Kupfer (Cu) zählt zu den Schwer- und Edelmetallen. Das Element mit der Ordnungszahl 29 gehört wie Silber (Ag) und Gold (Au) zur ersten Nebengruppe im Periodensystem.
Der Massenanteil in der Erdkruste beträgt 0,006 %. Sehr selten sind Funde gediegenen, elementaren Kupfers. Lohnende Vorkommen treten in Gestalt diverser mineralischer Erze auf. Dazu zählen beispielsweise Kupferkies (CuFeS2), Bornit (Cu5FeS4) und Kupferglanz (Cu2S).
Das bedeutendste Abbaugebiet ist Chile mit einer Fördermenge von fast 5.000 Tonnen jährlich. In Europa liegen kleinere Schürforte in Polen, Portugal und Schweden.
Der lateinische Name „cuprum“ geht auf die Römerzeit zurück und stellt eine Art Verkürzung für „aes cyprium“ dar, was soviel wie „Erz von Zypern“ bedeutet. Im Altertum war die Insel einer der wenigen Orte, wo in Kupfer größeren Mengen gewonnen wurde.
Die Nutzung des Metalls begann vor 10.000 Jahren. Die Historiker legen die Ära der Kupferzeit allerdings in das Jahr 5.000 vor Christi Geburt. In der Bronzezeit (2200 bis 800 v. Chr.) lernten die Menschen die Herstellung von Kupfer-Legierungen (Bronze: 40 % Zinn, 60 % Kupfer).
Heute gibt es zahlreiche andere Bronzen mit Anteilen diverser Metalle (z. B. Aluminium, Nickel, Blei). Schon im antiken Griechenland war die Herstellung von Messing bekannt (40 % Zink, 60 % Kupfer).
Kupfer ist gut formbar, weil es nicht zu hart, aber auch nicht zu brüchig ist. Stromkabel bestehen aus elementarem Kupfer, weil das Metall den Strom außerordentlich gut leitet. Daneben ist das Metall ein hervorragender Wärmeleiter.
Kupfer wird in reiner Form und auch als Legierung zu vielen Alltagsgegenständen verarbeitet. So bestehen Armaturen, Münzen, Besteck und vieles andere vollständig oder teilweise aus Kupfer. Am wichtigsten ist allerdings die Anwendung in der Elektronik.
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Physiologische Bedeutung
Für viele Organismen, zu denen auch der Mensch gehört, ist Kupfer ein essenzielles Spurenelement. Der menschliche Körper enthält ca. 1,4 bis 2,1 mg pro Kilogramm Körpermasse. Man geht von einem täglichen Kupferbedarf von 1 bis 3 Milligramm aus. Der Blut-Serum-Gehalt liegt bei einem gesunden Erwachsenen zwischen 75 und 130 µg/dl Kupfer.
Nach der Resorption im Dünndarm wird das Spurenelement an Albumin gebunden und gelangt so in die Leber. Dort wird Kupfer gespeichert und gebunden an das Transport-Protein Coeruloplasmin bei Bedarf ins Blut abgegeben. Die Konzentration freien Kupfers ist sehr gering. Die Ausscheidung von Überschüssen besorgt die Galle.
Ein- (Cu+) oder zweiwertige Kupfer-Ionen (Cu2+) sind Bestandteile vieler Enzyme, die den Stoffwechsel der Aminosäuren, Fette und Kohlenhydrate bewerkstelligen. Daneben ist die Monoaminooxidase Kupfer-abhängig. Das Enzym ist am Neurotransmitterstoffwechsel beteiligt. Benötigt wird das Spurenelement auch für die Immun-Funktion und den Eisen-Stoffwechsel. So aktiviert Kupfer das Gen für Transferrin, das Eisen über die Blutbahn transportiert.
