Demineralisation und Karies: Säurechemie für Zahnmediziner

Kurz gesagt: Demineralisation ist ein Lösungsvorgang: Säuren aus dem Zuckerstoffwechsel von Plaquebakterien senken den pH-Wert, Protonen binden Phosphat- und Hydroxidionen und verschieben das Lösungsgleichgewicht des Hydroxylapatits Richtung Auflösung. Unterhalb des kritischen pH-Werts von etwa 5,5 verliert Schmelz Mineral, oberhalb kann der Speichel es wieder einlagern. Fluorid senkt den kritischen pH-Wert und fördert die Remineralisation.

Im Chemiepraktikum titrierst du Essigsäure, im Kopf hast du aber schon die Frage, wofür du das als Zahnmedizinerin brauchst. Karies ist eine der besten Antworten darauf. Fast jedes Konzept aus der allgemeinen Chemie taucht hier wieder auf: Säurestärke, Gleichgewicht, Löslichkeitsprodukt und Puffer.

Die klinische Seite mit Ätiologie, Risikofaktoren und Prophylaxe findest du im Beitrag Karies verstehen: Ätiologie, Entstehung und Prophylaxe. Hier geht es um die Chemie, die du im Z1 erklären können solltest.

Woraus besteht Zahnschmelz chemisch?

Zahnschmelz besteht zum größten Teil aus Hydroxylapatit, einem Calciumphosphat mit der Formel Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Der Mineralanteil liegt bei etwa 95 Gewichtsprozent, der Rest sind Wasser und organische Matrix. Dentin enthält deutlich weniger Mineral und mehr Kollagen, deshalb schreitet Karies dort schneller voran.

Natürlicher Schmelz ist kein reines Hydroxylapatit. In das Kristallgitter sind Fremdionen eingebaut. Carbonat macht den Kristall löslicher, Fluorid macht ihn stabiler. Wie gut ein Zahn Säureangriffen standhält, hängt deshalb auch von seiner genauen Zusammensetzung ab.

Die Biochemie der Mineralisation, also wie Calcium und Phosphat überhaupt in den Zahn kommen, ist im Beitrag Kalzium-Phosphat-Stoffwechsel und Mineralisation beschrieben.

Wie lösen Säuren den Schmelz auf?

Säuren lösen Schmelz, weil Protonen die basischen Ionen des Hydroxylapatits abfangen und so das Lösungsgleichgewicht verschieben. Hydroxylapatit steht mit seinen Ionen in der umgebenden Flüssigkeit im Gleichgewicht:

Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ ⇌ 10 Ca²⁺ + 6 PO₄³⁻ + 2 OH⁻

Steigt die Protonenkonzentration, reagiert OH⁻ zu Wasser und Phosphat wird zu Hydrogenphosphat und Dihydrogenphosphat protoniert. Diese Ionen fehlen dann auf der rechten Seite der Gleichung. Nach dem Prinzip von Le Chatelier löst sich weiteres Mineral, um sie zu ersetzen. Das Ionenprodukt in der Plaqueflüssigkeit fällt unter das Löslichkeitsprodukt, die Lösung ist untersättigt.

Woher die Säuren kommen, ist der Unterschied zwischen Karies und Erosion. Bei Karies verstoffwechseln Bakterien im Biofilm Zucker zu organischen Säuren, vor allem Milchsäure. Bei Erosion wirken Säuren aus Nahrung, Getränken oder Magensaft direkt auf die Zahnoberfläche, ohne Beteiligung von Bakterien.

Was bedeutet der kritische pH-Wert?

Der kritische pH-Wert ist der pH, bei dem die umgebende Flüssigkeit gerade gesättigt ist. Darunter löst sich Mineral, darüber kann es wieder ausfallen. Für Hydroxylapatit liegt er bei etwa 5,5, für Fluorapatit bei etwa 4,5. Diese Werte sind Näherungen, denn der genaue kritische pH hängt von der Calcium- und Phosphatkonzentration in Speichel und Plaque ab.

Den Verlauf zeigt die Stephan-Kurve. Nach einer Zuckerspülung fällt der Plaque-pH innerhalb weniger Minuten steil ab und steigt dann langsam wieder an. Klinisch heißt das: Entscheidend ist weniger die Zuckermenge als die Häufigkeit. Wer ständig nascht, gibt dem Speichel keine Zeit, den pH anzuheben.

Die erste sichtbare Folge ist die Initialläsion, klinisch ein kreidig-weißer Fleck. Chemisch ist das Besondere daran, dass die Oberfläche noch weitgehend intakt wirkt, während darunter Mineral fehlt. Grund ist, dass an der Oberfläche durch Remineralisation und Fluorid immer wieder Mineral ausfällt, während Säure tiefer eindringt und dort löst. Man spricht von einer Subsurface-Läsion. Solange die Oberfläche nicht eingebrochen ist, kann die Läsion durch Remineralisation zum Stillstand kommen.

Wie schützen Speichel und Fluorid den Zahn?

