Aufgaben im Körper
Aus dem Biologieunterricht wissen Sie, dass die Flüssigkeit zwischen den Zellen, also das extrazelluläre Medium, reich an Natrium- und Chlorid-Ionen ist. Das Zellinnere, das Cytoplasma, ist dagegen reich an Kalium-Ionen und bestimmten organischen Anionen.
Ein erwachsener Mensch besitzt ca. 120 bis 160 g Natrium (ca. 2 g / kg Körpergewicht), von denen ca. 98% bis 99% in gelöster Form als K+ vorliegen [2].
Die Konzentration an Kalium-Ionen, c(K+), beträgt in der extrazellulären Flüssigkeit ca. 3,5 bis 5,5 mmol/l, im Zellplasma dagegen ca. 140 bis 150 mmol/l. Es besteht also ein erheblicher Konzentrationsunterschied von innen nach außen.
Aus diesem Grund diffundieren ständig Kalium-Ionen nach außen. Da K+-Ionen positiv geladen sind, wird die Außenseite der Zelle durch dieses Ausströmen etwas positiver, während die Innenseite durch das Fehlen der positiven Ladungen etwas negativer wird. Hält man eine Elektrode in das Zellinnere, und eine andere Elektrode in das Zellaußenmedium, so kann man eine Spannung von -70 bis -90 mV feststellen. Diese Spannung wird als Ruhepotenzial der Zelle bezeichnet. Die K+-Ionen sind die Hauptursache für dieses Ruhepotenzial.
In der Biologie-Abteilung dieser Homepage finden Sie jede Menge Informationen über das Zustandekommen des Ruhepotenzials und die Rolle der Natrium- und Kalium-Ionen.
Das Ruhepotenzial einer Nervenzelle ist Voraussetzung für die Bildung von Aktionspotenzialen. Wenn sich bestimmte Natriumkanäle in der Membran einer Nervenzelle öffnen, strömen Na+-Ionen in die Zelle und führen zu einer Umpolung des Membranpotenzials von -70 mV auf +30 mV. Anschließend öffnen sich bestimmte Kaliumkanäle, und K+-Ionen strömen mit dem Konzentrationsgefälle aus der Zelle aus, bis sich wieder eine Spannung von ca. -70 mV eingestellt hat.
Wenn Sie im Biologie-Unterricht gut aufgepasst haben, dann wissen Sie vielleicht jetzt schon, dass sich durch das Einströmen der Natrium-Ionen und das anschließende Ausströmen der Kalium-Ionen das Ionengleichgewicht an der Zellmembran verschoben hat. Dieses Gleichgewicht wieder herzustellen ist dann die Aufgabe der sogenannten Natrium-Kalium-Pumpe. Das ist ein Protein in der Membran der Zellen, das eingedrungene Natrium-Ionen wieder nach außen und gleichzeitig Kalium-Ionen wieder zurück nach innen transportiert. Da diese Transportvorgänge gegen die bestehenden Konzentrationsunterschiede erfolgen, sind sie sehr energieaufwendig und laufen nur ab, wenn gleichzeitig ATP gespalten wird. Dieses wichtige Proteine wird daher als Natrium-Kalium-Pumpe bezeichnet.
Der obige Text ist natürlich nur eine sehr ungenaue Beschreibung von Aktionspotenzialen. Wenn Sie Genaueres wissen wollen, sollten Sie auf die entsprechenden Seiten in der Biologie-Abteilung dieser Homepage gehen.
Ein Mangel an K+-Ionen kann zu Störungen dieser Vorgänge führen, und besonders empfindlich für K+-Mangel sind die Herzmuskelzellen. Hier kann ein K+-Mangel zu Herzrhythmusstörungen führen, die unter Umständen lebensbedrohlich sein können [2].
Weitere Aufgaben von K+-Ionen
Kalium-Ionen haben aber auch noch ein paar andere Aufgaben außer der Informationsverarbeitung in unserem Nervensystem.
Osmotischer Druck des Zellplasmas
K+-Ionen sind die zahlenmäßig wichtigsten Kationen des Zellplasmas. Sie sind damit hauptverantwortlich für den osmotischen Druck des Zellplasmas. Je höher die K+-Konzentration, desto höher der osmotische Druck.
Osmotischer Druck
Der osmotische Druck einer wässrigen Lösung ist um so höher, je mehr Teilchen in der Flüssigkeit gelöst sind. Auch eine hochkonzentrierte Zuckerlösung hat einen hohen osmotischen Druck, es müssen also nicht unbedingt Ionen sein, die den osmotischen Druck verursachen.