Kupfer hat auch einen Einfluss auf die Aktivität einiger Gene, wie Wissenschaftler in Tierversuchen entdeckten. Gebremst werden 2 Gene aus dem Zuckerstoffwechsel (Beta-Enolase, ENO3 und Aldose-Reduktase-1). Ebenfalls durch Kupfer herunterreguliert werden die Gene für die Kreatinase des Muskelstoffwechsels sowie für die Aconitase der Mitochondrien, die das Enzym für ihren Eisenhaushalt brauchen. Das Spurenelement bremst auch die Gene für das antioxidativ wirksame Enzym Glutathionperoxidase und für die Carboanhydrase, die im Bikarbonat-Haushalt („Kohlensäure“) eine Rolle spielt.
Elektronentransport und Sauerstofftransport
Kupferhaltige Proteine haben verschiedene Rollen beim biologischen Elektronentransport. Bei diesen oxidativen Prozessen wird Cu(I) zu Cu(II) (vom einwertigen zum zweiwertigen Kupfer) konvertiert. So spielt Kupfer in der Cytochrom-c-Oxidase der Mitochondrien eine wichtige Rolle.
Das Kupfer-Eisen-Protein ist in die aerobe Zellatmung eingeschaltet, wo es die Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser mit bewerkstelligt.
Man vermutet, dass die biologische Bedeutung des Kupfers mit dem Auftauchen von Sauerstoff in der Erdatmosphäre begann. Die Oxidation mit Sauerstoff wurde von da ab für die aufkeimenden tierischen (und auch Pilze – allotrope Organismen) Lebewesen wichtig, die Stoffwechsel-Energie aus der Oxidation („Verbrennung“) gewinnen.
Kupfer ist Bestandteil der Cytochrom-Komplexe 1 bis 5 in der Elektronen-Transportkette der inneren Mitochondrien-Membran. In diesem terminalen Schritt des oxidativen Abbaus („Verbrennung“) von Fetten und Kohlenhydraten entsteht ATP, die sogenannte „Energie-Währung des Körper“. Kupfer ist auch im Protein Ceruloplasmin enthalten, das das Spurenelement in die Mitochondrien transportiert.
Die Cytochrom-Komplexe schützen die innere Mitochondrien-Membran auch vor oxidativer Zerstörung. Besonders wichtig für die Struktur des Elektronentransport-Systems ist das Phospholipid Cardiolipin, das ohne den Schutz-Faktor schnell der Oxidation anheimfiele. Dieses Risiko ist dann noch größer, wenn Cardiolipin mit ungesättigten Fettsäuren wie der Omega-6-Fettsäure Linolsäure verknüpft ist. Daher kommt hier der Ernährung eine hohe Bedeutung zu.
Eine Sonder-Funktion hat Kupfer bei den Mollusken und vielen Gliederfüßlern (Arthropoden: z.B. Krebse, Insekten). Das Protein Hämocyanin ist bei ihnen Teil des Sauerstofftransporters im Blut. Weil Hämocyanin blau ist, haben diese Organismen auch blaues Blut. Das Rot des Bluts in Säugetieren und Menschen dagegen beruht auf dem Hämoglobin, das kein Kupfer, sondern Eisen als Sauerstoffträger benutzt.
Kupfer kann man auch in vielen Superoxid-Dismutasen finden. Diese Proteine entgiften Superoxide, indem sie aggressive Sauerstoff- und Wasserstoff-Ionen zu Sauerstoff und Wasserstoffperoxid umwandeln.
Die meisten Kupferproteine wie die blauen Kupferproteine reagieren nicht unmittelbar mit ihren Substraten, weswegen sie keine Enzyme im klassischen Sinne sind. Diese Proteine sind am Elektronentransfer beteiligt.
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Nahrungsquellen für Kupfer
Kupfer ist reichlich enthalten in einer Reihe von Lebensmitteln wie:
- Leber,
- Getreide,
- Gemüse,
- Schokolade,
- Nüssen,
- Fleisch,
- Meeresfrüchten
- etc.
Kupfermangel
Kupfermangel entsteht hierzulande selten durch eine Fehl- und Mangelernährung. Öfter sind es Resorptions-Störungen im Dünndarm wie die Zöliakie, die das Defizit des Spurenelementes verursacht. Eine zu hohe Zink-Aufnahme kann Kupfer verdrängen, wodurch es dann zu Mangelerscheinungen kommt.
