Was wissen wir und wo im Körper ist es zu finden?

Was wissen wir über Schwefel und was sind seine Eigenschaften?

Schwefel ist ein wichtiges anorganisches Element, das in unserer Umwelt häufig vorkommt, sei es in der Atmosphäre, im Wasser oder im Boden. Er ist auch ein wichtiger Bestandteil biologischer Systeme - von Pflanzen, Tieren und Menschen.

Er ist unter dem chemischen Symbol S bekannt, das vom lateinischen Namen Schwefel abgeleitet ist.

Schwefel ist ein Element der Gruppe 16 des Periodensystems der chemischen Elemente und befindet sich in Periode 3.

Der Name leitet sich von den griechischen Wörtern chalkos (Erz) und gennaó (bilden) ab.

Ihr Name weist also darauf hin, dass sie erzbildend sind und hauptsächlich in Form von Erzen vorkommen.

Elementarer Schwefel ist ein bei Raumtemperatur spröder, kristalliner Feststoff von hellgelber Farbe, geruchlos und geschmacklos.

Es handelt sich um ein nichtmetallisches Element, das keinen elektrischen Strom leiten kann und in Wasser unlöslich ist, sich aber in organischen Lösungsmitteln auflöst.

Er ist sehr reaktionsfreudig und verbindet sich mit vielen Elementen. Er verbrennt mit einer charakteristischen blauen Flamme unter Bildung von Schwefeldioxid, das bereits einen irritierenden und erstickenden Geruch hat.

Schwefel ist in der Lage, viele mehratomige Moleküle in fester, flüssiger und gasförmiger Form zu bilden, d. h. er hat viele Formen.

Eine tabellarische Zusammenfassung der grundlegenden chemischen und physikalischen Informationen über Schwefel

Es ist das zehnthäufigste Element im Universum.

Es kommt in geringerem Maße in seiner natürlichen elementaren Form vor, sondern viel häufiger in Verbindungen, in denen es vor allem als Sulfide (S2-) oder Sulfate (SO42-) vorkommt.

Es ist Bestandteil unterirdischer Lagerstätten - als sulfidisches Erz (in reiner Form), in Form verschiedener Mineralien, als Bestandteil heißer Quellen und Geysire sowie in fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle).

Auch in vulkanischen Gebieten ist es sehr häufig in seiner elementaren Form zu finden.

Die bekanntesten Sulfidminerale sind Pyrit (FeS2), Cinnabarit (HgS), Bleiglanz (PbS), Sphalerit (ZnS) oder Antimonit (Sb2S3), die bekanntesten Sulfatminerale sind Gips (CaSO4), Coelestin (SrSO4) oder Baryt (BaSO4).

Schwefel ist seit prähistorischen Zeiten bekannt, da er in reiner Form vorkommt. Prähistorische Menschen verwendeten Schwefel als Pigment für Höhlenmalereien, und in ägyptischen Religionen wurde er bei Zeremonien eingesetzt. Auch in der Bibel wird er erwähnt - im Zusammenhang mit den Feuern der Hölle, die Schwefel anfachte.

Die praktische Verwendung von Schwefel begann in Ägypten, wo er zum Bleichen von Baumwolle verwendet wurde, oder in China, wo er Bestandteil von Sprengstoffen war.

Schwefel wurde 1777 von dem französischen Chemiker Antoine Lavoisier als Element entdeckt, und erst 1809 wurde er als chemisches Element nachgewiesen.

Heute wird Schwefel hauptsächlich (bis zu 85 % der Gesamtmenge) zur Herstellung von Schwefelsäure verwendet, die dann z. B. bei der Produktion von Düngemitteln, Pigmenten, Sprengstoffen, Erdölprodukten, Batterien und Akkumulatoren zum Einsatz kommt.

Schwefel wird auch bei der Herstellung von Papier, Farbstoffen, Streichhölzern, Insekten- und Schimmelbekämpfungsmitteln, als Bleichmittel, Konservierungsmittel, Antioxidationsmittel oder als Bestandteil von Arzneimitteln (z. B. Antibiotika, Anästhetika, Schmerzmittel, Antiemetika, Brechmittel oder zur Behandlung von Herzerkrankungen) verwendet.

