Sieben Molekule: Die chemischen Elemente und das Leben 3527320997, 9783527320998 [PDF]

Zitiervorschau

Jürgen-Hinrich Fuhrhop und Tianyu Wang Sieben Moleküle

Beachten Sie bitte auch weitere interessante Titel zu diesem Thema Gossauer, A.

Struktur und Reaktivität der Biomoleküle Eine Einführung in die Organische Chemie 2006 ISBN: 978-3-906390-29-1

Quadbeck-Seeger, H.-J.

Das historische Periodensystem – Wer hat was entdeckt? 2006 ISBN: 978-3-527-31679-3

Quadbeck-Seeger, H.-J.

Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt 2006 ISBN: 978-3-527-31789-9

Winter, A.

Organische Chemie für Dummies 2006 ISBN: 978-3-527-70292-3

Mädefessel-Herrmann, K., Hammar, F., Quadbeck-Seeger, H.-J., GDCh (Hrsg.)

Chemie rund um die Uhr Das Buch zum Jahr der Chemie 2004 ISBN: 978-3-527-30970-2

Arni, A.

Verständliche Chemie für Basisunterricht und Selbststudium 2003 ISBN: 978-3-527-30605-3

Jürgen-Hinrich Fuhrhop und Tianyu Wang

Sieben Moleküle Die chemischen Elemente und das Leben

Autoren Prof. Dr. Jürgen-H. Fuhrhop Organische Chemie Freie Universität Berlin Takustraße 3 14195 Berlin Tianyu Wang Inst. Chemie & Biochemie FU Berlin Takustraße 3 14195 Berlin

1. Auflage 2009 n Alle Bücher von Wiley-VCH werden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren, Herausgeber und Verlag in keinem Fall, einschließlich des vorliegenden Werkes, für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler irgendeine Haftung

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. © 2009 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Photokopie, Mikroverfilmung oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden. Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie nicht eigens als solche markiert sind. Printed in the Federal Republic of Germany Gedruckt auf säurefreiem Papier Satz K+V Fotosatz GmbH, Beerfelden Druck Betz-Druck GmbH, Darmstadt Bindung Litges & Dopf GmbH, Heppenheim Umschlaggestaltung Adam Design, Weinheim ISBN

978-3-527-32099-8

V

Inhaltsverzeichnis Vorwort Einleitung

VII 1

Teil 1

Die biologischen Materialien: Flüssiges Wasser, Rohre, Gele und Membranen 3

1

Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins 5

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Überblick 5 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen Cluster 18 Auf der Erde und über der Erde 29 Rohrsysteme und Pumpen 41 Bewegliche elektrische Ladungen (Ionen) 53 Fragen zum Wasser 58

2

2.1 2.2 2.3 2.4

3 3.1 3.2 3.3 3.4

Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr 59 Überblick 59 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität Cellulose 79 Stärke 89 Zucker 94 Fragen zur Glucose 106

61

Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran 107 Überblick 107 Fettsäuren 109 Fette 125 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut 134 Cholesterin als flüssigkristalline Einheit 148 Fragen zu Lecithin und Steroiden 156

6

VI

Inhaltsverzeichnis

Teil 2

Molekulare Module für chemische Wechselwirkungen, Nerven, Muskeln, Atmung und das Sehen 157

4

Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen 159 Überblick 159 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine 161 Polyphenole 186 Tyrosin in Proteinen 193 Tyrosinphosphat 207 Fragen zu Tyrosin 215

4.1 4.2 4.3 4.4

5

5.1 5.2 5.3 5.4

6 6.1 6.2 6.3 6.4

7

ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung 217 Überblick 217 Aminopurin-Motive 221 Die Pseudorotation der (Desoxy-)ribose 229 DNS (Desoxyribonucleinsäure) 231 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester 238 Fragen zu ATP 257

Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren Überblick 260 Sauerstoff, Sulfid und Eisen 260 Pyrrol, Pyridin und ihre p-Elektronen 269 Chlorophyll und Protoporphyrin 274 Oxyhäm 278 Fragen zu Oxyhäm 290 Retinal: . . . und sah, dass es gut war 291 Überblick 291 Fragen zu Retinal 305

Epilog: Mit unseren sieben Molekülen erreichen wir viel Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben Register

315

309

307

259

VII

Vorwort Dieses Buch stellt sieben Moleküle vor und folgt ihnen durch die kapillären oder muskulösen Wasserrohre des Menschen bis ins Gehirn, die Herzgefäße und die Geschlechtsorgane. Diesem Ansatz zugrunde liegt die Überzeugung, dass Schüler der Chemie und interessierte Laien die „organische Chemie“ vor allem im Zusammenhang mit dem Trinkwasser, dem Blutkreislauf und dem Zellwasser erleben sollten. Das Molekül Wasser ist eine Pyramide mit zwei Protonen und zwei Elektronenpaaren an den Ecken. Im Zentrum hält ein relativ schweres Sauerstoffatom diese vier Elementarteilchen zwar zusammen, bleibt aber selbst wirkungslos nach außen. Glucose ist starrer Sechsring aus Kohlenstoffatomen, der von einem wasserfreundlichen OH-Ring umgeben ist, dessen Oberfläche aber wasserabstoßend ist wie ein Fett. Die Aufgabe von Glucoseketten ist es, die Rohrsysteme der Pflanzen und körnige Nahrungsstoffe aufzubauen. Glucosemoleküle sind die einzige Energiequelle des Gehirns. Biologische Zellmembranen sind aus molekularen Doppelschichten des Lecithins aufgebaut und erzeugen mit Natrium- und Kalium-Ionen die elektrischen Potenziale für Nerven- und Muskelströme. Nummer vier ist Tyrosin, eine Aminosäure mit holzigem Phenolcharakter und führt uns in die Welt der Proteine, Farbstoffe, Radikalbildner und molekularen Anker. Der Benzolring des Tyrosins dominiert die Welt der Neurotransmitter und der künstlichen Arzneimittel, die störende Aktivitäten von Proteinen blockieren. Ohne das Phosphat aus ATP gibt es keinen Gedanken, kein Gefühl, keine Bewegung und keine Zellteilung. Kein Lebenszeichen des Menschen läuft ohne Phosphat, das mit seinen negativen Ladungen die positiven Natrium- und Kaliumströme antreibt und steuert, und damit die Basis zu unserer Existenz legt. Oxyhäm transportiert das Oxidationsmittel Sauerstoff im reduzierenden Blutstrom und setzt in den Zellen atomaren Sauerstoff frei, der Glucose und Fette in Wasser bei 37 8C verbrennt. Da kommt die Energie her, die wir zur Erzeugung der Nerven- und Muskelströme brauchen. Retinal schließlich leitet den magischen Sehprozess der Tiere und Menschen ein, der farbige, bewegliche Bilder im Hirn entstehen lässt. Das alles tun die sieben Moleküle für alle Menschen – und zwar großzügigerweise seit wenigstens zweihunderttausend Jahren, obwohl man von ihnen erst seit höchstens hundert Jahren weiß.

VIII

Vorwort

Die Autoren dieses Buches, bewundern und lieben Gestalt, Arbeit und Ausdauer der sieben Moleküle und vieler ihrer nahen Verwandten über die Maßen. Wir hoffen, mit diesem Buch den Geist dankbaren Staunens dem geneigten Leser und den noch Lernenden in der Schule nahe zu bringen. Wir danken der Freien Universität Berlin für uneingeschränkte Unterstützung und Dr. Claus Endisch und den Teilnehmern seines Chemieleistungskurses an der Bertha-von-Suttner-Oberschule in Berlin-Reinickendorf für ihre Anregungen. Oktober 2008, Berlin

Jürgen Fuhrhop · Tianyu Wang

1

Einleitung: SCHÖPFeN und Waglule Tyatohre Waglule Tyatohre ist eine für dieses Buch erfundene, pseudo-chemische Formel, die die Namen von sieben Molekülen zusammenfasst. Alle sieben spielen in der täglichen Arbeit der Pflanzen, Tiere und Menschen, die man „Leben“ nennt, anspruchsvolle Hauptrollen. Der „Vorname“ Waglule bezieht sich auf die Baumaterialien Wasser, Glucose und Lecithin für biologische Rohrleitungssysteme der Bäume und Gehirne, der „Familienname“ Tyatohre bezeichnet die funktionellen Teile (Module) biologischer Maschinen, die den Verkehr der Güter und Nachrichten in den Wasserrohren betreiben, nämlich Tyrosin, ATP, Oxyhäm und Retinal. Die sieben Moleküle enthalten insgesamt sieben verschiedenen Atomsorten, nämlich Schwefel, S, Kohlenstoff, C, Wasserstoff, H, Sauerstoff, O, Phosphor, P, Eisen, Fe, und Stickstoff, N. Daraus haben wir ein neues Kunstwort geformt, nämlich „SCHÖPFeN“. Der Doppelpunkt über dem O symbolisiert dabei die Elektronenpaare, die die Elemente zu Molekülen „verbinden“. Chemikergehirne sind voll von Merkworten wie „SCHÖPFeN“ und „Waglule Tyatohre“. Sie erwiesen sich, zumindest im Zusammenhang mit der deutschen Sprache, als nützlich, um abstrakte Zusammenhänge zwischen abstrakten Namen nicht zu vergessen. Mit Waglule Tyathore kennen Sie die molekularen Hauptpersonen des täglichen Lebens. Der Rest ist Kochsalz und anderes „triviales“ Beiwerk. SCHÖPFeN erfasst das Innere der Moleküle, den Charakter und das Seelenleben der Hauptpersonen. Über CHO verfügen mit Ausnahme des Wassers alle unsere sieben Moleküle: diese Elemente bauen die Rohrsysteme der Bäume, des Nervensystems, der Muskeln und des Blutkreislaufs auf. N kommt immer ins Spiel, wenn individuelle Beziehungen zwischen den Molekülen geknüpft werden, zum Beispiel zwischen den Basen des Erbmaterials oder den Aminosäuren der Proteine. P ist das Element des elektrischen Stroms der Nerven und Muskeln, des Denkens, Fühlens, Sehens und der Zellteilung. Fe und S erledigen das Verbrennen der Nahrung und liefern die Energie für Tier und Mensch. Wir berichten über Moleküle und verzichten dabei nicht auf die genaue Beschreibung ihres Aussehens und ihres Charakters. Das bedeutet, dass wir die dazu notwendigen chemischen Formalismen einführen und unentwegt benutzen. Verschiedene „Moleküle“ unterscheiden sich durch die Art und Anordnung der Atome. In den sieben Molekülen WaGluLe TyAtOhRe bewegen sich außer-

2

Einleitung: SCHÖPFeN und Waglule Tyatohre

dem Atome und Elektronen wie Teile einer Maschine oder intelligente Ampelsysteme eines Verkehrsnetzes. Auch das wird dargestellt. Wenn Sie das Buch verarbeitet haben, sollten Sie die Strukturen der sieben Moleküle Waglule Tyatohre auswendig wissen und ihren Charakter, ihre Tätigkeit beschreiben können. Sie werden wissen, was das Retinal im Auge mit Lichtquanten tut, wie Eilecithin in Wasser spontan Zellmembranen bildet und warum die Neuronen im Gehirn mehrfach ungesättigte Fettsäuren brauchen. Sie werden den Sauerstoff in den sich ewig erneuernden Erythrocyten des Bluts vom aggressiven Sauerstoff in den Zellen unterscheiden können. Die Kenntnis der „sieben Moleküle“ ist der Schlüssel zur Welt der biologisch und medizinisch wirksamen Stoffe. Dieses Buch will Ihnen als naturwissenschaftlich interessiertem Laien oder als Schüler mit dem Chemieunterricht im Nacken zeigen, wie sieben wichtige und reizvoll unterschiedliche Moleküle des Lebens sich im Alltag verhalten, wie und wo sie dem Lebenden ermöglichen, die Welt zu denken, zu fühlen und sich sehend in ihr zu bewegen. Sie sollen die Moleküle des Körpers und ihre Wasserwege kennen lernen und auch erfahren, wo Hindernisse, Überlastungen oder fehlende Hafenarbeiter stören, ja das Leben bedrohen. Diese Grundkenntnisse könnten auch die staatlichen, von den Bürgern bezahlten Schulen mit ihren Chemielehrern und -lehrerinnen vermitteln. Sie tun es aber, wie wir meinen, nur unzureichend. Stunde um Stunde vergeht der Chemieunterricht mit der Beobachtung von Farbumschlägen bei der Titration von Säuren und Basen, mit dem Auswendiglernen des Periodensystems der Elemente, der Diskussion abstrakter Elektronenschalen, mit der Fällung von Salzen und mit sinnentleertem Vokabellernen. Das erworbene formale Wissen von der Chemie bleibt im Leben, beim Denken, Fühlen, Essen, Arbeiten, Lieben und Leiden so irrelevant, wie es schon während der Schulzeit empfunden wurde. Es wird schnell vergessen, zur Unkenntnis gesellt sich stumpfes Desinteresse. Die Autoren dieses Buchs sind enthusiastische Chemiker, die sich trotz, nicht wegen des Schulunterrichts für ihr Fach entschieden haben. Ein wenig hoffen sie, dass die Lehrinhalte der Schulen sich ändern lassen und dass die Einstellung der Menschen gegenüber der Wissenschaft von den Stoffen, der Chemie, einmal so freundlich wird, wie es zum Beispiel die glorreichen sieben Moleküle verdienen. Denn warum lassen sich Bäume wie Menschen auf ein so langes Leben ein? Weil ihnen die Moleküle in jeder Sekunde süßes Leben und frische Nahrung in die Wasserwege der Wurzeln, Stämme und Blätter, der Muskeln, Nerven und Gehirne tragen und ihnen die Möglichkeit geben, zu wachsen und auf der wunderbaren Erde zu gedeihen!

Teil 1 Die biologischen Materialien: Flüssiges Wasser, Rohre, Gele und Membranen

5

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins Alles fließt (Platons Zusammenfassung der Lehre Heraklits) Wasser: Wandlungsphase eins (I ging, das Chinesische Buch der Wandlungen)

Überblick

1.1 Die Materie des Universums besteht zu 92,4% aus den Protonen (p) und 7,3% a-Teilchen (p2n2) der Sterne und den entsprechenden Atomen Wasserstoff und Helium im interstellaren Raum. Die Elemente SCHÖPFeN entstehen zusammen mit etwa hundert anderen zu insgesamt 0,3% in großen Sternen durch Fusion der Protonen (p = H+) und Neutronen (n), nachdem die Umwandlung von Protonen in Neutronen und Positronenstrahlung viel Energie freigesetzt hat. Chemische Bindungen entstehen im interstellaren Raum. Sie entsprechen Elektronenpaaren geringfügiger Masse, aber großer elektromagnetischer Energie, die sich als Wellen in begrenzten Räumen („Orbitalen“) zwischen den Atomkernen bewegen. Das häufigste Molekül des Weltalls ist Wasserstoff, H2, danach kommt, mindestens hundertmal seltener, das Wasser. Alles Wasser des Weltraums ist sehr kaltes Eis, das flüssige Wasser der Erde bildet eine Ausnahme. Alles Erdwasser stammt aus dem Weltraum. Seine Gesamtmenge ist seit sechs Milliarden Jahren unverändert. Das Sauerstoffmolekül der Luft stammt aus der Biochemie des Wassers auf der Erde und enthält eine Dreifachbindung und zwei ungepaarte Elektronen („Biradikal“) in antibindenden Orbitalen. 1.2 Das Wassermolekül ist eine Pyramide mit einem Volumen von etwa 0,3 nm3. 18 mL oder 1 mol enthalten 6 ´ 1023 Moleküle mit je zwei negativen Elektronenpaaren und zwei positiven Protonen an den Ecken. Das schwere Sauerstoffatom im Zentrum der Wasserpyramide wirkt kaum nach außen, es fixiert lediglich Elektronen und Protonen, die sich über Wasserstoffbrücken erst zu pentameren, eisartigen, dann zu flüssigen hexameren Clustern verbinden. Diese Cluster bestimmen den sehr hohen Siedepunkt, die sehr geringe Viskosität, die Inkompressibilität, die hohe Dichte und die hohe Dielektrizitätskonstante des flüssigen Wassers.

6

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

1.3 Am Tage verdampft die Sonne das Wasser der Meere und setzt damit das Klima der Erde in Gang. Das Wasser kondensiert zu Tröpfchen (0–2 km Höhe) und Eiskriställchen (2–12 km Höhe), wenn es sich in der Atmosphäre der Kälte des Weltraums nähert. Winde entstehen, an kalten Bergwänden regnen die Wolken ab und das Wasser sammelt sich in Flüssen, Seen und im Boden. Etwa 3% des Wassers werden zu Süßwasser (107 km3). Wasser ist nicht farblos, sondern schwach blau. Stehendes Wasser hat ab etwa 5 m Tiefe eine Temperatur von 4 8C. Abfließendes und wellenbewegtes Wasser wird zur Erzeugung elektrischen Stroms über rotierende Turbinen genutzt. 1.4 Trinkwasser wird über unterirdische Rohrsysteme mit Pumpen zu den Menschen in den Städten gefördert, über Kanalsysteme in Abwasserbecken geleitet, dort gereinigt und wieder in die Flüsse geleitet. Im Menschen fließt das vom Herzen gepumpte Blut vorwiegend in Kapillaren. 1.5 Kochsalz und andere Salze zerfallen im Wasser in elektrisch geladene Teilchen (Ionen), die für Nerven- und Muskelströme in Gehirn und Körper der Tiere verantwortlich sind.

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

Die sieben Atome oder Elemente, aus denen die sieben Moleküle bestehen, wurden von den Alchemisten und Chemikern Schwefel (engl. sulphur), Kohlenstoff (carbon), Wasserstoff (hydrogen), Sauerstoff (oxygen), Phosphor (phosphorus), Eisen (iron) und Stickstoff (nitrogen) getauft und haben als Symbol dazu die weltweit gebräuchlichen Abkürzungen S, C, H, O, P, Fe, N bekommen. Jedes dieser Atome hat einen Atomkern, der aus den Sternen stammt und eine Atomschale, die mit Elektronen aus dem interstellaren Raum gefüllt ist. Masse und Energie des Universums sind in den Sternen konzentriert, der interstellare Weltraum ist eine kalte Leere mit Staub und Strahlung und Planeten wie der Erde. Die Erde hat vor sechs Milliarden Jahren viele Wassermoleküle aus dem Weltall an der Oberfläche gesammelt und etwa zwei Milliarden Jahre später begonnen, im warmen Sonnenschein Bäume, Gehirne und viele andere organisierte Systeme aus Wasser und den sieben Elementen entstehen zu lassen. Wie das geschehen konnte, wird wohl ewig ungeklärt bleiben. Im Laufe der Menschheitsgeschichte jedenfalls ist mit den sieben Molekülen nichts passiert: Es waren von Anfang an dieselben mit immer den gleichen Funktionen. Nie wird man mit letzter Gewissheit erfahren, wie die Evolution vor Milliarden Jahren begann und ablief. In Bezug auf die Entstehung der Elemente aber genügt die Beobachtung der Sterne von heute unter der vernünftigen Annahme, dass dort seit sechs Milliarden Jahren die gleichen Prozesse ablaufen. Ein ähnliches „Prinzip des Aktualismus“ gilt für die Entstehung der Erdkruste und des Erdinneren. Die Gegenwart ist ein Fenster zur Vergangenheit – Erosion, Klima und Vulkanismus, Physik und Chemie der Sterne und des interstellaren Raums

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

sind elementar einfach und werden von immer den gleichen chemischen und physikalischen Gesetzen gesteuert. Gesteinsschichten und Gebirge, die heute langsam wachsen oder verschwinden, haben das schon immer so getan. Die astronomische und geologische Geschichtsschreibung ist deshalb glaubwürdig und nachvollziehbar, wenn man von der unvorstellbaren Umwandlung von Energie zu Protonen in einem einzigen „Urknall“ einmal absieht. Über die Herkunft des Atomkerns des Wasserstoffs, H+, ist nichts weiter zu sagen, als dass er als Proton (p) „schon immer da“ war. In allen Sternen liegt dieser einfachste aller Bausteine der Materie als nackter Atomkern vor, daher auch die Bezeichnung „Proton“ (griech. protyl, „Urstoff“). Aus ihm sind alle anderen Atomkerne durch Fusion in den Sternen entstanden. Heute besteht die Materie des Weltalls zu 92,4 Gewichtsprozent aus Protonen mit einem Durchmesser von etwa einem Femtometer (10–15 m). Das Proton trägt eine positive elektrische Elementarladung und hat die relative Atommasse Eins. Alle anderen Atomarten sind Vielfache der Elementarmasse des Protons. Auch zwei von drei Atomkernen des Wassers, H2O, sind Protonen. Bei Sternentemperaturen von tausenden bis Milliarden Grad und bei der extrem dichten Packung der Protonen in den Sternen werden die Abstoßungskräfte zwischen den positiven Ladungen so groß, dass das Proton zerfällt: Ein positiv geladenes Positron mit viel Energie und kaum Masse wird abgestrahlt, zurück bleibt ein elektroneutrales, stabileres Neutron (n). Positronen sind 2000-mal leichter als Protonen; Positronenstrahlung ist energiereich mit einer Wellenlänge von etwa 10–12 m, 100 000-mal energiereicher als die energiereichste ultraviolette Strahlung der Sonne mit einer Wellenlänge von etwa 10–7 m oder 100 nm (1 nm = 10–9 m). Das Positron existiert auf der Erde nicht, aber man kann es in Cyclotrons künstlich herstellen und benutzen, um die Wanderung des Wassers und der Glucose im Gehirn und im Körper zu verfolgen (Seite 51 f und 102 f). Das Neutron (n) reagiert in den Sternen spontan mit einem zweiten Proton zu einem Deuteron (pn; griech. deutero, „das Zweite“). Die einfachste und häufigste „Fusion“ der Atomkerne in den Sternen ist damit erfolgt. Es folgt eine weitere Fusion zweier Deuteronen zu a-Teilchen (p2n2) oder Heliumkernen He2+. Das ist alles, was die meisten Sterne, zum Beispiel unsere Sonne, können: Sie verschmelzen Wasserstoff- zu Heliumkernen und setzen dabei viel Energie frei. 99,7% der Masse des Weltalls sind damit erfasst: 92,4% sind die „ursprünglichen“ Wasserstoffkerne, 7,3% sind Heliumkerne aus dieser einen Fusion. Dabei gilt immer, dass man Reaktionen im Universum nie in der Vergangenheitsform schildern sollte, denn sie laufen – wie schon gesagt – heute genauso ab wie vor Milliarden Jahren (Abb. 1.1). Die nächsten Elemente des Alls stammen aus dem CNO-Fusionszyklus in den großen Sternen. Kohlenstoff (6C), Stickstoff (7N) und Sauerstoff (8O) stammen aus der Fusion von zwei 4He-Kernen zum kurzlebigen Berylliumkern 8Be, der zunächst ein weiteres a-Teilchen (p2n2) aufnimmt und Kohlenstoff 12C bildet. Aus 12C und pn wird dann Stickstoff 14N, aus 12C und Deuterium p2n2 wird Sauerstoff, 16O. Die links tief gestellte Zahl gibt hier die Zahl der Protonen im Kern oder, deutscher, die „Ordnungszahl“ der Elemente an, die links hoch-

7

8

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Abb. 1.1 Im Kern der Sonne und anderer Sterne kollidieren zwei Protonen H+ und erzeugen ein Deuteron, in dem ein Proton und ein Neutron dicht nebeneinander liegen. Die andere positive Ladung wird in Form eines Positrons e+ abgestrahlt. (Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons.)

gestellte Zahl die Masse des Kerns, also die Summe aus Protonen und Neutronen. Die tief gestellten Zahlen sind identisch mit der Reihenfolge im Periodensystem, das wir hier nicht besprechen, weil wir es nicht brauchen. Die vier Elemente H, C, N und O genügen bereits, um die Wände der biologischen Wasserrohre, die Zellmembranen und Proteine der Bäume und Menschen, zu formen; zum Aufbau der Pflanzen fehlt eigentlich nur noch Magnesium, 12Mg, das häufigste Metall im Weltall. Für die Nerven- und Muskelströme brauchen wir außerdem 15Phosphor, 11Natrium, 19Kalium und 20Calcium, wobei sich Calciumphosphat für Knochen und Zähne als unübertrefflich erwies. Nach der Bildung der a-Teilchen (Heliumkerne) und der Atomkerne von C, N, O kollabieren die großen Sterne und erhitzen sich weiter. Neue Zyklen beginnen, denen jetzt Kohlenstoff-, Neon-, Sauerstoff- und Silicium-Kerne als Ausgangsstoffe dienen, wobei die letzen drei der sieben Elemente, nämlich Phosphor (15P), Schwefel (16S), und Eisen (26Fe), ebenso wie Natrium (11Na), Magnesium (12Mg), Kalium (19K), und Calcium (20Ca) gebildet werden. All das läuft träge ab, die Ausbeuten sind miserabel. Die Sterne, auch die schweren und sehr heißen, bleiben überwiegend (99,7%!) bei Protonen und Heliumkernen stehen, ihre Zusammensetzung ähnelt der der Sonne. Nur die Zwischenstufe der Deuteronen, pn = 2H+, ist bei der Kernfusion einigermaßen aktiv und sorgt für schwere Elemente mit gerader Massenzahl. 26Eisen ist das letzte Element, mit dessen Bildung die Sterne noch Energie gewinnen, das also „freiwillig“ hergestellt wird. Danach kommen Cobalt (27Co) und Nickel (28Ni), für deren Bildung schon ein wenig Energie zugeschossen werden muss. Die schweren Elemente wie Platin, Gold, Quecksilber und Blei kosten die Sterne sehr viel Ener-

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

gie, werden in Fusionen nur selten erreicht und zerplatzen außerdem in heißen Sternen leicht wieder. Wasserstoff- und Heliumkerne dominieren deshalb die Weltallmaterie; die leichten Elemente bis zum Eisen sind tausend- (CNOSFe) bis millionenfach (P) seltener und die schweren Elemente jenseits vom Eisen gar milliardenfach weniger vorhanden als Protonen. Das häufigste Metall ist merkwürdigerweise nicht das erste Metall mit einer geraden Ordnungszahl (Beryllium, 4Be, das aus reaktionsfreudigen Deuteronen direkt zugänglich ist, aber in großer Hitze leicht zerfällt) sondern gleichauf das zweite und dritte, Magnesium und Eisen, 12Mg und 26Fe. Magnesium wurde in der Evolution zum Metall des Chlorophylls, das in Photosynthese Sauerstoffmoleküle, O2, produziert, Eisen lagerte sich in den Blutfarbstoff Häm ein, der das gleiche Sauerstoffmolekül zur Verbrennung der Nahrungsstoffe in Mensch und Tier nutzt (Abb. 1.2). Die Atomkerne SCHOPFeN sind damit im Weltall vorhanden. Die Sterne haben materiell beigesteuert, was sie konnten, um Voraussetzungen für die biologische Evolution auf der Erde zu schaffen. Nun dampfen die Atomkerne ins kalte Universum ab, treffen auf „Weltraumstrahlung“ mit einem hohen Anteil negativ geladener Elektronen und fangen diese, weit entfernt von den heißen Sternen, in einer „Schale“ um den Kern herum ein. Atomkerne werden so zu Atomen, dann zu Molekülen. Das Eintreten der Elektronenpaare in die Atomschale symbolisieren wir in diesem Buch durch einen Doppelpunkt im Zentrum von SCHOPFeN und erhalten so das in der deutschen Sprache bildhaftsuggestive Wort „SCHÖPFeN“ für die sieben Atombausteine des Lebens. Das I-Ging-Schöpfungsspiel der Chinesen mit Yin und Yang hat damit begonnen, wobei Yin der primären Kraft der Ausdehnung des Universums entspricht, Yang der des Zusammenziehens. Die schweren, massehaltigen Atomkerne (Yang) haben einen zusammenziehenden (zentripetalen) Effekt und ziehen die leichten Elektronen (Yin) an. Die Wellenstrahlung der Elektronen wirkt zentrifugal, strebt Raumausfüllung an (Yin). Kerne liegen innen (Yang), die Elektronen außen (Yin), Kerne sind harte (Yang) Materie, Elektronen haben einen weichen (Yin), diffusen Wellencharakter, Elektronen sind negativ (Yin) geladen und tendieren zu chemischen Bindungen, zu „sozialem“ (Yin) Kontakt mit Nachbarn. Kernen ist die Chemie fremd, sie führen ein abgeschirmtes Eigenleben (Yang) (Abb. 1.3). Wir kommen zur Chemie, zum Spiel der Elektronen miteinander, das Atome aneinander bindet, sie zu Molekülen zusammenfügt. Elektronen haben den gleichen Doppelcharakter wie die Positronen: sie sind einerseits leichte Teilchen mit einer Ladung und einer unbegrenzten Lebensdauer, die sich mit Magnetfeldern beschleunigen und mit Wasser hydratisieren lassen. Andererseits sind Elektronen eine energiereiche Wellenstrahlung mit einer Wellenlänge von 10–12 m oder 1 pm (1 pm = 10–12 m). Im Atom wiegen die Elektronen fast nichts und bewegen sich mit Geschwindigkeiten von 3000 km/s. Nahe an den Atomkerne schwirren sie als „Elektronenwolken“ und bilden chemische Bindungen zwischen den Atomkernen aus. Aus zwei Wasserstoffatomen wird so zum Beispiel ein Wasserstoffmolekül, H2. Die Elektronen lokalisieren sich dabei entwe-

9

10

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Abb. 1.2 Relative Häufigkeit der Elemente der Sonne bis zum Zink. Sie wurde aus dem Emissionsspektrum dieses Sterns abgeleitet. Wasserstoff ist zehnmal häufiger als Helium und 1010-mal häufiger als Beryllium (Be). Fünf Elemente unserer sieben Moleküle sind

etwa 103- bis 104-mal seltener als H, P ist 106-mal seltener. Die sieben Elemente der sieben Moleküle haben die Ordnungszahlen 1 (H), 6 (C), 7 (N), 8 (O), 15 (P), 16 (S) und 26 (Fe).

