„Kleine Menge – große Wirkung“

Wachstum, Entwicklung, Stoffwechsel und Fortpflanzung werden direkt oder indirekt hormonell gesteuert. Das hormonelle System kann durch Umweltchemikalien, wie Bisphenol A (BPA), beeinflusst werden. Damit in Verbindung stehende Störungen sind in den letzten Jahrzehnten in die wissenschaftliche und öffentliche Diskussion gerückt.

Charakterisiere Drüsenhormone als Informationsüberträger.

Erläutere den Zusammenhang zwischen der Freisetzung von BPA in die Umwelt und der Entstehung von Erkrankungen am Beispiel von Diabetes Typ-2 und hormonell bedingtem Krebs.

Beziehe in deine Darstellung Sachverhalte aus der nachfolgenden Materialsammlung ein.

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Material 1

Bisphenol A ist eine Basischemikalie für viele Kunststoffe, die im täglichen Leben ihre Anwendung z. B. in Kunststoffflaschen, Lebensmittelverpackungen, Plastikspielzeug oder als Innenbeschichtungen für Getränke- und Konservendosen finden. Bisphenol A kann aus diesen Kunststoffen wieder herausgelöst werden. Allerdings gilt Bisphenol A als endokriner Disruptor. Laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind endokrine Disruptoren körperfremde Substanzen, die Funktionen des endokrinen Systems beeinträchtigen und dadurch negative gesundheitliche Auswirkungen auf Organismen bzw. ihre Nachkommen haben.

Material 2

Rezeptoren für Östrogene sind in den verschiedenen Geweben, wie Eierstöcken, Hoden, Prostata, Leber, Brust, Gehirn, Knochenmark, Fettgewebe und der Bauchspeicheldrüse zu finden.

Strukturformel vom Östrogen Estradiol und seinem strukturellen Analogon BPA

Material 3

Einfluss von Östrogen und BPA auf Vorgänge der glucoseinduzierten Insulinabgabe einer β-Zelle der Bauchspeicheldrüse

Material 4

Ein kontinuierlich hoher Insulinspiegel führt zu einer Insulinresistenz. Darunter versteht man eine verminderte oder fehlende Wirkung des Hormons Insulin an dessen Zielzellen. Dies führt zu einer Erhöhung des Blutzuckerspiegels. Langfristig kann sich daraus das Krankheitsbild „Diabetes mellitus“ Typ-2 entwickeln.

Material 5

Vereinfachter Wirkmechanismus von Östrogen auf die Regulation des Zellwachstums

Material 6

Der BUND belegte im Jahr 2017 bei einer Untersuchung von 26 Stichproben aus Konservendosen verschiedener Supermärkte, dass 14 der getesteten Lebensmittel mit der Chemikalie BPA belastet waren. Die niedrigste gemessene Konzentration betrug , die höchste . Die Chemikalie geht aus der Innenbeschichtung auf die Lebensmittel über und gelangt durch den Verzehr auch in den menschlichen Körper.

Die EFSA (Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit) hat im April 2023 für Bisphenol A den TDI-Wert (Tolerable Daily Intake) von Körpergewicht/Tag festgelegt. Dieser dient als Grundlage für die Diskussion der EU-Gesetzgeber über geeignete Maßnahmen zum Schutz der Verbraucher.

Material 7

„Krebs“ ist eine Sammelbezeichnung für eine Vielzahl unterschiedlicher Erkrankungsformen, die durch ungebremste Zellvermehrung gekennzeichnet sind. Die Tumorzellen in einer Krebsgeschwulst vermehren sich unkontrolliert, können gesundes Gewebe zerstören und bilden Tochtergeschwulste, sogenannte Metastasen.