Welche Rolle spielt der Schwefel im Körper?

Schwefel ist im menschlichen Körper fast immer als Teil komplexerer Moleküle vorhanden und kommt nicht in freier Form vor.

Diese Moleküle, von denen Schwefel ein unersetzlicher Bestandteil ist, spielen bei vielen physiologischen Prozessen eine wichtige Rolle und sind für die Gesundheit und das reibungslose Funktionieren des Körpers unerlässlich.

Der meiste Schwefel ist in komplexen organischen Verbindungen wie Aminosäuren, Proteinen, Enzymen oder Vitaminen enthalten. Schwefel kommt in diesen Verbindungen in vielen Konfigurationen vor.

Die häufigsten Aminosäuren, die Schwefel in ihrer Struktur enthalten, sind Methionin, Cystein, Homocystein und Taurin, andere sind Cystin, Cystathion oder Cysteinsäure.

Der höchste Anteil von Schwefel an der Gesamtschwefelmenge im Körper findet sich in den Proteinen, deren Bausteine schwefelhaltige Aminosäuren sind.

Von den Vitaminen sind Thiamin (Vitamin B1) und Biotin (Vitamin B7) die wichtigsten, aber auch in anderen organischen Verbindungen wie Liponsäure, Coenzym A, Glutathion, Chondroitinsulfat, Heparin, Östrogenen oder Fibrinogen ist Schwefel enthalten.

Zu den grundlegenden biologischen Funktionen von Schwefel, ob in seiner eigenen Form oder als Teil komplexerer Moleküle, gehören:

• Er ist ein Baustein für Aminosäuren, Vitamine und andere wichtige organische Verbindungen.
• Er ist an der Struktur und Funktion von Proteinen beteiligt (über Aminosäuren als Grundbausteine der Proteine).
• Es beeinflusst die Funktion von Enzymen und Stoffwechselvorgängen.
• Fördert die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit von Haaren, Nägeln, Haut und Knorpeln.
• Hat eine antioxidative Wirkung.
• Hat antimikrobielle und antimykotische Wirkungen.
• Wirkt sich positiv auf die Entwicklung und Funktion von Gehirn und Nerven aus.
• Es hat eine Wirkung auf die Hormonfunktion.
• Bei äußerlicher Anwendung bremst er die Bildung und Vermehrung von Hautzellen (diese Wirkung wird bei der Behandlung verschiedener Hautkrankheiten genutzt).

Die wichtigsten Schwefelquellen für den Körper

Die wichtigste Schwefelquelle für den Menschen ist die Nahrung. Mit der Nahrung wird Schwefel in Form von komplexeren Verbindungen (hauptsächlich Aminosäuren und Vitamine) oder in einfacheren Formen - als Sulfite oder Sulfate - aufgenommen.

Viele Schwefelverbindungen sind für den Menschen giftig (z. B. Schwefelwasserstoff), nicht nur bei oraler Aufnahme, sondern auch beim Einatmen.

Es gibt daher nur eine begrenzte Anzahl von Schwefelverbindungen, die für den menschlichen Körper sicher und notwendig sind.

Der größte Teil des mit der Nahrung aufgenommenen Schwefels stammt aus zwei Aminosäuren - Methionin und Cystein -, die in Proteinen sowohl pflanzlichen als auch tierischen Ursprungs vorkommen.

Methionin ist eine essenzielle Aminosäure, die der Körper nicht selbst herstellen kann, weshalb wir auf ihre Zufuhr über die Nahrung angewiesen sind.

Bei Cystein ist die Situation etwas anders: Es handelt sich nicht um eine essenzielle Aminosäure, da Cystein im Körper im Rahmen des Methioninstoffwechsels gebildet wird.

Der physiologische Bedarf an Cystein wird nicht nur durch die Zufuhr von Cystein mit der Nahrung gedeckt, sondern auch durch eine erhöhte Zufuhr von Methionin, das anschließend in Cystein umgewandelt wird.

