Wie aus Milligramm ein tragfähiges Gewebe wird

Fasern, Kristalle und der Raum dazwischen

Knochengewebe ist kein Steinblock und kein Eiweißgebilde, sondern eine Kombination aus beidem. Trocknet man kompakten Knochen und wiegt die Bestandteile aus, entfallen etwa 65 Prozent der Masse auf mineralische Substanz, rund 25 Prozent auf organisches Material und der Rest auf Wasser. Der organische Anteil besteht zu ungefähr neun Zehnteln aus Kollagen vom Typ I.

Die technische Pointe liegt in der Kombination: Reines Mineral wäre hart, aber spröde und würde unter Zugbelastung splittern. Reines Kollagen wäre zäh, aber ohne Formstabilität. Erst die Durchdringung beider Phasen ergibt ein Material, das Druck aushält und sich zugleich geringfügig verformen kann, ohne zu brechen.

Tropokollagen: drei Ketten, eine Helix

Das Grundmolekül heißt Tropokollagen und besteht aus drei Polypeptidketten, die sich zu einer rechtsgängigen Superhelix umeinander legen. Jede dritte Position dieser Ketten ist mit Glycin besetzt, der kleinsten Aminosäure — nur so passen die drei Stränge dicht genug aneinander. Prolin und Hydroxyprolin sorgen für die charakteristische Steifigkeit.

Diese Moleküle lagern sich außerhalb der Zelle zu Fibrillen zusammen, jeweils versetzt um etwa ein Fünftel ihrer Länge. Unter dem Elektronenmikroskop erzeugt dieser Versatz ein regelmäßiges Streifenmuster mit einer Periode von rund 67 Nanometern.

Die Lückenzonen zwischen den Molekülenden

Weil die versetzt liegenden Moleküle nicht lückenlos aneinanderstehen, bleibt zwischen dem Ende eines Moleküls und dem Anfang des nächsten ein Zwischenraum von etwa 40 Nanometern. Genau in diesen Lückenzonen finden sich die ersten Mineralabscheidungen. Die Kristalle, die dort entstehen, sind ausgesprochen flach: wenige Nanometer dick, einige Dutzend Nanometer lang, plättchenförmig und mit ihrer Längsachse an der Faserrichtung ausgerichtet.

Chemisch handelt es sich um ein Calciumphosphat der Apatitgruppe, das im Lehrbuch als Hydroxylapatit geführt wird. Im lebenden Gewebe ist es allerdings nie ganz rein: Carbonat, Magnesium, Natrium und Fluorid sitzen an Gitterplätzen, die eigentlich anderen Ionen zustehen. Diese Fehlordnung macht das biologische Mineral löslicher als das Laborpräparat — und damit überhaupt erst austauschbar.

Wo die feste Phase zum ersten Mal entsteht

Blutplasma enthält Calcium und Phosphat in Konzentrationen, bei denen eine Ausfällung rein rechnerisch bereits möglich wäre. Dass sie nicht überall stattfindet, ist kein Zufall, sondern das Ergebnis aktiver Hemmung: Pyrophosphat, Osteopontin und Matrix-Gla-Protein halten die Lösung in einem übersättigten, aber stabilen Zustand. Mineralisierung geschieht folglich nur dort, wo diese Hemmung gezielt aufgehoben wird.

Matrixvesikel als abgeschirmter Startraum

Knochenbildende Zellen schnüren kleine, von einer Membran umschlossene Bläschen ab und geben sie in die umgebende Grundsubstanz ab. Im Inneren dieser Vesikel herrschen andere Bedingungen als draußen: Transportproteine pumpen Calciumionen hinein, und eine an der Membran sitzende alkalische Phosphatase spaltet Pyrophosphat, den wichtigsten Hemmstoff, in freies Phosphat. Aus dem Bremser wird so ein Baustoff.

Innerhalb des Bläschens wird die Lösung dadurch so übersättigt, dass sich erste Kristallkeime bilden. Wachsen sie weiter, sprengen sie die Vesikelmembran und liegen frei in der Grundsubstanz — von dort aus setzt sich die Kristallbildung entlang der Kollagenfibrillen fort.

Von der amorphen Vorstufe zum geordneten Gitter

Die erste feste Phase ist noch kein Apatit. Messungen sprechen für amorphes Calciumphosphat ohne Fernordnung, das sich über Zwischenstufen wie Octacalciumphosphat in die geordnete Apatitstruktur umlagert. Dieser Umbau dauert Tage bis Wochen und läuft langsamer, je enger die Kristalle bereits von Kollagen umgeben sind.