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

Abb. 1.3 Das Yin-Yang-Modell. Yin ist schwarz und unten, Yang ist weiß und oben. Die Grenze zwischen beiden hat den Charakter einer Welle. Das Weiße hat ein schwarzes Zentrum, das Schwarze ein weißes Zentrum. Alle Dinge sind durch Naturkräfte miteinander verwoben, alle Dinge wandeln sich.

der als einzelne Elektronen oder als ein Elektronenpaar in definierten Raumsegmenten („Orbitalen“), die etwa 2000-mal größer sind als der Atomkern. Zu den Elektronenpaaren in einem einzigen Orbital kommt es trotz der elektrostatischen Abstoßung gleicher Ladungen. Diese „Elektronenkorrelation“ wird in den Modellen der Quantenmechanik in erster Näherung gegenüber der Wechselwirkung der Elektronen mit dem unbeweglichen Kern einfach vernachlässigt oder nur in Form einer geringfügigen „Abschirmung“ der Kernladung durch benachbarte Elektronen berücksichtigt. Wenn der abstoßende Effekt zwischen den Elektronen so gering ist, würde man natürlich nicht nur zwei, sondern mehrere Elektronen in kernnahen Orbitalen erwarten. Das wiederum ist deshalb nicht der Fall, weil die Elektronen in einem Orbital alle gleiche Energie haben, sich aber durch wenigstens eine Quantenzahl unterscheiden müssen – sonst wären sie identisch. Diese Quantenzahl heißt „Spinquantenzahl“ und ihr Betrag ist bei Elektronen entweder +1/2 oder –1/2. (Modell: Das Elektron rotiert um eine gedachte Achse links oder rechts herum.) Da nur diese beiden Werte möglich sind, können sich immer nur zwei Elektronen in einem Energieraum aufhalten. Akzeptiert man diese Modellvorstellung, kann man sich anschaulich vorstellen, dass die Elektronen auf Grund ihrer schnellen Bewegung um den Kern und einer Rotation um die eigene Achse ein magnetisches Moment komplizierter Struktur erzeugen, das ein positives oder negatives Vorzeichen haben kann. Die geringe Abstoßung zwischen den beweglichen Ladungen könnte dann durch

Abb. 1.4 Das Wasserstoffatom H und das Wasserstoffmolekül mit zwei Protonen (+) und Räumen (Orbitalen), die mit Elektronen (–) besetzt sind. Bei der Bildung der Bindung wird Energie frei (?), bei Zufuhr hoher Energie (Temperaturen über etwa 1000 8C) zerfällt das Molekül in Atome (/).

11

12

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

magnetische Anziehung aufgehoben werden. Der langen Rede kurzer Sinn: Chemische Bindungen bestehen aus Elektronenpaaren zwischen Atomkernen. Es gibt sie nur im interstellaren Raum, nicht in den Sternen (Abb. 1.4). Die Physik des Wasserstoffs wird dadurch kompliziert, dass in den Sternen zwei stabile Arten von Wasserstoffkernen („Isotope“) gebildet und in den interstellaren Raum entlassen werden: Protonen p = H+ mit der relativen Atommasse 1 und Deuteronen, pn = D+, mit der relativen Atommasse 2. Beide finden sich im Wasser des Weltraums wieder. „Normales“ Wasser hat zwei Protonen, H2O, und eine relative Molekülmasse von 18, „schweres“ Wasser HDO, in dem ein Proton durch ein Deuteron ersetzt ist, hat eine relative Molekülmasse von 19 und findet sich im Promillebereich überall. D2O mit der relativen Molekülmasse 20 gibt es im Weltraum nicht in messbarer Menge. D2O lässt sich auf der Erde durch einfache, langsame Elektrolyse (Seite 54) von Leitungswasser anreichern. 20 L Wasser geben dann 12 mL 99,9%iges D2O, das in hoher Konzentration (> 50%) stark wachstumshemmend wirkt, weil alle Gleichgewichte, an deren Einstellung Wasser beteiligt ist, langsamer werden. Ein Gramm reines D2O kostete im Jahr 2006 etwa 10 1. In der Hauptmasse des Wassers, den Eiswolken im Weltraum, finden sich 0,2% HDO, in den Protonen der Sterne hundertmal weniger (0,002%). Das Erdwasser liegt mit 0,02% HDO dazwischen – das ist zehnmal mehr als in den Sternen, wo das Deuteron geboren und in a-Teilchen umgewandelt wird, und zehnmal weniger als in den gigantischen Wolken aus Eis, wo sich das schwere Wasser sammelt, weil H2O leichter abdampft als HDO. Der Mittelwert von 0,02% HDO ist in der Geschichte der Wasserwanderung begründet. Das Weltraumwasser wurde auf Meteoren als Eis mit 0,2% HDO gesammelt und dann an Ton und Eisenoxide chemisch gebunden, wobei das leichte Wasser H2O schneller reagierte und sich anreicherte. Diese chemische Bindung des Wassers war die erste Erdreaktion. Nicht gebundenes Wasser mit relativ viel HDO verdampfte hingegen zurück in den Weltraum. Als sich die Erde wegen der großen Gravitationskraft innerhalb des wachsenden Planeten zusammenballte und erhitzte, schmolz sie zu einer glühenden Kugel, die Wasserwolken ausstieß. Diese Wolken aber konnten die Erde nicht mehr verlassen, weil deren Gravitationskraft bereits zu groß geworden war, um Wassertropfen oder Eiskriställchen in den Weltraum zu entlassen (Abb. 1.5). D2 lässt sich von HD und H2 mit einem Massenspektrometer unterscheiden. Ein Massenspektrometer ist eine Vakuumkammer, in die die zu untersuchende Probe gesprüht und dort mit einem energiereichen Elektronenstrahl aus einer Kathodenröhre bestrahlt wird. Dieser Strahl schießt ein Elektron aus den verdampften Molekülen heraus und erzeugt einfach positiv geladene Moleküle, so genannte Kationen, im vorliegenden Fall H+2 , HD+ und D+2 . Das kationische Gas wird von einer negativ aufgeladenen Metallplatte am Ausgang der Kammer angezogen, durch einen Schlitz gebündelt und als schmaler Molekülstrahl in ein gebogenes Rohr geleitet, das in einem starken Magnetfeld liegt. Dieses Magnetfeld lenkt schwere („träge“) Kationen weniger ab als leichte. Am Ende des Rohrs steht eine Fotoplatte (heute ein Computerchip), welche die nach ihrer

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

Abb. 1.5 Das Wasser der Erde enthält wie das Wasser in Meteoriten 0,02% Deuterium D. Das Wasser in unserer Sonne ist zehnmal ärmer, das der Eisnebel im Weltraum zehnmal reicher an Deuterium. Erdwasser ist Meteoritenwasser – das ist ein wichtiger Hinweis auf die Entstehungsgeschichte unseres Planeten.

Masse geordneten Molekülstrahlen registriert und mit einem dem Gasstrom zugegebenen Standard vergleicht. Die relativen Massen und die relative Zahl der Teilchen in den voneinander getrennten Gasströmen können so direkt abgelesen werden. Relative Molekülmassen bis etwa 5000 werden unter Anwendung messtechnischer Tricks direkt vermessen (Abb. 1.6). Zurück zur Fusion der Protonen zu schweren Atomkernen. Wasser enthält neben H auch Sauerstoffatome mit acht Protonen und acht Neutronen im Atomkern. Diese Fusion von acht Deuteronen schaffen über verschiedene Zwischenstu-

Abb. 1.6 Massenspektrum eines Gemischs aus H+2 , HD+ und H+. Die Ionen sind durch Fragmentierung einer Probe beim Beschuss mit energiereichen Elektronen entstanden.

13

14

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

fen große und sehr heiße Sterne im CNO-Zyklus. Die acht Elektronen, die die Protonen neutralisieren, kommen aus der Weltraumstrahlung. Zwei davon sind auf einem inneren, kugelförmigen Orbital lokalisiert, das dem des Wasserstoffs (Seite 11) gleicht, die sechs „Außenelektronen“ des Sauerstoffatoms aber verteilen sich auf vier Orbitale in Tetraeder-Anordnung um den Atomkern herum. Die Tetraederwolke mit dem Sauerstoffkern im Zentrum sorgt für einen optimal weiten Abstand der einander abstoßenden negativen Ladungen der einzelnen Elektronen und der Paare, die sich in jedem Orbital aufhalten. Zwei der Orbitale sind mit je einem Elektronenpaar voll besetzt und haben kein Magnetfeld. In den beiden anderen Orbitalen wartet je ein magnetisches Elektron auf ein weiteres Elektron, das die „bindenden“ Orbitale auffüllt und das Magnetfeld aufhebt. Ein Sauerstoffatom kann nun entweder mit seinesgleichen ein Sauerstoffmolekül, O2, bilden oder mit anderen Atomen reagieren. Im Weltall herrscht ein Überangebot von Wasserstoff; bei Temperaturen über –70 8C gibt es dort deshalb keinen elementaren Sauerstoff, sondern ausschließlich Wasser. Zwei Wasserstoffatome lagern dazu ihre Elektronen in die beiden halb leeren Orbitale des Sauerstoffatoms ein und verkleinern den Tetraederwinkel von 1098 auf 1058, weil die abstoßende Wirkung der Elektronen zwischen den Protonen kleiner ist als die zwischen zwei ungebundenen Elektronenpaaren (Abb. 1.7).

Abb. 1.7 Oben: Das Sauerstoffatom mit sechs Außenelektronen. Nur zwei Orbitale sind halbbesetzt und können Elektronen von anderen Atomen, zum Beispiel von zwei Wasserstoffatomen, aufnehmen. Unten: Die tetraedrische Struktur des Wassers mit dem Sauerstoffatom, O, im Zentrum, den großen „Wasserstoffflügeln“ H+ vorne und den etwas weniger voluminösen Elektronenpaaren hinten (Modell von Elektronenpaaren in lokalisierten Orbitalen). Alle Orbitale des Sauerstoffs und des Wasserstoffs sind mit Elek-

tronenpaaren besetzt: zwei Paare binden die Wasserstoffatome an den Sauerstoff, zwei weitere Paare sind nur mit dem Sauerstoffatom verbundene „einsame“ oder „nichtbindende“ Elektronenpaare. Der Bindungswinkel ist 1058, also kleiner als der Tetraederwinkel von 1098. Das zeigt, dass ein Teil der Elektronen sich in einem kugelförmigen Orbital befindet, was die Abstoßung der Elektronenpaare und damit den Spreizwinkel des Tetraeders vermindert.

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

Die Namen „Sauerstoff“ und „oxygen“ (O, griech. oxygen, „Säure-Bildner“) beruhen auf einem Irrtum der ersten Chemiker, die Ende des 18. Jahrhunderts darum kämpften, Mystik und Scharlatanerie der Alchimisten (Goldmachen, Stein der Weisen, künstlicher Mensch Homunculus) mithilfe von Waage, Elementaranalyse und Synthese hinter sich zu lassen. Man hatte noch wenig vermessen und glaubte, dass alles, was sauer schmeckt und Eisenpulver auflöst, Sauerstoff enthält. Das stimmt auch für alle biologischen Säuren außer Salzsäure, HCl. Tatsächlich aber sind es die Protonen, die sauer schmecken und biologische Zellen töten. Das Sauerstoffmolekül, O2, tritt, soweit das Weltall vermessen wurde, in größerer Menge nur auf der Erde auf, wo Pflanzen es in der Photosynthese aus dem Wasser mithilfe von Sonnenlicht freisetzen (Seite 274 ff). Die Sonne wandelt hier das Sauerstoffatom des Wassers (elektronenreich; Yin) in das Sauerstoffatom des Sauerstoffmoleküls (elektronenarm; Yang) um. Wasser wurde damit erst auf der Erde zur Wandlungsphase eins, zum Lebensspender. Sauerstoffatome aus der Photosynthese haben vier innere Elektronen, die nicht nach außen wirken, und vier Einzelelektronen in vier halbbesetzten Außenorbitalen. Wenn sich zwei Sauerstoffatome verbinden, läge die Bildung einer Doppelbindung aus zwei Elektronenpaaren nahe. Dann blieben insgesamt vier nichtbindende Elektronenpaare übrig. Die Sauerstoffatome aber wählen eine andere, energieärmere Variante: Sie bilden eine Dreifachbindung aus, indem zusätzlich zu der Doppelbindung eine dritte Bindung aus „halbierten“ Elektronenpaaren der Sauerstoffatome erzeugt wird. Dabei bleibt jeweils ein einzelnes Elektron pro Atom übrig. Es entsteht ein Biradikal NON2, ein Molekül mit zwei ungepaarten Elektronen. Diese Elektronen befinden sich in einem energiereichen Molekülorbital, das „antibindend“ wirkt. Der Energiegewinn aus der Bildung der Dreifachbindung wird dadurch zum großen Teil aufgehoben, aber eben nicht völlig. Die O–O-Bindungslänge entspricht der einer Doppelbindung und Luftsauerstoff liegt vollkommen in dieser Biradikal-Form vor. Ungepaarte Elektronen machen das Molekül magnetisch. Dieser „para“magnetische Grundzustand verbietet es dem Sauerstoff, direkt mit diamagnetischen (nicht magnetischen, keine ungepaarten Elektronen besitzenden) organischen Molekülen zu reagieren. Sauerstoff ist zwar ein starkes Oxidationsmittel (Yang) und biologische Zellen sind starke Reduktionsmittel (Yin), trotzdem sind die reduzierenden Wälder und Felder in der Luft stabil, trotzdem können Tiere die Luft einatmen, ohne dabei Schaden zu nehmen. Das ist ausschließlich im paramagnetischen Grundzustand des Sauerstoffs begründet. Chlorgas hat etwa das gleiche Oxidationspotenzial von etwa 1,3 Volt wie Sauerstoff, ist aber diamagnetisch. Eingeatmet zerstört Chlor die menschliche Lunge in wenigen Minuten. Paramagnetischer Sauerstoff ist schwach blau, was sich besonders in der Flüssigkeit zeigt (Siedepunkt: –170 8C). Das Sauerstoffmolekül absorbiert rotes Licht und wird dabei in einen angeregten Zustand überführt, der keine Dreifach-, sondern die oben vorausgesagte Doppelbindung enthält. Dieser diamagnetische Sauerstoff ist ein viel aggressiveres Oxidationsmittel als das Biradikal. Das Sauerstoffmolekül ist das einzige natürliche Oxidationsmittel auf der Erd-

15

16

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

oberfläche, und es wirkt wegen seines Biradikalcharakters sehr langsam. Der Paramagnetismus des Sauerstoffmoleküls ist jedenfalls eine unbedingte Voraussetzung für das Überleben der Pflanzen und Tiere in einer oxidierenden Atmosphäre (Abb. 1.8).

Abb. 1.8 Die beiden Formen des SauerstoffMoleküls. Links: Der energiearme, magnetische, biradikalische Zustand des Luftsauerstoffs mit sechs bindenden und vier nichtbindenden Elektronen. Damit hat jedes Sauerstoffatom acht Elektronen in seinen vier energiearmen Orbitalen (siehe Abb. 1.19). Die beiden übrig bleibenden Einzelelektro-

nen finden dort keinen Platz mehr und werden in energiereicheren, antibindenden Orbitalen untergebracht. Rechts: Der angeregte, nicht magnetische Zustand mit vier bindenden (Doppelbindung) und acht nicht bindenden Elektronen. Er entsteht in geringer Ausbeute bei der Einstrahlung von sichtbarem Licht auf den biradikalischen Sauerstoff.

Im Weltall werden Sauerstoffmoleküle kaum beobachtet. Sie reagieren oberhalb von –70 8C spontan mit dem allgegenwärtigen Wasserstoff zu Wasser. Das Wasserstoffmolekül H2 ist das einfachste aller chemisch wirksamen Reduktionsmittel, seine reduzierende Kraft gleicht der von biologischen Organismen. Das elektrochemische Potenzial des Paars H2/2H+ liegt bei null Volt, das der Körperflüssigkeiten des Menschen auch. Das Sauerstoffmolekül ist das einzige Oxidationsmittel des Universums und der Erde. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren zu Wasser, wenn sie sich unter geeigneten Bedingungen begegnen. Für das Sonnenlicht, das die Erde erreicht, ist Wasser der wichtigste Absorber. Etwa 70% der atmosphärischen Absorption beruht auf Wasser. In der Nacht kühlt sich deshalb die nicht bestrahlte Erdhälfte nur langsam ab. Unser Gewächshaus funktioniert deshalb auch bei zeitweiliger Dunkelheit. Die Wasserbildung im Weltraum lässt sich wegen der Wassermassen in der Atmosphäre nicht direkt beobachten und messen. Satellitengebundene InfrarotSpektrometer (ISO) aber machen das möglich. Besonders intensive Banden der H2O- und HDO-Absorptionsbanden finden sich bei Frequenzen von 1595 und 3756 Schwingungen pro Zentimeter (cm–1) bzw. 1403 und 3707 cm–1. Zeitabhängige und quantitative Daten vom relativ nahen Orionnebel belegen, dass dort täglich Wolken aus Eiskristallen neu entstehen, deren Masse 1011 km3 flüssigen Wassers entspricht. Das ist 60-mal mehr Wasser als auf der Erde seit sechs Milliarden Jahren festgehalten wird. Alles Wasser der Erde wird also heute jeden Tag 60-mal in einem einzigen Weltraumnebel geschaffen!

1.1 SCHÖPFeN: Protonen, Wasserstoff, Sauerstoff und Elektronen

Das Wasser der Erde, ihr leichtestes Molekül, stammt als einziges der sieben nicht aus der biologischen Evolution auf der erkalteten, doch von der Sonne beschienenen Erdoberfläche, sondern war von vorneherein ein integraler Bestandteil des Chemielabors Erde. Dort wurde es vor sechs Milliarden Jahren in die Silicat-, Eisen- und Nickeloxidgitter des Weltraumstaubs eingebaut, aus dem sich der Planet Erde bildete (vorwiegend war das wohl Tonerde), oder es bildete Eismäntel auf den Meteoren. „Ton“ ist ein Wort germanischen Ursprungs und bedeutet „dicht“. Eine Tonne trockenen Tons sammelt 150 kg Wasser in den Zwischenräumen der Silicatschichten und gibt es unter Hitze- und Druckeinwirkung wieder ab (Abb. 1.9).

Abb. 1.9 Meteoriten enthalten oft viel Kohlenstoff und Wasser in Form von Graphit bzw. Eiskristallen. Diese Rohstoffe wurden auf der Erde zur Ausgangsbasis der biologischen Evolution; die anorganischen Oxide dominieren die irdische Geologie.

Vor knapp fünf Milliarden Jahren schmolz der Planet Erde dann unter dem Druck der in ihm wirkenden Gravitationskräfte zu einer glühenden Kugel aus viel Eisen- und Nickeloxid (Seite 266) im Kern und Aluminiumsilicaten in der Schale zusammen. Das Wasser wurde entweder chemisch an die Oxide der Erde gebunden oder in Wolken aus Wassertropfen und Eiskristallen gespeichert, die infolge der Schwerkraft der Erde nicht im Weltall „verschwanden“. Das „heute“ entstehende Orionwasser ist „frisches Wasser“ im Vergleich zum Erdwasser: Die Wasser erzeugenden Orionnebel sind nur wenige Lichtjahre von uns entfernt, die Eisnebel sind bestenfalls ein paar Millionen Jahre alt und wachsen noch heute. „Alles fließt“ in der Erdgeschichte – dank Wasser.

17

18

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Es ist vor allem das Wasser, das Erdklima, biologische Evolution und Menschheitsgeschichte zueinander geführt hat. Die biologische Evolution der anderen sechs Moleküle konnte vor drei bis vier Milliarden Jahren beginnen, als die Erdoberfläche genügend abgekühlt war, um flüssiges Wasser aufnehmen zu können.

1.2 Cluster

Wir kommen zum Molekülbegriff, zum Einzelteilchen des Wassers, H2O. „Molecula“ ist der letzte lateinische Diminutiv von Masse. Für die alten Römer war das eine verniedlichende Form, „klein“ im Sinne von „äußerst unwichtig“. Chemiker sehen das seit 200 Jahren anders: Das Wort Moooleeeküüül beherrscht ihr Denken und ihr Berufsleben, es bedeutet für sie etwa: „Zur Sache, Schätzchen!“ oder „Na, Kleines, wir werden das Ding schon schaukeln.“ Jedes Problem, das auf die Dimension der Moleküle reduziert werden kann, ist für den Chemiker anschaulich und lösbar: Er isoliert und reinigt chemische Verbindungen, die aus einer einzigen Molekülsorte bestehen, erarbeitet eine individuelle Strukturformel für das Molekül, was einer absolut genauen, unumstößlichen Vermessung seiner Architektur entspricht, und charakterisiert seine Eigenschaften. Danach wandelt er es in beliebig viele Abkömmlinge („Derivate“) um und verkauft die Nützlichsten als Arzneimittel, Farben, Waschmittel, Parfums, Werkstoffe oder was immer gerade gebraucht wird. Reinigen und Verkaufen – alles kein Problem, solange sich der Chemiker dabei auf eine Molekülsorte zur Zeit beschränken darf. Dann nimmt er sich das nächste und das nächste Molekül vor und wählt wiederum die Nützlichsten für immer neue Zwecke aus. Heute kennt man zwischen 107 und 108 verschiedene Moleküle, genau weiß das niemand. Es ist gut, um die unsichtbare Kleinheit und gigantische Zahl der Moleküle zu wissen, was allerdings nicht bedeuten kann, dass man sie sich „vorstellen“ kann. Zahl und Kleinheit sind jenseits der menschlichen Erfahrung. 99 von 100 Molekülen des Menschen sind Wassermoleküle. Wie kommt man darauf? Bei einem Gewicht von z. B. 75 kg enthält ein Mensch etwa 50 kg Wasser, was sich aus einer einfachen Bilanz der Volumen des Bluts, des Zellwassers und des Zwischenzell- (interstitiellen) Wassers sowie aus der Analyse der Zusammensetzung von Muskeln und Nerven ergibt. Die restlichen 25 kg, das heißt etwa 35 Gewichtsprozent, sind die Proteine der Muskeln, die Lipide der Nerven, Zellmembranen und Fettgewebe sowie das Calciumphosphat der Knochen. Die durchschnittliche relative Masse der leichtesten dieser Komponenten (Fette, Calciumphosphat) bezogen auf das Wasserstoffatom liegt bei 350, das der Proteine über 1000, das des Wassers bei 18. So kann man grob ansetzen, dass alle anderen Moleküle unseres Körpers im Durchschnitt wenigstens 30-mal schwerer als ein Wassermolekül sind. 1/30 von 35% ist etwa ein Gewichtsprozent. Wenn wir unsere Moleküle zählen, ist nur ein Molekül von hundert etwas anderes als Wasser.