Der tägliche Schwefelbedarf des Menschen ist ausreichend gedeckt, wenn etwa 13 mg/kg dieser Aminosäuren mit der Nahrung aufgenommen werden.

Aus ernährungsphysiologischer Sicht kann auch Methionin allein den gesamten Schwefelbedarf des Körpers decken.

Schwefel gelangt auch über die in der Nahrung enthaltenen anorganischen Verbindungen - Sulfate oder Sulfite - in den Körper, die jedoch nur eine vernachlässigbare Schwefelquelle für den Organismus darstellen.

Ihre Absorption im Magen-Darm-Trakt ist gering, weshalb sie nur selten in die erforderliche tägliche Schwefelzufuhr einbezogen werden.

Zu den schwefelhaltigen Lebensmitteln tierischen Ursprungs gehören tierische Proteine, Eier, Milchprodukte, Fleisch, Fisch und Meeresfrüchte.

Unter den pflanzlichen Lebensmitteln sind Gemüse (Zwiebeln, Knoblauch, Lauch, Schnittlauch, Kohl, Grünkohl, Blumenkohl, Brokkoli, Brunnenkresse, Senf, Meerrettich, Radieschen), Obst (Himbeeren), Nüsse und Weizenkeime am wichtigsten.

Schwefel ist auch in Mineralwässern oder in geringen Mengen im Leitungswasser enthalten.

Schwefel kann in einigen eiweißhaltigen Lebensmitteln einen charakteristischen Geruch haben, der an faule Eier erinnert.

Es gibt keine definierten Empfehlungen für Schwefel und seine optimale tägliche Zufuhr. Die Aufnahme ausreichender Mengen schwefelhaltiger Aminosäuren stellt sicher, dass der Körper genügend und notwendige Mengen an Schwefel für ein gutes Funktionieren erhält.

In der Lebensmittelindustrie kann man auch beobachten, dass den Lebensmitteln bei der Verarbeitung absichtlich Schwefel zugesetzt wird.

Dabei handelt es sich um den Zusatz von Sulfiten, die als Konservierungsmittel, Antioxidationsmittel oder Bleichmittel in Lebensmitteln wirken.

In der Regel werden Sulfite Lebensmitteln zugesetzt, wie zum Beispiel:

• Obst und Gemüse in roher, verarbeiteter, gefrorener, getrockneter oder konservierter Form, in Säften, Konfitüren, Marmeladen oder Brotaufstrichen
• Süßwaren, Sirupen und Süßungsmitteln
• Getreide und Getreideerzeugnisse, Nüsse
• Fleischerzeugnisse
• Fisch und Meeresfrüchte
• Kräuter und Gewürze
• Bier, Wein, Alkohol und aromatisierte Getränke

Tabellarische Liste der zulässigen Lebensmittelzusatzstoffe

Sulfite sind auch in vielen Arzneimitteln und Nahrungsergänzungsmitteln enthalten.

Schwefel - von der Aufnahme bis zur Ausscheidung

Aufnahme

Wie bereits erwähnt, gelangt fast der gesamte Schwefel über zwei Aminosäuren - Methionin oder Cystein - in den Körper.

Im Falle von Methionin erfolgt die Aufnahme in erster Linie über den Dünndarm, wo Methionin durch spezifische Transporter aufgenommen wird.

Methionin ist eine der Aminosäuren mit der höchsten Absorptionsrate im Verdauungstrakt.

Der Anteil des absorbierten Methionins ist relativ hoch, allerdings werden etwa 20-30 % der Menge direkt während der Absorption zu Sulfaten metabolisiert.

Cystein wird in der Umgebung des Dünndarms und auch über spezifische, energieabhängige Transporter resorbiert.

Die Absorption von anorganischen Schwefelverbindungen im Magen-Darm-Trakt, d. h. von Sulfaten oder Sulfiten, die mit der Nahrung aufgenommen oder durch den Aminosäurenstoffwechsel gebildet werden, ist gering.

