Arsen: der Weg im Körper · Biomarker & Laboranalyse

Diese Seite zeigt den biochemischen Weg der Substanz Arsen: wie sie in den Körper gelangt, welche Stationen sie durchläuft und welche Schritte sie berührt. Jede Aussage hat eine Quelle. Die Seite beschreibt allgemeines Lehrbuchwissen und sagt nichts über einen einzelnen Menschen.

Kurz erklärt

Arsen ist ein Halbmetall, das in Böden, Grundwasser und Lebensmitteln vorkommt. Im Körper wird anorganisches Arsen über das Enzym AS3MT methyliert; dreiwertige Formen binden an Schwefelgruppen von Eiweißen. Die Methylierung verbraucht SAM.

14 Stationen · 7 Quellen

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Der Weg Schritt für Schritt

An jeder Station steht, was der Stoff dort tut. Drei Zeichen: ↑ liefert — baut auf oder stellt bereit · ↓ zehrt — hemmt, verbraucht oder entzieht · ↕ beides, je nach Menge. Dahinter steht, worauf die Aussage beruht: gesicherte Physiologie, in Studien beobachtet oder umstritten. Die Zeichen bewerten nicht; sie benennen die Richtung.

Arsen in der Umwelt → Arsenat und Arsenit Anorganisches Arsen liegt als Arsenat (fünfwertig) oder als Arsenit (dreiwertig) vor. Arsenat gleicht im Bau dem Phosphat, Arsenit bindet an Schwefelgruppen. Beide besetzen so Plätze körpereigener Stoffe. Quelle 1, 4↓ zehrt Arsenat tritt an die Stelle von Phosphat, Arsenit bindet an Schwefelgruppen. Beide besetzen so Plätze von Phosphat oder körpereigenen Thiolen. gesicherte Physiologie Quelle 1, 4
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Liegt viel Arsenat vor, wird es in Reaktionen an Stelle von Phosphat eingebaut; die entstehenden Arsenat-Ester zerfallen rasch, und die Zelle gewinnt weniger ATP.

zu wenig — Liegt wenig Arsen vor, bleiben Phosphat-Plätze und Schwefelgruppen der Zelle weitgehend unbesetzt.

gesicherte Physiologie · Quelle 1, 4
Arsenat und Arsenit → In die Darmzelle Transporter Arsenat gelangt über Transportwege für Phosphat in die Zelle, Arsenit über Aquaglyceroporine — Kanäle, die auch Glycerin durchlassen — und über Zucker-Transporter. Die Transporter verwechseln es mit ihren eigentlichen Stoffen. Quelle 2↑ liefert Phosphat-Transporter, Aquaglyceroporine und Zucker-Transporter liefern Arsen in die Zelle, weil sie es mit ihren eigentlichen Stoffen verwechseln. gesicherte Physiologie Quelle 2
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist viel Arsen im Darm, gelangt über diese Transporter mehr hinein; Phosphat konkurriert dabei mit Arsenat um denselben Weg.

zu wenig — Ist wenig Arsen da, befördern die Transporter fast nur ihre eigentlichen Stoffe.

gesicherte Physiologie · Quelle 2
In die Darmzelle → Arsen im Blut Aus der Darmwand gelangt Arsen ins Blut und von dort in die Leber und in andere Gewebe. Der größte Teil wird in der Leber methyliert. Quelle 1, 2↑ liefert Das Blut liefert Arsen vor allem an die Leber, wo der größte Teil methyliert wird; von dort verteilt es sich in andere Gewebe. gesicherte Physiologie Quelle 1, 2
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist viel Arsen im Blut, erreicht mehr davon auch Gewebe außerhalb der Leber, etwa Haut und Haare.

zu wenig — Ist wenig Arsen im Blut, wird es überwiegend in der Leber methyliert und über die Niere ausgeschieden.

