstützt als Cofaktor Enzyme, die bestimmte Aminosäuren des Kollagens chemisch verändern. Diese sogenannte Kollagenhydroxylierung ist Voraussetzung dafür, dass sich stabile Kollagenmoleküle und belastbare Kollagenfasern ausbilden können [6]. Vitamin C ist somit nicht selbst Bestandteil der Kollagenfaser, ermöglicht aber deren regelrechten Aufbau.

Ähnlich verhält es sich mit Kupfer. Kupfer ist für die Aktivität der Lysyloxidasen erforderlich. Diese Enzyme erzeugen Querverbindungen zwischen Kollagen- bzw. Elastinmolekülen und erhöhen dadurch die Festigkeit und mechanische Belastbarkeit der extrazellulären Matrix (nichtzelluläres Gerüst eines Gewebes) [7]. Besonders relevant ist dies beispielsweise für Bindegewebe, Knochen und Gefäßwände.

Vitamin C und Kupfer verdeutlichen damit die funktionelle Verbindung zwischen Cofaktorwirkung und Gewebestruktur: Der Mikronährstoff wirkt biochemisch als Cofaktor eines Enzyms; das Ergebnis dieser enzymatischen Reaktion ist jedoch die Ausbildung bzw. Stabilisierung einer biologischen Struktur.

Regulatorische Funktionen von Mikronährstoffen

Mikronährstoffe können auch bestimmen, wie eine Zelle auf Signale reagiert, welche Gene aktiviert werden und welche Funktionen eine Zelle ausführt. Diese regulatorischen Wirkungen reichen von der direkten Beeinflussung der Genexpression bis zur Funktion einzelner Mineralstoffionen als zelluläre Botenstoffe.

Dabei ist häufig nicht entscheidend, wie viel eines Mikronährstoffs insgesamt in einer Zelle vorhanden ist. Entscheidend ist vielmehr, wo, in welcher Form und zu welchem Zeitpunkt er verfügbar ist. Eine Zelle kann beispielsweise große Mengen Calcium gespeichert oder strukturell gebunden enthalten, während nur ein sehr kleiner Anteil als freies Calcium für Signalprozesse zur Verfügung steht. Ähnliches gilt für Zink [4, 10].

Diese räumlich und zeitlich kontrollierte Verfügbarkeit ermöglicht es einer Zelle, Mikronährstoffe gezielt als regulatorische Signale einzusetzen, ohne ihre übrigen strukturellen oder metabolischen Funktionen zu beeinträchtigen.

Vitamin D und Regulation der Genexpression

Vitamin D zeigt besonders anschaulich, wie ein Mikronährstoff die Aktivität von Genen steuern kann. Aus Vitamin D entsteht im Organismus das biologisch aktive Vitamin-D-Hormon 1,25-Dihydroxyvitamin D3. Dieses bindet an den Vitamin-D-Rezeptor (VDR), einen intrazellulären Rezeptor, der unmittelbar auf die Genaktivität einwirken kann [8].

Nach Bindung des Vitamin-D-Hormons bildet der VDR überwiegend mit dem Retinoid-X-Rezeptor (RXR) einen Rezeptorkomplex. Dieser bindet an bestimmte regulatorische Bereiche der Desoxyribonukleinsäure (DNA) und beeinflusst dort, welche Gene stärker oder schwächer abgelesen werden. Dabei können auch Veränderungen der Chromatinstruktur (Verpackungszustand der DNA) eine Rolle spielen [8].

Auf diese Weise beeinflusst Vitamin D unter anderem Gene, die für Calciumhomöostase, Immunfunktion und Zelldifferenzierung von Bedeutung sind [8]. Vitamin D wirkt somit nicht lediglich als Nährstoff, sondern sein aktiver Metabolit übernimmt eine hormonähnliche regulatorische Funktion: Er vermittelt ein Signal an den Zellkern und verändert daraufhin das Genexpressionsprogramm der Zelle.