1.2 Cluster

Jedes Mol einer Molekülsorte umfasst 6 ´ 1023 einzelne Moleküle. 1 mol Wasser, das sind 18 g oder 18 mL, enthält also 6 ´ 1023 identische Moleküle H2O. 50 kg oder 50 L Wasser sind dann 6 ´ 1023 ´ 55,5 ´ 50 = 1,6 ´ 1027 Moleküle Wasser (der Faktor 55 kommt durch die Umrechnung von 18 mL für ein Mol auf 1000 ml für Mol pro Liter zustande). Die Gesamtzahl aller anderen Moleküle eines durchschnittlich schweren Mannes liegt dann etwa bei 1 ´ 1026 bis 2 ´ 1026 Molekülen. Die Zahl der Wassermoleküle in einem erwachsenen Menschen lag zu allen Zeiten in der Größenordnung von 1027; das durchschnittliche Körpergewicht schwankte immer nur zwischen (ungefähr) 40 und 120 kg. Ein Fettwanst mit 1028 Wassermolekülen (600 kg) wurde bisher ebenso wenig beobachtet wie ein Klapperdürrer mit nur 1026 Molekülen (6 kg). Die Anzahl der Wassermoleküle ist also bei allen Menschen ziemlich gleich, und zwar ungefähr 1,6 ´ 1027; einen qualitativen Unterschied („bessere“ oder „schlechtere“ Wassermoleküle) gibt es schon gar nicht. Für die anderen sechs Moleküle, die in diesem Buch beschrieben werden, gilt das genauso. Lecithin und ATP von Cleopatra, Einstein oder Dschingis Khan unterscheiden sich nicht im Geringsten von Ihrem, freundlicher Leser. Leicht zu analysierende, aber unendlich schwer zu deutende Unterschiede gibt es lediglich zwischen den Anordnungen der Untereinheiten der DNS (Vererbung und Evolution) und, vor allem, zwischen den mehr oder weniger originellen Wasserwegen, die die Synapsen der Nerven des Gehirns (Lernen und Schöpfen) mit den Muskeln (Bewegung und Leben) verbinden. Beginnen wir also unser Studium der molekularen Welt mit der Zahl der Wassermoleküle in jedem von uns. Was bedeutet 1027? Zunächst ist das nichts weiter als eine Eins mit 27 Nullen dahinter. Die große Zahl lässt sich nicht fühlen. Das Hirn allein kann damit spielen. Ein erster Versuch der Veranschaulichung mit der kapitalistischen Methode des Geldzählens scheitert kläglich. Gäbe es 1027 Cent auf der Welt und würde man sie auf die maximal 100 Milliarden (1011) Menschen aller Zeiten gleichmäßig verteilen, so hätte jeder Mensch ein Vermögen von 1016 Cent oder 1014 Euro zur Verfügung. Das sind hunderttausend Milliarden Euro. So viel Geld (pro Mensch) ergibt keinen Sinn. Der Cent ist offensichtlich ein zu großes Modell für ein Molekül. Nehmen wir stattdessen das gedruckte chinesische Symbol für das Wasser, das Zeichen („schui“) und versuchen, dieses Symbol 1027-mal aufzuschreiben. Der erste Übergang von 100 = 1 zu 101 = 10 Molekülen bedeutet die Addition von 9 Molekülen. Der nächste „Sprung“ von 101 auf 102 = 100 Moleküle bedeutet schon 90 , der Sprung von 102 auf 103 braucht 900 , zu 104 gelangt man nur mit 9000 zusätzlichen . Zehntausend oder 104 ist bereits der letzte Schritt des I-ming-Systems der Chinesen. Sie lehnten es ab, weiter zu zählen, es dauerte zu lange bis hunderttausend zu zählen, es machte keinen Sinn. Für den wissenden Chinesen begann jenseits von Zehntausend das Unendliche. Wir sind aber noch unendlich weit entfernt von 1027. 104 ist nichts dagegen. Die Anzahl der Moleküle in einer geringen Masse ist so groß, dass sie in Exponenzialzahlen aufgeschrieben werden muss und unvorstellbar bleibt. Man

19

20

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Abb. 1.10 Im Bild ist die Zahl 10 000 veranschaulicht – für die Philosophen Chinas der Sprung ins Unendliche. Bis 10 000 konnte man unter normalen Lebensumständen noch zählen, bis 100 000 nicht mehr, das dauerte auch für das gelassene Gemüt zu lange.

muss hier verinnerlichen, dass jeder letzte Sprung um eine einzige Zahl im Exponenten, also zum Beispiel von 1022 auf 1023 Moleküle, zehnmal mehr Moleküle bedeutet. Der letzte Sprung bringt immer die entscheidenden 90%. Der letzte Sprung von 1026 auf 1027 Moleküle entspricht schließlich 900 000 000 000 000 000 000 000 000 schui-Zeichen . Dafür bräuchte man ein Buch, dessen Papieroberfläche 60 Millionen Erdoberflächen entspräche und das größer und schwerer wäre als die Erde selbst (Abb. 1.10). Auch das kleine schui-Zeichen für Wasser ist also viel zu groß, um die Zahl 1027 auf Erden zu veranschaulichen. 18 mL Wasser aber, die gerade so viele Moleküle enthalten, kann sich jeder problemlos vorstellen. Ebenso wie die große Zahl der Moleküle sind deren winzige Maße leicht zu berechnen, aber nicht zu begreifen. Ein Mol Wasser füllt einen Raum von

1.2 Cluster

18 cm3, ein Molekül hat also ein Volumen von 18 ´ 10–6 m3/6 ´ 1023 oder 0,03 ´ 10–27 m3 oder 0,03 nm3. 33 Moleküle Wasser passen in einen Kubiknanometer. Ein Kubiknanometer verhält sich zur Größe eines normalen Spielwürfels wie dessen Volumen zu dem eines Würfels von 1000 km Kantenlänge. Das ist ein sehr großer Würfel, wenn man sich daran erinnert, dass der Mount Everest nur knapp 10 km hoch ist. Die Anzahl der Moleküle mit gleichen Eigenschaften in unserem Körper ist sehr hoch. Selbst das Millionstel Milligramm eines Steroidhormons im Blut bedeutet immer noch etwa 1013 Moleküle. Der bio-logische Nutzen dieser hohen Zahlen liegt auf der Hand: Wenn eines der Hormonmoleküle kaputt geht oder sein Ziel verfehlt, an sinnlosen Proteinen andockt (Seite 154 ff), so macht das nichts aus, weil Milliarden und Milliarden anderer Moleküle den gewünschten („nützlichen“) Effekt durchsetzen werden. Das System wird erst versagen, der Organismus erst sterben, wenn entweder die Produktion wichtiger Moleküle völlig aufhört oder ihr Transport nicht mehr funktioniert; das einzelne Molekül aber wird im Strom des Lebens problemlos durch Seinesgleichen ersetzt. Jedes einzelne Molekül kann an der richtigen Stelle eine Kaskade von Millionen Reaktionen auslösen. Die Summenformel des Wassers, H2O, ist wie die ganze Chemie nicht älter als die Zauberflöte Mozarts. Man ermittelte sie durch elektrochemische Spaltung (Elektrolyse) des flüssigen Wassers in die Gase Wasserstoff und Sauerstoff: Zuerst legte man ein negatives Potenzial an und reduzierte bei –0,5 V die Protonen H+ zu Wasserstoffmolekülen (4H+ ? 2H2), dann oxidierte man bei +1,5 V die übrig bleibenden OH–-Anionen zu Sauerstoff (4OH– ? O2 + 2H2O) und achtete darauf, dass bei der Oxidation an der Anode und der Reduktion an der Kathode die gleiche Menge Strom (Ampère pro Sekunde) geflossen war. Dann entstanden an der Kathode zwei Volumen Wasserstoff, an der Anode wurde ein Volumen Sauerstoff gebildet. Das Schema dazu ist auf Seite 54 abgebildet. Das

Abb. 1.11 Die Ermittlung der Summenformel eines Moleküls am Beispiel des Wassers: Zwei Liter Wasserstoffgas H2 plus ein Liter Sauerstoffgas O2 ergibt zwei Liter Wassergas H2O. Wägt man die Gase ab, so findet man, dass sich immer acht Gramm Sauerstoff (= ein halbes Molatom) mit einem

Gramm (= 1 Molatom) Wasserstoff zu 9 Gramm Wasser verbinden. Anfang des 19. Jahrhunderts nahm man deshalb für Wasser die Summenformel OH an, das Atomgewicht des Sauerstoffs war acht. Später korrigierte man zu H2O und 16.

21

22

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Volumenverhältnis 2 : 1 entspricht der dem H : O-Atomverhältnis in H2O, das Gewichtsverhältnis den relativen Molekülmassen von H2 (2) und O2 (32): 44,6 Liter Wasserstoffgas wiegen vier Gramm, 22,3 Liter Sauerstoffgas wiegen 32 Gramm. Daraus bilden sich 2 Mol oder 36 Gramm oder 36 Milliliter flüssiges Wasser, 2H2O (Abb. 1.11). Die Eigenschaften des Wassers werden von den beiden elektropositiven Wasserstoffatomen und den beiden negativen Elektronenpaaren an der Oberfläche des Wassermoleküls bestimmt. Das dicke Sauerstoffatom im Zentrum dient dabei nur als Chassis zur Aufhängung der Ladungen an den Ecken eines Tetraeders. Alle 1045 Wassermoleküle der Erde haben die Gestalt eines molekularen Schmetterlings mit zwei Wasserstoffflügeln, einem Sauerstoffkörper und Elektronenwolken. Exklusiv für das Wasser, das dominierende und einfachste Molekül des Lebens, soll jetzt die Chemie und die Elektronenstruktur realistisch betrachtet werden, so wie sie sich aus Computermodellen ergibt. Dabei wird vorausgesetzt, dass nicht nur einzelne Elektronenpaare zwei Atomkerne zusammenbinden, sondern dass alle Elektronenpaare in verschiedenen Orbitalen bindende Beiträge liefern. Beim Wasser ergibt dieses Molekülorbitalmodell, dass insgesamt sechs von insgesamt zehn Elektronen des Systems an chemischen O–H-Bindungen beteiligt sind. Die inneren beiden Elektronen des energieärmsten kugelförmigen Orbitals des Sauerstoffatoms sind abgeschirmt und binden nicht mit. Zwei bindende Orbitale für je zwei Elektronen enthalten dann erwartungsgemäß Elektronenwolken hoher Dichte zwischen dem Sauerstoff- und den beiden Wasserstoffatomen. Das sind die klassischen O–H-Bindungen. Das dritte Elektronenpaar entfernt sich zwar von allen drei Atomkernen und schwebt weitgehend isoliert über dem Sauerstoffatom, enthält aber auch noch bindende Elektronen, die zur Elektronendichte zwischen den Atomen beitragen. Sechs Elektronenpaare halten also die Atomkerne zusammen, die „bindenden Elektronen“. Nur das vierte äußere Elektronenpaar ist vollkommen am Sauerstoffatom lokalisiert und weder bindend noch antibindend, sondern schlicht „nichtbindend“. Das Orbitalmodell des Moleküls liefert auch antibindende, energiereiche Orbitale, die im Grundzustand des Wassers nicht mit Elektronen besetzt sind, sondern erst erreicht werden, wenn dem Molekül viel Energie (kurzwelliges UVLicht, Röntgenstrahlung, sehr hohe Temperaturen) von außen zugeführt wird. Elektronen in einem antibindenden Orbital haben die Räume zwischen den Atomkernen verlassen und treiben die Kerne des Moleküls auseinander, bewegen sich aber oft zwischen Atomen, die in dem gegebenen Molekül nicht direkt nebeneinander stehen. Hier bahnen sich dann „Umlagerungen“ an, aus Wasser wird bei der Zersetzung Wasserstoff, H2. Intensive, energiereiche Strahlung zerlegt deshalb das Wassermolekül in seine Atome, führt schließlich zu neuen Molekülen. Dieses Phänomen ist typisch für alle Moleküle: Die Absorption von viel Energie zerstört sie, weil die Elektronen die bindenden Orbitale um die Atomkerne herum verlassen. Die Kenntnis dieser Molekülorbital-Geometrie bildet eine nützliche Ba-

1.2 Cluster

Abb. 1.12 Links: Die ersten Rechnungen mit dem „delokalisierten Orbitalmodell“ (= jede Elektronenwelle verteilt sich auf mehrere Orbitale) zu den beiden O–H-Bindungen des Wassers zeigten die Beteiligung von sechs Elektronen daran. Das dritte Elektronenpaar von unten ist dabei weitgehend, aber nicht völlig nichtbindend. Erst beim vierten, nichtbindenden Elektronenpaar ergaben sich tatsächlich Räume ohne Elektronendichte zwi-

schen den Sauerstoff- und Wasserstoffatomen. Beim antibindenden Orbital schließlich fand man nur minimale Elektronendichte am Sauerstoff, aber zwischen den Wasserstoffatomen war sie sehr hoch. Wenn dieses Orbital besetzt ist, wird das Wassermolekül also molekularen Wasserstoff, H2, abspalten, der dann viel stabiler wird als das Wasser. Nach H. B. Gray, G. Haight, Principles of Chemistry, Benjamin, 1967.

sis für das Verständnis der Chemie des Wassermoleküls im Grundzustand und im angeregten Zustand. Manche experimentellen Beobachtungen lassen sich damit deuten, wichtiger noch, neue Experimente lassen sich planen. So lassen sich die Energien und Wege berechnen, mit denen man Wasser zersetzen und wieder bilden kann, was zur Grundlage des Betriebs vieler moderner Maschinen (Explosionsmotor, Hybridantrieb, Brennstoffzelle) werden kann (Abb. 1.12). Die Art und Anordnung der Atomkerne bestimmt Masse und Gestalt eines Moleküls im Ruhezustand. Die Wechselwirkungen der Elektronenwolken aber dominieren die physikalischen Eigenschaften der Gase, Flüssigkeiten und Festkörper und vor allem die chemischen Reaktionen. Der Grundzustand definiert dabei lediglich die Startposition eines Moleküls. Wenn die vom Sonnenlicht initiierte Photosynthese, die Verbrennung von Nahrungsmitteln in der Atmung oder die Synthese von Proteinen losgeht, dann werden Elektronen in instabile, energiereiche Orbitale gehoben, dann kann Wasser zersetzt oder irgendwo angelagert werden (Seite 48, 49, 54, 58). Ein einzelnes Wassermolekül gibt es auf der Erde kaum. In flüssigem Wasser, und darum geht es in der Wandlungsphase eins, zieht jedes Wassermolekül

23

24

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

mit seinen elektropositiven Protonen und elektronegativen Elektronenpaaren vier andere Wassermoleküle zu sich heran. Ein Wasser-Pentamer (H2O)5 entsteht, dessen molekulare Masse der von neunzig Protonen entspricht. Dieser elementare Wassercluster (engl. „Haufen“) ist die Grundeinheit flüssigen Wassers. Jedes Wassermolekül ist am liebsten mit vier Nachbarmolekülen über so genannte Wasserstoffbrücken H···O···H verknüpft: Die Protonen kleben an Sauerstoffatomen benachbarter Wassermoleküle, die Elektronen der Sauerstoffatome kleben an Protonen. Die Clusterbildung sorgt für die enorme Wärmespeicherfähigkeit des flüssigen Wassers. Die Wärmekapazität ist hoch, solange die Cluster intakt sind, in denen die Wassermoleküle in unterschiedlichster Weise durch Wärmebewegungen verschoben werden. Dieser Effekt lässt erst bei Temperaturen oberhalb von 37 8C nach. Bei 38–42 8C bricht ein Cluster nach dem anderen auf. Bei 37,5 8C

a)

Abb. 1.13 Jedes Wassermolekül umgibt sich in flüssigem und festem Wasser mit wenigstens vier anderen Wassermolekülen. Dabei bildet jedes kovalent gebundene Wasserstoffatom eine Wasserstoffbrücke (gestrichelt) zu einem Elektronenpaar eines benachbarten Wassermoleküls. Die Bindungsenergie einer Wasserstoffbrücke liegt um 5 kcal/mol, die Wärmeenergie bei 20 8C beträgt etwa 0,6 kcal/mol; das bedeutet, alle Wassermoleküle sind bei Raum- oder Körpertemperatur miteinander verbrückt. Abbildung a) zeigt das

Pentamer, das b) in einer Ebene zu hexagonalen Mustern führt. Es ist im flüssigen Wasser bei 4 8C optimal verwirklicht. c) Dieses Modell zeigt ein bei 20 8C häufig auftretendes gestörtes Muster; zusätzliche Wassermoleküle drängen sich in die Lücken der hexagonalen Anordnung. d) Situation bei 37 8C, der Körpertemperatur: 40% der regelmäßigen Cluster sind durch gestörte ersetzt. Solche Temperaturbilder stammen aus Computermodellen.

1.2 Cluster

sind 0,6 cal/mL oder etwa 30 kcal für die 50 L Wasser eines Erwachsenen erforderlich, um die Körpertemperatur um ein Grad auf 38,5 8C anzuheben. Bei dieser kritischen Temperatur („Fieber“) zerfallen viele polarisierte Cluster in den engen Kapillaren des Blutkreislaufs (Seite 50, 104 und 144 ff) und in den Hydrathüllen der Ladungsträger von Nerven und Muskeln (Seite 211). Überhitzung auf 40 8C kann dort ein lokales Chaos und einen biologischen Kollaps erzeugen. Deshalb ist es gut, dass die Cluster im Volumenwasser und das Verdampfen an der Hautoberfläche („Schweiß“) kühlend wirken und dass die Wärmekapazität des Wassers so hoch ist (Abb. 1.13). Das Pentamer ist aber nicht alles. Besonders wichtig für die Eigenschaften flüssigen Wassers ist ein sechstes Wassermolekül, das sich wie eine spitze Gabel mit einem Extra-Wasserstoffbrücken-Paar in jedes leicht gestörte Tetraeder hineindrängt und zu einer größeren Dichte des Wassers führt. Das sechste Wassermolekül wandert blitzschnell um das gestörte Tetraeder herum und beseitigt so die Zähflüssigkeit oder „Viskosität“ des Wassers, die sich aus steifen Clustern ergeben würde. Ungestörte Wasserstoffbrückensysteme würden das Wasser zähflüssig wie Glycerin machen, das unstete Drängen des sechsten Moleküls in die Cluster hinein aber bewirkt die wunderbare Fluidität des Wassers, die unser Leben und die Meereswellen beschwingt (Abb. 1.14).

Abb. 1.14 Links: Das Zustandsdiagramm des Wassers. Festes Wasser hat immer eine Temperatur unterhalb von 0 8C. Druckunterschiede beeinflussen die Struktur flüssigen Wassers kaum. Rechts: Wasser hat eine hohe

Oberflächenspannung: Die Moleküle an der Grenze zwischen Luft und Wasser werden durch Wasserstoffbrücken von unten fixiert, weshalb sie erst bei +100 8C verdampfen und nicht bei –200 8C wie molekularer Sauerstoff.

Das fluktuierende Wasser-Hexamer führt zu extrem komplexen Verhaltensmustern des Volumenwassers, deren molekulare Ursachen oft schwer zu enträtseln sind. Ein Molekül im Zentrum, vier reguläre Wasserstoffbrücken zu nächsten Wassermolekülen, der bewegliche Lückenfüller und größere, ebenso irreguläre Folgecluster sind als Basis für eine einfach-durchsichtige, quantitative Deu-

25

26

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

tung und Berechnung der Eigenschaften großer Wasservolumen kaum zu brauchen. Hier bleibt der molekular denkende Chemiker ratlos; die Welt der tausend gleichzeitig auftretenden „intermolekularen“ Wechselwirkungen verschieden zueinander gelagerter und fluktuierender Moleküle verwirrt ihn nur. Das realistische molekulare Modell ist zu kompliziert, die gemessenen physikalischen Besonderheiten des flüssigen Wassers sind es auch. Nützlicher ist hier ein statistischer Überblick, das klassische Zustandsdiagramm des Wassers. In den Grenzbereichen dieses Diagramms, an den die Zustände voneinander trennenden Linien, stehen Eis und flüssiges Wasser und Wasserdampf im Gleichgewicht. Der freie Raum über flüssigem oder festem Wasser füllt sich bei wachsender Temperatur und bei sinkendem Druck mit steigenden Mengen Wasserdampf, die Luft wird feucht. Der Ausdruck „Gleichgewicht“ bedeutet dann, dass heißere Moleküle die Flüssigkeit oder das Eis an der Oberfläche verlassen, während kältere Moleküle des Dampfes zur Flüssigkeits- oder Eisoberfläche zurückkehren. Hitze und niedriger Druck treiben viel Dampf in die Luft, niedrige Temperaturen und hoher Luftdruck lassen sie austrocknen. Das Zustandsdiagramm in Abbildung 1.16 zeigt, dass ein Temperaturanstieg in Eis um 10 8C (von –10 8C auf 0 8C) einen relativ größeren Effekt auf die Menge des verdampften Wassers hat als derselbe Anstieg zwischen null und 37 8C in flüssigem Wasser. Danach steigt die Verdampfungskurve stärker an und wird naturgemäß nahe dem Siedepunkt von 100 8C sehr steil. Der Siedepunkt des Wassers liegt mit 100 8C sehr hoch. Molekularer Sauerstoff, dessen relative Molekülmasse fast doppelt so hoch wie die des Wassers ist, siedet schon bei –182 8C. Das alles kommt durch die Volumenwirkung der Cluster zustande, die es nur beim Wasser gibt. Die Stabilität der Cluster, die daraus resultierende Oberflächenspannung flüssigen Wassers und Tröpfchenbildung im Gas sind für den hohen Siedepunkt verantwortlich. Oberhalb von 100 8C verdampft schließlich alles Wasser (Siedepunkt), dessen Dampfdruck erreicht dann den Druck der Außenluft. Weder flüssiges Wasser noch der Dampf darüber erhitzen sich bei Normaldruck über 100 8C, die Temperatur des Dampfs steigt erst weiter, wenn alles Wasser gasförmig geworden ist, wenn alle Tröpfchen („Nebel“) im Dampf verschwunden sind. Der Siedepunkt des Wassers ist deshalb so hoch, weil Wassermoleküle an der Oberfläche durch Wasserstoffbrücken von den Clustern im Volumenwasser festgehalten werden. Die gleiche Ursache führt auch dazu, dass das Oberflächenwasser noch stärker geordnet ist als das Volumenwasser. Wasser benetzt hydrophile Oberflächen nur langsam und wird von hydrophoben Oberflächen abgestoßen, weil die Wasserstoffbrücken zum Innenvolumen mit den fremden Oberflächen konkurrieren und sich, wenn sie gelöst sind, schnell wieder schließen. Flüssiges Wasser hat bei 4 8C seine höchste Dichte und ist dann dichter als festes Eis. Bei einem Druck von eintausend Atmosphären, wie sie etwa die schmale Kufe eines Schlittschuhs auf einer Eisoberfläche erzeugt, sinkt der Schmelzpunkt des Eises bis auf –7,5 8C ab und der Schlittschuh gleitet auf einem Wasserfilm. Ist das Eis aber kälter, wird es stumpf. Eis gibt es wegen sei-

1.2 Cluster

ner relativ geringen Dichte nur bei Temperaturen unter 0 8C. Eine Druckerhöhung bei höheren Temperaturen begünstigt den flüssigen gegenüber dem festen Zustand, weil flüssiges Wasser von 4 8C die größte Dichte hat. In Eis gibt es kein bewegliches Molekül mehr, das Lücken schließt. Das sechste, bewegliche Molekül flüssiger Wassercluster ist in das feste Kristallgitter eingefügt worden und dieses Gitter ist weniger dicht als flüssiges Wasser. Das Volumen flüssigen Wassers vermindert sich unter einem äußeren Druck kaum, die „Kompressibilität“ ist mit 0,003 Volumenprozent pro Atmosphäre (oder kilobar) sehr gering. Zwar ist diese Eigenschaft allen Flüssigkeiten gemeinsam, aber außerdem ist das Wassermolekül extrem leicht und wegen der Cluster und deren Beweglichkeit extrem gut geeignet zur kooperativen Bildung von langen und hohen Wellen. Hinzu kommt, dass sich Oberflächenwasser sehr stark vom Volumenwasser unterscheidet: Ersteres ist nur mit durchschnittlich drei Wassermolekülen verbunden anstatt mit fünf. Wenn ein Wassermolekül an die Oberfläche drängt, muss es daher zwei Nachbarn abstreifen und bekommt dafür nichts als den Kontakt mit ein bisschen gasförmiger Luft. Jedes Oberflächenmolekül drängt deshalb zurück ins Volumen, wo es vollkommen von anderen Wassermolekülen umgeben ist. Wenn irgend möglich, bildet das Wasser große Tropfen mit einer kleinen Oberfläche oder aber stabile Schichten auf Oberflächen, die OH-Gruppen für Wasserstoffbrücken bereit stellen. Der Energieaufwand, der zu betreiben ist, um Moleküle aus dem Volumen an die Grenzfläche zu Gasen zu befördern, heißt Oberflächenspannung. Beim Wasser ist diese hoch, bei organischen Lösungsmitteln niedrig. Die Wirkung hoher Wellen im Sturm wird übertroffen von jener flacher Tsunamis (jap. „große Welle“), die sich blitzschnell über tausende von Kilometern ausbreiten. Auslöser eines Tsunami ist ein Erdbeben in großer Meerestiefe. Das Anheben einer tektonischen Platte um 1–2 m unter einer Wassersäule von, sagen wir, 3000 m Höhe erzeugt lokal nur eine Welle von 1–2 m Höhe: nichts Besonderes, kaum auffallend. Aber die Anhebung geht rasend schnell, setzt im Meer enorme Energien frei, die reibungsfrei transportiert und in 1000 km Entfernung die Küste zerstören. Ein Seebeben der Stärke 7,5 auf der Richterskala reicht aus, um eine Tausende von Metern hohe Wassermasse ruckartig hochzuheben. Die kinetische Energie dieses Hebeprozesses wird an der Wasseroberfläche in Wellenenergie umgesetzt, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit v der Welle von der Tiefe des Meeresbodens abhängt (v = 9,8 m/s2 ´ Tiefe in Metern) – sie beträgt bei 6000 m Meerestiefe etwa 800 km/h, bei 2000 m Tiefe 500 km/h und bei 1000 m noch 120 km/h. Keine dieser Geschwindigkeiten kann mit der von seismischen Wellen im festen Gestein der Erdoberfläche (36 000 km/h) konkurrieren, sodass Erdbebenstationen vor Seebeben warnen können: Das Erdbeben meldet sich in der festen Erdkruste viel eher an und geht der Welle im offenen Meer voraus (Seite 266). Seebeben in Nord-Süd-Richtung erzeugen Wellen in den Richtungen Ost und West und umgekehrt. Typische Wellenlängen liegen im offenen Meer bei 200 ± 100 km. Es dauert etwa 10–15 min, bis der erste Wellenberg der Flutwelle dem ersten Wellental folgt, das immer vorneweg läuft und zunächst das Ufer

27

28

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

großflächig über mehrere Minuten hinweg trocken legt. Also braucht man eigentlich keine Warnung von außerhalb – jeder Laie sieht, wenn ein Strand plötzlich trocken läuft. Nur am Ufer findet ein Wassertransport statt, nicht aber im offenen Meer. Dort schwanken die Wassermassen nur vertikal mit relativ geringen, unauffälligen Höhenunterschieden von ein bis zwei Metern. Da eine wellige Wasseroberfläche größer ist als eine glatte, muss das Beben am Meeresgrund viele Wassermoleküle an die Oberfläche drücken, um eine Welle zu erzeugen. Das kostet viel Kraft; die vom Beben hochgedrückten Moleküle werden dann wieder nach unten zurückgezogen, und so verbreitet sich das Beben als Wasserwelle mit geringen Höhendifferenzen, aber großer Geschwindigkeit und ohne Reibungsverlust. Die Seebebenwelle ist völlig anders geartet als die Welle unter einem Orkan, der die Wasseroberfläche zerreißt und den Wellenberg damit lokalisiert. Die Bebenwelle ist schnell und gerichtet, transportiert die Energie praktisch verlustlos; die Orkanwelle ist kurzlebiges Chaos und legt sich sofort mit dem Sturm. Die Küste erreicht die Bebenwelle zuerst mit einem etwa 100 km langen Wellental und entleert sie von Wasser. Dann folgt mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 km/h der Wellenberg, zwar nur 1–2 m hoch, aber ebenfalls 100 km lang. Riesige Wassermengen stauen sich jetzt an der Küste, rasende Riesenwellen von bis zu 30 m Höhe (Tsunamis) türmen sich auf, starke Strömungen fluten mit Geschwindigkeiten von immer noch 20–30 km/h landeinwärts, reißen Bäume und Häuser nieder. Ebenso vernichtend ist der darauf folgende Sog der

a)

b)

Abb. 1.15 Von Erdbeben am tief liegenden Meeresgrund ausgelöste Wasserwellen sind im offenen Meer bis zu 200 km lang, nur 1–2 m hoch, aber sehr schnell. Am Ufer zerbricht die zusammenhängende Welle, rast in

die Höhe und über Land. Molekulare Ursachen der kohärenten schnellen Erdbebenwelle sind die fluiden, dicht gepackten Cluster insbesondere an der Oberfläche.

