Kalium ist ein essenzieller Mineralstoff, der eine entscheidende Rolle für zahlreiche Körperfunktionen spielt, insbesondere für die Erregbarkeit von Nerven- und Muskelzellen. Im Gehirn ist Kalium an der Regulierung des osmotischen Drucks in den Zellen beteiligt und somit für die Bioelektrizität der Zellmembranen und die Zellerregbarkeit unerlässlich. Störungen des Kaliumhaushaltes können daher erhebliche Auswirkungen auf die Gehirnfunktion haben und zu neurologischen Störungen führen.
Kalium: Ein lebensnotwendiger Mineralstoff
Kalium gehört zu den Mengenelementen und ist ein Elektrolyt, der in Körperflüssigkeiten gelöst eine elektrische Ladung trägt. Es ist das Hauptelektrolyt des Körpers, wobei sich 98 Prozent des Kaliums in der Flüssigkeit innerhalb der Zellen (intrazellulär) befindet und nur zwei Prozent außerhalb der Zellen (extrazellulär), beispielsweise im Blut. Der größte Speicher für Kalium sind die Muskeln, wo 80 Prozent der gesamten Kaliummenge des Körpers eingelagert sind.
Kalium wird vom Körper fast vollständig im Jejunum aufgenommen. Die Aufnahme erfolgt über einen aktiven Transportmechanismus in den oberen Dünndarmabschnitten. Daneben trägt auch der Transport über die Zellzwischenräume (parazelluläre Diffusion) zur Kaliumaufnahme bei. Im Dickdarm kann Kalium in einem aktiven Austauschprozess gegen Natrium bedarfsabhängig ausgeschieden oder aufgenommen werden. Etwa 90 Prozent des aufgenommenen Kaliums werden nach der Aufnahme wieder durch die Nieren ausgeschieden. Wer viel schwitzt, verliert bis zu 30 Prozent Kalium über den Schweiß - gleiches gilt für Leistungssportler.
Der Körper ist in der Regel in der Lage, den Kaliumspiegel konstant zu halten. Das geschieht in sehr engen Grenzen. Die Niere kann bei starker Kaliumzufuhr oder einer erhöhten Kaliumkonzentration außerhalb der Zellen rasch reagieren, indem sie den Überschuss ausscheidet. Der umgekehrte Weg ist nicht möglich. Bei einem Kaliummangel ist es der Niere also nicht möglich, Kalium aus dem Urin zurückzuhalten.
Kalium ist für lebenswichtige Funktionen des Körpers notwendig. Es ist beteiligt an der Regulierung des osmotischen Drucks in den Zellen. Zudem ist es für die Bioelektrizität der Zellmembranen beziehungsweise Zellerregbarkeit wichtig - Kalium ist nötig für die neuromuskuläre Reizbarkeit, Reizbildung und Reizleitung des Herzens. Somit ist eine der wichtigsten Aufgaben von Kalium eine gesunde Herzfunktion. Die Pumpfunktion des Herzens ist auf die korrekten Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen inner- und außerhalb der Zellen angewiesen. Neben Kalium übernimmt diese Aufgabe Magnesium. Ist nun zu wenig von diesen Mineralstoffen im Körper vorhanden, kann das die Aktivität der Muskelzellen im Herzen steigern. Das führt unter Umständen zu Herzrhythmusstörungen.