Vitamin A und Regulation der Genexpression

Ein vergleichbares Prinzip gilt für Vitamin A. Einer seiner wichtigsten biologisch aktiven Metaboliten ist die All-trans-Retinsäure. Sie bindet an Retinsäurerezeptoren (RAR), die gemeinsam mit Retinoid-X-Rezeptoren (RXR) regulatorisch auf die Desoxyribonukleinsäure einwirken [9].

Die entstehenden Rezeptorkomplexe binden an definierte DNA-Sequenzen und können dadurch die Aktivität bestimmter Gene erhöhen oder vermindern. Über diesen Mechanismus beeinflusst Retinsäure zahlreiche biologische Prozesse, unter anderem embryonale Entwicklung, Immunfunktion, Gewebeerhalt und Gewebereparatur [9].

Damit diese regulatorischen Wirkungen kontrolliert ablaufen, wird auch die Konzentration von Retinsäure selbst streng gesteuert. Bildung und Abbau des aktiven Vitamin-A-Metaboliten unterliegen Rückkopplungsmechanismen. Das Gewebe reguliert damit nicht nur die Wirkung von Retinsäure, sondern bereits deren lokale Verfügbarkeit [9].

Calcium als intrazellulärer Botenstoff

Calcium besitzt zwei grundlegend unterschiedliche Funktionen: Im Skelett ist es in großen Mengen strukturell gebunden; innerhalb von Zellen dient ein sehr kleiner Anteil freien Calciums dagegen als Botenstoff. Für diese Signalfunktion wird die freie Calciumkonzentration im Zytosol (flüssiger Anteil des Zellinneren) unter Ruhebedingungen bewusst sehr niedrig gehalten [10].

Erhält eine Zelle ein bestimmtes Signal, kann Calcium kurzfristig aus intrazellulären Speichern freigesetzt werden oder durch Calciumkanäle aus dem Extrazellulärraum in die Zelle einströmen. Dadurch steigt die freie Calciumkonzentration für kurze Zeit an. Die Zelle „liest“ dieses Calciumsignal mithilfe Calcium-bindender Sensorproteine und setzt es in eine konkrete biologische Reaktion um [10].

Welche Zellantwort entsteht, hängt nicht allein davon ab, wie stark die Calciumkonzentration ansteigt. Entscheidend sind auch wo der Anstieg stattfindet und wie lange bzw. in welchem zeitlichen Muster er anhält [10]. Auf diese Weise kann Calcium sehr unterschiedliche Prozesse steuern.

Calciumabhängige Regulation betrifft unter anderem [10]:

• Muskelkontraktion
• Freisetzung von Neurotransmittern und Hormonen
• Genexpression
• Zellproliferation und Zelldifferenzierung
• Zellmigration
• Zellulären Energiestoffwechsel

Ein anschauliches Beispiel ist die Muskelzelle: Ein kurzfristiger Anstieg des intrazellulären Calciums löst die Kontraktion aus; anschließend wird Calcium wieder aus dem Zytosol entfernt und der Muskel kann erschlaffen. In sekretorischen Zellen kann ein Calciumanstieg dagegen die Ausschüttung eines Hormons oder Neurotransmitters auslösen.

Calcium verdeutlicht damit besonders gut die funktionelle Vielseitigkeit eines Mikronährstoffs: Im Knochen dient es als struktureller Baustoff, in der Zelle als schnell regulierbares Signalmolekül [1-3, 10].

Zink als regulatorisches Signalion

Auch bei Zink muss zwischen dauerhaft an Proteine gebundenem und vorübergehend verfügbarem Zink unterschieden werden. Der weitaus größte Anteil des intrazellulären Zinks ist an Proteine gebunden und erfüllt dort strukturelle oder katalytische Aufgaben. Daneben existieren jedoch sehr kleine, dynamisch regulierte Pools verfügbarer Zinkionen, die als regulatorische Signale wirken können [4].

