Atmen ist lebensgefährlich!

By David Shankbone (David Shankbone) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

Dieser Text basiert auf meinem Beitrag zum diesjährigen ScienceBlogs-Blogschreibwettbewerb. Durch die vielen Rückmeldungen habe ich beschlossen, hier eine überarbeitete und erweiterte Fassung zu veröffentlichen. Ich möchte mich nochmals sehr herzlich bei allen bedanken die mir ihre Stimme gegeben haben und meinen Beitrag auf den 12. Platz von insgesamt 58 Beiträgen gewählt haben!


Wir müssen viel unternehmen, um unseren Körper am Laufen zu halten. Wir müssen essen, trinken und schlafen, aber vor allem müssen wir eines: atmen. Ohne Nahrung können wir Wochen überleben, ohne Wasser über Tage. Ohne Luft aber halten wir nur wenige Minuten durch. Wie direkt der Atem mit unserem Leben verbunden ist, lässt sich am griechischen Wort „Psyche“ ablesen, das sowohl den Atem als auch das gesamte Sein einer Person meint. Dass Atmen uns alle angeht, hat der Kanadier Jon Lajoie sehr treffend in diesem Werbespot aufgezeigt:

Sauerstoff: radikaler Lebensspender

Obwohl uns jeder Atemzug am Leben hält, fügt er uns aber gleichzeitig auch Schaden zu. In einem meiner letzten Blogeinträge habe ich angesprochen, dass unser Körper den Sauerstoff aus der Luft braucht, um Stoffe zu verbrennen und daraus Energie zu gewinnen. Das große Problem dabei: der Sauerstoff selbst!

Aus der Werbung wissen wir, dass Antioxidantien gut für uns sind, denn sie schützen uns vor den sogenannten „freien Radikalen“. Anders als man vielleicht denkt, sind diese „Radikale“ keine Extremisten, sondern sehr reaktive Moleküle mit besonderen Eigenschaften. Die Elektronen die sich in Molekülen befinden sind normalerweise nie gerne allein, sondern treten am liebsten paarweise auf. Manchmal kann es aber vorkommen, dass ein Elektron einfach keinen Partner hat und daher ungepaart ist. So eine Substanz ist ein Radikal. Das Bestreben von Radikalen, einen Partner für das ungepaarte Elektron zu finden, macht sie so reaktiv und instabil. Eine der angenehmeren Eigenschaften von Radikalen ist übrigens, dass sie sehr oft farbig sind. Wie zum Beispiel der Sauerstoff, der in seiner flüssigen Form blau ist. Ja, es stimmt: der Sauerstoff, den wir atmen, ist auch ein Radikal!

O2N2CO2
Der Sauerstoff den wir atmen ist ein freies Radikal. Das ist ein Grund dafür, dass er in seiner flüssigen Form blau aussieht (links im Bild) und nicht farblos wie flüssiger Stickstoff oder festes Kohlenstoffdioxid (mittig und rechts), die Hauptbestandteile unserer Luft. Bilder (v.l.n.r.): Dr. Warwick Hillier (GPL), Robin Müller (CC BY-SA 3.0), MarkS (CC BY-SA 3.0) / Wikimedia Commons..

Die Formel O2 sieht zwar denkbar einfach aus, sagt aber nicht, dass im Sauerstoff zwei Elektronen ungepaart sind. Das liegt an einer Regel in der Quantenmechanik, nach der die Elektronen erst einmal jeden freien Platz einzeln besetzen wenn es zwischen diesen Plätzen keinen energetischen Unterschied gibt. Man kann sich das so vorstellen wie bei den Sitzplätzen in einem Zug: Die Leute neigen dazu, erst einmal einen Platz für sich alleine zu suchen – die benachbarten Plätze bleiben dabei frei. Erst wenn es so voll ist, dass es keine freien Doppelplätze mehr gibt, sucht man sich einen Sitz mit einem Nachbarn.