gesicherte Physiologie · Quelle 1
Arsen im Blut → Haut, Haare, Nägel · Keratin Keratin, das Eiweiß von Haut, Haaren und Nägeln, enthält viele Schwefelgruppen. Dreiwertiges Arsen bindet daran und bleibt dort über längere Zeit gebunden. Mit ihnen wächst es heraus. Quelle 1, 4↓ zehrt Keratin entzieht dem Kreislauf dreiwertiges Arsen und hält es in Haut, Haaren und Nägeln fest; mit ihnen wächst es heraus. gesicherte Physiologie Quelle 1, 4
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist viel dreiwertiges Arsen im Umlauf, lagert sich mehr in Keratin ein; in Haaren und Nägeln bleibt es, bis sie herausgewachsen sind.

zu wenig — Ist wenig im Umlauf, wird kaum etwas eingelagert, und neu wachsende Haare enthalten wenig Arsen.

gesicherte Physiologie · Quelle 1, 4
Arsenit in der Zelle → MMA(V) AS3MT · SAM Das Enzym AS3MT überträgt eine Methylgruppe von SAM auf Arsenit; dabei entsteht Monomethylarsonsäure. Sie bindet kaum an Schwefelgruppen. Quelle 3↓ zehrt Die erste Methylierung verbraucht eine Methylgruppe aus SAM. MMA(V) ist fünfwertig und bindet kaum an Schwefelgruppen; es wird zur nächsten Stufe reduziert oder ausgeschieden. gesicherte Physiologie Quelle 3
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Fällt viel MMA(V) an, wird mehr Glutathion für die Reduktion und mehr SAM für die zweite Methylierung gebraucht; ein Teil erscheint unverändert im Urin.

zu wenig — Steht wenig SAM bereit, etwa weil Folsäure oder Vitamin B12 knapp sind, entsteht weniger MMA(V), und mehr anorganisches Arsen bleibt übrig.

in Studien beobachtet · Quelle 3, 6
MMA(V) → MMA(III) · Glutathion Glutathion und verwandte Schwefelverbindungen reduzieren MMA(V) zur dreiwertigen Form MMA(III), die AS3MT ein zweites Mal methylieren kann. In Laborversuchen bindet sie Enzyme fester als Arsenit. Quelle 3, 1↓ zehrt MMA(III) ist Zwischenstufe zur Ausscheidung und zugleich sehr reaktionsfreudig: In Laborversuchen bindet es Schwefelgruppen von Enzymen wie dem PDH-Komplex stärker als anorganisches Arsenit. in Studien beobachtet Quelle 3, 5
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich MMA(III), weil die zweite Methylierung nicht nachkommt, bleibt mehr davon an Schwefelgruppen von Enzymen gebunden.

zu wenig — Wird MMA(III) rasch weiter methyliert, bleibt wenig davon frei, und der Weg führt zügig zur Ausscheidung.

in Studien beobachtet · Quelle 3, 5
MMA(III) → DMA(V) AS3MT · SAM Eine zweite Methylgruppe von SAM führt zur Dimethylarsinsäure. Sie ist die Form, die im Urin überwiegt. Sie bindet kaum an Schwefelgruppen. Quelle 3, 1↑ liefert Mit der zweiten Methylierung entsteht DMA(V), die Form, die die Niere am leichtesten ausscheidet. Sie bindet kaum an Schwefelgruppen und verlässt den Körper überwiegend mit dem Urin. gesicherte Physiologie Quelle 3, 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Entsteht viel DMA(V), steigt sein Anteil im Urin; die Methylierung läuft dann bis zur letzten Stufe durch.

zu wenig — Entsteht wenig DMA(V), etwa weil SAM knapp ist, bleiben mehr MMA und anorganisches Arsen in den Zellen und im Urin.

in Studien beobachtet · Quelle 1, 3, 6
DMA(V) → Ausscheidung im Urin Methylierte Formen verlassen die Zelle über Transportproteine und werden über die Niere ausgeschieden; ein Teil gelangt mit der Gallenflüssigkeit in den Darm. So verlässt Arsen überwiegend den Körper. Quelle 2↓ zehrt Transportproteine und Niere entziehen Zelle und Blut die methylierten Formen; ein Teil geht über die Galle in den Darm. gesicherte Physiologie Quelle 2
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Wird viel methyliertes Arsen gebildet, steigt die Menge im Urin mit, weil die Niere diese Formen zügig ausscheidet.