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Darüber hinaus ist Kalium ein Co-Faktor bestimmter Enzyme, die an der Umwandlung von Eiweißen und Glykogen beteiligt sind. Dadurch ist Kalium ein Faktor für gesundes Wachstum. Außerdem ist Kalium nötig, um konstante Verhältnisse innerhalb des Elektrolythaushaltes zu gewährleisten. In Kombination mit Natrium und Chlorid sorgt es für einen ausgeglichenen Säure-Basen-Haushalt im Körper. In allen Fällen, in denen Kaliumionen einen Vorgang im Organismus beschleunigen, wirken Natriumionen als Gegenspieler. Man spricht bei Kalium und Natrium daher als von Antagonisten. Kalium befindet sich zu 98 Prozent im Zellinneren, Natrium in seiner höchsten Konzentration außerhalb der Zellen. Das Gehirn verwendet bis zu 40 Prozent seiner Energie darauf, Kalium in die Zellen hineinzupumpen und Natrium heraus. Damit alle Prozesse im Körper korrekt ablaufen können, ist das richtige Verhältnis zwischen Kalium und Natrium essenziell. Die moderne Ernährungsweise fördert allerdings eine Verschiebung zugunsten des Natriums. Zu viel Natrium kann Kaliummangel verursachen. Kalium dagegen fördert die Ausscheidung von Natrium über die Nieren. Wichtiger als die Konzentration der einzelnen Mineralstoffe ist also ihr Verhältnis zueinander. Über die ideale „Mischung“ wird nach wie vor diskutiert. Die WHO empfiehlt ein Verhältnis von 1:1. Das lässt sich erreichen, wenn man täglich weniger als zwei Gramm Natrium, aber mindestens 3,5 Gramm Kalium zu sich nimmt.
Kaliumkanäle und ihre Bedeutung für die Gehirnfunktion
Verschiedene Ionenkanäle sorgen dafür, dass Kaliumionen über Zellmembranen fließen und dadurch elektrische Ströme erzeugen. Diese Kanäle sind entscheidend für die Erregbarkeit von Nervenzellen und spielen eine wichtige Rolle bei verschiedenen neurologischen Prozessen.
Der Kaliumkanal KCNQ3
Der Kaliumkanal KCNQ3 ist essenziell, damit unser Gehirn präzise räumliche Landkarten erzeugen kann. Ist der Kanal defekt, hat das messbare Auswirkungen auf das innere Navigationssystem von Mäusen, berichtet ein Forschungsteam um Thomas Jentsch vom FMP und MDC im Fachjournal „Nature Communications“.
Vor 20 Jahren konnte das Team von Professor Thomas Jentsch vom Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) und vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) in Berlin die Gene für die Kaliumkanalfamilie KCNQ2-5 identifizieren und später zeigen, dass Mutationen an KCNQ2 und KCNQ3 erblich bedingte Epilepsie beim Menschen verursachen können. Dank dieser wegweisenden Arbeiten konnten Pharmafirmen zielgenaue Antiepileptika entwickeln.
Nun haben ein Team von Molekularbiologinnen unter Federführung von Thomas Jentsch und ein Team von Neurophysiologinnen, geleitet von Alexey Ponomarenko (vormals FMP, heute Professor an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) zusammen mit Kolleg*innen der University of Connecticut und der Universität zu Köln Hinweise gefunden, dass KCNQ3 möglicherweise auch eine Rolle bei der Alzheimer-Demenz und weiteren kognitiven Störungen spielen könnte.
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Normalerweise werden bestimmte Kaliumströme vom Botenstoff Acetylcholin gehemmt, was wichtig für die Erregbarkeit in der Hirnrinde und damit entscheidend für Gedächtnis und Aufmerksamkeit ist. Diese cholinerge Neuromodulation geht bei Alzheimer-Patient*innen bekanntlich nach und nach verloren. In der vorliegenden Arbeit untersuchten die Forschenden die Rolle der KCNQ3-Kanäle speziell bei der Neuromodulation des Navigationssystems des Gehirns. Die sogenannten Ortsfelder („place fields“), deren Entdeckung vor einigen Jahren mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde, dienen dem Gehirn als innere Landkarte.
„Wir fanden heraus, wie verschiedene Signale, die von Ortszellen unter der Kontrolle von KCNQ3-Kanälen erzeugt werden, mit den Gehirnrhythmen interagieren und so präzise räumliche Karten bilden“, beschreibt Alexey Ponomarenko ein zentrales Ergebnis der Studie. Bei Knock-out-Mäusen mit defektem KCNQ3-Kanal, die von Thomas Jentsch’s Gruppe erzeugt wurden, zeigte sich jedoch ein anderes Bild: Während bei gesunden Mäusen die Aktivitätsmuster der Ortszellen einer bestimmten räumlichen und zeitlichen Abfolge unterlagen, lief bei den Knock-Out-Mäusen die synaptische Übertragung von einzelnen oder mehreren Signalen gleichzeitig (Salven) mehr oder weniger chaotisch ab.