Bild: By Muskid (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
Die Molekülorbital-Schema des Sauerstoffs zeigt, warum Sauerstoff im Grundzustand ein Biradikal ist: Die beiden Elektronen im höchsten besetzten Orbital des Moleküls (dargstellt als rote Pfeile) besetzen jeweils ein Orbital, weil die beiden Plätze in diesem Fall energetisch gleichwertig sind (linkes Schema). Das Molekül besitzt also zwei ungepaarte Elektronen. Damit die beiden Elektronen sich paaren, muss Energie aufgewandt werden (Mitte). Wird noch mehr Energie zugeführt, können sich die Elektronen wieder voneinander trennen, während ihr Spin sich nicht ändert (rechtes Schema). Diese beiden Zustände sind aber sehr kurzlebig; die Elektronen bevorzugen immer den Grundzustand.
Bild: Muskid [CC BY-SA 3.0] / Wikimedia Commons
Weil freie Radikale sehr reaktiv sind, stellen sie in unserem Körper sehr viel Schädliches an: Sie verändern unser Erbgut und beschädigen die Fette und Eiweiße, die überall in unserem Körper vorkommen. Das führt dazu, dass unsere Haare grau werden, die Haut ihre Spannkraft verliert und unser Körper altert. Und es ist ein großes Dilemma, dass ausgerechnet unser Lebensspender Sauerstoff auch so ein freies Radikal ist:

Wir können nicht leben ohne zu atmen. Und wir können nicht atmen, ohne zu altern

Wir brauchen den Sauerstoff aber als Oxidationsmittel, also zum „Verbrennen“ von Stoffen. Deshalb hat unser Körper viele Sicherheitsmechanismen, die dafür sorgen, dass der Sauerstoff nur dorthin gelangt wo er auch wirklich hin soll. Er wird gut abgeschirmt und „verbrennt“ garnicht direkt unsere Nährstoffe, sondern stattdessen einen Hilfsstoff: NADH (ausgeschrieben ist das Nicotinamidadenindinukleotid – aber das ist selbst Wissenschaftlern zu lang). Durch die Oxidation mit dem Sauerstoff entsteht aus NADH die Substanz NAD+. Dieses NAD+ ist es, die unsere Nahrung tatsächlich oxidiert und die Energie für uns gewinnt. Wenn das geschieht, entsteht aus dem NAD+ wieder NADH, und der Kreis beginnt von vorn. Auf diese Weise wird die Oxidations-Fähigkeit des Sauerstoffs auf eine viel weniger gefährliche Substanz übertragen, die unser Körper besser handhaben kann.

Redoxgleichgewicht zwischen NADH und NAD+
NADH (links) wird von Sauerstoff zu NAD+ (rechts) oxidiert. NAD+ kann wiederum andere Stoffe oxidieren; dabei wird es selbst reduziert und es entsteht wieder NADH. Der Übersichtlichkeit wegen sind die beiden Wasserstoffatome im NADH mit angegeben, von denen im oxidierten NAD+ eines übrig bleibt.
Adenosintriphosphat (ATP)
Pure Energie steckt in dem kleinen Molekül Adenosintriphosphat (ATP).

Ganz ähnlich ist es mit der Energie, die beim „Veratmen“ unserer Nahrung freigesetzt wird. Hier benutzt unser Körper ebenfalls einen chemischen Zwischenträger – und zwar das Molekül ATP (Adenosintriphosphat), bekannt aus dem Biologieunterricht als die „Energiewährung der Zelle“. So gut wie immer wenn ein biochemischer Prozess im Körper ablaufen soll und dafür Energie aufgewendet werden muss, wird dabei ATP verbraucht.

Süße Brennstoffe

Quelle: alila / pixelio.de
Zucker: Die wahren „Energiekristalle“ für unseren Körper. Bild: alila / pixelio.de

ATP wird vor allem aus Zucker und anderen Kohlenhydraten hergestellt. Alle anderen Nährstoffe werden natürlich auch verwertet, aber Fette dienen in erster Linie als Energiereserve und Wärmeisolation, und Eiweiße werden in ihre Bestandteile zerlegt um neue Proteine und Enzyme daraus herzustellen. Um aus den Zuckermolekülen an die begehrte „Energiewährung“ zu kommen braucht es über ein Dutzend verschiedener Reaktionen, die hochspezialisierte Enzyme durchführen.