Je mehr Teilchen im Wasser gelöst sind, desto weniger Wasser-Moleküle haben in dem Flüssigkeitsvolumen Platz. Wenn sich außerhalb dieser Lösung reines Wasser befindet, ist dort die Konzentration an Wasser-Molekülen höher als in der Lösung. Es besteht dann ein Wasser-Konzentrationsunterschied, und Wasser-Moleküle diffundieren von außen in die Lösung hinein. Deshalb nimmt dort der Druck zu - es sei denn, das Gefäß, das die Lösung enthält, kann sich beliebig ausdehnen. Das ist aber meistens nicht der Fall.
Aktivierung von Enzymen
K+-Ionen können bestimmte Enzyme aktivieren. Das ist vor allem bei den Enzymen der Proteinbiosynthese der Fall, also einem grundlegenden Vorgang in den Zellen.
Auch bestimmte Enzyme des Zellstoffwechsels, zum Beispiel der Glycolyse, und manche Ionenkanäle, zum Beispiel Ca2+-Kanäle, können durch K+-Ionen aktiviert werden.
Regulation des Säure-Base-Gleichgewicht
Auf der Seite zu den Na+-Ionen wurde bereits kurz ausgeführt, wie Natrium-Ionen das Säure-Base-Gleichgewicht beeinflussen. K+-Ionen sind nun die Gegenspieler dieser Na+-Ionen, was die Regulation des Wasserhaushaltes und des Säure-Base-Gleichgewichts angeht.
Bei einem hohen K+-Gehalt in Blut und Lymphe wandern K+-Ionen im Austausch gegen H+-Ionen in die Zellen. Der extrazelluläre pH-Wert sinkt daher.
Bei einem zu niedrigen K+-Gehalt in Blut und Lymphe erfolgt der umgekehrte Prozess. Im Austausch gegen H+-Ionen wandern K+-Ionen aus den Zellen in das Außenmedium, wo der pH-Wert wegen der nun geringeren H+-Konzentration steigt.
pH-Wert
Der pH-Wert ist ein Maß für die Protonenkonzentration in einer wässrigen Lösung. Je mehr Protonen H+ die Lösung enthält, desto niedriger ist der pH-Wert. Eine Säure hat beispielsweise eine Protonenkonzentration von 10-2 mol/l und damit einen pH-Wert von 2. Eine Lauge dagegen hat eine viel geringere Protonenkonzentration von vielleicht 10-9 mol/l, der pH-Wert liegt dann bei 9. Reines Wasser hat eine Protonenkonzentration von 10-7 mol/l, der pH-Wert ist dann 7 und eine solche Flüssigkeit wird dann als "neutral" bezeichnet.
Wie Sie vielleicht schon selbst gesehen haben, ist der pH-Wert ein logarithmisches Maß. Ein Absinken des pH-Wertes von 7 auf 6 bedeutet, dass die Protonenkonzentration um das Zehnfache zugenommen hat, von 10-7 auf 10-6 mol/l.
Auch die Säure-Ausscheidung der Nieren wird durch den K+-Gehalt der Körperflüssigkeiten beeinflusst. Kaliumchlorid wirkt säuernd, Kaliumbicarbonat basisch [2].
Hormonfreisetzung
K+-Ionen können auch die Freisetzung bestimmter Hormone beeinflussen. Diese Zusammenhänge sind nicht ganz einfach zu verstehen, aber ich versuche es einmal am Beispiel des Insulins, das ja für den Ernährungslehre-Unterricht eine besonders wichtige Rolle spielt (Aufrechterhaltung des Blutglucose-Spiegels).
Insulinfreisetzung durch Glucose
Bei einem hohen Blutzuckerspiegel tritt verstärkt Glucose in die β-Zellen der Bauchspeicheldrüse ein. In diesen Zellen führt das zu einer verstärkten Bildung von ATP. ATP kennen Sie aus dem Biologie-Unterricht als "universelle Energiewährung" der Zelle. Die erhöhte ATP-Konzentration führt zur Hemmung bestimmter K+-Kanäle in der Membran, und es wird weniger K+ nach außen transportiert. Das wirkt sich auf das Membranpotenzial der Zellen aus, und das wiederum führt zum Öffnen von Ca2+-Kanälen in der Membran, so dass verstärkt Ca2+-Ionen in die Zelle einströmen. Eine hohe Ca2+-Konzentration erleichtert aber die Exocytose von insulinhaltigen Golgi-Vesikeln [2].
Bei der Insulinfreisetzung sind also K+-Kanäle beteiligt, und die K+-Konzentration innerhalb und außerhalb der β-Zellen beeinflusst die Höhe des Membranpotenzials dieser Zellen und damit das Einströmen von Ca2+-Ionen, die dann zu einer Insulin-Ausschüttung führen.
Bedarf
Der Kalium-Bedarf wird in der Fachliteratur meistens mit 2 bis 3 g / Tag angegeben [1], wobei der Bedarf bei Männern höher ist als bei Frauen und bei Erwachsenen höher als bei Kindern und Jugendlichen. Die DGE empfiehlt für Erwachsene 2,0 g Kalium pro Tag [2]. Die durchschnittliche Zufuhr an Kalium beträgt in Deutschland bei Frauen ca. 3,9 und bei Männern ca. 4,3 g / Tag, liegt also deutlich über dem Bedarf [3].