Fertig ist das Gewebe damit nicht. Knochen wird lebenslang abgebaut und neu aufgebaut; abbauende und aufbauende Zellen arbeiten in räumlich getrennten Einheiten, die sich durch das Gewebe schieben. In einem erwachsenen Organismus wird auf diesem Weg pro Jahr ein niedriger einstelliger Prozentsatz des gesamten Mineralbestandes ersetzt — bei stark beanspruchten Abschnitten mehr, bei ruhenden weniger.

Zahnhartsubstanz folgt eigenen Regeln

Der Zahn besteht nicht aus einem, sondern aus mehreren mineralisierten Geweben, und sie unterscheiden sich in Aufbau und Lebensdauer deutlich vom Knochen. Die Zusammensetzung macht das sichtbar:

Angaben nach gängigen histologischen Lehrbüchern; einzelne Quellen weichen um wenige Prozentpunkte ab.

Dentin bleibt mit einer lebenden Zellschicht verbunden

Dentin macht den größten Teil der Zahnmasse aus. Es wird von Odontoblasten gebildet, die zeitlebens an der Innenseite sitzen und feine Fortsätze in Tausende von Kanälchen schicken, die das Gewebe durchziehen. Deshalb kann Dentin zeitlebens nachgebildet werden — langsam, aber messbar, etwa als Reaktion auf Abrieb.

Warum Ameloblasten nach dem Zahndurchbruch verschwinden

Beim Schmelz ist das anders. Die schmelzbildenden Zellen arbeiten nur während der Zahnentwicklung. Sie legen zunächst eine eiweißreiche Vorstufe an, entfernen diese Eiweiße anschließend fast vollständig wieder und lassen dabei lange, dicht gepackte Kristallstäbe zurück. Mit dem Durchbruch des Zahnes gehen die Zellen zugrunde. Was danach an Substanz verloren geht, kann der Organismus nicht durch Neubildung ersetzen; möglich bleibt nur die Wiedereinlagerung von Ionen aus dem Speichel in die oberflächennahen Schichten.

Damit betreffen die vier zugelassenen Angaben zwei Gewebearten mit ganz unterschiedlichem Verhalten — ein Grund mehr, dass die Unionsliste Knochen und Zähne in getrennten Einträgen führt.

Zwei Referenzwerte, zwei verschiedene Einkaufslisten

Für die Kennzeichnung von Lebensmitteln gilt ein einheitlicher Bezugswert je Nährstoff: 800 mg Calcium und 700 mg Phosphor pro Tag. Diese Zahlen stehen hinter der Prozentangabe in der Nährwerttabelle. Sie sind ein Rechenmaßstab für die Etikettierung und ausdrücklich keine Empfehlung für eine bestimmte Person.

Die ersten vier Zeilen folgen den Referenzwerten deutschsprachiger Fachgesellschaften, die letzte der EU-Kennzeichnungsvorschrift. Dass die Zahlen auseinandergehen, hat rechtliche und keine biologischen Gründe.

Dieselbe Portion, zwei Spalten

Stellt man beide Mineralstoffe nebeneinander, fällt auf, wie wenig die Rangfolgen übereinstimmen. Ein Lebensmittel mit viel Phosphat ist nicht automatisch calciumreich — und umgekehrt.

Mittelwerte aus Nährwerttabellen. Sorte, Reifegrad, Herkunft und Zubereitung verschieben die Werte nach oben oder unten.

E 338 bis E 341: Phosphat, das nicht aus dem Lebensmittel stammt

Ein Teil der täglichen Phosphatmenge steht in keiner Nährwerttabelle für Rohware, sondern auf der Zutatenliste. Phosphorsäure und ihre Salze werden als Säuerungsmittel, Schmelzsalz, Backtriebmittel und Stabilisator eingesetzt — in Schmelzkäse, Colagetränken, Brühwurst, Backmischungen und Fertiggerichten. Deklariert werden sie unter den Nummern E 338 bis E 341 sowie E 450 bis E 452.

Für die Bilanz ist das nicht nebensächlich: Phosphat aus solchen Zusätzen liegt bereits in gelöster, freier Form vor und passiert die Darmwand nahezu vollständig, während Phosphat aus pflanzlicher Rohware größtenteils als Phytat gebunden ist und deutlich schlechter verwertet wird. Zwei Speisepläne mit identischer Tabellenzahl können daher ganz unterschiedlich viel Phosphat tatsächlich zuführen.