„Salven haben normalerweise einen bestimmten Rhythmus, wann sie abgefeuert werden. Bei den Mutanten werden sie jedoch nicht mehr durch den Rhythmus kontrolliert, sondern zu völlig zufälligen Zeitpunkten bzw. Phasen des Rhythmus abgefeuert“, erklärt Ponomarenko. Die amerikanischen Kolleg*innen konnten darüber hinaus zeigen, dass der fehlende KCNQ3-Kanal zu einer starken Reduktion der Kaliumströme (hier M-Strom) in den Nervenzellen führte. Weitere Untersuchungen sollen nun folgen, um die Rolle von KCNQ3 im Gehirn noch besser zu verstehen.
TREK-1-Kanal und Multiple Sklerose
Forscher aus Münster und Würzburg haben in "Nature Medicine" berichtet, dass aggressive Immunzellen über einen bislang unbekannten Kanal ins Gehirn eindringen können. Dieser Kanal (TREK-1) sitzt in den Zellen, die die kleinen Blutgefäße auskleiden, und ist normalerweise dafür zuständig, Kalium-Ionen aus den Zellen hinaus ins Blut zu schaffen. Allerdings sorgt der Kanal auch dafür, dass sich die schädlichen Immunzellen an der Blutgefäßwand anheften und durch sie hinweg ins Gehirn einwandern können. Genau diesen Prozess haben die Forscher nun in verschiedenen Tiermodellen erfolgreich gestört. Der Effekt: Die Symptome der Multiplen Sklerose wurden schwächer.
Die Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für die Behandlung der Multiplen Sklerose. Als nächstes wollen die Wissenschaftler weitere Wirkstoffe entwickeln, die noch gezielter und stärker an den Kanälen angreifen. Ihre Hoffnung ist berechtigt: Die Wirksamkeit der Strategie, die Immunzellwanderung durch die Blut-Hirn-Schranke zu blockieren, ist prinzipiell belegt.
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Kaliumkanäle und Epilepsie
Das Eingangszentrum einer Nervenzelle sieht aus wie die Krone eines uralten, weitverzweigten Baumes. Es geht über in einen ovalen bis spindelförmigen Zellkörper - einer Art biologischem Mikroprozessor, der alle eingehenden Signale verrechnet und sich dann für oder gegen ein Ausgangssignal entscheidet. Das eigentliche Ausgangszentrum einer Nervenzelle befindet sich am Ende eines langen Fortsatzes, der vom Zellkörper wegführt. Was dort geschieht, wird aber nicht nur vom biologischen Mikroprozessor im Zellkörper entschieden: Ein winziger Kaliumkanal spielt dabei eine entscheidende Rolle. Er sitzt in den Membranen der feinen Verästelungen des Eingangszentrums der Nervenzelle. Dort entlässt er positiv geladene Kaliumionen aus der Zelle. Kalium, wenn es durch diese Kanäle durchfließt, hat eigentlich eine dämpfende Wirkung auf die Erregung und stabilisiert das Membranpotential von Nervenzellen. Deswegen kann man hier eigentlich von einer hemmenden oder dämpfenden Wirkung dieser Kanäle ausgehen. Und das trifft auch auf Eingänge auf diese Nervenzellen zu. Eingänge auf diese Nervenzellen können nicht mehr ungehindert zum Nervenzellkörper sich fortpflanzen, sondern werden durch diese Kaliumkanäle in ihrer Ausbreitung zum Zellkörper gehemmt.