1.3 Auf der Erde und über der Erde

zurückweichenden Strömung. Sicher für den Landbewohner ist jetzt nur das offene Meer – schon 100 m vom Strand entfernt gibt es kaum Wellen von über zwei Meter Höhe (Abb. 1.15). Ein Tsunami versinnbildlicht die geringe Viskosität und Kompressibilität des Wassers und die enorme Oberflächenspannung. Die molekulare Ursache all dieser Phänomene ist das gestörte Wasser-Hexamer. Vier physiologische Prozesse beruhen ebenfalls auf den geschilderten Eigenschaften des Wassers: · Die geringe Kompressibilität des Wassers macht den menschlichen Körper widerstandsfähig gegen allseitigen Druck. Tauchen in 40 m Wassertiefe oder bei 4 atm Überdruck bereitet keine Probleme, wenn der Luftdruck in der Lunge entsprechend erhöht wird (Druckluft, Vermeidung des Ausperlens beim Aufsteigen). Andererseits lässt sich ein Augapfel oder eine Halsarterie durch geringen einseitigen Druck leicht zerstören, weil die dünnwandigen Gefäße platzen, wenn man das enthaltene Wasservolumen breit drückt und weil das Wasser der Gele, nicht aber deren Fasern beweglich sind. · Wasser leitet wegen seiner hohen Wärmekapazität Wärme stärker ab als Luft. Beim Baden in kaltem Wasser zittern die Muskeln unter der Haut, um sich durch intensive Arbeit warm zu halten, dann jedoch hört das Zittern auf, weil das Gehirn weniger Blut in die Haut steuert, sie erkalten lässt. Gleichzeitig hält es aber die innere Körperwärme bei 37 8C. · Bei hoher Luftfeuchtigkeit verdunstet der Schweiß nicht von der Haut und der Kühleffekt bleibt aus; der Schweiß staut sich in den Schweißdrüsen, verstopft sie und es bilden sich Hautbläschen, die Hitzepickel. · Hautverbrennungen lösen die oberen Hautzellen voneinander. In die entstehenden Hohlräume fließt Körperwasser nach und bleibt da. Extrem infektionsgefährdete „Brandblasen“ entstehen. Hitzepickel und Brandblasen beruhen weitgehend auf dem geringen Dampfdruck des Wassers und der Tröpfchenbildung. Beides sind Clustereffekte.

1.3 Auf der Erde und über der Erde

Chemiker träumen zuweilen von der Zeit, in der es nur Wasser, aber keines der sechs erdgebundenen Moleküle gab. Sie „träumen“ natürlich in Form von Experimenten, gestützt auf das Wissen der Geologen aus der Analyse von Gesteinsproben. Ziemlich sicher weiß man, dass vor etwa fünf bis sechs Milliarden Jahren die Gravitationskräfte zwischen sich zusammenballenden Massen aus Meteoren und Weltraumstaub zur Erhitzung führten, die aus dem kalten Geröll des Planeten einen glühenden Magmaball machten. Das Wasser verdampfte in den Weltraum, wurde aber dort von der Gravitationskraft der schweren Erde als geschlossene Wolke in einer Entfernung von wenigen Kilometern fixiert. Die Oberfläche der Erde wurde allmählich kühler und ein Brei aus relativ leichten Silicaten und Wasser schwamm an die Oberfläche des Eisen-Nickel-Kerns. Der

29

30

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Brei erstarrte, wurde rissig und bildete erste Täler und Gebirge. Das Wasser blieb entweder in der kilometerdicken Wolkendecke oder es lagerte sich schnell wieder in den Ton ein, kühlte dadurch die Täler lokal ab und kondensierte in ihnen in Form großer Urseen. Das Wolkenszenario entspricht der alttestamentarischen Hölle auf Erden. Da hängt eine riesige schwarze Wolke mit einem inneren Druck von dreißig Atmosphären in geringer Höhe über der Erde, auf der die Lava brodelt und Vulkane ohne Pause explodieren und feurige Gase ausspeien. Die Wolke verdeckt die Sonne vollständig und ist auf der inneren Seite gewaltig negativ aufgeladen, während die Weltraumseite die positiven Gegenladungen trug. Endlose Kaskaden von kilometerlangen Blitzen durchzuckten die Schwärze, viele von ihnen gehen donnernd zur Erde nieder. Das Trommelfeuer der Vulkanausbrüche und die im Regen der Blitze vibrierenden Wolken – das ist die ewige Verdammnis! Auf der Erde wären auf diese Weise viele thermische Produkte aus den Urgasen Ammoniak, Methan und Kohlenmonoxid als Ausgangsstoffe für die Synthese der sechs Moleküle entstanden (Seite 168). Ebenso ist aber auch ein harmonisches Abkühlen denkbar, bei dem die heißen Silicate der Erdoberfläche das meiste Wasser festgehalten haben. Die Hölle fand dann nicht statt, der nasse Ton dampfte friedlich vor sich hin und die Feuer des Himmels blieben bei einer halben Atmosphäre Wasserdampfdruck milde. Nun hätte das UV-Licht der Sonne anstelle der Blitze auf die Urerde einwirken und die chemische Evolution in Gang bringen können. Wir kennen die präbiotische Welt nicht und können über die Ursynthese der Kohlenstoffverbindungen nur modellhaft spekulieren (Seite 64, 167), aber das Wasser blieb der Erde auf jeden Fall erhalten. In den Wolken wurden die Wassertropfen von der Schwerkraft am Entweichen in den Weltraum gehindert, später sammelte es sich in den tiefen Rissen und Becken der erkalteten Erdoberfläche, bildete Teiche, Seen, Flüsse und die ersten Ozeane. Die heiße Atmosphäre darüber enthielt vor allem Wasserwolken und Stickstoff und ein paar reaktive Gase in kleinen Mengen, wie Ammoniak, Kohlendioxid, Schwefeldioxid und Blausäure. Der klimabildende Wasserkreislauf und die Evolution des Lebens konnten beginnen. Die geologische Erdgeschichte wiederholte sich dem Alten Testament zufolge in der Menschheitsgeschichte beim Marsch der Israeliten durch die Wüste Sinaï. Moses kennt die Gegend, ist wüstenerfahren, er weiß, dass das Wasser nicht reicht für die vielen Menschen, die ihm vertrauensvoll gefolgt sind. Sein Volk wird verdursten und ihn vorher steinigen. Da spricht der Herr: „Siehe, dort vor dir stehe ich auf dem Fels am Horeb. Du sollst den Stab in den Fels schlagen, so wird Wasser herauslaufen, damit das Volk trinke.“ Moses tat das und hatte Erfolg – er hatte eine natürliche Zisterne in einem der vielen porösen Felsen des Sinaï angestochen, die ähnlich wie die Tonerde der Meteoriten Wasser aufsaugen und in großen Höhlen vor der Hitze der Wüstensonne verbergen. Trinkwasser, zum Beispiel das Grundwasser von Berlin, liegt sehr häufig in ähnlichen Umgebungen, nur meist viel tiefer, einen bis zwei Kilometer näher am Magma der Erde. Außerdem fließt es beim „Anstechen“ nicht spontan, sondern muss nach oben gepumpt werden (Seite 43).

1.3 Auf der Erde und über der Erde

Die Lufthülle oder Atmosphäre der Erde besteht aus der unteren Wetterschicht (Troposphäre), die an den Polen acht, am Äquator 17 km dick ist. In ihr gibt es Wolken aus Wasser. Darüber kommen 40 km Stratosphäre mit etwas Ozon, 50 km Mesosphäre und 300 km Thermosphäre, die alle sehr kalt sind und nur noch sehr wenige Luftmoleküle enthalten, welche außerdem durch die UV- und Röntgenstrahlung der Sonne teilweise von ihren Elektronen entblößt werden. Diese eigentlich ereignislose Ionosphäre hält uns durch ein starkes Magnetfeld eine Menge energiereiche Teilchenstrahlung vom Leib. Interessiert haben sich die Menschen schon immer für das Naheliegende: die Wetterschicht und die Wolken. Seit 3000 Jahren überliefern Menschen ihre Betrachtungen der Natur, und von Anbeginn sah der Mensch die Vergänglichkeit der Wolken im Zusammenhang mit seinem eigenen kurzen Leben. Wolken und Menschen bestehen vor allem aus Wasser, beide ziehen auf der Erdkruste dahin, sind in ihrem Werden, Ziehen und Vergehen schön und interessant. Die Wissenschaft von den Wolken, die Nephologie, begann mit der Vorstellung der Griechen, dass die Menschen am Grunde eines Ozeans aus Atmosphärenwasser leben. Von Sauerstoff wusste man vor 2500 Jahren nichts, aber die Wolken da oben waren offensichtlich aus Wasser, weil aus ihnen der Regen kam. Luft war dann wohl Wasser, das durch das Feuer der Sonne „belebt“ wurde, was als Kurzbeschreibung der Photosynthese auch heute noch als richtig gelten kann. Wenig gilt in den Naturwissenschaften als „offensichtlich“; die Entstehung und Zusammensetzung der Wolken aber sind es. Man sah, dass das Schmelzwasser der Alpen (schwer: Yang, Norden: Yang) zuerst in die Wolken (leicht: Yin), dann mit dem Nordwind nach Italien und Afrika (Süden: Yin) getragen wurde und wenig später ins trockene (Yang) Afrika hinabregnete (Yin) und den Nil über die Ufer treten ließ. Es bewässerte die ägyptische Erde und floss dann ins Mittelmeer. Sonne und Südwind trugen das Wasser zurück in die Wolken und in die Alpen. Solche Klimakreisläufe waren die Basis für die Naturphilosophie der Wandlungsphase eins in China und des

Abb. 1.16 Die Elemente der Alchemie und ihre Vereinigung im Davidstern. Feuer und Wasser kamen zuerst, wurden belebt durch die Abkühlung der Erde und die Luft. Feuer (Sonne) und Luft sind oben, Wasser und Er-

de unten. Die Querstriche können als „später“ gedeutet werden: „Erde“ heißt „erkaltete, bewohnbare Erdkruste“ und „Luft“ heißt „freier Sauerstoff, der erst durch die Photosynthese erzeugt werden musste“.

31

32

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

„Alles fließt“ in Griechenland. In Europa fand man dazu die Elemente Wasser, Luft, Erde und Feuer, in China die Wandlung der Paare Wasser und Feuer und Luft und Erde. Das Elementsymbol Europas wurde dabei sehr früh der Davidstern, das Pentagramm (Abb. 1.16). Auf dem Berg des Olymp stellten die Griechen fest, dass in dieser Höhe die Luft deutlich kälter wurde, der Wasserdampf sich zu Tröpfchen verdichtete und vom aufsteigenden Wind Wolken geformt wurden. Die Wärme der Erde verlagerte das Wasser in die Luft und die Wolken bildeten sich dort, wo die Kraft der Strahlen von der Erde aufhört. Daraus schloss man, dass der Weltraum kälter als die Erde war. Das Feuer der Sonne schien nur die Erde zu erwärmen (Abb. 1.17).

Abb. 1.17 Die Sonne treibt den Wasserkreislauf an, Wolkenbildung durch Verdunstung und Grundwasserspeicherung durch Niederschläge (http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Wasserkreislauf.png, Zugriff April 2008).

Der nachdenklich-philosophischen Antike in Griechenland und China folgten zweitausend Jahre Mythologie, dunkles Mittelalter. Erst im nebligen England sah jemand (Lucas Howard) genauer hin und unterschied sieben Wolkenarten nach der Höhe, in der sie auftraten, sowie nach der Gestalt, die sie dort annahmen (Abb. 1.18): 1–3: Cirrus-Wolken sind „hohe Wolken“. Sie treten in über 6 km Höhe auf und bestehen aus Eiskriställchen. Sie erscheinen als parallele Streifen Cirrostratus, die sich schnell in alle Richtungen ausdehnen. Cirrocumulus-Wolken liegen knapp darunter und erscheinen als kleine abgerundete Haufenwolken. 4–6: Cumulus-Wolken sind meist kurzlebige, konvexe Haufenwolken mit einer horizontalen Grundfläche, die nur am Tag in einer „Mittelhöhe“ (Altocumulus) von 2–6 km auftreten und dann schwer wiegen.

1.3 Auf der Erde und über der Erde

Abb. 1.18 Typische Wolken und ihre Höhe in der Atmosphäre. Die einzelnen Wolkenformen werden im Text erläutert.

33

34

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Nimbus oder Regenwolke heißt die oberste horizontale Schicht von Cumulus, über welcher sich nur noch der kalte Schleier der Cirruswolken erhebt. Kommt warme Luft von unten, von der sonnenbestrahlten Erde, und strömt in die Cumuluswolke hinein, trägt sie Mikrometertröpfchen nach oben, wo sich durch rasche Adsorption die Eispartikel in der Cirruswolke vergrößern und dann wieder herabfallen. In der wärmeren Luft von Cumuluswolken entstehen Regentröpfchen, der fallende Regen verdunkelt das Tageslicht, dann aber hellt es sich auf, weil die darunter liegenden Wolken zu den verbliebenen oberen Cumuluswolken aufsteigen. Ist es unten auf der Erde aber sehr warm, dann fegt ein Aufwind die Eiskriställchen ein oder mehrmals zurück in die Wolke. Jedesmal vergrößern sich die Körner auf dem Rückweg, bis sie schließlich als Hagelkörner groß genug sind, um den Fall durch die warme Luft zu überstehen und hart auf die Erde zu prasseln. Der gemeldete Größenrekord für Hagelbrocken liegt bei einem Gewicht von einem Kilogramm (Tokio 1896). 7: Stratus-Wolken sind schließlich die tiefen Wolken unterhalb von 2 km; der Name hat allerdings nichts mit „tief“ zu tun. Stratuswolken dehnen sich noch weiter aus als Cirrus, fast ausschließlich horizontal. Sie gelten als Abend- und Nachtwolken: Ruhe und Geheimnis, Dunst über dem Tempel am See. Geheimrat Goethe reagierte künstlerisch enthusiastisch auf die anschauliche Wissenschaft aus England. Er war dankbar dafür, dass die seit Jahrtausenden mit Gleichnissen beladenen Wolken endlich sorgfältig geschildert und anschaulich eingeordnet worden waren. Gern akzeptierte er die einsichtsvollen Schlussfolgerungen zu Formen, Zeitabläufen und Umständen. Der Engländer war ein Beobachter nach Goethes Geschmack! Nie wieder ist ein Chemiker von einem Dichter so geehrt worden: Was sich nicht halten, nicht erreichen läßt, Er fasst es an, er hält zuerst es fest; Bestimmt das Unbestimmte, schränkt es ein, Benennt es treffend! – Sei die Ehre dein! – Tatsächlich beruht diese Art von Erkenntnis auf nichts anderem als auf intelligentem Hinsehen. Millionen haben den Wolken träumerisch nachgeschaut, erst Howard hat auch dabei nüchtern nachgedacht. Wonderful indeed! Nun aber forderte Goethe die Maler seiner Zeit in persönlichen Briefen auf, Howard ernst zu nehmen und die Wolken von jetzt an „natürlich“ zu malen. Caspar David Friedrich, der deutsche Romantiker, war entsetzt und blieb – mit Goethes Worten – „dunkel und unartig“. Er schrieb an den Dichter zurück, dass solches Projekt das Fundament der Landschaftsmalerei untergrabe. Würde man den Wolken ihre tiefe Dunkelheit und Undurchschaubarkeit nehmen, verlören sie jede künstlerische Bedeutung. Der Versuch, die Wolken zu inspizieren, ihnen wissenschaftliche Ordnung aufzuzwingen, erfülle ihn mit Verzweiflung. Eine Betrachtung des Gemäldes „Mönch am Meer“, eines nach innen gerichteten Bildes, zeigt, was Caspar David Friedrich meinte: Der weißgelbe Sand, auf dem die schwarz gekleidete Figur steht, das ebenso nachtschwarze Meer vor ihm, der merkwürdige Sonnenschein aus der Tiefe hinter der Stratocumulus-

1.3 Auf der Erde und über der Erde

wolke und der leuchtend blaue Himmel über ihm ergeben keinen „natürlichen“ (wetterphysikalischen) Sinn. Die Anmutung des Bildes entspricht human-religiöser Wahrhaftigkeit. Das Schicksal des Menschen ist dunkel und ungewiss, obwohl er auf festem Boden steht, aber über ihm strahlt das göttliche All in sein Leben. Der „romantische“ Dichter Brentano, der die Sphären des menschlichen Geists mischte wie Friedrich, sah das sofort, gab dem Bild seinen Titel. Friedrich kümmerte sich weder um diesen Titel noch um Howards Beobachtungen – und er hatte jedes künstlerische Recht dazu. Er dachte an sein Bild und nur an sein Bild – und er brauchte einen großen, ins Licht aufsteigenden Himmel, wie ihn die Natur nicht liefern kann (Abb. 1.19).

Abb. 1.19 Der „Mönch am Meer“ von Caspar David Friedrich. Das Bild ist unnatürlich, entspricht nicht den Photographie-Wolken des vorigen Bilds. Das Meer liegt im Dunkel, die Sonne hinter schweren Wolken und der sich nach vorn verdunkelnde blauschwarze

Himmel bleiben rätselhaft und wunderbar. Eine ähnliche Beleuchtung findet man an heißen, vulkanischen Quellen, deren aufsteigender Dampf die Sonne partiell verdunkelt. In der Natur ist auch dieses Schauspiel zauberhaft, als statisches Bild bleibt es leblos.

Auf die Höhenmessung und qualitative Beschreibung der Wolken folgt die quantitative Bestimmung der Wassermenge des Regens aus ihnen. Solche Messungen sind nur sinnvoll, wenn sie vergleichend und weltweit vorgenommen werden. Lokale Messreihen liefern Chaos. Tausende von Wassertonnen sammeln deshalb überall das Regenwasser, jeder Millimeter Anstieg des Wasserspiegels wird ebenso alltäglich gemessen wie die Verdampfungsraten. Die jährliche Verdunstung beträgt in den Meeren 750 mm, auf dem Festland 160 mm. Die Differenz ergibt einen jährlichen Niederschlag von 465 300 km3. In Europa ist die Verdunstungshöhe von 500–800 mm etwa gleich der Regenhöhe. Am Mittelmeer ist die jährliche Verdunstungshöhe schon 2300 mm, in der Sahara 4100 mm. In der Wüste müssen die Menschen dursten, weil keine Pflanzendecke das Bodenwasser vor dem Feuer der Sonne schützt. Die Luftfeuchtigkeit und die Wolken der Erde enthalten etwa 15 000 der insgesamt 1,5 Milliarden Kubikkilometer flüssigen Wassers (98%) und festen Polareises (2%). Zusammen sind das knapp 1045 Moleküle. Aller Wasserdampf der Atmosphäre regnet etwa innerhalb von zehn Tagen ab und wird durch das Wasser der Ozeane ersetzt. Der Anteil des aus dem Regen stammenden flüssigen Süßwassers am Gesamt-

35

36

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

wasser ist 0,6%. Nur ein Hunderttausendstel des Wassers der Erdoberfläche ist in der Luft, aber es beherrscht das Klima. Die einzig bedeutende Energiequelle für die geologischen und biologischen Prozesse auf der Erde ist die Sonne, ihr Wärmespeicher ist der Ozean. Er sorgt dafür, dass die Tage nicht glühend heiß, die Nächte nicht schneidend kalt werden. Der Mensch kann diesen „Wärmehaushalt“ nicht beeinflussen – und er kümmert sich kaum darum, wenn man von der viel behaupteten Erderwärmung um ein bis drei Grad in diesem Jahrhundert durch das „Treibhausgas“ Kohlendioxid absieht. Die Erde hat sich schon im Laufe der letzten 30 Jahre erwärmt, wofür die Sonnenflecken oder andere natürliche Phänomene als Verursacher eindeutig ausscheiden. Strittig bleibt aber, ob eine wärmere Erde für einhundert Jahre eventuell für die Menschheit überhaupt von Nachteil wäre. Teure Energie führt zu kleinen Maschinen, Demokratien zetteln keine Kriege an, sondern hungern Diktatoren aus, vom Klima verstehen sie zu wenig, um es schützen zu können und so sollten sie es auch nicht wollen. Geld aber ist vorhanden und es sollte zuerst für die weltweite Gewinnung und Erzeugung reinen Wassers, reiner Luft und ausreichender Nahrungsmittel fließen, dann sollte es den Naturwissenschaftlern helfen, das auf uns zu kommende Problem der Energieknappheit zu lösen (Seite 56) und schließlich sollte es Ausübung und Erlebnis der Künste ermöglichen. Zurück zur natürlichen Energie der Erde. Für Wärme sorgt die Sonne fast allein. Daneben gibt es noch ein bisschen Radioaktivität auf der Erde, die aus dem Zerfall von a-Teilchen herrührt und auch wärmt. Energetisch ist diese Reaktion nur in Kernkraftwerken von Bedeutung, biochemisch ist sie wohl an mancher Krebserkrankung schuld und chemisch sorgte sie für das viele Helium, das sich im Erdöl und Erdgas findet (Tab. 1.1). Tab. 1.1 Die Energiequellen der Erde in cal/cm2 pro Jahr Energiequelle

Sonnenstrahlung Fernes UV Röntgenstrahlen Radioaktivität der Erdkruste Hitze aus vulkanischen Emissionen

Bei einem Alter der Erde von 5 ´ 108 Jahren

107 Jahren

heute

712 000 17–126 29 197 > 0,63

553 000 419–419 000 293–2930 – –

265 000 5,9 0,8 64,9 0,63

Die 56 000 km3 Wasser, die täglich von den Weltmeeren kommen, nutzt der Mensch vor allem zum Trinken und außerdem zur Hygiene und Kühlung (Abb. 1.20). Der Energieverbrauch der Menschen beruht vor allem auf dem Phänomen der „Zivilisation“: Im Norden ist es kalt im Winter, so baut man Steinhäuser und heizt sie. Seit hundert Jahren fahren die Menschen außerdem endlose Stre-

1.3 Auf der Erde und über der Erde

Abb. 1.20 Der große Tropfen entspricht dem Gesamtvolumen des Wassers auf der Erde. Sein Durchmesser ist knapp 800 km, sein Volumen 1,5 ´ 109 km3. Der mittelgroße Tropfen ist das Süßwasser einschließlich Polareis und Wolken (2,7% davon), der kleine Tropfen das flüssige Süßwasser (0,6% oder 107 km3).

cken zur Arbeit und reisen aus Neu- und Geldgier in ferne Länder. So verheizen sie etwa sechs Milliarden Tonnen Kohle, Erdöl und Erdgas im Jahr, also etwa jeder Mensch eine Tonne, und erhöhten damit den Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre in den letzten hundert Jahren um 20%. Die von der Erde reflektierte Wärmestrahlung wird deshalb heute stärker absorbiert als vor hundert Jahren. Komplexe Computersimulationen prophezeien das Schmelzen des Polareises und weltweite Überschwemmungen bei gleichzeitiger Vereisung der Nordhalbkugel. Das sichtbare Licht der Sonne fällt auf der Erde meist auf Wasseroberflächen. Dort wird es gestreut, absorbiert und in Wärme verwandelt. Blaues Licht dringt bis zu einer Tiefe von 400 m vor, rotes Licht nur 5 m tief. Bereits eine 10 cm lange Wassersäule in einem klaren Glas erzeugt vor weißem Hintergrund einen Blauschimmer. Das sichtbare Spektrum weist ein dementsprechendes schwaches Absorptionsband im Roten bei 698 nm auf. Deuteriertes Wasser, D2O, zeigt diese Absorption nicht. Man kann die blaue Wasserfarbe also auf eine Atomschwingung zurückführen, die normalerweise nur von Infrarotlicht angeregt wird, beim Wassercluster aber schon im sichtbaren Bereich auftritt. Beim Tauchen in klarem Wasser verschwinden in 5 m Tiefe alle Farben außer Blau- und Grauschattierungen. Die viel kräftigere Blaufärbung von Gewässern in vegetationsarmen Gebirgsgegenden aber ist anderen Ursprungs: Sie beruht auf der Lichtstreuung des kurzwelligen blauen Lichts an schwebenden Granitpartikeln (Tyndall-Effekt), die die Transparenz des Wassers kaum vermindern. Die trüb-braune oder gelbe Lichtabsorption der Waldseen in Spätsommer und Herbst entspricht der Farbe abgestorbenen Pflanzenmaterials, der schokoladenbraunen Humussäuren und der Algen. Die Winterkälte beendet die Produktion von Blättern und Algen und sorgt wieder für klares Wasser.

37

38

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Ein Liter Wasser wiegt bei 4 8C 1,04 kg. Das ist die höchste Dichte, die Wasser erreichen kann: Bei dieser Temperatur hat sich das mobile sechste Wassermolekül (Seite 25) in das Tetraeder optimal eingepasst, aber es ist noch nicht in einer Kristallstruktur fixiert. Vier Grad kaltes Wasser sinkt nach unten und treibt sowohl wärmeres, bewegliches als auch kälteres, eisähnliches Wasser an die Oberfläche. Im Winter erreicht der See ein paar Meter unter der Wasseroberfläche bald diese einheitliche Temperatur. Bei anhaltender Kälte und nachdem sich das gesamte Wasservolumen auf 4 8C abgekühlt hat, bildet sich an der Oberfläche Eis, das neun Prozent leichter als flüssiges Wasser bei 0 8C ist. Auch daran ist das flickerig-bewegliche sechste Monomer des Wasserclusters schuld, das nach der Verfestigung in die Kristallstruktur integriert ist. Die Eisdecke sinkt nicht in die Tiefe hinab und erstickt das Leben unter ihr, sondern schirmt im Gegenteil den flüssigen See von der Außenkälte ab. Das erlaubt Fischen und Pflanzen, unter Wasser zu überwintern. Nichts davon wird in einer zuweilen wochenlang bitter kalten Stadt des Nordens dem tödlichen Zugriff gefrierenden Wassers ausgesetzt. Analoges gilt für den Sommer. Im Frühlingswind werden nur die oberen 3–5 m des Wasservolumens, das Epilimnium, durch seitliche Verschiebung und Rotation verrührt und von der Sonne erwärmt. Im windstillen Sommer erwärmt sich diese Schicht mittlerer Dicke weiter und lässt uns, ruhig auf dem Rücken treibend, mit

Abb. 1.21 Ein typischer Waldsee weist drei Wasserschichten auf. In der Sommerstagnation werden nur die oberen sechs Meter, die Haut des Sees (Epilimnium), vom Wind durchmischt. In der Winterstagnation fällt

durch die Eisschicht auch das weg. Unterhalb von 10 m Tiefe herrschen immer 4 8C. Nur im Frühling und Herbst zirkuliert das Wasser langsam wegen des Temperaturwechsels an der Wasseroberfläche.

