Die Wirkungsweise der Spurenelemente

Um diese Verständlich zu machen, wollen wir ein kleines chemisches Experiment anstellen. Wir geben in ein Trinkglas einige Kubikzentimeter 3%iges oder 30%iges Wasserstoffperoxyd und schütten in das Glas etwa eine Messerspitze Braunsteinpulver (= Mangandioxyd, Formel: MnO2). Das Wasserstoffperoxyd zersetzt sich dann sofort oder in wenigen Sekunden unter Gasblasenentwicklung in Sauerstoff und Wasser; den Sauerstoff erkennt man am hellen Aufleuchten eines in das Glas getauchten glimmenden Holzspans. Trennt man den Braunstein nach dem Versuch etwa durch Filtrieren vom Wasser und Wasserstoffperoxyd, so kann man feststellen, daß er unverändert in der ursprünglichen Gewichtsmenge zurückerhalten wird. Läßt man das Wasserstoffperoxyd (ohne Braunsteinzusatz) monatelang im Glas stehen, so zersetzt er sich ebenfalls allmählich in Wasser und Sauerstoff; dieser treibt oft den Stöpsel zur Flaschenmündung heraus. Der Braunstein hat also eine chemische Reaktion, die gewöhnlich sehr langsam abläuft, stark beschleunigt, ohne sich selber wesentlich zu verändern. Man nennt solche Stoffe allgemein Katalysatoren (von griechisch katalysis = Auflösung).
Außer dem Mangan (Braunstein ist ja Mangandioxyd) können auch die anderen Spurenelemente als Elemente oder in Form einfacher Verbindungen außerhalb der Organismen katalytische Leistungen verbringen. So verwendet man z. B. in der chemischen Großindustrie besonders präparierte Eisenkatalysatoren zur Darstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff. Mit Hilfe eines Zinkoxydkatalysators erhält man aus einem Gemisch von Kohlenoxydgas und Wasserstoff den Methylalkohol. Bei der Benzingewinnung nach dem Fischer-Tropsch-Verfahren verwendet man kobalt- bzw. eisenhaltige Mischkatalysatoren.
Ähnlich wie im Laboratoriumsversuch oder in der chemischen Großindustrie betätigen sich die Spurenelemente auch in den Organismen als wichtige Katalysatoren. Freilich gibt es hier im Einzelnen sehr wesentliche Unterschiede. Sie sind vor allem durch den ungewöhnlich komplizierten chemischen Aufbau der Organismen, durch die äußerst verwickelten Stoffwechselreaktionen und die hohe Temperaturempfindlichkeit der Lebewesen bedingt. Sie Spurenelemente können in den Organismen einfach in Ionenform auftreten und als solche viele chemische Reaktionen beschleunigen oder hemmen. Viel häufiger sind sie jedoch Bestandteil von komplizierten, lebenswichtigen Verbindungen, nämlich von Hormonen (Thyroxin und Dijodthyrosin, beides Schilddrüsenhormone, sind jodhaltig), Vitaminen (Vitamin B 12 enthält Kobalt) und vor allem von zahlreichen Fermenten.
Die Fermente oder Enzyme sind nach einer Definition von J. B. S. Haldane kolloidale, eiweißhaltige, organische Katalysatoren, die von lebenden Organismen erzeugt werden. Man kennt heute 250 verschiedene Fermente, welche die verschiedensten chemischen Reaktionen in den Lebewesen zumeist sinnvoll dirigieren, beschleunigen oder hemmen. Etwa 2/3 des Gesamteiweißes der Leberzellen und rund 30% des Nichtstruktureiweißes von Muskeln rechnet man zum Fermenteiweiß; die Fermente spielen also schon rein mengenmäßig eine wichtige Rolle. Sie sind z. B. beteiligt bei der Gewebsatmung, der alkoholischen Gärung, der Spaltung von Stärke in Traubenzucker, der Tabaksreifung, der Zerlegung von Rohrzucker in Traubenzucker und Fruchtzucker usw.
Die Fermente bestehen in der Regel aus einem komplizierten Eiweißstoff (Apo-Ferment oder Apo-Enzym genannt) und einer einfacheren, im Aufbau vielfach genau bekannten, meist schermetall- bzw. vitaminhaltigen, hitzebeständigen, organischen Verbindung (prosthetische Gruppe, Co-Ferment oder Co-Enzym genannt). Apo-Ferment und Co-Ferment bilden zusammen das voll funktionsfähige Holoferment. Man kann im Experiment Apo-Ferment und Co-Ferment vielfach voneinander trennen; jedoch erreichen die getrennten Bestandteile bei weitem nicht die Wirkungskraft des Holoferments. Damit sich die Fermente voll betätigen können, ist oft noch ein sogenannter Aktivator erforderlich. Dies sind verschiedenartige, oft spurenelementhaltige Stoffe, welche die Wirkung von Fermenten steigern. So werden z. B. einige eiweißspaltende Fermente durch Schwermetallionen, Arginase durch Mangansalze, einige Gärungsfermente durch Mangan- und Magnesiumverbindungen aktiviert. Da die Holofermente Eiweiß enthalten, werden sie wie die anderen Eiweißstoffe durch Hitze (50 - 60° genügen) zerstört, durch Alkohol geschädigt usw.
Man hat eine Reihe von Fermenten in reinem, kristallisiertem Zustand gewonnen (z. B. Pepsin, Katalase usw.). Die Molekulargewichte dieser Stoffe liegen zwischen 14 000 und 480 000. Angesichts des sehr komplizierten Aufbaus (Eiweißkörper!) darf es nicht verwundern, daß bis heute nur wenige Fermente im Laboratorium syntethisch dargestellt werden konnten.
In den Pflanzen und Tieren sind die Fermente zumeist in den sogenannten Mitochondrien eingelagert; dies sind körnchen- oder stäbchenförmige, winzige Einschlüsse im Protoplasma der Zellen, die man im Mikroskop direkt oder nach Anwendung bestimmter Färbeverfahren sehen kann. Die Leberzelle einer Ratte enhält z. B. ca. 2500 Mitochondrien; jedes derselben ist 0,5 bis 2 Tausendstel Millimeter groß und besteht aus rund 1 000 000 Eiweißmolekülen; alle 2500 Mitochondrien zusammen erreichen etwa 15 - 20 % vom Gesamtgewicht der Leberzellen. In diesen winzigen Mitochondrien spielen sich die verschiedensten chemischen Reaktionen ab.