Heinz Beck hat an der Universität Bonn die Funktion dieser Kaliumkanäle untersucht. Das Ergebnis ist eindeutig: Der Kaliumkanal ist eine Art Signalbremse. Alle eingehenden Signale müssen diese Bremse am Eingangszentrum einer Nervenzelle erst überwinden. Nur wenn das Eingangsignal groß genug ist, hat es eine Chance, den Zellkörper zu erreichen und dort ein entsprechendes Ausgangsignal auszulösen. Viel oder wenig Kaliumkanal - das entscheidet also über die Alles-oder-Nichts-Antwort einer Zelle. Bei Ratten, die unter einer Schläfenlappenepilepsie litten, fand Heinz Beck viel weniger Kaliumkanäle als im Gehirn gesunder Tiere. Außerdem waren die Kanäle bei den erkrankten Ratten nur eingeschränkt funktionsfähig.
Wenn die Kaliumbremse nicht funktioniert, kann sich auch ein schwaches Eingangsignal zum Zellkörper ausbreiten und dort ein Ausgangssignal erzeugen. Mit einfachen Worten: Die Zelle flippt schneller aus. Und genau das passiert wahrscheinlich auch während eines epileptischen Anfalls: Übererregbare Nervenzellen fangen schon bei der kleinsten Kleinigkeit an zu feuern, weil ihre Kaliumbremse nicht richtig funktioniert. Das geschieht mit Sicherheit im Gehirn der epilepsiekranken Ratten - und höchstwahrscheinlich auch im Gehirn von Patienten mit Schläfenlappenepilepsie.
Bestimmte Formen frühkindlicher Epilepsien werden durch bislang unbekannte Mutationen eines Kalium-Ionenkanal-Gens (KCNA2) ausgelöst. Die entdeckten Veränderungen stören auf zwei Arten das elektrische Gleichgewicht im Gehirn: bei einigen Patienten ist der Kaliumfluss stark reduziert, während er bei anderen massiv erhöht ist. Beides kann zu schlecht behandelbaren epileptischen Anfällen sowie zu einem Stillstand oder Rückschritten in der geistigen und motorischen Entwicklung führen.
Die Funktionsfähigkeit des Gehirns beruht unter anderem auf dem Zusammenspiel vieler verschiedener Ionenkanäle, welche eine überschießende Ausbreitung elektrischer Aktivität durch ein sensibles Gleichgewicht zwischen hemmenden und fördernden Einflüssen verhindern. Sie sitzen, gemeinsam mit vielen weiteren Poren und Kanälen, in der Zellwand einer Nervenzelle. Zu diesen zahlreichen Kanälen gehört auch der Kaliumkanal „KCNA2“. Durch Öffnen und Schließen bestimmt er den Durchfluss von Kaliumionen und beeinflusst damit die elektrische Erregbarkeit der Nervenzellen im Gehirn. Mutationen in verschiedenen Ionenkanälen sind eine wesentliche Ursache von Epilepsien. Deshalb ist die Identifikation des jeweils gestörten Ionenkanals wichtig für die Diagnose des individuellen Epilepsie-Syndroms und damit auch für dessen Behandlung.
Die Wissenschaftler stellten fest, dass die entdeckten genetischen Mutationen die Funktion des Kaliumkanals auf zwei Arten stört: bei einigen Patienten ist der Kaliumfluss stark eingeschränkt (loss of function), während er bei anderen massiv erhöht ist (gain of function). Bei den Patienten mit eingeschränkter Funktion des Kaliumkanals traten erste epileptische Anfälle im Alter von etwa einem Jahr auf und verloren sich im Kindes- oder Jugendalter. Bei Patienten mit gesteigerter Funktion desselben Kanals begann die Epilepsie jedoch noch früher und blieb bis ins Erwachsenenalter bestehen. Auch der Grad der geistigen Behinderung und weiterer Begleitprobleme war bei der zweiten Gruppe stärker ausgeprägt.