Bei Aktivierung bestimmter Signalwege kann Zink aus intrazellulären Speichern freigesetzt werden. Die vorübergehend erhöhte Zinkverfügbarkeit verändert dann die Aktivität bestimmter Signalproteine und beeinflusst damit die weitere Signalübertragung. Zink kann in diesem Zusammenhang als sekundärer Botenstoff wirken. Bestimmte Zelltypen können Zink zudem sezernieren, sodass auch eine Signalübertragung zwischen Zellen möglich ist [4].

Damit solche Veränderungen präzise kontrolliert bleiben, verfügt die Zelle über ein eigenes System zur Regulation der Zinkverfügbarkeit. Zinktransporter der ZIP- und ZnT-Familien steuern den Transport von Zink über Zell- und Organellenmembranen. Metallothioneine (intrazelluläre zinkbindende Proteine) können Zink binden und bei Bedarf wieder freisetzen [4].

Ein konkretes Beispiel für eine regulatorische Zinkwirkung ist die Beeinflussung bestimmter Protein-Tyrosin-Phosphatasen. Diese Enzyme entfernen Phosphatgruppen von Signalproteinen und bestimmen damit wesentlich, ob ein Signalweg aktiviert oder abgeschwächt wird. Verfügbares Zink kann einzelne dieser Enzyme hemmen und dadurch die Dauer oder Stärke eines zellulären Signals verändern [4].

Zink erfüllt somit abhängig von seiner Bindungsform unterschiedliche Aufgaben: Fest an Proteine gebundenes Zink stabilisiert Strukturen oder unterstützt Enzymfunktionen; vorübergehend verfügbares Zink kann dagegen als regulatorisches Signal wirken. Gerade diese unterschiedlichen Zinkpools machen deutlich, weshalb für die biologische Funktion nicht allein die Gesamtmenge eines Mikronährstoffs entscheidend ist, sondern auch seine Verteilung und Verfügbarkeit innerhalb der Zelle [4].

Zusammenspiel struktureller und regulatorischer Funktionen

Die Einteilung in strukturelle, katalytische und regulatorische Funktionen ist eine funktionelle Systematik und keine vollständige Trennung biologischer Wirkmechanismen. Derselbe Mikronährstoff kann abhängig von Bindungsform, Konzentration und Zellkompartiment unterschiedliche Aufgaben erfüllen.

Pathophysiologische Bedeutung

Die strukturellen und regulatorischen Funktionen von Mikronährstoffen erklären, weshalb eine unzureichende Verfügbarkeit nicht ausschließlich einzelne enzymatische Stoffwechselreaktionen beeinträchtigen kann. Je nach betroffenem Mikronährstoff können vielmehr Gewebestruktur, Proteinarchitektur, Signalübertragung, Genexpression und zelluläre Differenzierungsprozesse verändert werden. Strukturelle Defizite können beispielsweise die Mineralisierung des Knochens oder die Stabilität spezifischer Proteinstrukturen beeinträchtigen. Störungen regulatorischer Funktionen können dagegen dazu führen, dass zelluläre Signale nicht adäquat erzeugt, weitergeleitet oder in eine entsprechende Zellantwort umgesetzt werden.

Von besonderer Bedeutung ist dabei die kompartimentspezifische Homöostase (Aufrechterhaltung definierter Konzentrationen eines Stoffes in bestimmten Zellbereichen). Regulatorisch wirksame Konzentrationen freier Calcium- oder Zinkionen müssen innerhalb enger Grenzen kontrolliert werden. Entscheidend ist daher nicht allein die Gesamtmenge eines Elements im Organismus oder in einem Gewebe, sondern seine biologisch verfügbare Konzentration am jeweiligen Wirkort. Ein großer Anteil kann beispielsweise strukturell gebunden oder in intrazellulären Speichern sequestriert (vorübergehend gebunden und damit nicht frei verfügbar) sein, während nur ein sehr kleiner Anteil unmittelbar für Signalprozesse zur Verfügung steht.