Speichel und Fluorid wirken an verschiedenen Stellen: Speichel neutralisiert die Säure und liefert Mineral nach, Fluorid macht das Mineral weniger löslich und beschleunigt die Wiedereinlagerung.

Der wichtigste Puffer im Speichel ist das Hydrogencarbonat-System, dessen Konzentration bei angeregtem Speichelfluss steigt. Dazu kommen Phosphatpuffer und Proteine. Gleichzeitig ist Speichel in Bezug auf Calcium und Phosphat übersättigt. Steigt der pH wieder über den kritischen Wert, lagern sich diese Ionen in die angelöste Oberfläche ein.

Fluorid wirkt vor allem lokal an der Zahnoberfläche. Es wird bei der Remineralisation in das Kristallgitter eingebaut, wodurch fluoridiertes Hydroxylapatit oder Fluorapatit entsteht. Dieses Mineral ist erst bei niedrigerem pH löslich. Außerdem bildet Fluorid auf der Oberfläche calciumfluoridartige Deckschichten, die bei Säureangriff Fluorid freisetzen. Zusätzlich hemmt Fluorid in höherer Konzentration den bakteriellen Stoffwechsel, unter anderem das Enzym Enolase.

Wie lernst du das Thema fürs Z1?

Am besten lernst du das Thema als Kette, die du in der mündlichen Prüfung frei erzählen kannst: Zucker, bakterieller Stoffwechsel, Säure, Protonierung, Gleichgewichtsverschiebung, Untersättigung, Mineralverlust und dann der Rückweg über Puffer und Remineralisation. Prüfende springen gern an eine Stelle der Kette und fragen von dort weiter.

1. Formel des Hydroxylapatits und seine Dissoziation aufschreiben können.
2. Le Chatelier am Beispiel der Protonierung von Phosphat und Hydroxid erklären.
3. Löslichkeitsprodukt und Ionenprodukt unterscheiden: wann übersättigt, wann untersättigt.
4. Kritischen pH für Hydroxyl- und Fluorapatit nennen und begründen.
5. Hydrogencarbonatpuffer mit Henderson-Hasselbalch durchrechnen.
6. Karies und Erosion chemisch voneinander abgrenzen.

Ein Chemiekurs mit zahnmedizinischem Bezug verknüpft genau diese Grundlagen mit Beispielen aus der Zahnmedizin. Wenn du im Z1 an der Fächergruppe mit Biochemie und Chemie gescheitert bist, findest du im Leitfaden Z1 nicht bestanden: Wiederholung der zahnärztlichen Vorprüfung einen Plan für die nächsten Wochen. Wie die Fächergruppen im Ersten Abschnitt aufgeteilt sind, steht in der Approbationsordnung für Zahnärzte.

Das Wichtigste in Kürze

• Schmelz besteht überwiegend aus Hydroxylapatit, dessen Löslichkeit mit sinkendem pH stark steigt.
• Protonen binden Phosphat und Hydroxid und verschieben das Lösungsgleichgewicht Richtung Auflösung.
• Der kritische pH liegt für Hydroxylapatit bei etwa 5,5, für Fluorapatit bei etwa 4,5.
• Häufige Zuckerzufuhr ist kariogener als eine größere Menge auf einmal.
• Speichel puffert und remineralisiert, Fluorid senkt die Löslichkeit und fördert die Einlagerung.

Häufig gestellte Fragen

1. Was ist Demineralisation?

Demineralisation ist der Verlust von Calcium- und Phosphationen aus der Zahnhartsubstanz, wenn die umgebende Flüssigkeit durch Säure untersättigt ist. Sie ist anfangs reversibel.

2. Welcher pH-Wert ist für den Zahnschmelz kritisch?

Für Hydroxylapatit gilt ein kritischer pH von etwa 5,5, für Fluorapatit von etwa 4,5. Der genaue Wert hängt von der Ionenkonzentration in Speichel und Plaque ab.

3. Welche Säure entsteht bei Karies?

Hauptsächlich Milchsäure, daneben weitere organische Säuren wie Essigsäure und Propionsäure. Sie entstehen beim bakteriellen Abbau von Zuckern im Biofilm.

4. Was ist der Unterschied zwischen Karies und Erosion?

Bei Karies stammen die Säuren aus dem Stoffwechsel von Bakterien im Biofilm. Bei Erosion wirken Säuren aus Nahrung, Getränken oder Magensaft direkt ohne bakterielle Beteiligung.

5. Wie wirkt Fluorid chemisch?

Fluorid wird bei der Remineralisation in das Kristallgitter eingebaut und macht es weniger säurelöslich. Außerdem bildet es calciumfluoridartige Deckschichten und hemmt den bakteriellen Stoffwechsel.

6. Was zeigt die Stephan-Kurve?

Sie zeigt den Abfall des Plaque-pH nach Zuckerzufuhr und den langsamen Wiederanstieg über etwa 30 bis 60 Minuten. Daraus folgt, dass die Häufigkeit von Zuckerkontakten entscheidend ist.

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