Vielleicht ist euch schonmal aufgefallen, dass Weissbrot süßlich schmeckt, wenn man es lange genug kaut? Das kommt daher, dass die Enzyme in unserem Speichel die Kohlenhydrate aus dem Brot zerlegen. Kohlenhydrate sind Ketten von Zuckermolekülen; deshalb werden sie manchmal auch „Vielfachzucker“ genannt. Beim Verdauen werden sie in immer kleinere Ketten zerstückelt, bis der Körper irgendwann an die kleinen süßen Zuckermoleküle gelangt, aus denen er seine Energie gewinnt.

Mitochondrien: Kraftwerke mit Sicherheitsrisiko

Bild:
Die Mitochondrien sind sehr besondere Zellorganellen. Sie besitzen ihre eigene DNA, die immer von der Mutter vererbt wird. Bild: Sterilgutassistentin [GPL] / Wikimedia Commons
Die eigentliche Atmung findet abgeschirmt in besonderen Teilen der Zelle statt: den Mitochondrien, die nicht ohne Grund als „Kraftwerke der Zelle“ gelten. Deshalb haben wir auch besonders viele dieser „Kraftwerke“ in Körperzellen mit einem hohem Energiebedarf – zum Beispiel in den Muskeln. Wie bei jedem Kraftwerk kann es aber auch in einem Mitochondrium mal ein Leck geben. Für die Zellen heisst das, dass mit der Zeit immer wieder ein paar Radikale in ihnen freigesetzt werden und Schaden anrichten. Freie Radikale treten aber nicht nur bei der Atmung auf. Direktes Sonnenlicht, Abgase und andere Umweltbelastungen sind ebenfalls verantwortlich dafür, dass wir „radikal“ altern. Auch bei diesen Radikalen sorgen Sicherheitsmechanismen dafür, dass die Schadstoffe schnellstmöglich unschädlich gemacht werden. Ein wichtiges Hilfsmittel für unseren Körper ist zum Beispiel das Vitamin C, das als „Antioxidans“ ungewünschte Oxidationen in unseren Körperzellen verhindert. Die Werbung hat also garnicht so unrecht, wenn sie uns Antioxidantien anpreist, mit denen wir uns vor freien Radikalen schützen können.

Antioxidantien: Ein zweischneidiges Schwert

Granatapfel
Granatäpfel sind lecker und besonders reich an Antioxidantien. Bild: fir0002 (flagstaffotos.com.au) [GFDL 1.2] / Wikimedia Commons
Seit einigen Wochen sind die Antioxidantien allerdings in den Schlagzeilen: Schwedische Forscher fanden heraus, dass eine erhöhte Zufuhr des Antioxidans N-Acetylcystein bei Mäusen dazu führte, dass sich Hautkrebs doppelt so schnell ausbreitete! Die Ursache dafür ist allerdings recht einleuchtend: Antioxidantien schützen eben nicht nur den Körper, sondern auch die Krebszellen. Und ganz offenbar setzt unser Körper die freien Radikale als Waffe gegen den Krebs ein und hindert ihn damit an seiner Ausbreitung. Diese Erkenntnis bedeutet aber nicht, dass Antioxidantien per se schädlich sind. Es bedeutet vor allem, dass Krebspatienten sie meiden sollten, und dass die Strategie „viel hilft viel“ nicht unbedingt die beste ist. Für an Diabetes Erkrankte wurde beispielsweise gezeigt, dass Granatapfelsaft Arteriosklerose vorbeugen kann, da die in ihm enthaltenen Antioxidantien den oxidativen Stress senken, für den Diabetiker besonders anfällig sind.

Atmen ist also weitaus gefährlicher als man denkt und führt unweigerlich zur Alterung und schließlich zum Tod. Vielleicht hatten die alten Griechen das bereits erkannt, als sie mit dem Begriff der „Psyche“ nicht nur das Atmen an sich, sondern das gesamte Sein des Menschen belegten. Oder um es mit Erich Kästner zu sagen: „Leben ist immer lebensgefährlich!“

Titelbild: David Shankbone [CC BY-SA 3.0, GFDL] / Wikimedia Commons

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