Mangelerscheinungen
In Europa gibt es so gut wie keine ernährungsbedingten Kalium-Mangelerscheinungen. Wenn ein Kalium-Mangel vorliegt, hat das meistens andere Ursachen, zum Beispiel heftige Durchfälle, Erbrechen, oder Störungen des Hormonhaushalts.
Folgen eines Kalium-Mangels können Erschöpfungszustände, Muskelschwäche und Muskelkrämpfe, teils sogar Lähmungen und Herzrhythmusstörungen sein. Wie bereits oben gesagt, hängt auch die Insulinfreisetzung vom K+-Spiegel ab. Bei einem zu niedrigen K+-Spiegel kann die Insulinausschüttung gehemmt oder blockiert sein [1].
Folgen überhöhter K+-Zufuhr
Nimmt der Mensch zu viel Kalium mit der Nahrung zu sich, wird das überschüssige Kalium problemlos von den Nieren mit dem Harn ausgeschieden - das gilt natürlich nur für gesunde Menschen. Eine Hyperkaliämie (überhöhter K+-Spiegel, mehr als 5,0 mmol/l) ist bei gesunden Menschen, die sich normal ernähren, also so gut wie ausgeschlossen. Jedoch tritt Hyperkaliämie oft bei Menschen mit Nierenproblemen, bestimmten Medikamenten oder anderen Gesundheitszuständen auf, die die K+-Ausscheidung beeinträchtigen.
Ein leichter K+-Überschuss hat normalerweise keine Folgen. Ein hoher K+-Überschuss ( mehr als 6 mmol/l) kann schwere Herzrhythmusstörungen zur Folge haben. Auch Magen-Darm-Beschwerden mit Krämpfen und Durchfällen, Darmverschluss, Muskelschwäche und -lähmung und Lungenversagen können die Folge eines hohen K+-Überschusses sein [3, 5].
K+-reiche Lebensmittel
"Einige Gemüse- und Obstarten, z. B. Aprikosen, Bananen, Karotten, Kohlrabi, Avocado und Tomaten sind kaliumreich; besonders hoch ist dabei der Kaliumgehalt in konzentrierter Form, z. B. bei Tomatenmark oder Trockenobst. Ebenso Haselnüsse, Cashewkerne, Erdnüsse und Mandeln sowie Bitterschokolade und einige Mehlsorten (Dinkel-, Roggen-, Buchweizenvollkornmehl) besitzen einen hohen Kaliumgehalt." [3].
Nach Hahn et al. haben folgende Lebensmittel einen besonders hohen Kaliumgehalt:
- Weizenkleie: 1340 mg / 100 g
- Kroketten: 1191 mg / 100 g
- Mandeln: 835 mg / 100 g
- Rosinen: 782 mg / 100 g
- Kartoffelknödel: 720 mg / 100 g
Bananen, die mir von meinem Kardiologen als "kaliumreich" und damit gut gegen Herzrhythmusstörungen empfohlen worden sind, enthalten dagegen nur magere 367 mg / 100 g Kalium.
Resorption
Kalium-Ionen werden relativ leicht von den Enterocyten des Dünndarms resorbiert, und zwar über einen aktiven Transportmechanismus. Das ist notwendig, weil der Kaliumgehalt der Zellen sehr viel höher ist als die K+-Konzentration der extrazellulären Flüssigkeit und des Darminhalts. Verantwortlich für die K+-Resorption ist laut [2] eine spezielle Natrium-Kalium-Pumpe, die sogenannte luminale Na+/K+-ATPase. In [4] lesen wir jedoch, dass die K+-Resorption zu 90% und mehr parazellulär erfolgt, also durch die Zwischenräume der Enterocyten. Hier lesen wir auch, dass die Kaliumresorption von Magnesium abhängig ist. Ein Mg2+-Mangel vermindert die Kaliumresorption.
Exkretion
Das überschüssige Kalium wird zu 85 bis 90% über die Nieren ausgeschieden, 7 bis 12% über den Stuhl und ca. 3% über den Schweiß [4].
Im gesamten Magen-Darm-Trakt wird K+ im Austausch gegen Na+ aktiv ausgeschieden. Daher führen Erbrechen und Durchfälle zu Kaliumverlusten [4].
Quellen:
- Schlieper, Grundfragen der Ernährung, 21. Auflage, Hamburg 2014.
- Hahn et al., Ernährung, 3. Auflage, Stuttgart 2016.
- "Kalium" auf den Seiten der DGE.
- "Kalium" auf www.vitalstoff-lexikon.de
- "Erhöhter Kaliumspiegel (Hyperkaliämie)" auf Deximed.de