Für die Patienten, bei denen der Kaliumfluss erhöht wird, ergibt sich eine unmittelbare Behandlungsoption, da ein verfügbares und zugelassenes Medikament, das 4-Aminopyridin, diesen Kanal spezifisch blockiert. Erste Patienten sollen jetzt damit behandelt werden. Die Wissenschaftler und Ärzte hoffen auf eine Besserung der Anfälle aber auch der geistigen Fähigkeiten.
Kaliummangel und -überschuss: Auswirkungen auf das Gehirn
Ein ausgeglichener Kaliumhaushalt ist für die normale Funktion des Gehirns unerlässlich. Sowohl ein Kaliummangel (Hypokaliämie) als auch ein Kaliumüberschuss (Hyperkaliämie) können negative Auswirkungen auf die Gehirnfunktion haben.
Kaliummangel (Hypokaliämie)
Da Kalium in fast allen Lebensmitteln in mehr oder weniger hoher Konzentration enthalten ist, ist ein ernährungsbedingter Kaliummangel (Hypokaliämie) sehr selten. Die Hauptursachen für Kaliummangel sind Durchfall und Erbrechen, Krankheiten der Nebenniere sowie die Einnahme von entwässernden Medikamenten (Diuretika). Ein erhöhter Alkoholkonsum sowie der Missbrauch von Abführmitteln können ebenfalls einen Kaliummangel auslösen.
Ein leichter Kaliummangel verursacht zunächst keine Symptome. Sinken die Kaliumwerte deutlich, kann es zu Kopfschmerzen, Übelkeit, Schwäche, Verwirrung sowie zu Zittern und Muskelkrämpfen, meist in den Beinen, kommen. Verwirrung gehört ebenfalls zu dem Symptom eines Kaliummangels und unterstreicht somit die Wirkung von Kalium auf die Nerven.
Kaliumüberschuss (Hyperkaliämie)
Bei einer intakten Nierenfunktion kommt eine Überversorgung aufgrund der Ernährung nicht vor. Bei zu viel Kalium im Blut sprechen Mediziner:innen von Hyperkaliämie. Der Kaliumspiegel gilt als zu hoch, wenn er den genannten Normbereich im Blut von 3,6 bis 4,8 Millimol pro Liter überschreitet. Ab 6 Millimol pro Liter gilt der Kaliumwert als viel zu hoch und umgehend behandlungsbedürftig. Ein Stopp der Kaliumzufuhr über die Ernährung reicht nicht aus. Eine Senkung lässt sich durch eine Infusion von Glucose und Insulin sowie durch weitere Maßnahmen erreichen.
Ein deutlich zu hoher Kaliumspiegel kann zu schwerwiegenden Problemen führen. Sie reichen von Muskelschwäche bis hin zu Lähmungserscheinungen und einem Darmverschluss. Ursachen für eine Hyperkaliämie können Krankheiten sein. So kann ein vermehrtes Ausströmen von Kalium aus den Zellen zu einer Überversorgung führen. Zu vermehrtem Ausströmen kommt es beispielsweise bei einer stoffwechselbedingten Übersäuerung des Blutes (metabolische Azidose), wie sie bei einem schlecht eingestellten Diabetes mellitus oder langen Hungerperioden (exzessives Fasten) auftreten kann. Auch Insulinresistenz oder -mangel können eine Hyperkaliämie hervorrufen. Ist die Ausscheidung über die Nieren gestört, etwa bei mangelnder Nierenleistung (Niereninsuffizienz) oder hormonellen Veränderungen, kommt es ebenfalls zu erhöhten Kaliumwerten im Blut. Eine seltene Krankheit, unter der hohe Kaliumwerte häufig sind, ist Morbus Addison. Dabei arbeiten die Nebennierenrinden nicht korrekt.