1.3 Auf der Erde und über der Erde

See und Wolken eins werden. Niemals aber erreicht die Hitze des Sommers die Tiefe des Sees, niemals erwärmt sich das ganze Volumen auf die für Fische kritische und tödliche Temperatur von 28–31 8C (Abb. 1.21). Flüsse transportieren Verwitterungsgut aus hoch gelegenen Plateaus ins Tal – ein rauschender Bergbach führt gewichtigen Sand, Schluff und Geröll, die das Bachbett erodieren. Ein langsamer Fluss im Flachland aber hat nur die Kraft, feinen Schluff abzuschleifen und mitzunehmen. Trübe und träge lässt er alles Schwere nach unten sinken. In einer natürlichen Flussbiegung strömt das Wasser außen schneller, weil der Außenweg länger als der Innenweg ist. Solche Biegungen kommen zu Stande, weil eines der beiden Ufer stärker erodiert, steiler wird und einen „Prallhang“ bildet, der immer weiter nach außen drängt. Gleichzeitig sammelt sich am inneren „Gleithang“ Geschiebe in Form einer Sand- oder Kiesbank. So werden Biegungen in Schwemmebenen zu Schlingen, der Fluss „mäandert“. Begradigt man das künstlich, um Schifffahrtswege zu verkürzen, muss man beide Ufer befestigen und erhöhen und sich gegen das nächste Hochwasser wappnen, denn der gleichen Menge Wasser steht jetzt weniger Flussbett zur Verfügung. Das 20. Jahrhundert war eine Epoche des künstlichen Austrocknens. Man senkte das Grundwasser, pumpte es in Flüsse und Seen, erhöhte so die Fließgeschwindigkeit der Flüsse, baute Dämme und befestigte Flussufer („Promenaden“). Kostbares Acker- und Bauland wurde gewonnen, aber man setzte Anwohner der Überflutung aus. Jede neue Kellergarage oder Ölheizung am Fluss machte die Schadensbereinigung einer Hochflut im Frühling teurer. Heute versucht man, den Flüssen wieder Platz zu schaffen, indem man sie zwischen festen Gleit- und labilen Prallufern selbst ein Bett im Wandel der Jahreszeiten formen lässt. Pflanzung, Tierweiden und Stadtwandel sollten dem Wasserkreislauf nicht im Wege stehen, sondern ihn fördern und sinnvoll nutzen. Die stufenweise Uferbefestigung durch die Wurzeln von Erlen, Büschen und Wiesen wurde im Flachland schon immer betrieben. Vor allem sollte der Flusslauf von Wohnorten getrennt, das Haus dicht am Ufer vermieden werden. Ein überschwemmter Wanderweg ist ein temporäres Ereignis, der voll gelaufene Keller eines „Naturfreundes“, der am Wasser leben muss, ein dauerhaftes Ärgernis. Außerdem sollten Bäume die Flüsse beschatten, die Wasserverdampfung eindämmen und Flachstellen des Flusswassers mit Sauerstoff sättigen, um Fische zu begünstigen und Algenbefall zu vermeiden. Es war einmal ein Reichskanzler namens Bismarck, der sagte: „Ein Fluss ist heilig, da baut man nicht.“ Und er handelte danach und ließ den Grunewald stehen, als Berlin zur Reichshauptstadt erhoben und von hemmungsloser Bauwut erfasst wurde („Gründerjahre“). Das ist einer der beiden politischen Leitsätze, die man sich merken sollte. Der andere lautet: „Nie wieder Krieg.“ Fließt ein Fluss an seiner Mündung schließlich kraftlos ins Meer, so lagert er erst Kies und Schotter, dann Sand und schließlich Schlamm und Schluff ab. Die Wellen des Meeres arbeiten dieses Mündungsmuster zu drei Uferstreifen um – Schlamm und Schluff sacken ins tiefe Wasser ab, Sand bleibt im Seichtwasser liegen und Kies bildet den Strand (Abb. 1.22).

39

40

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Abb. 1.22 Gleit- und Prallzonen entstehen durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Wassers in der Innen- bzw. Außenkurve. Sie verursachen das Mäandern von Flüssen mit geringem Gefälle (Un méandre

de la Sioule vue de la commune de Queuille, Puy-de-Dôme, région Auvergne, fotografiert von Jean-Marc Aubelle, hochgeladen von Jim l’Auvergnat; http://commons.wikimedia.org/ wiki/Image, Zugriff April 2008).

Die Wolken tragen das destillierte Meerwasser Tausende von Metern hoch. Wenn es in Gebirgen abregnet, steht beim Abfließen ins Tal viel potenzielle Energie zur Verfügung, die in Süßwasserkraftanlagen zunächst über Turbinen in mechanische, dann über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Eine einheitliche Fallhöhe, die man durch künstlichen Aufstau in Talsperren erreicht, ermöglicht einen sehr gleichmäßigen, steuerbaren Energiefluss. Die entsprechenden Anlagen heißen Niederdruckkraftwerke (< 15 m), Mitteldruckkraftwerke (< 50 m) und Hochdruckkraftwerke (> 50 m), die oben liegenden Speicher werden entweder durch einen natürlichen Zufluss oder durch Rückpumpen gespeist (Pumpspeicherwerk). Solche Erzeugung von elektrischer Wasserkraft ist nicht mit Schadstoffemissionen verbunden, wohl aber braucht sie einen dauerhaften Stauraum oberhalb der Sperre und sorgfältig regulierte Ausleitungsstrecken für einen Restabfluss zur Aufrechterhaltung eines Flussbiotops inklusive Fischaufstiegen. Das größte Wasserkraftwerk der Welt (Itaipu) hat eine Nennleistung von 14 Mio. kW und ein Arbeitsvermögen von 100 Mio. kWh/Jahr. Die 600 Wasserkraftwerke Deutschlands liefern zusammen ein Fünftel davon; verbraucht werden in Deutschland aber 500 Mrd. kWh/Jahr. Auch Salzwasserkraftanlagen werden heute weltweit entwickelt. Die vom besonnten Land aufsteigende Luft fällt über dem kalten Wasser der Meere ab und erzeugt Meereswellen von großer mechanischer Kraft. Ihre Energie kann in Luftkammern geerntet werden. Ein unten offener Stahltank wird zu diesem Zweck am Strand knapp unter der Wasseroberfläche montiert. Die einschlagenden Wassermassen lassen den Wasserspiegel und den Luftdruck in dem ge-

1.4 Rohrsysteme und Pumpen

schlossenen Raum im Wellenschlag steigen. Dann fließt das Wasser im gleichen Rhythmus wieder ab und erzeugt einen Unterdruck in der Kammer. Ein kleines Loch nahe der Kammerdecke verwandelt die langsamen Wellenbewegungen des Wasserspiegels in einen scharfen Luftstrom großer Geschwindigkeit, der über eine Turbine mit symmetrischem Flügelprofil geleitet wird. Luftströme von innen nach außen oder umgekehrt drehen solche Turbinen in immer gleicher Richtung und erzeugen Elektrizität. Solche „Wavepower-Kraftwerke“ sind noch laut und selten, aber effektiv und weiträumig anwendbar. Elektrische Energie aus Wind bekommt man nur, wenn Politiker mit Steuergeldern helfen. Windräder erreichen wegen der Unregelmäßigkeit der Luftbewegungen nur in höchstens zwei von zehn Stunden ihre Höchstleistung, stehen in freien Landschaften oder gar auf See, aus denen heraus der Strom in die Städte geleitet werden muss. Sie produzieren vorwiegend in der Nacht und verlangen also eine kostspielige Zwischenspeicherung. Ein Drittel des Windstroms der Welt (30 Mio. kW/Jahr) kommt aus Deutschland (9 Mio. kW/Jahr) und bleibt auch da. Die einzige lohnende erneuerbare Energie ist die der Sonne. Das zugehörige Speichersystem ist der molekulare Wasserstoff, der durch Elektrolyse aus Wasser zu erhalten ist (Seite 54). Dafür muss eine billige sonnengetriebene Stromerzeugung mit Solarzellen her. Hier liegt eines der zentralen Probleme der Zivilisation, das im 21. Jahrhundert gelöst werden sollte. Dann kann man den Wasserstoff sammeln, lagern, transportieren, wieder zu Wasser verbrennen und Energie- und Umweltprobleme lösen. Auch ein biologischer Weg ist denkbar, wenn die Solarzellen zu teuer bleiben: man bewässere die Sahara, pflanze Bambus und Zuckerrohr an und mache daraus Ethanol oder verbrenne Holz. Die Sahara ist ideal geeignet für Bambus und anderes tropisches Gewächs, man muss nur erst einen billigen Weg finden, das Kochsalz aus dem Meerwasser durch Dialyse zu entfernen und das Wasser, das bei der Verbrennung der Pflanzen frei wird, im Kreislauf zu führen. Wir verbrauchen nur. Das müssen uns die Naturwissenschaftler noch abgewöhnen und die Gesellschaft muss sie eher dafür bezahlen, als dafür den Verbrauch immer nur anzuheizen.

1.4 Rohrsysteme und Pumpen

Süßwasser wird an Land nur aus Regen gewonnen. Das bisschen lokal und industriell entsalzte Meerwasser spielt quantitativ noch keine Rolle. Das Süßwasser läuft über die Flüsse wieder ins Meer; der Wassergewinn durch Regen heißt Niederschlagshöhe und wird in Millimeter pro Jahr gemessen. 1 mm Niederschlagshöhe entspricht 1 L Wasser auf 1 m2 (oder 1000 m3 auf 1 km2) Boden. In Deutschland regnet es etwa 750 mm im Jahr, aber 500 mm davon verdunsten. So bleiben nutzbare 250 mm oder 80 Mrd. m3 oder 1000 m3 pro Einwohner. Das reicht für alle. Deutschland ist reich an Regenwasser. Trinkwasser wird bei uns aus Bergquellen (Sickerschächten, Bergstollen, Kanälen), Brunnen, die ins Grundwasser führen oder Oberflächenwasser (Rhein,

41

42

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Bodensee) gewonnen. Die Schüttung der Quellen schwankt mit dem Regen, Brunnen geben Wasser bis zur Erschöpfung, Fluss und See sind unerschöpflich, sie erneuern sich selbst. Es ist nicht davon auszugehen, dass unsere Generation oder die nächste oder die übernächste zu viel Wasser verbrauchen könnte. Unser Trinkwasser wird mit Sicherheit regeneriert. Die lokale Menge des Grundwassers wird vom Gestein des Bodens, dem Grundwasserträger, bestimmt. Sandstein ist meist sehr porös und saugt Wasser bis zur Hälfte seines Eigenvolumens wie ein Schwamm auf. Sand einheitlicher Korngröße ist ein idealer Wasserspeicher, schlecht sortierter Sand schon weniger, verkitteter Sand ist fast unbrauchbar. Grundwasser reicht so weit nach unten wie lockeres Gestein, typischerweise 3–6 km tief. Weiter unten verschließt das Gewicht der auflastenden Erde die Zwischenräume; für flüssiges Wasser ist da kein Platz mehr. Chemisch gebundenes Wasser lässt sich nicht abpumpen. Grundwasser in lockerem Gestein fließt innerhalb weniger Tage von der Wasserscheide zum Fluss. Wasser unterhalb einer undurchlässigen Schicht (Feststein) wird Jahrzehnte alt, bis es die Oberfläche durch offene Nahtstellen spontan erreicht. Wasser, das unter mehreren Feststeinschichten liegt, die nur langsam überwunden werden, kann Jahrtausende in der Tiefe lagern. Eine Tiefenbohrung kann auch dieses alte Wasser fördern, der natürliche Ersatz würde aber auch Jahrhunderte brauchen. Darauf sollte man aber nicht warten, sondern das Wasser bei nächster Gelegenheit durch filtriertes Flusswasser ersetzen. Die Fließgeschwindigkeit des Grundwassers von der Wasserscheide zum Fluss ist zur durchflossenen Fläche, zur Höhendifferenz und zum Porenraum des Gesteins direkt proportional. In Kies läuft das Wasser etwa einen Zentimeter in der Sekunde; in unzerklüftetem Schiefer oder Ton braucht es für denselben Zentimeter 1010 s oder 1000 Jahre. Die Wissenschaft und Technologie vom unterirdischen Grundwasser heißt Hydrogeologie. Ihr zentrales Thema ist die Neubildung des Grundwassers, ihr Hauptwerkzeug sind Pumpen und Rohrleitungen. Von der Pumpstation am Fluss, wird Wasser in ein höher gelegenes Anreicherungsbecken befördert. Dort versickert es, wird vom Boden gefiltert und schafft zusammen mit dem spätherbstlichen Dauerregen und der Schneeschmelze im Frühling neues Grundwasser. So ergänzt diese Pumpe die natürliche Grundwasserbildung mit Flusswasser. Weitere Grundwasserpumpen transportieren dann das Trinkwasser in Städte und auf Äcker. Die geologische Lage einer Stadt bestimmt die Kosten der Wasserversorgung. In Kalksteingebieten ist der Prozess der Grundwasserneubildung etwa 30-mal effizienter als in Tonsteingebieten, wo das gewonnene Wasser rasch abfließt. Aus Tonstein muss bald nach dem Regen abgepumpt werden, bevor das Wasser davongeflossen ist, im Kalkstein kann es lange gelagert werden. Berlin bezieht sein Wasser zum Beispiel ausschließlich aus nahe gelegenen Filterbrunnen mit Unterwassermotorpumpen. Drei Druckzonen stehen dafür zur Verfügung: die Barnimhochfläche, das Urstromtal von Havel und Spree und die Teltowhochfläche. Zum Grundwasserausgleich werden Abfluss-, Fluss- und Seewasser in künstlichen Teichen und Becken aufbereitet und versickert (Abb. 1.23).

1.4 Rohrsysteme und Pumpen

Abb. 1.23 Links: Der natürliche Zeitverlauf des Fließens von Grundwasser von der Wasserscheide zum Fluss. Rechts: Pumpen und angeschlossene Rohrleitungen fördern das Grundwasser zu Verbrauchern oder aus dem Fluss in hochgelegene Becken, wo es versickert und neues, gefiltertes Grundwasser bildet.

Die Pumpen zur Förderung des Grundwassers aus der Tiefe sind meist Kolbenpumpen. Sie bestehen aus einem Hohlraum, dessen Volumen mit einem kurbelgetriebenen Kolben periodisch verkleinert und wieder vergrößert wird, der durch ein Druckventil geöffnet und ein Saugventil wieder verschlossen wird. Wird der Hohlraum durch den Kolben verkleinert, strömt Wasser durch das Druckventil aus und wird nach oben gepumpt. Vergrößert der zurückweichende Kolben den Hohlraum auf sein altes Volumen, so entsteht ein Unterdruck, der das Druckventil zuzieht und das Saugventil öffnet. Wasser strömt jetzt so lange ein bis der Wasserdruck im expandierenden Hohlraum genau so groß ist wie der Druck im Rohr oder im Grundwasserspeicher, aus dem das Wasser zugeleitet wird. Im Leitungssystem bauen Kreiselpumpen den Druck auf, der nötig ist, um Wasser waagerecht durch die Rohre unter der Erde und in höher gelegene Wohnungen zu treiben. In Kreiselpumpen rotiert ein Schaufelrad in einem Zylinder und schleudert das in einem Rohr zugeführte Wasser in ein anderes. Insgesamt kommt es wegen der geringen Kompressibilität und Viskosität des Wassers, die wir von den Tsunamis kennen (Seite 28), kaum zu Erwärmungen oder anderen Reibungsverlusten. Der Wasserdruck im städtischen Rohrnetz beträgt etwa 5 atm. Der Kostenschwerpunkt der Wasserversorgung sind Aufbau und Wartung eines verlustfreien, dichten Leitungssystems. Störungen sind schlecht zu erkennen, Reparaturen schwierig und teuer. Die Fließgeschwindigkeit sollte nie höher als 1 m/s sein, etwa 135 L Wasser pro Tag sollten zum Beispiel jedem Einwohner Berlins täglich zur Verfügung stehen. Nirgends darf das Wasser beim Öffnen des Hahns ausbleiben (sonst hagelt es Proteste der durstigen, hungrigen und schmutzigen Kunden), nirgends darf das Wasser länger als zehn Tage in den engen Rohren stehen (sonst droht Pilzbefall). Wenn wesentlich weniger Wasser als vorausberechnet verbraucht wird, fault das stehende Wasser und die Straßen über den Wasserrohren stinken nach Ammoniak und Aminen, nach Ver-

43

44

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

wesung. Druckrohre unter der Erde kosten etwa 1000 Euro Investition pro Meter Rohr, die Wartung kommt noch dazu. Ein Blick zurück ins Berlin des 19. Jahrhunderts zeigt die Bedeutung eines funktionierenden Rohrleitungssystems für das Leben einer großen Stadt. Die Exkremente der Berliner wurden traditionell eimerweise in die Spree, einen mittelgroßen Fluss in der Innenstadt, geschüttet. Ab 1814 achteten Nachtwächter darauf, dass dies erst nach elf Uhr nachts geschah. 1820 wurden von den „Frauen der nächtlichen Arbeit“ in jeder Nacht allein von der Jungfernbrücke neben dem Berliner Schloss 200 000 Eimer Fäkalien in den Fluss gegossen. 1842 wurde das verboten und ein Latrinenfahrzeugdienst eingerichtet. Ein typischer Gesellschaftsabend in Berlin-Mitte endete typischerweise um elf Uhr abends, wenn der große Wagen in den Hof fuhr und sich ein entsetzlicher Gestank erhob. Man flüchtete in die zweite und dritte Etage, so hoch man kommen konnten, bis unter das Dach, hockte bis tief in die Nacht auf Treppen und Balken, bis sich einige hinab, zum Hause hinaus wagten und die Damen hinunter riefen. Bis 1875 wurden Fäkalien, Schlachtereiabfälle und Müll in die Rinnsteine gespült. Geringes Gefälle, raues Baumaterial und der schmale Querschnitt der Rinnsteine hielten den Abfall auf, ließen ihn auf der Straße verfaulen. Heftiger Regen versenkte die Bürgersteige unter einem stinkenden, glatten Schlamm. Stiefel und Überschuhe wurden über die Schuhe gezogen, tausend Droschken lebten vom Dreck und Gestank auf den Bürgersteigen der Mitte von Berlin. Niemand wollte dort gehen. Ab 1873 wurde das Prinzip „Durchfluss“ durch das Prinzip „Kreislauf“ ersetzt. Man begann das Abwasser außerhalb der Stadt auf Rieselfeldern biologisch zu reinigen, bevor es in die Flüsse geleitet wurde. 1873 wurde in Berlin mit dem teuren Bau eines Rohr- und Kanalsystems begonnen. Geplant wurde für 120 (!) Jahre. Tatsächlich sind heute, im Jahr 2007, noch viele alte Rohre in Betrieb, die hauseigenen Wasserrohre der Neubauten der Gründerjahre (etwa 1873–1890) werden fast alle noch genutzt. 1882 waren die „Radialsysteme“ der Innenstadt fertig, die das Adersystem der Baumblätter nachahmten. Berlin war schon immer baumliebende Stadt, weil sich hinter grünen Kronen unansehnliche Architektur und chaotische Stadtplanung verstecken ließen. 1892 waren alle elf geplanten Radialsysteme, alle unterirdischen „Blätter“, in Betrieb. Berliner waren in Brandenburg jetzt nicht mehr am Gestank ihrer Kleider zu erkennen, es roch nur noch auf den auswärtigen Rieselfeldern und Äckern (Abb. 1.24). Heute wohnen in Berlin 3,5 Mio. Menschen in 260 000 Häusern mit je einem Wasserzähler. Zu diesen Anschlüssen führen Hauptleitungen mit einem Durchmesser von 1,5 m und Versorgungsleitungen mit Durchmessern von 5–30 cm. Das Durchschnittsalter der Rohre ist fünfzig Jahre, die ältesten Rohre sind Originalrohre von 1873. Der Druck im Rohrnetz beträgt 5 atm, in jeder Wohnung

1.4 Rohrsysteme und Pumpen

Abb. 1.24 Der Durchfluss und das Radialsystem der Wasserrohre in einem Blatt und unter einer Stadt.

wenigstens 2 atm. Wassertürme werden nicht mehr betrieben, der Druck kommt aus den Pumpen. Die Verlegung eines Meters Rohr hat 700 Euro gekostet, das Netz der Rohre ist knapp 8000 km lang; 77% der Rohrleitungen sind aus Grauguss, 12% aus Faserzement, 10% aus Stahl und 0,2% aus Polyethylen. Im Durchschnitt werden 610 000 m3 am Tag gefördert und verbraucht, das Rohrsystem ist für eine Spitzenleistung von 1,14 Mio. m3 ausgelegt. 62 000 Hydranten führen von oben in das unterirdische Rohrnetz, 100 000 Schieber erlauben es, ein undichtes oder sonst zu versorgendes Rohr aus dem Netz zu nehmen. Die Wasserverluste liegen unter 5%. Das unterirdische Kanalisationsnetz zur Abwasserentsorgung ist 1500 km länger als das Rohrsystem: 4100 km Schmutzwasserkanäle, 3166 km Regenwasserkanäle und 1894 km Regen- und Schmutzwasserkanäle unterlaufen die Stadt. Der kleinste Kanal ist 20 cm breit, die größten Profile umfassen 4,4 ´ 3,4 m. Kanäle sind aus Steinzeug oder Beton, alle sechzig Meter gibt es einen Einstieg durch einen von 200 000 Kanaldeckeln. An Flüssen und Untergrundbahnen braucht die Stadtunterquerung Rohre und Pumpen, die nachsteigendes Grundwasser abpumpen können (Düker). Schmutzwässer fließen in die Klärwerke, das Regenwasser über Absetzbecken in die Flüsse und Kanäle Berlins. Das genutzte Wasser fällt fast vollständig als nur leicht verunreinigtes Abwasser wieder an. Geringfügige Verluste treten nur im Sommer auf, wenn Rasenflächen gesprengt werden oder im Freien geduscht wird. Besondere Schwierigkeiten machen Fettabfälle aus Haushalten und Lebensmittelbetrieben, die sich nicht im Wasser ausdünnen, sondern auf der Oberfläche treiben und die Rohre verdrecken und schwierig zu entfernen sind. Putzen Sie Ihre Bratpfanne mit Papier, das Sie in den Müll werfen (der dann verbrannt wird) und nicht mit Spülmittel, das das Fett auf die Oberfläche des Abwassers transportiert! Nach dem Kanalsystem kommen die sechs Klärwerke Berlins. Nur Braunschweig hat in Deutschland noch Rieselfelder. Die Berliner Klärwerke entfernen

45

46

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Grobes durch Auskämmen mit Rechen und langsames Absetzen in großen Becken, filtrieren dann über Sand und oxidieren den resultierenden Schlamm in Belebungsbecken mikrobiologisch mittels Druckluft. Danach wird der Schlamm eingedickt, anaerob-biologisch weiter zersetzt, entwässert und schließlich verbrannt. Verbleibende Stickstoffverbindungen (Ammoniak, Nitrit) werden von Bakterien („Nitrifikanten“) und Sauerstoff in Nitrat verwandelt, dann biologisch zu gasförmigem Stickstoff reduziert. Das Hauptproblem des modernen Grundwassers ist die Verunreinigung durch Phosphat- und Nitratsalze. Schweinegülle enthält zum Beispiel 65% des als Dünger benötigten Stickstoffs als Ammoniak, NH3, der von Bodenbakterien zu Nitrat, NO–3, oxidiert wird. Probleme mit der Gülle treten auf, wenn Felder als Entsorgungsfläche für Gülleüberschüsse missbraucht werden und der Stickstoff nur teilweise in den Proteinen der Pflanzen verschwindet. Die Nitratfahne fließt dann 80 m tief, und Wasserwerke müssen immer tiefere Brunnen bohren. Deshalb beschränkt man die Gülleausbringung auf die Vegetationszeit von Februar bis Oktober. Zwei bis drei Dungeinheiten zu je 80 kg Stickstoff pro Hektar sollten nicht überschritten werden. Ein hoher Einsatz von Fäkalien senkt die Effizienz der Stickstoffdüngung auf 20%, synthetische Stickstoffsalze sind noch weniger nützlich. Ist nicht nur ein Nitrat-, sondern auch noch ein Phosphatüberschuss vorhanden, so verschlammen stehende Gewässer innerhalb eines Sommers. Grün- und Braunalgen wachsen ungehemmt und vernichten alles andere Leben. Das alles sollte eigentlich ein Problem der Landwirte sein und sich dort auf dem Land auch lösen lassen. Leider ist dies nicht der Fall, denn die Flüsse tragen den Dünger in die Städte. In Berlin starben etwa um 1978 alle Fische im Tegeler See, den zwei kleine, aber phosphat- und nitratverseuchte Zuflüsse namens Panke und Tegeler Fließ in einen grünen Algenbrei verwandelten. Staatliche Zuschüsse zu einer „Interbau“-Ausstellung machten es dann möglich, täglich Tonnen einer konzentrierten Eisen(III)-chlorid-Lösung aus schlesischen Minen durch die Stadt rollen zu lassen und damit in einem Klärwerk Eisen(III)-phosphat auszufällen, das sich im Klärbecken absetzt und dann entsorgt wird. Ohne Phosphat keine Algen. Die Sichttiefe im Tegeler See beträgt heute 5 m, die Kloake verwandelte sich innerhalb weniger Jahre in den biologisch saubersten See Berlins. Weiter einlaufendes Nitrat allein reicht für das Algenwachstum nicht aus, Lebewesen brauchen Stickstoff und Phosphat. Man pumpt nun das Nitratwasser in einen benachbarten Fluss namens Havel und hat den See geklärt. Der durchschnittliche Wasserverbrauch eines Berliners lag 2005 bei 121 L am Tag. Die Kosten betrugen etwa drei Euro für den Bezug eines Kubikmeters (1000 L) Trinkwasser und acht Euro für die Abführung und Aufarbeitung eines Kubikmeters Abwasser. Das sind etwa 40 Euro im Monat für jeden Berliner. Dafür gab es schmackhaftes und absolut sauberes, wenn auch hartes Trinkwasser. Ländliche Bereiche sind schon immer ohne teure Rohrnetze ausgekommen. Die Peruaner bauten vor tausend Jahren 20 bis 30 übereinander liegende, 2–5 m hohe Terrassen aus zentner- bis tonnenschweren Steinen, auf die sie 60 cm hoch Kulturboden aufschütteten. So wurde trotz der bis zu 458 steilen Hänge und schweren Regengüsse die Abtragung des Bodens verhindert. Die

1.4 Rohrsysteme und Pumpen

heutige Bevölkerung Perus bewirtschaftet nur noch die unteren Terrassen und hat verinnerlicht, dass diese schon „immer“ da waren. Völker kennen oft nur die letzten Kapitel ihrer eigenen Geschichte. Indien ist ein Märchenland der Bewässerung. Brunnen, Stollen, Hangkanäle, Teiche und Flussableitungen versorgen das Land in einer unvergleichlichen und funktionierenden Vielfalt von Sammelstellen und Verteilungssystemen. „Hindustan“ in Vorderindien bedeutet „Land der Brunnen“. Im 12. Jahrhundert begannen die Mohammedaner mit dem Bau von Brunnen auf der Halbinsel, die heute etwa ein Viertel des Landes bewässern. Im Nordwesten gibt es vor allem unterirdische Stollen persischen Ursprungs sowie Dammbauten aus Riesensteinblöcken, von unbekannten Völkern errichtet. In den zentralen Provinzen findet man 50 000 Stauteiche. Pandschab, das Fünfstromland des Indus im Norden, lebt von großen Kanälen, Hangkanäle nutzen das Schmelzwasser des Himalaya. Die Regulierung des „Großen Kummers Chinas“, des Hoangho, des Gelben Flusses, durch Dämme wird hingegen seit 2000 Jahren ohne dauernden Erfolg versucht. Der abgeschwemmte Lößboden sammelt sich in dem viel zu breiten Hochwasserbett, sodass Deiche fortgespült werden, weil der Strom dann oft 3–10 m über dem umgebenden Gelände fließt. 1,4 Milliarden Tonnen des Lößbodens lagern sich jährlich im Unterlauf ab und werden auch die jetzt neu gebauten Talsperren in spätestens 70 Jahren füllen. Die rasch fortschreitende Entwaldung und Versandung der Bucharei südlich des Aralsees wurde Ende des 19. Jahrhunderts in erster Linie auf politische Einflüsse zurückgeführt. Später taten die Wüstenstürme, das ihrige, um einst blühende Landschaften in Einöden zu verwandeln. Mehrfache Verschüttung der Kanälen durch das Militär erzwang die Auswanderung der Bewohner unvermeidlich, die Bucharei wurde menschenleer. Der Flugsand gewann freies Spiel und verbreitete sich bis nur noch die Hasen dort ein kummervolles Dasein fristeten. Im Jahr 2006 fehlte einer Milliarde Menschen sauberes Trinkwasser. Den Einwohnern von Entwicklungsländern stehen 10 L Wasser täglich zur Verfügung, traditionell laufen in Afrika und Asien die Frauen und ihre Kinder durchschnittlich 6 km zum nächstgelegenen Fluss. Brunnen und hygienische Latrinen können nicht bezahlt oder selbst eingerichtet werden. Der Busch dient als Latrine, Regenwasser spült das Abwasser von dort in die Flüsse. Seuchen ziehen ein, Durchfallerkrankungen (Diarrhoe von griech. diarrhoia, „Durchfluss“) und Malaria lassen täglich Hunderttausende, vor allem Kinder, an den Folgen schmutzigen Wassers sterben. Die Familie wäscht ihre Hände in derselben Schüssel, angefangen beim ältesten Mann, die Hände des jüngsten Kindes kommen zuletzt. Diese Hände, mit denen das Kind dann isst, sind schmutziger als vor dem Waschen. Großstädte brauchen Rohre und Pumpen und friedfertige Nachbarn an der Wasserquelle. So ist die Abzweigung von Flusswasser in Talsperren nur nahe der Quelle sinnvoll. Anderswo kann das zum Austrocknen des unteren Flusslaufs führen. Kriege drohen, wenn dadurch in einem anderen Land Landwirt-

47

48

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

schaft und Trinkwasserbereitung unmöglich werden. Quotensüchtige Fernsehsender begünstigen dann in unserer ach so kommunikativen Welt die Aufstauung von Wut und Hass während des Dammbaus. Ruhige Verhandlungen über die Verteilung, nicht aber „aktuelle“ Nachrichten über gestohlenes Wasser festigen das Zusammenleben der Völker. Das Blut im Kreislauf des Menschen braucht wie das Trinkwasser unter der Großstadt ein intaktes Rohrsystem. Verletzungen oder Verschmutzungen beider Rohrsysteme kosten viel Geld und viele Leben. Im Folgenden werden die wichtigsten Rohrsysteme des menschlichen Körpers kurz vorgestellt, Pumpen (Seite 284) und Probleme (Seite 52 f, 286 ff) werden später besprochen. Das meiste Wasser im menschlichen Körper fließt in sehr feinen Röhrchen mit Innendurchmessern unter einem Millimeter, die man Kapillaren nennt (lat. capillus, „Haar“). Wasser bewegt sich dort nur langsam, weil sich das an die Kapillarwand gebundene Oberflächenwasser kaum lösen kann und das Wasser im Innenraum, das durch Wasserstoffbrücken mit ihm verbunden ist, ebenfalls unbeweglich wird. Anziehung und Abstoßung von Kapillarwasser durch Kapillarwände lässt sich leicht sichtbar machen. Taucht man eine Kapillare aus Silicatglas mit vielen OH-Gruppen an der Oberfläche in Wasser, so ziehen starke Wasserstoffbrücken das Wasser nach oben. Versieht man das Glas hingegen mit einem hydrophoben Fettfilm, so wird die Adsorption schwach, die Wasserstoffbrücken wirken nur nach innen und der Wasserspiegel sinkt. Je größer die Kontaktfläche im Verhältnis zum Wasservolumen ist, desto größer sind die Adhäsionskräfte der Wand, die Steig- oder Sinkhöhen wachsen an, die Fließgeschwindigkeiten gepumpter Volumina werden klein: Entweder klebt die obere Wasserschicht an ei-

Abb. 1.25 Adhäsion (Anziehung zwischen Wasser und Glas) in a) dünnen und sehr dünnen Röhrchen mit wasserfreundlicher Oberfläche und b) Röhrchen mit fettiger, hydrophober Oberfläche.