Beim Menkes-Syndrom liegt ein Gendefekt vor, bei dem ein Kupfer-Transport-Protein in den Zellen nicht funktioniert. Deswegen kann der Dünndarm kaum Kupfer aufnehmen. Die betroffenen Neugeborenen leiden an allgemeinen und zerebralen Entwicklungsstörungen, Dermatitis, Muskelschwäche und Krampfanfällen.
Da Kupfer bei der Resorption von Eisen im Magen-Darm-Trakt eine Rolle spielt, kann es bei einem Kupfermangel gleichzeitig zu anämieartigen Symptomen kommen.
Kupfermangel bewirkt außerdem Knochenanomalien, eingeschränktes Wachstum, Neutropenie (Verminderung der neutrophilen Granulozyten im Blut), Mangelpigmentation, häufiges Auftreten von Infektionen, Unregelmäßigkeiten im Glukose- und Cholesterinstoffwechsel etc.
Der Arzt erkennt den Kupfermangel an einer Labor-Analyse des Blutes. Abhängig von der Ursache soll entweder die Ernährung umgestellt oder es muss Kupfer supplementiert werden. Eine eventuelle Darm-Funktions-Störung muss ebenfalls behandelt werden.
Oft meinen Ärzte, bei zu niedrigen Ferritin-Werten läge ein Eisenmangel vor. Doch das Eisenspeicher-Protein kann auch infolge eines Kupfermangels reduziert sein, sodass der Hämoglobin-Wert immer mit bestimmt werden sollte. Daneben ist ein Blick auf das Eisen-Recycling-System sinnvoll, damit ein Kupfermangel nicht als Eisenmangel fehlinterpretiert wird. Sichtbar wird der Irrtum anhand der Aktivität der kupferabhängigen Ferroxidase und des Transferrins. Die Eisentransport-Proteine Ferroportin und Hephaestin schleusen Eisen aus Zellen heraus und sind ebenfalls von Kupfermangel betroffen. Allerdings sind diese Proteine schwer messbar.
Kupferüberschuss
Ein Kupfer-Überschuss ist eine Schwermetallvergiftung. Meist sind veraltete Wasserrohre oder Küchengeräte die Ursache oder zu hohe Dosierungen eines Supplementes. Die Symptome sind Magen-Darmstörungen mit Übelkeit und Erbrechen, Herz-Rhythmus-Störungen, Schweißausbrüche und Hautausschläge.
Mögliche Komplikationen sind Gelbsucht und Zirrhose. Letztere ist vermehrt beobachtet worden, wenn Milch in Kupfergefäßen gekocht wird.
Die Intoxikation offenbart sich durch eine Blutuntersuchung. Der Arzt wird dann Präparate verordnen, die bei einer Schwermetallentgiftung angezeigt sind. Dazu zählen Komplex-Bildner, die Kupfer binden, das dann ausgeschieden werden kann.
Beispiele für diese Mittel sind DMPS (Dimercaptopropansulfonsäure) und EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure).
Im Zuge der Erbkrankheit Mobus Wilson kommt es zur Akkumulation von Kupfer in Leber, Hornhaut, Nerven, Knochen und den Nieren. Ursache ist auch hier wie beim Menkes-Syndrom ein Fehler im Kupfer-Transport-System. Infolgedessen kann die Galle nicht mehr genügend überschüssiges Kupfer ausscheiden.
Gravierende Folgen sind eine Beeinträchtigung der Leber und neurologischen Schädigungen. Zudem kann es zu DNA-Veränderungen kommen, weil der schützende Effekt antioxidativer Prozesse gestört ist. Bei einer frühzeitigen Erkennung der Krankheit kann den Patienten mit einer lebenslangen Schwermetallentgiftung gut geholfen werden.
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Beitragsbild: 123rf.com – Alexander Raths