zu wenig — Filtern die Nieren langsamer, bleiben methylierte Formen länger im Blut.

gesicherte Physiologie · Quelle 2, 1
Arsenit in der Zelle → Bindung an Thiole Dreiwertiges Arsen bindet mit hoher Vorliebe an Schwefelgruppen (Thiole) von Eiweißen und an Glutathion; benachbarte Thiole bindet es besonders fest. Das besetzte Eiweiß ändert seine Form. Quelle 4↓ zehrt Dreiwertiges Arsen besetzt Schwefelgruppen von Eiweißen und Glutathion; ein besetztes Eiweiß ändert seine Form, und seine Arbeit kann sich verändern. gesicherte Physiologie Quelle 4
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist viel dreiwertiges Arsen da, wird mehr Glutathion gebunden, und mehr Eiweiße mit benachbarten Schwefelgruppen sind besetzt.

zu wenig — Ist wenig da, stehen Glutathion und die Schwefelgruppen der Eiweiße weitgehend für ihre eigenen Aufgaben bereit.

in Studien beobachtet · Quelle 4
Bindung an Thiole → Liponsäure Die Liponsäure im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex trägt zwei benachbarte Schwefelgruppen — genau die Anordnung, an die dreiwertiges Arsen bindet. Dann kann sie keine Acetylgruppe mehr übernehmen. Quelle 5↓ zehrt Bindet dreiwertiges Arsen an die beiden benachbarten Schwefelgruppen der Liponsäure, kann sie im PDH-Komplex keine Acetylgruppe mehr übernehmen. in Studien beobachtet Quelle 5
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist viel Liponsäure besetzt, arbeiten der PDH-Komplex und der verwandte Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex langsamer.

zu wenig — Ist wenig Liponsäure besetzt, laufen beide Komplexe weitgehend unbeeinflusst.

in Studien beobachtet · Quelle 5
Pyruvat → Acetyl-CoA PDH-Komplex · Liponsäure Der Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex baut Pyruvat zu Acetyl-CoA um. Ist die Liponsäure durch dreiwertiges Arsen besetzt, läuft dieser Umbau langsamer. Weniger Acetyl-CoA heißt weniger Kohlenstoff für den Citratzyklus. Quelle 5↑ liefert Acetyl-CoA liefert dem Citratzyklus Kohlenstoff; daraus gewinnt die Zelle in den Mitochondrien den größten Teil ihres ATP. gesicherte Physiologie Quelle 5
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Ist der PDH-Komplex frei, entsteht reichlich Acetyl-CoA, und der Citratzyklus erhält seinen Kohlenstoff aus Zucker.

zu wenig — Entsteht weniger Acetyl-CoA, weil die Liponsäure besetzt ist, erhält der Citratzyklus weniger Kohlenstoff aus Zucker, und die Zelle bildet weniger ATP.

in Studien beobachtet · Quelle 5

Weitere Stationen

Arsen in der Umwelt — Trinkwasser und Nahrung Anorganisches Arsen kommt in Böden und im Grundwasser vor und gelangt über Trinkwasser und Nahrung in den Körper. In Meeresfrüchten liegt Arsen vor allem in organischen Formen vor. Eine Aufgabe im Körper ist beim Menschen nicht bekannt. Quelle 1↑ liefert Trinkwasser und Nahrung liefern anorganisches Arsen; die organischen Formen aus Meeresfrüchten, etwa Arsenobetain, verlassen den Körper weitgehend unverändert. gesicherte Physiologie Quelle 1
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Kommt mehr anorganisches Arsen an, gelangt mehr davon in die Zellen, und der Weg der Methylierung wird stärker beansprucht.

zu wenig — Kommt wenig anorganisches Arsen an, gelangt entsprechend wenig in die Zellen; eine Aufgabe von Arsen im menschlichen Körper ist nicht bekannt.