1.4 Rohrsysteme und Pumpen

ner hydrophilen Oberfläche fest und behindert über Wasserstoffbrücken das Volumenwasser oder das Wasser formt tropfenähnliche Gebilde an hydrophoben Oberflächen, die wieder nur langsam fließen. Nur wenn die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen sehr klein ist, gibt es diese Bremseffekte nicht (Abb. 1.25). Lebende Gewebe bestehen vorwiegend aus wässrigen Gelen, in denen das Wasser durch Kapillarkräfte locker an Lipid- und Proteinfasern (Tiere) oder Cellulosefasern (Pflanzen) fixiert ist. Die wichtigsten Baustoffe des Lebens sind wässrige Gele mit verschiedenen Fasergerüsten. Am eindrucksvollsten lässt sich das am Glaskörper des Auges zeigen, das aus zu 98% aus Wasser und zu 2% aus Protein- und Glycoprotein-Fasern (Seite 196 ff) besteht. Ein riesiger gelierter Wassertropfen verbindet unser Gehirn mit dem Licht der Sonne. Jede seiner Fasern ist durch einfachen, punktförmigen Kontakt zu anderen Fasern in ein Netz geknüpft, keine einzige Faser ist frei beweglich. Das Fasernetz ist „kohärent“ (zusammenhängend). Der Glaskörper des Auges ist elastisch und kann reversibel verformt werden, als funktionelle Einheit aber ist er ein vielleicht hundertjähriges Leben lang immer nur metastabil. Die Fließgeschwindigkeit des Wassers aus dem Glaskörper heraus ist praktisch null, aber schon ein Druck mit dem Finger oder etwas Hitze oder Säure zerstören das Gebilde. Nur wenn man den Glaskörper in seiner Umgebung in Ruhe lässt, lebt und funktioniert er sehr lange. Dieses Verhalten ist typisch für metastabiles, lebendiges Gewebe, für biologische Gele (Abb. 1.26).

Abb. 1.26 Elektronenmikroskopisches Bild eines typischen wässrigen Gels. Ultradünne Fasern halten Wasser an ihren Oberflächen mit Kapillarkräften über weite Distanzen fest. Die Flüssigkeit erstarrt im großen Volumen

als Gel, obwohl die einzelnen Wassermoleküle innerhalb des Gels sehr beweglich sind. Aus J.-H. Fuhrhop, S. Svenson, C. Boettcher, E. Rössler, H.-M. Vieth, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 4301–4312.

Das Wasser in den großvolumigen, aber nur wenige Millimeter breiten Adern und in den engen Kapillaren der Niere und des Gehirns mit Durchmessern unter 0,3 mm lässt sich von außen mit Magnetresonanz- und Positronen-Emissions-Tomographen (Tomographie von griech. „Schnittbild“) sichtbar machen. Diese Apparate erzeugen zeitaufgelöste Bilder der inneren Wasservolumina und der Oberflächenfilme im Körper. Mediziner interessieren sich vor allem für die Wasserströme im Gehirn und im Herzen. Ebenso lassen sich die Strömungen

49

50

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

markierter Verbindungen, die im Blut gelöst sind, messen. Das betrifft vor allem die allgegenwärtige Glucose (Seite 52), sowohl in gesundem Gewebe als auch in Krebszellen, neben Infarkten oder an Entzündungsherden. Die örtliche und zeitliche Charakterisierung des Blutkreislaufs ist mittels der Protonen-Kernresonanz möglich, weil die Protonen der Wassermoleküle nicht nur positiv elektrisch geladen sind, sondern auch um ihre eigene Achse rotieren und dabei ein Magnetfeld B erzeugen. In einem von außen angelegten, starken Magnetfeld H sind nur zwei Ausrichtungen des Protonenmoments B möglich: Entweder liegt B parallel oder antiparallel zu den H-Feldlinien. Parallel ausgerichtete Protonen sind minimal energieärmer als antiparallel liegende. Eine Radiowelle, mit einer Frequenz die dieser Energie entspricht (Resonanzfall), wird von den Protonen absorbiert, magnetische Momente werden „umgedreht“ und erzeugen ein Signal (siehe Seite 69 f). Wird die Radiowelle abgeschaltet, schwingen die Magnetfelder B der Protonen wieder zurück in ihre alte Lage in Beziehung zum angelegten Magnetfeld H. Das geht in einer kurzen Zeit T1, wenn die Wassermoleküle sich frei bewegen können, d. h. wenn sie sich im Inneren eines größeren Wasservolumens befinden. Das geht viel langsamer, in einer langen Zeit T2, wenn die Wassermoleküle an kapillären Oberflächen, zum Beispiel an den Oberflächen fettiger Neuronenkanäle, haften. So entstehen nuancenreiche Bilder der Wasserströmungen im Körper. Ein Magnetresonanztomograph fotografiert wahlweise Schnittbilder des beweglichen T1-Wassers in Arterien oder des weniger beweglichen T2-Wassers in den Kapillaren aktiver Gehirnzentren. Das Magnetfeld durchdringt den Menschen, registriert Wasserwege und erzeugt Standphotos für tausend Euro das Stück. Die Aufnahmezeit liegt bei zehn Sekunden oder mehr, man muss also stillhalten (Abb. 1.27).

Abb. 1.27 1H-NMR-Tomographie des Kopfes. Langsame Kapillarströme schwer beweglichen Wassers an Oberflächen von Geweben aus Lipiden oder Proteinen herrschen vor (T2-Relaxationsmessung). Die 1012 Nervenzellen der grauen Substanz bestehen zu

83% aus Wasser, die weiße Substanz der Nervenfortsätze und ihrer Isolierschicht zu 70%. Die dunklen Areale sind die Wasservolumen. Quelle: http://www.rad-ro.de/ Weitere%20Kernspinbilder.htm. Mit freundlicher Genehmigung des Autors.

1.4 Rohrsysteme und Pumpen

Eine andere Messmethode ist noch empfindlicher: die Positronen-EmissionsTomographie, kurz PET. Positronen sind die positiv geladenen Antiteilchen der Elektronen. Sie entstehen bei Kernreaktionen in den Sternen (Seite 8) oder in Cyclotrons von Krankenhäusern. Beim Zusammentreffen mit Elektronen findet eine „Annihilation“ zu zwei energiereichen Lichtquanten (Photonen) statt, die gleichzeitig von der PET-Kamera registriert werden (Abb. 1.28).

Abb. 1.28 Zerfall des radioaktiven Sauerstoffs 15O zu Stickstoff 15N unter Abgabe von Positronen aus dem Kern des Sauerstoffatoms. Die Positronen stoßen auf die Elektronen aus Molekülen in der näheren

Umgebung des Zerfallsereignisses und setzen dort zwei Photonen frei, die gleichzeitig mit Lichtgeschwindigkeit nach außen dringen und dort von PET-Kameras registriert werden.

In Berlin zum Beispiel verfügen zwei Krankenhäuser über ein Cyclotron für zwei Millionen Euro und eine PET-Kamera für etwa die gleiche Summe. In ganz Deutschland steht etwa ein Gerätepaar pro Million Einwohner zur Verfügung. Jede Anlage liefert etwa tausend Bilder im Jahr. Der zu betrachtende Kopf oder die Brust mit einem kranken Herzen liegt in einer ringförmigen PET-Kamera. Frisches, mit radioaktivem 15O aus dem Cyclotron des Klinikums angereichertes Wasser wird in die Vene des rechten Arms gespritzt. Nach wenigen Sekunden erscheinen die durch den Zerfall des Radionuklids entstandenen Positronen in Herz und Gehirn, die PET-Kamera surrt und macht eine Serie von Schnittbildern. Nach zehn Minuten ist der Sauerstoff zerfallen und das erhaltene Bild zeigt schattenhaft, durch welche Hirnregionen am meisten Blut geflossen ist. Schnellere PET-Kameras können die Ströme des Wassers im Gehirn in Serien von Bildern zeitaufgelöst abbilden, was 1000 bis 3000 Euro kostet. Solche Fahrten durch das sehende und denkende Gehirn zeigen, bei genauer Proto-

51

52

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

kollführung, in welchen Bereichen die vom Auge aufgenommenen Lichtquanten verarbeitet, wo das gelesene, gehörte oder gesprochene Wort erzeugt und wahrgenommen wird, wo chemische Strukturen analysiert werden und wo die sexuellen Gedanken und Gefühle ihren Ursprung haben. Medizinischen Nutzen hat das nur, wenn die Wasserwege in die Irre laufen; und bezahlt wird dafür nur, wenn man aus den Tomographien Hinweise zur Reparatur der Leitungen erhält (Abb. 1.29).

Abb. 1.29 Typische PET-Bilder (hier: 18 FDG = 18Fluordeoxyglucose) von Gehirnarealen nach Einspritzen einer 18Fluor-Glucoselösung (Halbwertszeit 110 min) in eine Armvene. Die hellen Areale geben die Regionen des Gehirns wieder, die hören und den-

ken bzw. sprechen und denken. Im oberen Bild lernte das Gehirn einen Text, das untere zeigt ihn beim Aussprechen. Während der angegebenen Tätigkeit strömt besonders viel Blut mit 18Fluor-Glucoselösung in die hellen Areale. Aus http://www.biokurs.de/skripten.

Ein allgemein interessantes Ergebnis der Tomographie ist der Befund, dass O-Wasser, das in die Armvene eingespritzt wurde, sich nach wenigen Sekunden im Gehirn findet, obwohl die meisten der Arterien mit einem Durchmesser von 0,1 mm dort nur eine Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/h erlauben. In den großen Arterien fließt das Blut schnell, im viel verzweigten Delta der Kapillaren kriecht es, aber länger als ein paar Sekunden braucht es nirgendwo hin. Ein besonders kritisches Areal für das Rohrsystem sind die Arterienabschnitte nahe beim Herzen. Hier ist der Durchsatz an Blut besonders groß und die Ventile der Herzpumpe sind empfindlich gegenüber Verstopfungen. Wenn der Transport irgendwo stoppt, lässt der Sauerstoffmangel den Herzmuskel dort rasch sterben („Herzinfarkt“). Als oberstes Prinzip muss (wie für die Wasser-

15

1.5 Bewegliche elektrische Ladungen (Ionen)

rohrleitungen einer Stadt) gelten, dass so wenig wasserunlösliche Substanzen wie möglich ins fließende Medium gelangen sollten. Das betrifft vor allem die Fette und das Cholesterin (Seite 125 ff und 150 ff). Wasserlösliche Nahrung verstopft nicht und unlösliche Cellulose gelangt nicht ins Blut, sondern wird vom MagenDarm-Trakt ausgefiltert. Außerdem liegt auf der Hand, dass das Herz ein Muskel ist, der Training braucht. Da er täglich ununterbrochen pumpt, muss er auch täglich trainiert werden. Rumsitzen oder im Bett liegen ist kein Training. Fettsäuren und ihre Salze, die Seifen (Seite 115 ff), sind der übelste Schmutz im Abwasser und im Blut. Sie verdrecken alle Kanäle und werden mikrobiologisch nur langsam abgebaut. Spülen Sie Ihr Fett nicht im Ausguss weg, sondern werfen Sie es in den Mülleimer! Verbrennen lassen sich die Fette prima. Wenn Sie Fett essen, dann müssen Sie es natürlich auch verbrennen, am besten indem Sie Sport treiben. Nur so können Sie es wieder los werden. Auch andere Details über die Wasserströme des Blutkreislaufs kennen Ärzte schon lange: Unterkühlung verengt die Blutgefäße unter der Haut und drängt das Blut von außen nach innen, vor allem in Herz, Gehirn, Nieren und Lunge. Ein Unterkühlter darf deshalb nur sehr langsam mit Decken erwärmt werden, sonst strömt sein Blut schnell und unkontrolliert aus Herz und Gehirn in die plötzlich erweiterten Hautgefäße. Aus dem gleichen Grund sind plötzliche Wetterumschwünge gefährlich. Fällt das Thermometer um mehr als 10 8C, so steigt die Herzinfarktrate um 15%, weil das Blut sich ins Innere des Körpers drängt und der Blutdruck steigt. Einen ähnlich ausgeprägten Effekt haben Erhöhungen des Luftdrucks um mehr als 1000 Pa.

1.5 Bewegliche elektrische Ladungen (Ionen)

Eine weitere herausragende physikalische Konsequenz der Clusterbildung in flüssigem Wasser ist dessen extrem hohe Dielektrizitätskonstante. Ihr numerischer Wert ist 80 und damit doppelt so hoch wie der anderer Lösungsmittel. Auf der hohen Dielektrizitätskonstante beruht vor allem die Wasserlöslichkeit des Kochsalzes, das die Ozeane und das Blut einsalzt. Die positiv (Kationen) und negativ (Anionen) geladenen Teilchen der salzartigen Verbindungen trennen sich in Wasser voneinander, beide werden von Wasserclustern hydratisiert. Kochsalz oder Natriumchlorid, NaCl, wird in Wasser zu Na+- und Cl–-Ionen aufgespalten, das Wasser enthält dann hydratisierte negative und positive elektrische Ladungen, die für den elektrischen Betrieb der Nerven und Muskeln gebraucht werden. Die Aufspaltung in Ionen findet statt, obwohl die Bindungsenergie Na–Cl mit 107 kcal/mol höher liegt als die einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung C–C (89 kcal/mol), die in Wasser vollkommen stabil ist. NaCl dissoziiert in Wasser, Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen tun es nicht. Die Ursache dafür liegt erstens in der extremen Polarisierung des NaCl (Natrium- und Chlorid-Ionen sind schon im Kristall geladen) und zweitens in der massiv bevorzugten Hydratisierung geladener Teilchen durch polare Wassercluster.

53

54

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Ein NaCl-Kristall besteht aus harten, kugelförmigen Ionen entgegengesetzter Ladung, die im elektrischen Feld wandern (griech. ion, „das Wandernde“). Das lässt sich mit gelöstem NaCl direkt zeigen: Die Natrium-Ionen Na+ (Kationen) werden von einer negativ aufgeladenen Elektrode aus Graphit (Kathode) zu elektroneutralem Natriummetall umgewandelt („reduziert“, Elektronen werden zugeführt). An der positiv aufgeladenen Graphit-Elektrode (Anode) entsteht Chlorgas aus den Chlorid-Anionen, die oxidiert werden (Elektronen werden entzogen). Bei der Elektrolyse des gelösten Salzes werden also zunächst Natrium und Chlor gebildet, aber das Natriummetall übergibt sein Elektron sofort den Protonen des Wassers und Wasserstoffgas, H2, steigt auf: Die Lösung wird immer reicher an OH–-Ionen, sie wird basisch. Das wässrige Produkt heißt Natronlauge. Das Chlor an der Anode aber kann aufgefangen werden, seine Reaktion mit den OH–-Ionen des Wassers ist zu langsam, um zur Sauerstoffproduktion genutzt zu werden (Abb. 1.30).

Abb. 1.30 Elektrolyse einer wässrigen Salzlösung (NaCl). Das mit vier Wassermolekülen hydratisierte Chlorid-Ion wandert zur positiv geladenen Anode und gibt dort ein Elektron ab; es entsteht gasförmiges Chlor, das ohne Wasser entweicht. Die Oxidation des Wassers zu Sauerstoff findet nicht statt, weil sie

zu langsam ist. Auf der anderen Seite des Stromkreises führt die Kathode dem Natrium-Ion ein Elektron zu und reduziert es zum Natrium-Metall, welches sofort Protonen des umgebenden Wassers zu Wasserstoff reduziert.

Hydratisierte Natrium-Ionen werden von Wasser leicht aus Tonerden und anderen Silicaten herausgeschwemmt, sodass Flüsse das Natrium selektiv in die Weltmeere tragen. Das gleich häufige Kaliumion wird von den polymeren Silikat-Anionen viel fester gehalten, weil es auf Grund seiner Größe Wasser viel lockerer bindet und lieber bei den Polyanionen bleibt. Wir werden diesem Phänomen bei den Nerven und Muskeln wieder begegnen (Seite 245 ff). Der Austausch des direkt an das Metall-Kation gebundenen Wassermoleküls durch andere Wassermoleküle erfolgt bei Natrium-, Kalium- und Calcium-Ionen

1.5 Bewegliche elektrische Ladungen (Ionen)

sehr schnell (3 ´ 108 L mol–1s–1). In keiner anderen Umgebung werden die Eigenschaften der Protonen und der vier Metallkationen Na+, K+, Mg2+ und Ca2+ so scharf differenziert wie in flüssigem Wasser. So wandern im elektrischen Feld Protonen 6-mal schneller als die genannten Metallkationen. Vor allem aber hängt die Wanderungsgeschwindigkeit in Wasser sehr stark von der Temperatur ab, weil die Clustergröße mit abnehmender Temperatur steigt (siehe Seite 24). Die 48 L Wasser eines durchschnittlichen Körpers enthalten 720 g gelöstes Steinsalz, das sind 12 mol Salz oder 24 mol Ionen oder 1,4 ´ 1025 Ionen. Auf jedes gelöste Ion kommen also etwa hundert Wassermoleküle. Ähnliches gilt, wenn man das Hydratwasser gegen andere „Liganden“ austauscht. Während die Metallchloride in Wasser vollständig dissoziieren, zum – Beispiel in Magnesiumdikationhydrat Mg(H2O)2+ 6 und Chloridhydrat Cl (H2O)4, ist ein Komplex aus EDTA (Ethylendiamintetraessigsäure, A von engl. acid) und Mg2+ in Wasser völlig stabil. Nur in Säuren zerfällt er. Aber auch der Metallkomplex selbst ist geladen, beim MgEDTA zweifach negativ, und deshalb stark hydratisiert. Proteine (Kapitel 5) und Phosphate (Kapitel 6) wirken in ähnlicher Weise als Liganden für Mg2+ und Ca2+ (Abb. 1.31).

Abb. 1.31 Der Magnesium-EDTA-Komplex und seine Zersetzung mit Säure (H+). Metallionen mit zwei oder mehr positiven Ladungen bilden Metallkomplexe mit solchen Kohlenstoffverbindungen, die mittels vier, sechs oder noch mehr Sauerstoff-, Stickstoff- oder Schwefelatomen das Metall umhüllen können.

Besonders effizient sind cyclische Liganden, die sich wie eine Krone auf das Ion setzen. In diesem Fall braucht der Ligand auch keine Ladungen. Elektroneutraler Sauerstoff, ein „Kronenether“, reicht aus, um die Hydrathülle der Ionen zu verdrängen (Abb. 1.32).

Abb. 1.32 Auch für Natrium- und Kalium-Ionen gibt es biologische Liganden mit vielen „harten“, das heißt wenig verformbaren Sauerstoffatomen, die die positive Ladung umhüllen und sie aus dem Wasser in Membranen (siehe Kapitel 3) transportieren können, zum Beispiel das Nonactin. Weiche, verformbare Stickstoff- oder Schwefelatome binden nicht an Natrium und Kalium.

55

56

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Das Zellwasser des menschlichen Körpers ist Salzwasser, aber mit 15 g NaCl pro Liter ist es nur halb so konzentriert wie das heutige Meerwasser. Es entspricht dem Meerwasser vor drei Milliarden Jahren, ungefähr zu dem Zeitpunkt, an dem die biologische Evolution in Schwung kam. Heute enthalten die Ozeane 30–40 g/L, der Mensch aber unverändert 15 g/L. Wir haben die Gewohnheiten der ersten Einzeller beibehalten. Diese konservative Tendenz der Evolution, biologisch Bewährtes zu belassen, auch wenn die Umgebung sich verändert, lässt uns auf dem Meer verdursten, wenn kein Frischwasser vorhanden ist. Der hohe Salzgehalt des Meerwassers zieht das Wasser durch Osmose (siehe Seite 137) aus den Körperzellen in den Magen, dehydratisiert die Zellen und tötet sie. Haut und Niere können die Salzkonzentration in Schweiß und Urin höchstens von 1,5 auf 2% hochtreiben, 3–4%iges Meerwasser aber wirkt als tödliches Gift. Eine billige Entsalzung von Ozeanwasser in großem Stil würde das Energieproblem der Menschheit auf absehbare Zeit lösen, denn mit der heute noch ungenutzten Sahara steht eine ausreichend besonnte Anbaufläche für Bambus und Zuckerrohr zur Verfügung. Der benachbarte Atlantische Ozean könnte als Wasserquelle dienen. Mehr als einen Cent dürfte ein Kubikmeter Agrikulturwasser aber nicht kosten. Der einfachste Prozess ist die Destillation des Salzwassers mit Sonnenwärme. Auf Patmos steht eine Versuchsanalge der TU Athen: Ein Bassin ist in Rechteckbecken unterteilt und mit schwarzem Gummi ausgelegt. Über den Wasser führenden Teilen wurde ein schräges, doppeltes Glasdach angebracht, jede Wasserfläche wurde in einem geschlossenen Kasten isoliert. Das durch die Sonneneinstrahlung verdampfende Wasser kondensiert innen am Glas und läuft über Rinnen in einen Speicher. Das zurückbleibende konzentrierte Salzwasser wird nach zwei Tagen ins Meer abgelassen, neues Seewasser wird eingepumpt. Eine Verdunstungsfläche von 10 000 m2 liefert 30 m3 Süßwasser am Tag. Die Investitions- und Betriebskosten (Pumpe, Glasreinigung) sind gering. Zweitens kann man aus Wasser salzfreie Eisbrocken ausfrieren. Man dachte zuerst an das Abschleppen von Eisbergen aus der Antarktis; der erste konkrete Versuch aber wurde in Eilath (Israel) mit Abkühlen im Vakuum durchgeführt. Eine konzentrierte Salzlösung wird bei einem Druck von 3 Torr so weit heruntergekühlt, dass sie zufließendes Meerwasser zu Eis gefrieren lässt. Alternativ kann man festes Wasser in der Kälte in abtrennbaren, festen Hydraten fixieren, zum Beispiel als Propanhydrat, C3H8 ´ 17 H2O. Daraus lässt man das Propan einfach bei Raumtemperatur abdampfen und führt es wieder dem Kälteaggregat zu. Drittens gibt es poröse Harze (Ionenaustauscher), die Natrium- und Chlorid-Ionen aufnehmen und stattdessen Protonen und Hydroxylionen (also Wasser) abgeben. Mit Salzsäure und Natronlauge lässt sich das Harz dann wieder regenerieren. Viertens lässt sich das Kochsalz „abfiltrieren“, indem man das Salzwasser mit hohem Druck durch Membranen presst, die für Salze undurchlässig sind („inverse Osmose“). Ein fünftes Verfahren, die sehr ähnliche Elektrodialyse, reichert die Natrium-Ionen an einer negativ geladenen und die Chlorid-Ionen an einer positiv geladenen Elektrode an. Zwischen beide Elektroden bringt man eine Reihe von

1.5 Bewegliche elektrische Ladungen (Ionen)

natrium- und chloridselektiven Filtersystemen und erhält so in den Elektrodenräumen entsalztes Wasser. Das funktioniert gut bis zu 0,5% Salzgehalt, dann wird die Leitfähigkeit des Wassers zu gering und das Verfahren sehr langsam. Kombinierte Osmose/Dialyse-Verfahren brauchen für die Entsalzung von 1000 L Meerwasser nur 5 kWh. Sie wären für viele Anwendungen brauchbar, wenn stabiles, leicht zu reinigendes und billiges Filtermaterial in großem Maßstab zur Verfügung stünde. Das ist heute noch nicht der Fall. So bleiben vorerst wohl nur die Atommeiler als Energiequelle übrig, um den Schatz der Sahara zu heben: Man nutzt sie erst zur Stromerzeugung, die übrig bleibende Wärme dient zur Destillation. Ein großer Reaktor kann täglich 400 000 m3 entsalztes Wasser liefern, was zur Erzeugung von 200 000 Tonnen Zucker reicht. Vielleicht aber züchtet eines Tages jemand eine Bambuspflanze, die in Salzwasser wächst – das wäre sicherlich die sauberste Lösung. Wasser kann sauer oder basisch reagieren, je nachdem, wie viel hydratisierte Protonen es enthält. Unser Körperwasser hat einen pH-Wert von 7,2–7,4, ein Liter Blut oder Zellwasser enthält 10–7 mol oder 10–7 g (relative Atommasse von H+ = 1) oder ein zehntausendstel Milligramm Protonen. In 50 L Wasser eines Erwachsenen sind dann 50 ´ 10–7 g (0,005 mg) Protonen, also fast nichts. Nur der eine Liter Magensäure (pH = 1) enthält etwa ein Gramm Protonen. Überall sonst haben geringfügige Änderungen der Protonenkonzentration katastrophale Folgen. Fällt der pH des arteriellen Bluts unter 7,20 ab, kommt es zu heftigen Atembeschwerden und Kreislaufkollaps, steigt er über 7,45, folgen neuromuskuläre Reizbarkeit, muskuläre Schwäche und Krämpfe. Diese pH-Sprünge entsprechen weniger als einem tausendstel Milligramm Protonen auf 50 L Körperwasser! Jeder Bissen Nahrung erzeugt tausend Mal mehr Säure, jeder Schluck Fruchtsaft, jedes Gramm zu Kohlendioxid veratmete Glucose würde reichen, den pH des Körpers auf 5 zu senken und damit den Menschen sicher zu töten. Der Körper macht deshalb saure Getränke im Magen unschädlich und verbrennt alle Nahrung vollständig bis zur Kohlensäure, die sich spontan zu Kohlendioxid und Wasser zersetzt (Seite 65). Kohlendioxid ist ein Gas und wird mit 14 Atemzügen pro Minute regelmäßig in das Gasvolumen der Lunge aufgenommen und abgeatmet. Sie verschwindet in der Atmosphäre. Das Ausatmen rettet uns vor dem Säuretod. Das Proton der Salzsäure, HCl, verdampft aus einer wässrigen Lösung als Hydroxonium-Ion mit 20 (!) Wassermolekülen. Das H+(H2O)20-Hydrat ist aus fünf Fünfecken zusammengefügt, in denen jedes Sauerstoffatom erst zwei Wasserstoffatome fest bindet (Bindungslänge: 0,10 nm) und dann zusätzlich ein Wasserstoffatom eines benachbarten Wassermoleküls in einer Brücke fixiert (Bindungslänge 0,17 nm). Es handelt sich also wieder um die Fixierung eines fünften Wassermoleküls (siehe Seite 25). In flüssigem Wasser dauert die Übertragung eines positiv geladenen Protons von einem Wassermolekül auf ein anderes weniger als eine Nanosekunde: Der Protonentransfer ist neben dem Elektronentransfer die schnellste aller bekannten chemischen Reaktionen (Abb. 1.33).