Charakterisierung der Drüsenhormone

Die Synthese von Drüsenhormonen erfolgt in spezifischen endokrinen Organen wie dem Hypothalamus, der Hypophyse, der Schilddrüse sowie der Bauchspeicheldrüse, von wo aus sie in die Blutbahn abgegeben und im Körper verteilt werden. Sie besitzen somit einen endokrinen Ursprung, weisen eine kurze Verweildauer auf und entfalten ihre Wirkung bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen. Um trotz dieser minimalen und fluktuierenden Mengen Effekte auf den Metabolismus oder die Aktivität von Genen zu erzielen, müssen Hormone an selektive Rezeptoren binden. Dieser Vorgang initiiert eine Kette von Folgereaktionen mittels einer Signalübertragungskaskade, welche in einer spezifischen Antwort der entsprechenden Zielzelle beziehungsweise des Zielorgans mündet. Solche Rezeptoren für Hormone sind über den gesamten Organismus verteilt, wenngleich sie nicht auf sämtlichen Zellen existieren. Rezeptoren für Östrogen lassen sich beispielsweise in den Ovarien, den Testikeln, der Prostata, der Leber, der Mamma, dem Gehirn, dem Knochenmark, im Fettgewebe sowie in der Bauchspeicheldrüse nachweisen (Material 2). Die spezifische Funktion als Informationsträger lässt sich exemplarisch am Östrogen (Material 5) verdeutlichen. Hierbei zeigt sich, dass ein Hormon in Abhängigkeit vom jeweiligen Rezeptortyp diverse Wirkungsweisen aufweisen kann. Da Östrogen zu den Steroidhormonen zählt, vermag es die Zellmembran zu passieren und an Rezeptoren im Zytoplasma anzudocken. Innerhalb des Zellkerns blockiert dieser Hormon-Rezeptor-Komplex die Transkription eines regulatorischen Gens. Dies führt letztlich dazu, dass die Synthese von Proteinkomplexen, welche die Teilung von Zellen inhibieren, gedrosselt wird. Folglich kommt es zu einer Stimulation der Zellteilung. Bindet Östrogen wiederum an einen sogenannten Transmembranrezeptor, welcher sich in der Plasmamembran der Zielzelle befindet, nimmt ein auf der zytosolischen Seite aktiviertes Signalmolekül Einfluss auf die Transkriptionsprozesse im Zellkern. Dies bewirkt eine gesteigerte Transkription von Genen für das Wachstum, wodurch zusätzliche Komponenten für zelluläre Expansions- und Teilungsvorgänge bereitgestellt werden. Sowohl die Beseitigung der Blockade der Zellteilung als auch das Bereitstellen von Baustoffen für die Proliferation bilden Facetten von Wachstumsvorgängen ab, welche durch Östrogen initiiert werden. Da bereits minimale Hormonmengen weitreichende Konsequenzen haben, ist nachvollziehbar, dass anthropogene Stoffe in der Umwelt selbst in kleinsten Mengen als endokrine Disruptoren fungieren und das hormonelle System negativ beeinflussen können (Material 1).

BPA als endokriner Disruptor

Bisphenol A (BPA) dient als Ausgangsstoff für diverse Kunststoffe und kommt in einer Vielzahl von Alltagsobjekten wie Spielwaren aus Plastik, Kunststoffflaschen oder Verpackungen von Lebensmitteln vor (Material 1). Vor allem bei Verpackungen birgt BPA Gefahren, da es in die Nahrungsmittel übergehen und auf diesem Weg in den menschlichen Organismus gelangen kann. Im Körper fungiert BPA als endokriner Disruptor, was bedeutet, dass es das Hormonsystem beeinträchtigt und die Gesundheit schädigt (Material 1). Die Ursache hierfür liegt in der chemischen Struktur von BPA, welche jener des körpereigenen Östrogens ähnelt (Material 2). Folglich rufen beide Substanzen eine vergleichbare oder identische Wirkung innerhalb der hormonellen Steuerung hervor. Weil das Hormonsystem bereits auf minimale Mengen reagiert und hochsensibel reguliert ist, kann über die Umwelt aufgenommenes BPA erhebliche Auswirkungen haben. Vor allem die Aufnahme größerer Mengen erhöht das Risiko für gesundheitliche Schäden. Aus diesem Grund setzte die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit einen TDI-Wert von ansatzweise fest (Material 6). Eine Analyse von Konservendosen durch den BUND ergab, dass mehr als die Hälfte der Proben BPA-Belastungen aufwiesen, wobei die maximale Konzentration bei lag (Material 6). Eine wiederholte Zufuhr höherer BPA-Mengen in den menschlichen Körper steigert somit die Wahrscheinlichkeit für Erkrankungen wie Diabetes mellitus Typ 2 sowie hormonabhängige Karzinome.