Die meisten Sulfate bis zu 1 Gramm werden im Dünn- und Dickdarm über den Natrium-Sulfat-Transporter aufgenommen.

Verteilung

Sulfate stehen an vierter Stelle der Liste der am häufigsten vorkommenden Anionen im menschlichen Blut.

Ihre Konzentration im Urin liegt bei etwa 300 µmol/l. Die Aufnahme von Sulfaten oder schwefelhaltigen Aminosäuren mit der Nahrung erhöht ihren Gehalt manchmal um das Zweifache.

Die übliche Konzentration von Sulfiten im Blut beträgt 5 µmol/l, kann aber auch im Referenzbereich von 0-10 µmol/l liegen.

In Standard-Bluttests wird der Gehalt an Schwefel oder seinen Verbindungen nicht bestimmt.

Schwefel wird aus dem Blut über verschiedene Arten von Trägern in die Gewebe und Zellen des Körpers zurücktransportiert.

Schwefelhaltige Sulfate oder Aminosäuren können auch die Plazenta in beide Richtungen passieren, was sowohl für eine ausreichende Versorgung des Fötus mit Schwefel als auch für die Vermeidung schädlicher Überschüsse wichtig ist.

Schwefel passiert auch die Blut-Hirn-Schranke in Form von Cystin, das in der Gehirnumgebung zu Sulfat abgebaut wird.

Metabolismus und Speicherung von Schwefel

Da Schwefel mit der Nahrung in der Regel in Form von komplexeren Molekülen aufgenommen wird, wird er im Körper verstoffwechselt oder in einfachere Moleküle aufgespalten.

Im Allgemeinen wird Schwefel durch Oxidation von Schwefel in Form von Sulfiden S2 (in dieser Form ist er in komplexeren organischen Verbindungen enthalten) zu Sulfiten SO32- und weiter zu Sulfaten SO42- verstoffwechselt.

Die Sulfate können in den Geweben an Ascorbat gebunden gespeichert werden und bilden so Schwefelspeicher. Diese Schwefelspeicher sind jedoch sehr klein. Anschließend wird der Schwefel je nach Bedarf des Organismus durch Enzyme aus seiner Bindung an Ascorbat freigesetzt.

Der Stoffwechsel von Methionin läuft über eine Reihe von Prozessen ab, die von Enzymen gesteuert werden. Das Endergebnis des Stoffwechsels ist die Bildung von Sulfat.

Neben Sulfat entstehen bei seinem Stoffwechsel jedoch auch Homocystein, Cystathion, Cystin, Taurin und auch Cystein, die Produkte des Methioninstoffwechsels.

Da Cystein keine essentielle Aminosäure ist, ist die Quelle für Cystein nicht nur die Nahrung selbst, sondern kann auch im Körper durch Methionin gebildet werden.

Die Cystein- und Methioninmoleküle selbst werden im Körper nicht gespeichert, sondern zu anorganischen Sulfaten oxidiert oder an Glutathion (ein aus drei Aminosäuren bestehendes Tripeptid mit starken antioxidativen Eigenschaften) gebunden.

Ausscheidung

Schwefel und seine Verbindungen werden vom Körper hauptsächlich über den Urin ausgeschieden.

Pro Tag scheidet der Mensch insgesamt etwa 1,3 g Schwefel mit dem Urin aus, wobei der Anteil des ausgeschiedenen Schwefels bei einer höheren Schwefelzufuhr über die Nahrung zunimmt.

Schwefel wird im Urin in Form von organischen Estern (etwa 15 %) ausgeschieden, der restliche Volumenverlust erfolgt in Form von Sulfaten.

Die Geschwindigkeit der Schwefelausscheidung über die Lunge wird auch durch den Vitamin-D-Spiegel im Körper beeinflusst.

Andere Wege der Schwefelausscheidung, z. B. über die Fäkalien, sind vernachlässigbar (< 0,5 mmol/Tag).

Was ist die Folge einer Abweichung vom physiologischen Schwefelgehalt?

Wie bei anderen Mineralien oder Spurenelementen ist es wichtig, den Schwefelgehalt auf einem Niveau zu halten, das für den Körper nützlich und sicher ist.