57

58

1 Wasser: Alles fließt oder die Wandlungsphase eins

Abb. 1.33 Struktur eines gasförmigen H+(H2O)20-Clusters, auf dessen Oberfläche sich das Extraproton frei bewegt.

Wir verlassen damit das geologische Wasser und wenden uns den sechs kohlenstoffhaltigen Molekülen an den biologischen Wasserwegen zu.

Fragen zum Wasser

1. „Ein Flugzeug ist über Ottawa, Kanada, in 8000 m Höhe in eine Hagelwolke geraten und abgestürzt. Die mehrere Zentimeter großen Hagelkörner hatten bei der großen Geschwindigkeit des Jets eine Scheibe des Cockpits herausgeschlagen und beide Piloten getötet.“ Kann diese Nachricht stimmen? 2. Fische und Pflanzen erscheinen grau in 5 m Tiefe und wieder farbig im Scheinwerferlicht. Wie kommt das? 3. Die Trübung der Waldseen verschwindet im Winter. Wie kommt das? 4. Wie viel Tonnen Kohle und Kohlenwasserstoffe verbraucht ein Mensch durchschnittlich im Jahr? 5. Wie vermeidet man die Versandung einer Landschaft? 6. Wieso hat man im 20. Jahrhundert die Flüsse begradigt und welche Probleme folgten? 7. Was erwarten Sie in Hindustan? 8. Was kann man tun, um die eigenen Blutgefäße und das Herz zu pflegen? 9. Welcher Hausmüll verunreinigt das Abwasser am meisten? 10. Was verunreinigt Grundwasser am meisten? 11. Was erwarten Sie von den Ufern einer Flussbiegung? 12. Was halten Sie davon, dass Künstler die heute bekannte molekulare Welt im Großen und Ganzen ignorieren, von der Alchemie aber fasziniert waren? 13. Warum bezahlen Staaten für chemische Forschung, die sich vorwiegend um Moleküle kümmert? Warum halten ausgerechnet Geldgeber sie für nützlich und/oder interessant?

59

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr Aus dem Sechsring Glucose ist fast alles, an jedem Baum. Im Hirn ist sie Treibstoff für Sinne, Gefühle, Gedanken, und auch für jeden Traum. Wasser an Kohle hieß Evolution – ohne Schranken.

Überblick

2.1 Glucose ist das häufigste Molekül biologischen Ursprungs, der wichtigste nachwachsende Rohstoff. Sie ist ein Kohlenhydrat, besteht aus sechs Kohlenstoffatomen, die sechs Wassermoleküle mit Elektronenpaaren binden. Glucose ist eine Hexose, (CH2O)6, mit vier sekundären Alkoholgruppen H–C–OH im Innern sowie einer Formylgruppe, –CHO, und einem primären Alkohol, CH2OH, an den Enden des Moleküls. Die geometrische Form und die Chemie des Pflanzenbaustoffs Glucose sind kompliziert und von grundlegender Wichtigkeit für die Chemie der Kohlenstoffverbindungen. Die wichtigsten Reaktionen sind folgende: a) Die Addition der alkoholischen OH-Gruppe von C-5 an die Formylgruppe –CHO an C-1 führt zu einem steifen, „sesselförmigen“ PyranoseSechsring mit einer Halbacetal- an Stelle der Formylgruppe. Typisch für Sechsringe aus sechs Tetraedern sind axiale und äquatoriale Stellungen der Substituenten. Bei der Glucose stehen die alkoholischen OH-Gruppen äquatorial, die Wasserstoffatome axial. Diese Differenzierung findet bei keiner anderen Ringgröße statt.

60

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

b) Die OH-Gruppe des Halbacetals an C-1 kann die äquatoriale Position gegen die axiale vertauschen. Der Halbacetalkohlenstoff C-1 ist die chemisch reaktivste Einheit der Natur. Wasserabspaltung (Kondensation) führt zu Cellulose- und Stärkepolymeren, Oxidation leitet den Abbau zu Kohlendioxid ein, Dehydrierungen führen zu Quervernetzungen mit Proteinen, zur Alterung und zum Tod biologischer Gewebe. 2.2 Lebendes Pflanzenmaterial besteht zu mehr als neunzig Gewichtsprozent aus Wasser. Der Rest sind Rohrsysteme (Wurzeln, Stämme, Blätter, Äste usw.) aus dem Glucose-Polymer Cellulose, wovon alljährlich 1,5 ´ 1011 Tonnen auf der Erde synthetisiert werden. Cellulose ist eine lineare Kette aus etwa tausend bis zehntausend Glucosegliedern, wobei die OH-Gruppe des Halbacetals an C-1 mit einem OH-Proton des Alkohols an C-4 Wasser abspaltet und ein polymeres 1,4-Vollacetal bildet. Diese Ketten verfilzen sich über seitliche OH···OH-Wasserstoffbrücken zu Cellulosefasern, dem Grundmaterial der Baumstämme. Die gleichen Wasserstoffbrücken fixieren Druckfarben auf der Cellulose des Papiers. 2.3 Die Stärke in Kartoffeln, Getreide und Reis ist ein 1,4-Vollacetal-Glucosepolymer. Seine Glucoseeinheiten stehen senkrecht aufeinander, wodurch wasserlösliche, innen hohle Helices entstehen. Der Innenraum der Helix ist wasserabstoßend (hydrophob). Cyclische Abbauprodukte der Stärke (Cyclodextrine) wirken als Transportmaterial für hydrophobe Substanzen im Blut und als Bewahrer der Kopfnote in Parfums. Glucose ist der einzige in großen Mengen nachwachsende Rohstoff der Erde. Pflanzen erzeugen mit der Energiequelle Sonne etwa 1011 Tonnen Glucose im Jahr (16 Tonnen/Mensch) aus Kohlendioxid und Wasser (Photosynthese, siehe Kapitel 6) (Abb. 2.1). Die Kultivierung der Wüsten und des Graslands könnten das vervielfachen. Glucose liefert direkt oder indirekt alle Nahrungsmittel. Aus ihr entstanden im Laufe der Erdgeschichte durch mikrobiologisch-geologische Dehydratisierung und Reduktion auch die Treibstoffe der heutigen Zivilisation, insbesondere Erdöl, Erdgas und Kohle. Auch der brasilianische „Bioalkohol“ stammt aus Glucose (Gärung).

Abb. 2.1 Die ungefähre Größe der jährlich durch Photosynthese der Pflanzen erzeugten Glucosemasse in Form eines fiktiven Würfels mit einer Kantenlänge von mehr als fünf Kilometern.

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Kohlenhydrate sind 1 : 1-Verbindungen des Wassers („Hydrat“) mit dem Element Kohlenstoff. Die Summenformel der Kohlenhydrate ist (CH2O)n. Glucose ist eine Hexose, also ist n = 6. Vier H–C–OH-Gruppen im Innern des Moleküls, eine Formylgruppe –CHO mit einem Wasserstoffatom weniger und ein primärer Alkohol –CH2OH mit einem Wasserstoffatom mehr bilden die beiden Enden der Kette. Die lebendigen Gewebe der Pflanzen bestehen zu über 90% aus Wasser und zu fast 10% aus unterschiedlichen Rohrsystemen (Wurzeln, Holzfasern, Blättern, Ästen usw.), die das Wasser durch den Organismus leiten. Rohre und Stützmaterial sind vorwiegend aus polymerer (griech. „vielgliedriger“) Glucose, meist Cellulose. Das wichtigste tote Pflanzenmaterial, das Holz, ist komplexer Struktur. Neben vernetzter Cellulose enthält es vorwiegend schlecht definiertes Lignin (Seite 188 f). Die Architektur des elementaren Pflanzenbausteins Glucose ist nicht einfach und nicht trivial. Glucose ist ein komplexes, durch und durch optimiertes, äußerst vielseitiges Molekül. Das gilt für die physikalischen Eigenschaften des Baumaterials Glucose ebenso wie für die chemischen Reaktionen der Energiequelle Glucose. Sie baut die wunderbaren Bäume fast alleine auf und ihre Fähigkeit, in den Wasserbahnen des Gehirns schnell zu Kohlendioxid zu „verbrennen“, die das Sehen, Hören, Denken und Fühlen der Menschen und Tiere möglich macht, ist phänomenal.

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Das Element Kohlenstoff hat die Ordnungszahl sechs, ein Kohlenstoffatom enthält also sechs Protonen im Kern und sechs Elektronen in der Schale. Zwei der sechs Elektronen befinden sich in einem nah am Kern gelegenen Orbital und spielen – wie beim Sauerstoff (Seite 23) – keine Rolle in der chemischen Bindung. Die anderen vier Elektronen aber besetzen einzeln vier Orbitale, die in die Ecken eines Tetraeders zeigen, wenn Kohlenstoff sich mit vier anderen Atomen verbindet. Das Kohlenstofftetraeder ist die zentrale atomare Matrix in der Architektur sowohl der wasserähnlichen Glucose dieses Kapitels als auch der fettigen Kohlenwasserstoffketten des Lecithins, dem Grundbaustein tierischer und pflanzlicher Zellmembranen, dem Molekül des nächsten Kapitels. Das einfachste Molekül mit einem einzigen tetraedrischen Kohlenstoffatom heißt Methan: Vier Wasserstoffatome lagern hier vier Elektronen in die vier Tetraederorbitale ein, in allen vier Orbitalen schwingt ein Elektronenpaar zwischen einem Kohlenstoff- und einem Wasserstoffatom. Das entspricht vier kovalenten chemischen Bindungen, wobei „kovalent“ meint, dass das bindende Elektronenpaar gleichermaßen zu beiden Atomen gehört: Es hält sich sowohl in den Orbitalen des Wasserstoffs als auch denen des Kohlenstoffs auf. Die C–H-Bindung ist 100 pm lang (1 pm = 10–12 m) und damit 30% länger als die H–H-Bindung (70 pm) (Abb. 2.2).

61

62

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Abb. 2.2 Modell des Methans mit vier Wasserstoffatomen an den Ecken eines Kohlenstoff-Tetraeders. Drei Atome H–C–H bilden eine Ebene, die beiden anderen Wasserstoffatome liegen vor und hinter dieser Ebene. Das Molekül ist also nicht eben. Wenn die

Wasserstoffatome von beliebigen anderen Atomen oder Gruppen (zum Beispiel –OH oder –CH2–) ersetzt werden, ändert sich die Struktur des Tetraeders kaum. So sehen die meisten Bausteine der Kohlenhydrate und Fettsäuren aus.

CH4 ist die Muttersubstanz der Alkane, Verbindungen, die nur aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen, und findet sich unter der Erde in Erdgaslagern. Kohlenwasserstoffe entstehen durch Dehydratisierung (Wasserabspaltung) und Hydrierung (Wasserstoffanlagerung) aus der Glucose abgestorbener Pflanzen tief im Erdreich. Die Hitze des Erdkerns (siehe Seite 266) und der Druck der auflagernden Erde treibt zuerst das Wasser aus und reduzierende Bodenbakterien hydrieren C=C-Doppelbindungen. In der feuchten Erde fließt das so gebildete Erdgas oder Erdöl wegen seiner Wasserunlöslichkeit zusammen, steigt dann auf Grund seines geringen Gewichts nach oben und sammelt sich in Höhlen unterhalb undurchlässiger Silicatschichten als „Lagerstätte“ oder „Reservoir“. Wir werden den CH2-Ketten der Kohlenwasserstoffe in Kapitel 3 als Bausteine der Fettsäuren wieder begegnen. Im Zusammenhang mit der Glucose interessiert nur die dreidimensionale Gestalt des Kohlenstofftetraeders: drei Atome, zum Beispiel H–C–H, bilden eine Ebene, die beiden anderen, beliebigen „Substituenten“ liegen dann vor und hinter dieser Ebene. Die Bindungskraft einer C–C-, C–O- oder C–H-Bindung liegt bei knapp 100 kcal/mol und ist damit mehr als doppelt so hoch wie die Energie der Lichtquanten sichtbarer oder ultravioletter Sonnenstrahlung. Organische Verbindungen überleben deshalb im Sonnenlicht. Glucose ist ein Kohlenhydrat, ihre Summenformel heißt C6(H2O)6, jedes Kohlenstoffmolekül ist tetraedrisch und trägt ein Wassermolekül – so entsteht eine Kette aus sekundären Alkoholgruppen. Solche Einheiten mit Kohlenstoffatomen, die jeweils nur eine einzige OH-Gruppe tragen, heißen „Alkohol“; Glucose enthält fünf davon und ist damit ein Pentaalkohol. Das sechste Kohlenstoffatom aber gehört zu einem dehydrierten Alkohol, einem Aldehyd, mit einer C=O-Doppelbindung (Abb. 2.3).

Abb. 2.3 Strukturformel der offenkettigen Glucose mit fünf Alkohol- und einer endständigen Aldehydgruppe.

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Alle sechs Kohlenstoffatome der Glucose sind funktionell: Glucose hat sechs funktionelle Gruppen, fünf vom Alkoholtyp und einen Aldehyd. Dementsprechend komplex sind die möglichen Reaktionen der Glucose. Der Charakter der Alkohole und Aldehyde und ihre Wechselspiele untereinander und mit dem Wasser der Umwelt lassen sich in Kohlenstoff-SauerstoffVerbindungen mit nur einer funktionellen Gruppe am leichtesten erkennen. Methanol ist der einfachste Alkohol, Formaldehyd der einfachste Aldehyd: Beide haben nur ein einziges Kohlenstoffatom und eine einzige funktionelle Gruppe. Methanol, CH3OH, hat die gleiche Tetraedergestalt wie Methan und wie fünf der sechs Kohlenstoffatome der Glucose. Die Hydroxylgruppe –OH macht das Molekül wasserlöslich, während das Methangas ungelöst durch Wasser perlt. Die OH-Gruppen des Methanols spalten leicht ihr Proton ab und entziehen sauerstoffhaltigen Säuren deren OH-Gruppen in Form von Wasser. Das ist die einfachste, spontan ablaufende „Veresterung“: Säuren mit leicht abspaltbaren OH-Gruppen plus Alkohol ergeben Ester plus Wasser. Diese Reaktion bestimmt die Chemie der Fette, des Lecithins und der Seifen und wird in Kapitel 3 vorherrschen (Seite 125). Hier geben wir nur eine einfache Reaktion des Methanols mit Borsäure, B(OH)3, an, in der bei einfacher Mischung der beiden polaren Komponenten der leichtflüchtige Triester B(OCH3)3 entsteht und Wasser (Abb. 2.4).

Abb. 2.4 Veresterung der Borsäure, B(OH)3. Diese Reaktion wird zur Quervernetzung der Cellulose (Seite 77) mit Borax verwendet.

Veresterung mit Säuren ist die erste wichtige Reaktion der Alkohole, Oxidation zu Aldehyden, Ketonen, Carbonsäuren und Kohlendioxid eine zweite, auf die wir am Ende dieses Unterkapitels zurückkommen werden. Zwischen primären Alkoholen R–CH2OH und sekundären Alkoholen R1–CR2OH (R steht für eine Kohlenwasserstoffgruppe) besteht kein nennenswerter Unterschied, sie reagieren sehr ähnlich. Der Aldehyd aber ist ganz anders, was am Beispiel des Formaldehyds gezeigt werden soll (lat. formica, „Ameise“ – Ameisen haben Ameisensäure, HCOOH auf ihrem Chitinpanzer und wehren damit Bodenbakterien ab). Formaldehyd, CH2O, mit einem doppelt gebundenen Sauerstoffatom ist vollkommen eben und wie Methanol in allen Verhältnissen mit Wasser mischbar. Dabei ist die C=O-Bindung extrem polar – das Kohlenstoffatom überträgt eines der beiden Elektronenpaare der C=O-Doppelbindung weitgehend auf das Sauerstoffatom, welches so eine „halbe“ negative Ladung erhält; am Kohlenstoffatom bleibt eine „halbe“ positive Ladung zurück. Diese Polarisierung führt dazu, dass Formaldehyd in wässriger Umgebung ein Wassermolekül anlagert – der negative Sauerstoff nimmt ein Proton auf, der positive Kohlenstoff eine OH-Gruppe. Alkohole, Sulfide und Amine verhalten sich ähnlich. Außerdem reagiert

63

64

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Formaldehyd auch schnell mit sich selbst, was in Abwesenheit besonderer Katalysatoren zum Sechsring des Formalins führt. C(+) addiert sich dabei an O(–). Die Aldehydgruppe –CHO (Formyl, Endsilbe -al) ist die reaktivste und damit „chemisch gefährlichste“ aller funktionellen Gruppen. An Formylgruppen lagern sich fast alle anderen reaktiven Gruppen der organischen Chemie an und Aldehyde sind bei der Synthese biologischer Verbindungen und beim Abbau der Nahrung im Stoffwechsel weit verbreitet. Ihre Lebenszeit und Konzentration wird im lebenden Organismus aus gutem chemischen Grund so niedrig wie möglich gehalten, weil ihre schnellen Reaktionen schwer zu kontrollieren sind und leicht zu Quervernetzungen von Proteinen führen. Da der häufigste Nahrungsstoff, die Glucose, neben fünf OH-Gruppen auch eine durch Cyclisierung (Seite 59, 68 f) leicht entschärfte –CHO-Gruppe enthält, richtet sich der gesamte Metabolismus unseres Körpers nach dieser Besonderheit und konzentriert sich auf die Entschärfung der C=O-Doppelbindung von Aldehyden. Einerseits müssen wir „mit der Glucose leben“, denn auf die 1011 Tonnen Glucosepolymere, die die Pflanzen jährlich herstellen (Seite 60, 82, 274 ff), können wir nicht verzichten, und das Gehirn lebt vom Monomeren. Andererseits ist der Aldehyd der Glucose wahrscheinlich die Hauptursache der Quervernetzungen von Proteinen des Körpergewebes, die den Prozess des Alterns und Sterbens einleiten. Chemiker nutzen die Reaktivität von C-1 vor allem dazu, Glucose und andere Kohlenhydrate an Fremdmoleküle zu binden, insbesondere an Proteine (Kapitel 4) oder Nucleinsäuren (Kapitel 5). Die OH-Gruppe an C-1 reagiert in vielen Fällen einige zehntausend Mal schneller als die alkoholischen OH-Gruppen, sodass man die Polyole (Mehrfachalkohole) direkt einsetzen kann und nur C-1 reagiert. Auch die analogen Ketone (Endsilbe: -on), in denen die C–H-Bindung der Aldehyde (-CHO) durch eine C–C-Bindung ersetzt ist (C–CO–C), sind kurzlebige Zwischenverbindungen des Metabolismus (z. B. Brenztraubensäure, CH3COCOOH; Acetessigsäure, CH3COCH2COOH) oder auch krank machende Endprodukte der Zuckerkrankheit (Aceton, CH3COCH3; siehe Seite 209). Dieses

Abb. 2.5 a) Molekülstrukturen von Methanol und Formaldehyd; b) Bildung des Formaldehyd-Hydrats durch Addition eines Protons und einer OH-Gruppe an die polarisierten Atome des Formaldehyds (Mesomerie) und eines Acetals aus Methanol und Formaldehyd. Die Verbindung mit einer OH- und einer OCH3-Gruppe heißt Halbacetal. c) Spontane Trimerisierung des Formaldehyds zum Formalin.

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Phänomen ist typisch für die Chemie des Lebens: Die reaktiven Nahrungsstoffe bringen Lebensenergie und tragen gleichzeitig Krankheit und Tod in sich. Außerdem ist Formaldehyd wie alle Aldehyde ein starkes Reduktionsmittel (Abb. 2.6).

Abb. 2.6 Die Oxidationszahl eines Kohlenstoffatoms in seinen Verbindungen wird durch die Art seiner Substituenten bestimmt. Jede Bindung zu Sauerstoff liefert den Beitrag +1, jede Bindung zum Wasserstoff –1 und zum Kohlenstoff 0. Zwei Bindungen zum Sauerstoff im Formaldehyd bedeuten

+2, zwei zum Wasserstoff –2. Der Kohlenstoff hat die Oxidationszahl null. In der Ameisensäure gibt es drei Bindungen zum Sauerstoff (+3) und nur eine zum Wasserstoff (–1). Der Kohlenstoff hat die Oxidationszahl +2.

Der molekulare Sauerstoff der Luft oxidiert es spontan zu Ameisensäure: Kohlendioxid ist das gasförmige Endprodukt aller Kohlenstoffverbindungen, die im Metabolismus der Tiere und Menschen oder im Feuer der Industrie mit dem Sauerstoff der Luft verbrannt werden. Am schnellsten geht das bei der Explosion von Kohlenwasserstoffgasen in den Motoren der Autos, langsamer und bei niedriger Temperatur bei der Veratmung der Nahrungsmittel in unserem Körper. Das Ausatmen entfernt das CO2 mit jedem Atemstoß aus dem Körper und sorgt ein Leben lang etwa alle vier Sekunden dafür, dass sich in unserem Körper keine Säuren anreichern. Der Gehalt an Protonen in Blut und Zellwasser bleibt nur wegen der dauernden Abatmung des Kohlendioxids konstant bei 10–7 g Protonen im Liter oder bei einem hundertstel Milligramm (10–5 g) in 100 L Wasser (pH = 7)! Das ist extrem wenig, wenn man bedenkt, dass 100 g Glucose bei der Veratmung 7 g Protonen liefern. Nichts davon kommt jedoch ins Blut, weil sich die Kohlensäure in den Lungenbläschen zu Wasser und CO2 zersetzt, das abgeatmet wird (Abb. 2.7).

Abb. 2.7 Von links nach rechts: Molekülstrukturen des Kohlendioxids (reagiert mit Wasser), der Kohlensäure, des Hydrogencarbonat- und des Carbonat-Anions. Der Kohlenstoff hat in allen Verbindungen vier Bindungen zum Sauerstoff, seine Oxidationszahl ist durchweg +4.

65

66

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Kohlenmonoxid, CO, entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen und durch Wasserabspaltung aus Ameisensäure, HCOOH. Das Sauerstoffatom bildet mit dem Kohlenstoff hier eine extrem hitzestabile Dreifachbindung und das Kohlenstoffatom trägt ein ungebundenes Elektronenpaar. Letzteres bewirkt eine ungewöhnliche negative Ladung am Kohlenstoffatom („normal“ ist eine Polarisierung C(+)–O(–)). Kohlenmonoxid lagert sich deshalb mit seinem negativen Kohlenstoffende an viele positiv geladene Metallionen an. Auf diese Weise blockiert es z. B. die biologische Funktion des Häms, molekularen Sauerstoff anzulagern und zu aktivieren (Seite 280 f und 283). CO ist in Wasser wenig löslich, bildet aber kein Hydrat. Bei einer Hydratation, die zu Ameisensäure führte, müsste der negativ geladene OH-Anteil des Wassers an den positiv geladenen Sauerstoff des CO binden. Solche O–O-Einfachbindungen (Peroxide) bilden sich aber nicht spontan, dazu sind sie zu repulsiv, zu antibindend, zu energiereich (Abb. 2.8).

Abb. 2.8 a) Im Kohlenmonoxid ist der Kohlenstoff partiell negativ geladen, weil die obere Elektronenverteilung überwiegt (das Kohlenstoffatom hat dort fünf Elektronen statt vier wie im neutralen Atom). b) CO lagert sich an verschiedene Eisenkomplexe mit dem Kohlenstoffatom an (siehe Seite 282). Wasser reagiert nicht mit CO; die Bindung von H+ würde noch funktionieren (rechts),

aber bei der Anlagerung von OH– entstünde eine energiereiche O–O-Einfachbindung (Peroxid). Das Gleichgewicht liegt vollkommen auf der linken Seite. Der Kohlenstoff im CO hat zwar drei Bindungen zum Sauerstoff, die Oxidationszahl sollte also +3 sein. Die negative Ladung am Kohlenstoff muss aber abgezogen werden, also +2.