Kaliumreiche Ernährung für ein gesundes Gehirn
Um die Kalium-Speicher im Körper aufrechtzuerhalten wurde seitens der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) eine Empfehlung von 4.000 Milligramm Kalium pro Tag angegeben. Dabei handelt es sich um einen Schätzwert. Der Wert gilt gleichermaßen für Männer wie für Frauen (auch in der Schwangerschaft). Stillende Frauen haben einen leicht erhöhten Kaliumbedarf. Bei der Abgrenzung orientierte sich die DGE zum einen an der beobachteten Kaliumzufuhr bei Männern und Frauen. Sie berücksichtigte jedoch auch vorbeugende Effekte von Kalium bei Schlaganfall und Bluthochdruck. Für letzteres scheint laut Ernährungsgesellschaft eine Kaliumzufuhr von 3.500 bis 4.700 Milligramm pro Tag ideal zu sein.
Kalium steckt in sehr vielen Lebensmitteln, allerdings in unterschiedlicher Menge. Kaliumreiche Lebensmittel sind außerdem Bohnen, Fleisch und Fisch, Spinat und Kartoffeln. Gerade bei kaliumhaltigen Lebensmitteln wie Obst und Gemüse gilt, dass in den getrockneten Varianten mehr Nährstoffe stecken. Gute Beispiele sind getrocknete Aprikosen, Datteln, Rosinen und Bananenchips. Verschiedene Kerne und Samen wie Erdnüsse, Mandeln oder Cashewkerne enthalten ebenfalls viel Kalium. Auch Haferflocken sind reich an dem Mineralstoff. Für Koffein-Liebhaber gibt es gute Nachrichten: Kaffee enthält viel Kalium, gleiches gilt für schwarzen Tee.
Forschung zu Kalium und Gehirnfunktion
Die Forschung zu Kalium und seiner Wirkung auf das Gehirn ist vielfältig und liefert wichtige Erkenntnisse für das Verständnis neurologischer Erkrankungen und die Entwicklung neuer Therapieansätze.
Mikroglia und Alzheimer-Krankheit
Mikrogliazellen bilden im Gehirn das Immunsystem und wirken somit in erster Linie schützend. Bei der Alzheimer-Krankheit funktioniert die Müllabfuhr nicht richtig: Es bilden sich giftige Ablagerungen von Beta-Amyloid Peptiden, die unzureichend abgebaut werden. Prof. Dr. Christian Madry von der Charité in Berlin hat herausgefunden, dass ein bestimmter Kaliumkanal in den Mikrogliazellen eine wichtige Rolle bei der Immunreaktion im gesunden Gehirn spielt und im erkrankten Gehirn gestört ist. Nun wird er genauer untersuchen, welchen Einfluss dieser Kaliumkanal bei der Alzheimer-Krankheit hat, insbesondere auf die schädlichen Beta-Amyloid Ablagerungen.
Die neuen Erkenntnisse aus diesem Projekt könnten helfen, einen neuen Wirkstoff gegen die Alzheimer-Krankheit zu finden.
Kaliumkanäle und sensorische Habituation
Susanne Schmid und ihre Arbeitsgruppe an der Western’s Schulich School of Medicine & Dentistry berichten im Journal of Neuroscience, dass die Aktivierung spezieller Kaliumkanäle eine entscheidende Rolle bei der Gewöhnung an unbekannte sensorische Informationen spielen könnte.
Aus den Vorarbeiten anderer Gruppen wussten die Wissenschaftler, dass BK-Channels, das sind spannungsabhängige Kaliumkanäle mit einer besonders hohen Durchflussrate, in dem Prozess der Habituation eine Rolle zu spielen scheinen. Die Forscher nutzten eine Reihe von In-vivo- und In-vitro-Ansätzen, um diese Hypothese zu testen.
Über die Patch-Clamp-Technologie konnten die Forscher nachweisen, dass die entsprechenden Kanäle tatsächlich eine Rolle in der Habituation spielen. Sie konnten zeigen, dass die Kanäle durch ihren Phosphorylierungszustand die synaptische Depression direkt beeinflussen konnten. Durch pharmakologische Interventionen an diesem Kanal waren die Forscher in der Lage, die Habituation zu beeinflussen.
Durch ihre Arbeit konnten die Forscher bestätigen, dass der BK-Channel die sensorische Habituation beeinflusst.