Transportproteine, Bindungsproteine, intrazelluläre Speicher und Membrankanäle gewährleisten deshalb die räumlich und zeitlich kontrollierte Verfügbarkeit dieser Signalionen [4, 10]. Störungen dieser Regulationssysteme können funktionelle Veränderungen verursachen, auch wenn die Gesamtmenge des jeweiligen Elements zunächst nicht deutlich vermindert ist. Umgekehrt kann eine unkontrolliert erhöhte freie intrazelluläre Konzentration regulatorisch wirksamer Ionen ebenfalls pathophysiologisch relevant sein, da sie Signalwege übermäßig aktivieren oder die zelluläre Homöostase beeinträchtigen kann.

Damit beruht die biologische Wirkung eines Mikronährstoffs nicht ausschließlich auf seiner absoluten Konzentration, sondern auch auf Bindungsform, intrazellulärer Verteilung, Mobilisierbarkeit und zeitlich kontrollierter Bereitstellung. Diese funktionelle Kompartimentierung ist insbesondere bei Calcium und Zink eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass dieselben Elemente gleichzeitig strukturelle, katalytische und regulatorische Aufgaben übernehmen können [4, 10].

Fazit

Mikronährstoffe können unmittelbar zur Struktur biologischer Systeme beitragen und regulatorische Signale vermitteln. Calcium und Phosphor sind zentrale Bestandteile der mineralisierten Knochenmatrix, während Zink definierte Proteinstrukturen stabilisiert. Vitamin D und Vitamin A regulieren über nukleäre Rezeptoren die Expression zahlreicher Zielgene. Calcium und Zink zeigen besonders deutlich die funktionelle Mehrdimensionalität von Mikronährstoffen: Abhängig von Bindungsform und Zellkompartiment können sie strukturelle, katalytische und regulatorische Aufgaben übernehmen. Eine adäquate Mikronährstoffversorgung unterstützt daher nicht nur enzymatische Stoffwechselprozesse, sondern auch Gewebestabilität, zelluläre Signalübertragung und die Regulation biologischer Funktionsprogramme.

Literatur

1. Doyle ME, Dalgarno K, Masoero E, Ferreira AM: Advances in biomimetic collagen mineralisation and future approaches to bone tissue engineering. Biopolymers. 2023;114(1):e23527. doi: 10.1002/bip.23527.
2. Selvaraj V, Sekaran S, Dhanasekaran A, Warrier S: Type 1 collagen: Synthesis, structure and key functions in bone mineralization. Differentiation. 2024;136:100757. doi: 10.1016/j.diff.2024.100757.
3. Marahleh A, Kitaura H, Ohori F, Noguchi T, Mizoguchi I: The osteocyte and its osteoclastogenic potential. Front Endocrinol (Lausanne). 2023;14:1121727. doi: 10.3389/fendo.2023.1121727.
4. Maret W: The Arcana of Zinc. J Nutr. 2025;155(3):669-675. doi: 10.1016/j.tjnut.2025.01.004.
5. Zhao Z, Huang K, Liao Z, Chen B, Chen J, Mei Z: Zinc finger proteins (ZFPs) in health and disease. Mol Biomed. 2026;7(1):19. doi: 10.1186/s43556-026-00413-8.
6. Lykkesfeldt J, Carr AC, Tveden-Nyborg P: The pharmacology of vitamin C. Pharmacol Rev. 2025;77(2):100043. doi: 10.1016/j.pharmr.2025.100043.
7. Zaffryar-Eilot S, Hasson P: Lysyl Oxidases: Orchestrators of Cellular Behavior and ECM Remodeling and Homeostasis. Int J Mol Sci. 2022;23(19):11378. doi: 10.3390/ijms231911378.
8. Carlberg C: Vitamin D and Its Target Genes. Nutrients. 2022;14(7):1354. doi: 10.3390/nu14071354.
9. O'Connor C, Varshosaz P, Moise AR: Mechanisms of Feedback Regulation of Vitamin A Metabolism. Nutrients. 2022;14(6):1312. doi: 10.3390/nu14061312.
10. Moccia F, Fiorio Pla A, Lim D, Lodola F, Gerbino A: Intracellular Ca2+ signalling: unexpected new roles for the usual suspect. Front Physiol. 2023;14:1210085. doi: 10.3389/fphys.2023.1210085.