Aus Material 3 geht hervor, dass Östrogen die durch Glucose stimulierte Ausschüttung von Insulin aus den -Zellen der Bauchspeicheldrüse beeinflusst. BPA besitzt jedoch die Fähigkeit, analog zu Östrogen an den entsprechenden Östrogenrezeptor anzudocken, wodurch es selbst bei Abwesenheit des eigentlichen Hormons eine gesteigerte Insulinsekretion hervorruft. Die Bindung von Östrogen beziehungsweise BPA an den Rezeptor führt zu einer intensivierten Genexpression. Infolgedessen werden Enzyme der Glykolyse sowie die Vorstufe des Insulins synthetisiert, was die erhöhte Insulinausschüttung begünstigt. Im Regelfall gelangen Glucosemoleküle über spezifische Poren in die -Zelle, wo sie zu Pyruvat abgebaut und anschließend in den Mitochondrien unter ATP-Bildung veratmet werden. Der dadurch entstehende ATP-Überschuss bewirkt das Schließen von -Ionenkanälen, was das Membranpotenzial verändert. Diese Modifikation induziert das Öffnen von -Ionenkanälen. Die daraufhin einströmenden Calciumionen initiieren die Fusion von Insulinvesikeln mit der Plasmamembran, wodurch Insulin in den Interzellularraum und somit in den gesamten Organismus freigesetzt wird. Ein dauerhaft erhöhter Insulinspiegel bedingt eine Insulinresistenz, also eine abgeschwächte oder ausbleibende Reaktion der Zielzellen auf das Hormon (Material 4). Dies führt zu einem erhöhten Blutzuckerspiegel und steigert das Risiko für die Entstehung von Diabetes Typ 2.

Darüber hinaus kann BPA die Entstehung von hormonell bedingten Krebserkrankungen begünstigen. Das Wort „Krebs“ fungiert hierbei als Überbegriff für diverse Krankheitsbilder, deren verbindendes Merkmal eine unkontrollierte Proliferation von Zellen ist (Material 7). Wie bereits dargelegt, stimuliert Östrogen über die Aktivierung von Östrogenrezeptoren und die nachfolgende Steuerung der Translation sowohl die Zellteilung als auch das Wachstum von Zellen (Material 5). Durch eine präzise Steuerung der Östrogenkonzentration wird dieser Vorgang exakt auf die Erfordernisse des Körpers abgestimmt. Gelangt nun zusätzlich BPA in die Zellen, kommt es zu einer zunehmend unregulierten Stimulation des Zellwachstums. Dadurch können maligne Zellen und Tumoren entstehen, welche gesundes Gewebe destruieren und Metastasen (Tochtergeschwüre) bilden, die sich über den Körper ausbreiten.

Bereits diese beiden Szenarien verdeutlichen das Gefahrenpotenzial von BPA, wobei sich noch weitere Risiken anführen ließen. Zur Minimierung der Gefährdung für den Menschen sollte die Belastung der Umwelt mit BPA reduziert werden. Es ist anzustreben, dass Verpackungsmaterialien weitgehend frei von BPA sind, damit eine Aufnahme des Stoffes über die Nahrung unterbunden wird.