Warum benötigen Knochen Kalzium?

Knochen bestehen aus einer äußeren Knochenwand (Kortikalis oder Kompakta) und einem darin liegenden schwammartigen Geflecht (Spongiosa). Dazu kommen die äußere und die innere Knochenhaut sowie gelbes und rotes und bei fortgeschrittenem Alter auch weißes Knochenmark.

Das Knochengewebe ist an allen innen liegenden Oberflächen mit der inneren Knochenhaut (Endost) überzogen, außen um den Knochen herum befindet sich die äußere Knochenhaut (Periost). Sie ist an den Gelenken unterbrochen, wo sich auf der Oberfläche des Knochens Knorpel befindet.

In den Hohlräumen des Knochengewebes befindet sich Knochenmark. Rotes Knochenmark enthält blutbildende Zellen. Bei der Geburt ist fast alles Knochenmark rot. Im Laufe des Lebens wandelt es sich teilweise zu gelbem Knochenmark um, dem sogenanntem Fettmark. Gelbes Knochenmark findet sich vor allem im Schaft der Röhrenknochen in den Extremitäten. In weißem Knochenmark ist ein Teil der Fetteinlagerungen durch Wasser ersetzt worden. Es erscheint daher weißlich. Weißes Knochenmark ist eine degenerierte Form des Knochenmarks und tritt nur in sehr hohem Alter oder bei Erkrankungen auf.

Knochen stützen den Körper und ermöglichen je nach Funktion unterschiedliche Bewegungen. Einige Knochen schützen dahinter befindliche Organe. Beispielsweise schützt der Schädelknochen das Gehirn und der Brustkorb Herz und Lunge. Die Stabilität der Knochen ergibt sich aus der Kombination der Kollagenstruktur und den eingelagerten Mineralien. Die Elastizität des Kollagens wird mit der Festigkeit der Mineralien kombiniert. Die äußere Knochenwand und das darin liegende schwammartige Geflecht bilden eine flexible Struktur, die sich permanent verändert und auf Belastungen reagiert. Der Knochen passt sich den Verformungen an, die von den Muskeln ausgehen. Bei häufiger Verformung wird Knochenmasse aufgebaut. Mangelnde Bewegung hingegen führt zu Knochenabbau. Insbesondere bei krankhaftem oder altersbedingtem Knochenabbau wie Osteoporose ist es daher wichtig, sich ausreichend zu bewegen, um einen ausgleichenden Knochenaufbau anzuregen.

Die im Kollagen eingelagerten Mineralien machen über 50% der Knochensubstanz aus. Sie bestehen zum überwiegenden Teil aus Kalziumphosphat (genauer: Kalziumhydroxylapatit). Außerdem kommen im Knochen Kalziumcarbonat und Magnesiumphosphat und geringe Mengen anderer Mineralien vor. Die im Knochen enthaltenen Mineralien sind wasserunlöslich, zersetzen sich aber – wie im Experiment demonstriert – in Säuren wie Essig und Salzsäure zu wasserlöslichen Salzen. Dabei entsteht auch Kohlendioxid. Das Kohlendioxid habt ihr eventuell als kleine Bläschen am Knochen sehen können.

Kalzium ist als Bestandteil von Kalziumverbindungen der am stärksten vertretene Mineralstoff im menschlichen Körper. Auf der Erde ist Kalzium das fünfthäufigste Element und beispielsweise im Wasser, in Böden, in Gesteinen und in Lebewesen zu finden. In Knochen und Zähnen werden 99% des im menschlichen Körper vorkommenden Kalziums gespeichert. Der Rest befindet sich im Blut und im Gewebe. Das Element Kalzium hat das Elementsymbol Ca und ist ein leichtes silbriges Metall, das sich leicht verformen lässt. Im Körper und in der Umwelt kommt Kalzium nur als Bestandteil von Verbindungen vor.

Der tägliche Bedarf an Kalzium für Erwachsene ist etwa 900mg. Wenn diese Menge nicht über die Nahrung aufgenommen wird, wird sie aus den Knochen und Zähnen abgebaut. Eine gute Kalziumquelle sind Milch und Milchprodukte, dunkelgrüne Blattgemüse wie Brokkoli, Grünkohl und Spinat und Nüsse wie Mandeln, Haselnüsse oder auch Sesam. Entscheidend für die Kalziumversorgung ist auch die Bioverfügbarkeit. Die Bioverfügbarkeit gibt an, in welchem Umfang und wie schnell ein Stoff aufgenommen wird. Bei Milch und Milchprodukten liegt die Bioverfügbarkeit von Kalzium bei 30%, bei Blattgemüse nur um die 20%. Für die Resorption von Kalzium wird Vitamin D benötigt. In Milchprodukten ist Vitamin D enthalten, so dass eine im Vergleich mit anderen Nahrungsmitteln gute Bioverfügbarkeit des Kalziums erreicht wird.

• Funktioniert das auch mit einem Schweineknochen? Oder mit einem Zahn? Testet es gemeinsam.
• Ihr könnt den Knochen auch vor und nach dem Essig-Bad auf die Waage legen. So könnt ihr den Gehalt an Kalziumverbindungen im Knochen messen.
• Wenn das Kalzium den Knochen hart macht, wozu dient dann das übrig gebliebene Material (das Kollagen)? Findet es gemeinsam heraus. Legt einen (unbehandelten) Knochen ins Feuer (oder in den Backofen). Die Hitze zerstört (verbrennt) das Kollagen. Übrig bleibt nur noch der mineralische Bestandteil des Knochens: die Kalziumverbindungen. Wie verhält der Knochen sich jetzt? Ihr könnt ihn ganz einfach zerbrechen. Ohne Kollagen ist der Knochen spröde. Das Kollagen dient also dazu, den Knochen flexibel zu machen.  Hier kannst du dir ein Video zu diesem Experiment ansehen:  Verbiege Knochen!

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