gesicherte Physiologie · Quelle 1
Arsenit in der Zelle — dreiwertige Form In der Zelle liegt Arsen überwiegend dreiwertig vor. Von hier führen zwei Wege: die Methylierung und die Bindung an Schwefelgruppen von Eiweißen. Die Methylierung verbraucht SAM. Quelle 1, 3↓ zehrt Dreiwertiges Arsen ist der Ausgangspunkt beider Wege: AS3MT methyliert es und verbraucht dabei SAM, der übrige Teil besetzt Schwefelgruppen von Eiweißen und Glutathion. gesicherte Physiologie Quelle 1, 3
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Staut sich Arsenit in der Zelle, wird mehr SAM und Glutathion verbraucht, und mehr davon bindet an Schwefelgruppen von Eiweißen.

zu wenig — Ist wenig Arsenit in der Zelle, wird es überwiegend methyliert, und nur wenig bindet an Eiweiße.

in Studien beobachtet · Quelle 1, 3
Pyruvat — Ende der Glykolyse Pyruvat entsteht beim Abbau von Zucker in der Zelle. Daraus bildet der PDH-Komplex Acetyl-CoA. Quelle 5↑ liefert Pyruvat liefert den Kohlenstoff, aus dem der PDH-Komplex Acetyl-CoA für den Citratzyklus bildet. gesicherte Physiologie Quelle 5
⚖ Wenn das Gleichgewicht kippt

zu viel — Kommt der PDH-Komplex nicht nach, staut sich Pyruvat; es wird dann vermehrt zu Laktat umgebaut.

zu wenig — Ist wenig Pyruvat da, bildet der PDH-Komplex entsprechend wenig Acetyl-CoA, gleich ob Arsen gebunden ist.

in Studien beobachtet · Quelle 5

Cofaktoren dieses Weges

SAM (S-Adenosylmethionin) — Methylgruppen-Spender der AS3MT, die Arsenit zweimal methyliert; ist SAM knapp, bleibt mehr Arsen anorganisch Quelle 3
Glutathion — Reduziert MMA(V) zu MMA(III) und bindet dreiwertiges Arsen über seine Schwefelgruppe; wird dabei verbraucht Quelle 1, 3Im ORY-Katalog als Laborwert: Glutathion (GSH)
Folsäure — Liefert im Ein-Kohlenstoff-Stoffwechsel Methylgruppen für die Bildung von SAM und damit für die Arsen-Methylierung Quelle 6Im ORY-Katalog als Laborwert: Folsäure
Vitamin B12 — Cofaktor der Methionin-Synthase, die Methionin für die Bildung von SAM zurückgewinnt Quelle 6Im ORY-Katalog als Laborwert: Vitamin B12
Methionin — Aminosäure, aus der mit ATP der Methylgruppen-Spender SAM entsteht; ohne SAM keine Methylierung Quelle 6Im ORY-Katalog als Laborwert: Methionin
Liponsäure — Trägt im Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zwei benachbarte Schwefelgruppen; dreiwertiges Arsen bindet genau dort Quelle 5
Selen — Bildet mit dreiwertigem Arsen und Glutathion eine gemeinsame Verbindung, die über die Galle geht Quelle 7Im ORY-Katalog als Laborwert: Selen

Quellen

Watanabe T, Hirano S. Metabolism of arsenic and its toxicological relevance. Arch Toxicol 2013 · PubMed 22811022
Roggenbeck BA, Banerjee M, Leslie EM. Cellular arsenic transport pathways in mammals. J Environ Sci (China) 2016 · PubMed 28007179
Thomas DJ, Li J et al. Arsenic (+3 oxidation state) methyltransferase and the methylation of arsenicals. Exp Biol Med (Maywood) 2007 · PubMed 17202581
Shen S, Li XF et al. Arsenic binding to proteins. Chem Rev 2013 · PubMed 23808632
Bergquist ER, Fischer RJ et al. Inhibition by methylated organo-arsenicals of the respiratory 2-oxo-acid dehydrogenases. J Organomet Chem 2009 · PubMed 20161290
Abuawad A, Bozack AK et al. Nutrition, one-carbon metabolism and arsenic methylation. Toxicology 2021 · PubMed 33905762
Ponomarenko O, La Porte PF et al. Selenium-mediated arsenic excretion in mammals: a synchrotron-based study of whole-body distribution and tissue-specific chemistry. Metallomics 2017 · PubMed 29058732