Die pathologischen Folgen eines Schwefelmangels im menschlichen Körper allein sind nicht definiert und daher unbekannt.

Einige Quellen berichten, dass bei Patienten mit einem Mangel an bestimmten Schwefelträgern Gehirnstörungen und Bindegewebsschäden aufgetreten sind.

Ein zu hoher Schwefelgehalt im Körper kann zum Verlust von Mineralien aus den Knochen führen und in der Folge das Risiko von Osteoporose erhöhen.

Die Exposition gegenüber hohen Schwefeldosen kann Asthmaanfälle und allergische Hautreaktionen wie Nesselsucht auslösen.

Schwefel enthält auch viele Verbindungen, die für den Menschen giftig sind, z. B. Schwefeldioxid.

Die Exposition des Körpers gegenüber diesen Verbindungen, beispielsweise in Form von Luftverschmutzung, führt zu Entzündungen der oberen Atemwege, Verengungen der Atemwege und Lungenerkrankungen.

Die wichtigste und größte Quelle für Schwefel ist die Nahrungsaufnahme in Form der schwefelhaltigen Aminosäuren Methionin und Cystein.

Daher können die Symptome eines Mangels oder Überschusses dieser Aminosäuren teilweise auf Schwefel zurückgeführt werden.

Die Hauptursache für einen Methionin- und Cysteinmangel im Körper ist eine deutlich zu niedrige Proteinzufuhr mit der Nahrung. Sofern kein Problem mit der Absorption oder dem Stoffwechsel dieser beiden Aminosäuren vorliegt, kann der Mangel durch eine erhöhte Zufuhr behoben werden.

Es sind jedoch auch angeborene Defekte bei der Absorption oder dem Stoffwechsel dieser Aminosäuren bekannt, so dass ihr übermäßiger oder unzureichender Gehalt im Körper nicht direkt von der Nahrungsaufnahme abhängig ist.

Zu den angeborenen Resorptionsstörungen gehören beispielsweise verschiedene Malabsorptionen.

Zu den Stoffwechselstörungen gehören Störungen in der Funktion verschiedener Enzyme, die am Stoffwechsel von Methionin und Cystein beteiligt sind, was letztlich zu einer Anhäufung oder einem Fehlen ihrer Metaboliten im Körper führt.

Im Allgemeinen äußern sich diese Störungen vor allem durch:

• Beeinträchtigung der geistigen Funktion
• verzögerte Entwicklung des Individuums
• Anfallsleiden
• Bewegungsstörungen
• Blutstörungen wie Mangel an roten Blutkörperchen und Blutplättchen
• übermäßige Anhäufung bestimmter Stoffwechselprodukte im Urin
• Bildung von Nieren- und Harnsteinen

Eine wichtige Störung im Zusammenhang mit dem gestörten Stoffwechsel schwefelhaltiger Aminosäuren ist die sogenannte Homocystinurie.

Sie entsteht durch eine mangelhafte Funktion des Enzyms Cystathionin-Synthase, das die Umwandlung von Homocystein in Schwefel ermöglicht.

Homocystein reichert sich dadurch in großen Mengen im Blut an und verursacht gesundheitliche Probleme; außerdem wird es in großen Mengen mit dem Urin ausgeschieden.

Da Homocystein eine Vorstufe für die Bildung von Cystein ist, ist seine Produktion bei dieser Krankheit vermindert.

Homocystinurie verursacht Augenschäden (Kurzsichtigkeit, Linsentrübung und -verschiebung), Knochenschäden (Osteoporose, Skoliose, Knochenbrüche) oder Störungen des Nervensystems (Entwicklungsverzögerung, geistige Behinderung, psychische Störungen).

Homocystein ist auch ein wichtiger Faktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen, insbesondere für tiefe Venenthrombosen, Lungenembolien und Schlaganfälle.

Einige Studien haben Methionin auch mit der Entstehung bestimmter Krebsarten in Verbindung gebracht, da das Wachstum einiger Krebszellen von dieser Aminosäure abhängig ist.