Aldehyde greifen die OH-Gruppen von Wasser und Alkoholen an, über deren Sauerstoffatom sich eine C–O–C-Brücke bildet; das Proton der OH-Gruppe wird dabei vom Sauerstoffatom des Aldehyds aufgenommen, die C=O-Doppelbindung verschwindet. Zwar könnten alle fünf sekundären Alkoholeinheiten der Glucose intramolekular an den Aldehyd addieren, aber vorzugsweise entstehen immer Sechsringe aus fünf Kohlenstofftetraedern und einem Sauerstoffatom (Pyranosen) oder Fünfringe (Furanosen) mit nur vier Kohlenstoffatomen. Der Sechsring ist nicht eben, sondern „sesselförmig“. Er besteht aus einer in sich geschlossenen Zickzack-Kette. Wasserstoff und andere Substituenten an diesem Kohlenstoffgerüst stehen entweder senkrecht auf der Kette („axial“) oder sie setzen die Zickzack-Ketten des Kohlenstoffs fort (links und rechts), liegen also parallel zu den beiden verdrehten Bindungen, die die cyclische Form der Kette bewirken („äquatorial“). Diese eindeutige Aufteilung der Substituenten auf zwei unterschiedliche Lagen ist einzigartig für den sesselförmigen Sechsring. Nur bei den Sechsringverbindungen, insbesondere den Kohlenhydraten und den

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Steroiden, tritt die axiale oder äquatoriale Verknüpfung aller Substituenten auf, also auch die von mehreren miteinander verknüpften Cyclohexanringen. Das hat drastische Folgen für die Architektur, Wechselwirkung mit Wasser und die biologische Aktivität der Kohlenhydrate und Steroide. Zwei beliebige Substituenten an verschiedenen Kohlenstoffatomen eines Rings können entweder auf der gleichen Seite des Rings stehen (beide darüber oder beide darunter – cis-Anordnung) oder auf entgegengesetzten Seiten liegen (eine darüber, eine darunter – trans-Anordnung). Die axiale und die äquatoriale Lage befinden sich durch einfache thermische Bewegung im Gleichgewicht, das aber bei großen Substituenten, zum Beispiel einem Sauerstoffatom, immer mehr auf der äquatorialen Seite liegt. Cis- und trans-Anordnung können nicht vertauscht werden. Abbildung 2.9 zeigt die beweglichen Moleküle, in denen die Methylgruppen, CH3, ihre Lage verändern können, vor dem Hintergrund flüssigen Wassers. Man nennt verschiedene Anordnungen der Substituenten in ein und demselben Molekül, die sich durch thermische Bewegungen ineinander umwandeln, „Konformere“. Isolierbare Moleküle mit unterschiedlicher räumlicher Anordnung der Bindung zu gleichen Substituenten an gleichen Kohlenstoffgerüsten (wie cis-trans-Verbindungen) heißen hingegen „Diastereomere“ (Abb. 2.9).

Abb. 2.9 Konformere und Diastereomere des Cyclohexans. Das trans-Konformer (je eine Methylgruppe ober- und unterhalb der Cyclohexanebene) mit den beiden äquatorial liegenden Methylgruppen bewegt sich kaum, was durch den Mauersteinuntergrund sym-

bolisiert wird. Alle anderen Konformere sind beweglich wie eine Wasseroberfläche im Wind, weil sie entweder energiereich sind oder sich vom anderen Konformer energetisch nicht unterscheiden.

Bei hohen Temperaturen und sehr hohem Druck verlieren Kohlenhydrate Wasser. Übrig bleibt Kohlenstoff, meist als Kohle (Seite 173). Bei sehr hohem Druck und hoher Temperatur kann auch ein Diamant entstehen, eine gigan-

67

68

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

tisch große, glasklare, endlose Folge von Kohlenstoff-Tetraedern, ein dreidimensionales Netz aus Cyclohexanringen ohne Wasserstoff. Man kann aus einem Stück Zucker ebenso wie aus der Asche eines Toten einen glitzernden Schmuckstein produzieren, wenn man den Ausgangsstoff hoch genug erhitzt und hinreichend hohem Druck aussetzt. Jedes Kohlenstoffatom bindet in allen Richtungen des Tetraeders insgesamt vier andere Kohlenstoffatome mit einer Bindungsenergie von je 100 kcal/mol. Der Kristall ist so hart, dass er Glas ritzt, ohne dabei Material zu verlieren (Abb. 2.10).

Abb. 2.10 Struktur des Diamanten. Alle Kohlenstofftetraeder sind in starren Cyclohexaneinheiten ohne Wasserstoffsubstituenten kovalent miteinander verknüpft. Die Summenformel für einen 2 g schweren Diamanten lautet C23 10 oder C100 000 000 000 000 000 000 000.

Nachdem wir die funktionellen Gruppen und das cyclohexanartige Kohlenstoffgerüst der Glucose kennen gelernt haben, ist es an der Zeit, die „Kohlenhydratformel“ C6(H2O)6 zu beschreiben. Alle Einzelheiten der Architektur (Bindungslängen und -winkel, Beweglichkeit, Süßkraft und so weiter) und des Verhaltens der Glucose in Pflanzen und im Menschen sind heute gut bekannt. Das Forschungsthema Glucosestruktur und -reaktivität ist für Chemiker im Wesentlichen abgeschlossen. Aber man muss seine Ergebnisse kennen, um die Glucose, den bedeutendsten nachwachsenden Rohstoff auf der Erde, nutzen zu können, was bis heute nur wenig effektiv geschieht. Betrachten wir zunächst die offenkettige Form der Glucose in Abbildung 2.11. Fünf der sechs Kohlenstoffatome ähneln zunächst dem Sauerstoffatom des Wassers (Seite 23) – auch sie stehen im Zentrum eines Tetraeders. Die molekulare Gestalt des Glucose-Sechsrings mit fünf C–C- und zwei C–O-Bindungen ähnelt strukturell dem Sauerstoff-Sechsring des eingefrorenen Wassers, der nur auf losen Wasserstoffbrücken beruht, auf verblüffende Weise. Daraus erklärt sich auch die gute Löslichkeit des relativ schweren Glucosemoleküls und die überragende Bedeutung der Glucose im Blutkreislauf und in den engen Wasserwegen des Gehirns. Das Glucose-Molekül „passt“ ins Wasser, obwohl seine relative Molekülmasse (180) zehn Mal höher ist als die des Wassers (18). Wie unterscheidet man analytisch die verschiedenen chemischen Strukturen, etwa den offenkettigen Aldehyd und das cyclische Acetal der Abbildung 2.11? Die wichtigste, allgemeinste Methode zur Analyse der Struktur und Beweglich-

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Abb. 2.11 Die offenkettige Glucose und ihr spontaner Ringschluss zu einem Sechsring-Halbacetal, zu einer Pyranose. Gezeigt ist rechts das a-isomere Acetal mit einer axialen OH-Gruppe an C-1. Das äquatoriale b-Diastereomer zeigt die Abbildung auf Seite 59.

keit von Kohlenstoffverbindungen ist die 1H- oder Protonen-NMR-Spektroskopie (NMR: engl. nuclear magnetic resonance, „kernmagnetische Resonanz“). Protonen sind nämlich nicht nur positiv elektrisch geladene Atomkerne des Wasserstoffatoms (Seite 11), sondern sie rotieren auch um ihre eigene Achse und erzeugen dabei ein atomares Magnetfeld B. Das kann man analytisch nutzen. In einem von außen angelegten starken Magnetfeld H sind für den Atomkern nur zwei Ausrichtungen dieses atomaren Magnetfelds B möglich: entweder liegt es parallel oder antiparallel zu den Feldlinien des angelegten Magnetfelds H. Parallel ausgerichtete Protonen sind dabei minimal energieärmer als antiparallel liegende. Je stärker das angelegte Magnetfeld H ist, desto höher ist, desto größer wird die Energie Bantiparallel bezogen auf Bparallel. Eine Radiowelle, die dieser Energiedifferenz entspricht (Resonanzfall), wird von den Protonen absorbiert und erzeugt ein Resonanz-Absorptionssignal. Je nach der molekularen Umgebung der Protonen 1H ist diese Absorption um einige Millionstel Teile (ppm, parts per million) des Magnetfelds H zu höherer oder niedrigerer Feldstärke verschoben. Je größer H ist, desto besser ist die Trennung unterschiedlicher Signale, die Auflösung des Spektrums. Die Lösung eines Moleküls aus Kohlenstoffatomen mit Protonen erzeugt ein Kernresonanz-Spektrum mit Signalen für jedes Proton mit im Voraus berechenbaren DH-Werten (Abb. 2.12).

Abb. 2.12 Prinzip der magnetischen Resonanz. Die magnetischen Momente der Protonen werden in starken Magnetfeldern parallel oder antiparallel zum Magnetfeld ausgerichtet und mit der Energie einer eingestrahlten Radiowelle „umgeklappt“. Die Absorption der Radiowellen ergibt das NMR-Spektrum, die moderne Grundlage aller Strukturbestimmungen in Lösung.

69

70

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Die wichtigsten Strukturinformationen, die man aus Kernresonanz- oder H-NMR-Spektren entnehmen kann, sind: · Die Anzahl der Absorptionsbanden entspricht der Zahl der Wasserstoffatome in unterscheidbarer chemischer Umgebung. Im Ethanol gibt es zum Beispiel CH3, CH2 und OH-Protonen. Dementsprechend findet man im NMR-Spektrum drei voneinander getrennte Protonensignale. · Die Flächenverhältnisse oder Integrale der Absorptionsbanden entsprechen der relativen Anzahl der Atome, also findet man bei CH3, CH2 und OH Signale mit einem Flächenverhältnis von 3 : 2 : 1. Integralkurven werden bei jedem NMR-Spektrum mitgeliefert. · Die Feinaufspaltungen der Banden charakterisieren die Nachbarschaft der Atome. Neben der CH3-Gruppe liegt zum Beispiel eine CH2-Gruppe mit zwei Protonen. Deren magnetische Momente spalten das Signal der CH3-Gruppe in ein Triplett auf, die drei Protonen der CH3-Gruppe machen hingegen aus dem Protonensignal der benachbarten CH2-Gruppe ein Quartett. · Die Abhängigkeit der Breiten der Banden von der Temperatur spiegelt die Beweglichkeit der Moleküle wider: Träge Moleküle produzieren breite Signale. Verschwinden Protonensignale in Gegenwart von D2O, so weist das auf OH oder NH hin. 1

Als Beispiel sei das einfache Spektrum des Ethanols kurz beschrieben. Ethanol enthält drei verschiedene Typen von Protonen: drei Methylprotonen (CH3), zwei Methylenprotonen (CH2), ein Hydroxylproton (OH). Die Lage der Protonensignale ist typisch für das Atom, an dem sie hängen: CH2 neben Sauerstoff erscheint bei niedrigerem Feld (höheren ppm-Werten) als CH3 neben Kohlenstoff. CH2 gibt hier ein Quartettsignal, weil es mit den magnetischen Momenten von drei benachbarten CH3-Protonen koppelt. CH3 produziert ein Triplettsignal, weil es nur mit zwei CH2-Protonen koppelt. Das OH-Protonensignal im Zent-

Abb. 2.13 Protonen-Kernresonanz-Spektrum (1H-NMR) des Ethanols. Das Signal der CH3-Gruppe bei 1,2 ppm ist ein Triplett, weil die beiden benachbarten Protonen der CH2-Gruppe den Spinzustand ::, ;; oder :; haben – die Hälfte der Moleküle ist :; ausgerichtet und je ein Viertel ;; oder ::. Dementsprechend ist die mittlere Linie des Tripletts (a) doppelt so hoch wie die beiden äu-

ßeren. Die CH2-Gruppe erzeugt ein Quartett, weil die Elektronen der drei Protonen der CH3-Gruppen die Ausrichtungen :::, ::;, ;;: und ;;; aufweisen. Das OH-Proton wird schnell zwischen den Molekülen ausgetauscht, bewirkt deshalb keine Aufspaltungen und zeigt entsprechend seiner wechselnden Position ein breites Signal. Ein Zusatz von D2O löscht ausschließlich dieses Signal.

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

rum verschwindet, wenn man das Ethanol in Deuteriumoxid, D2O, löst – es ist nur locker an den Sauerstoff gebunden, es ist im Gegensatz zu den anderen Protonen leicht sauer. Weil das OH-Proton zwischen den Sauerstoffatomen hinund herspringt, ist sein Signal auch breiter als die CH-Signale (Abb. 2.13). Das NMR-Spektrum der Glucose ist zu komplex, um hier im Detail besprochen zu werden; die fünf CHOH-Signale liegen dicht nebeneinander und sind nur schwer bestimmten Protonen zuzuordnen. Es bedarf einiger zusätzlicher Experimente dazu. 1 H-NMR-Spektroskopie lässt sich auch am Menschen durchführen, denn dieser besteht fast nur aus Wasser (³ 99% der Moleküle), das vom Herzen umgepumpt wird. In großen Arterien bewegt es sich schnell, in Kapillaren und an Oberflächen sehr langsam (siehe Seite 48 ff). Mit Positronen markierte bewegliche Fremdkörper (Nahrungs- und Arzneimittel mit 17F) können ebenso lokalisiert werden wie unbewegliche Wucherungen unter viel T2-Wasser (Seite 50 ff). Eine wichtige Eigenschaft der Kohlenstofftetraeder der Kohlenhydrate betrifft ihre Chiralität („Händigkeit“). Unsere Hände haben eine „chirale“ (griech. chiros, „Hand“) Symmetrie: Rechte und linke Hand gleichen einander wie Bild und Spiegelbild, sie können aber nicht zur Deckung gebracht werden, wenn man sie gleichgerichtet übereinander legt. Ähnlich „händig“ oder „chiral“ sind die beiden enantiomeren Glucosemoleküle, D- und L-Glucose. Auch jedes der vier einzelnen Kohlenstoffatome im Innern der Glucosekette, die vier verschiedene Substituenten (zum Beispiel H, CHO, CH2OH und CHOH) tragen, ist für sich genommen chiral (es existieren zwei spiegelbildliche Anordnungen der Substituenten). Tauscht man sämtliche linkshändigen Kohlenstoffatome (S-Kohlenstoff; lat. sinister, „links“) gegen rechtshändige aus (R-Kohlenstoff; lat. rectus, „rechts“), so wird aus L-Glucose die D-Glucose. Wechselt hingegen nur eine einzige OH-Gruppe ihre Position – wird also nur aus einem S-Kohlenstoffatom ein R-Kohlenstoffatom, während die anderen die alte Stellung behalten –, so entsteht kein Spiegelbild, sondern ein Diastereomer. Diastereomere sind Stereoisomere, die sich weder durch Drehung um eine Einfachbindung noch durch Spiegelung ineinander überführen lassen. Die wichtigsten Diastereomere sind erstens cis-trans-Isomere von Alkenen (etwa Öl- und Eicosansäure, Seite 123) oder Cyclen (cis- und trans-Dimethylcyclohexan, Seite 67). Wichtig sind die axialen Wasserstoffatome; sie erzeugen eine steife, hydrophobe Kante. Fassen wir zusammen: Enantiomere sind also Stereoisomere, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten; Diastereomere sind Stereoisomere, die sich nicht spiegelbildlich verhalten. Stereoisomere sind Moleküle mit der gleichen Anzahl und Art von Atomen und Bindungen zwischen ihnen, die sich nur durch die räumliche Anordnung der Atome unterscheiden. Die linke und die rechte Hand können Sie fest ineinander falten: Der tief liegende Daumen bildet eine ausgezeichnete Klammer. Viele L- und D-Glucose-Derivate schließen sich zu linksgängigen oder rechtsgängigen Schrauben (Helices) zusammen, die sich ebenfalls sofort ineinander falten, und sich dabei in planare Blattstrukturen verwandeln, wenn man sie in Wasser mischt (Abb. 2.14)

71

72

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Abb. 2.14 Die Händigkeit oder Chiralität der L- und D-b-Glucosemoleküle. Die L-Glucose ist das Spiegelbild der D-Glucose (aber nicht identisch mit ihr!), weil die vier mit einem Stern markierten Kohlenstoffatome vier verschiedene Substituenten in unterschiedlicher Reihefolge tragen (1, 2, 3, 4 bzw. 4, 3, 2, 1), so wie die rechte Hand links mit dem Daumen anfängt, während bei der linken Hand der kleine Finger zuerst kommt. Der einfachste Nachweis dieser Chiralität in Form der „optischen Aktivität“ beruht auf der Messung der Drehung der Schwingungsebene polarisierten Lichts, die man seit 200 Jahren kennt. Am Anfang der räumlichen

Chemie biologischer Verbindungen stand folgender Befund: Verbindungen biologischen Ursprungs sind optisch aktiv, die gleichen Verbindungen aus der Retorte des Chemikers nicht. Die Ursache dafür ist nicht eine ursprünglich vermutete „Lebenskraft“, sondern die enzymgesteuerte Synthese der Natur, die immer nur zu einem der chiralen Produkte führt. Die einfache chemische Synthese hingegen liefert beide Produkte, rechtsund linksdrehend, in gleicher Menge. Man nannte dies ein racemisches Gemisch (griech. racemus, „Weintraube“), weil auch Weinsäure in natürlichen Quellen links- und rechtsdrehend produziert wird.

Molekulare Helices bilden in Wasser und anderen Lösungsmitteln stabile Gele, weil Kapillarkräfte die Flüssigkeiten an diesen ultradünnen Stäben mit großer Oberfläche festhalten. Vereinen sich links- und rechtsgängige Helices zu Blattstrukturen (starren Kristallebenen), so fallen diese aus und das nun fluide, nicht mehr gelierte Lösungsmittel, steht darüber. Blattstrukturen sind inaktives, totes, kristallines Material am Boden oder an der Oberfläche des Wasservolumens, während Helices feingliedrige, ins Wasser integrierte Netze bilden. Biologische, lebendige Gewebe sind wässrige Gele, in denen sich helikale Stäbe nur tangential berühren, wenn sie einander nahe kommen, aber nicht auskristallisieren. Die beiden wichtigsten Prinzipien der biologischen Architektur heißen Chiralität und Kurvatur: Alle Bausteine sind chiral oder fettig und bilden dünne Helices oder Membranen, und alle ausgedehnten Bauelemente sind rund. Aus der Einhaltung dieser Prinzipien folgt, dass die biologischen Organismen aus

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Abb. 2.15 Links: Helices aus reinen D-Gluconamiden mit kurzer (C8) und reinem L-Gluconamid mit langer Seitenkette (C12). Beide Gluconamide haben in den Helices eine

gekrümmte Gestalt. Rechts: Nach einiger Zeit bilden sich racemische Doppelschichten als Blattstrukturen mit geradkettigen Kopfgruppen.

der Evolution nicht auskristallisieren wie der Sand und die Steine der Erdgeschichte (Abb. 2.15). Der Glaskörper des Auges ist ein Gel mit 99% Wasser. Muskeln, Nerven, Gehirn, Geist und Gefühl bilden Gele mit einem unentwirrbaren Netzwerk von Wasserwegen mit insgesamt 70–80 Gewichtsprozent Wasser. Selbst das anscheinend so feste Knochengerüst, das tot, als Schädel und Skelett, dem Felsen gleicht, enthält im lebendigen Zustand ein fein gesponnenes Gel namens Knochenmark, das in jeder Sekunde 3,5 Millionen Hämoglobinmoleküle erzeugt und in die wunderbar flexiblen Erythrocyten packt (Seite 289), die unser Blut beleben (Abb. 2.16).

Abb. 2.16 Das Gel des Glaskörpers des Auges ist ein lebenslang haltbarer, wässriger Körper aus chiralen, glucosehaltigen Fasern und 99% Wasser. Die Fasern nehmen ein relativ großes Volumen ein, bestehen aber selbst zum größten Teil aus Hydratwasser. Das gibt ihnen die perfekte Transparenz, die wir täglich erleben.

73

74

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Öffnet man den Sechsring der Glucose zur offenen Kette, so wird der reaktive Aldehyd freigelegt. In diesem Zustand lässt sich die C–H-Bindung extrem leicht oxidieren, der freigesetzte Aldehyd ist ein Reduktionsmittel, das schnell zum Peroxid und zur Carbonsäure (–COOH) oxidiert wird (Abb. 2.17).

Abb. 2.17 Oxidation der Aldehydgruppe –CHO durch ein Peroxid zur Carbonsäure –COOH.

Die Oxidation überführt Glucose in Gluconsäure, die wegen ihrer vielen OHGruppen selbst in Form der Schwermetall-Salze sehr gut wasserlöslich ist. So benutzt man Eisen(III)-gluconat als Blut bildendes Mittel, während Calcium(II)gluconat als gängigstes Calcium-Präparat beim Aufbau der Knochen bei Osteoporose hilft. Der Nachweis von Glucose im Harn eines Zuckerkranken (Seite 209) gelingt leicht mit Silbernitrat, AgNO3, oder Kupfer(II)-Komplexen, die elementares Silbermetall in Form eines Spiegels an der Glaswand des Reagenzglases oder rotes Kupfer(I)-oxid bilden (Abb. 2.18).

Abb. 2.18 Oxidation der Glucose durch Silbersalze, die zu metallischem Silber reduziert werden.

Die Zuckersäuren bilden mit Aminen offenkettige Zuckeramide, zum Beispiel die diastereomeren Glucon-, Mannon- und Galactonamide. Beim Gluconamid krümmt sich die ebene Zickzack-Konformation (all-anti) wegen zweier OHGruppen an C-2 und C-4, die in der Zickzack-Kette direkt hintereinander liegen und sonst kollabieren würden. Diese Situation tritt weder beim Galactonamid noch beim Mannonamid auf. Das gekrümmte Molekül liefert dünne, helicale Fasern (Gluconamid), die beiden linearen Moleküle lagern sich zu Bändern zu-

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Abb. 2.19 Elektronenmikroskopische Bilder von Glucon-, Galacton- und Mannonamid-Fasern zeigen, dass die Krümmung der Fasern von der Krümmung der offenkettigen gestreckten Moleküle bestimmt wird. Gluconamid ist stark verbogen, weil die beiden oberen OH-Gruppen auf derselben Seite stehen, wenn man das Molekül so streckt, dass es sich leicht in Kristalle packen lässt; dann berühren sich aber die OH-Gruppen und das

Molekül versucht durch Biegung auszuweichen. Bei Galactonamid und Mannonamid kann die gestreckte Konformation planar sein, weil die abwechselnd stehenden OHSubstituenten nicht in Kontakt kommen. Entsprechend sind die Fasern aufgerollte Blätter oder gedrehte Bänder, keine eng gewickelten Rohre. Aus J.-H. Fuhrhop, C. Boettcher, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 1768–1776.

sammen (Galactonamid, Mannonamid), die sich aufrollen und ausfallen. Nur aus dem helicalen Gluconamid entstehen wasserklare, stabile Gele (Abb. 2.19). Die meisten bekannten Kohlenstoffverbindungen sind geologisch stabil, was bedeutet, dass sie bei Raumtemperatur viele Jahre lang an der Luft gelagert werden können. Die Hitze eines Feuers aber verbrennt sie oder zersetzt sie (griech. Pyrolyse) oder biologische Organismen verdauen sie, fressen sie auf (Metabolismus). Nach dem Tod der Organismen führt mikrobiologischer Abbau im Erdreich langsam zu Erdgas, Erdöl und Kohle, in der Atmosphäre zu Kohlendioxid. Leben und Feuer setzen Kohlenstoffverbindungen der dauernden chemischen Umwandlung aus. Der oxidative Abbau der Glucose in wässriger Lösung betrifft jedes einzelne Kohlenstoffatom. Nacheinander, schrittweise, behutsam – bio-logisch eben – wird die Oxidationszahl jedes Kohlenstoffatoms auf +4 erhöht. Die Oxidationszahl von Kohlenstoffatomen ergibt sich aus der Art der direkt gebundenen Atome: Wasserstoff gilt als Reduktionselement (–1), Sauerstoff als Oxidationselement (+1 bei einer C–O-Einfachbindung und +2 bei einer C=O-Doppelbindung). Kohlenstoff ist weder reduzierend noch oxidierend, er hat als Substituent die Oxidationszahl null, die dann durch gebundenen Wasserstoff erniedrigt und durch Sauerstoff erhöht wird. Den sechs Kohlenstoffatomen der Glucose sind dementsprechend die Oxidationszahlen +1, 0, 0, 0, 0, –1 zugeordnet; die Oxidationszahlen des Kohlenstoffs in Glucose summieren sich zu null. Das bedeutet, die Wirkungen der Wasserstoff- und der Sauerstoffatome heben einander gerade auf, was bei der Summenformel C6(H2O)6 – ein Kohlenstoffatom pro Was-

75

76

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

sermolekül – auch plausibel ist. In Kohlenwasserstoffen mit vielen C–H-Bindungen ist die Oxidationszahl des Kohlenstoffs immer negativ, in Verbindungen mit vielen C=O-Gruppen wird sie positiv (Abb. 2.20).

0

–1 0

0 0

+1

Abb. 2.20 Oxidationszahlen der einzelnen Kohlenstoffatome der Glucose und des Gesamtmoleküls (H zählt +1, O zählt –1).

Für unsere Körperzellen ist die Verbrennung von Glucose mit Sauerstoff zu sechs Molekülen Kohlendioxid die wichtigste Energiequelle. Dabei werden alle Kohlenstoffatome von der durchschnittlichen Oxidationszahl 0 zu +4 oxidiert. Das setzt viel Wärme frei. In der Flamme eines Streichholzes verglüht alles Leben, im menschlichen Körper aber verbrennt die Glucose in Wasser bei 37 8C und das Oxidationspotenzial liegt nahe 0 V, was für biologische Zellen seit Beginn der Evolution typisch ist (auch Seite 279). C6H12O6 + 6 O2 ? 6 CO2 + 6 H2O + 140 kcal Summe der Oxidationszahlen der Kohlenstoffatome: linke Seite: 0 ? rechte Seite: + 24 Im Gehirn läuft die Reaktionsfolge zum oxidativen Abbau der Glucose anders und heißt dort Glycolyse (griech. „Süßstoffspaltung“) und braucht als essentielle Reaktionspartner ATP (siehe Seite 239 ff) und NAD+ (Seite 273) (Abb. 2.21).

Abb. 2.21 Schematische Zusammenfassung des Abbaus der Glucose in der Glycolyse.

2.1 Glucose: Struktur, Eigenschaften, Reaktivität

Die Glucose selbst und viele ihrer Oxidationsprodukte wirken als Quervernetzer der Proteine in Muskeln und Nerven und beschleunigen so das Altern differenzierter Organismen. Besonders potent sind dabei zwei nebeneinander liegende Carbonylgruppen. Aminseitenketten der Proteine „verzuckern“ in unseren Nerven und Muskeln mit a-Ketoglucose und bilden gruselig braune „advanced glycation end“-Produkte (AGE). Das sind widerlich harte, leblose Cyclen mit Stickstoff, die elastische Fasern mit paralysierenden Versteifungen blockieren, tote Areale in lebendem Gewebe bilden und dessen Funktion behindern. Das Molekulargewicht einzelner Proteinstränge wird durch Quervernetzung vervielfacht, Muskeln, Nerven und Rohrleitungen verharzen, der molekulare Tod hat stattgefunden. Die Alkoholgruppen der Glucose, CHOH, sind im Vergleich zu den Aldehydgruppen chemisch harmlos (Abb. 2.22).

Abb. 2.22 Quervernetzung von Proteinen durch Glucose. Ein AGE wird gebildet und beide betroffenen Proteinstränge, vielleicht Membranproteine oder Enzyme, haben ihre Funktionalität verloren. Jetzt sind sie tot und stören nur noch.

Wir schließen mit ein paar Bemerkungen zur Synthese der Glucose. Die in Abbildung 2.4 formulierte Cyclisierung des Formaldehyds zu Formalin ist keine Kohlenhydratsynthese, weil dort keine C–C-Bindung geknüpft, also das Kohlenstoffgerüst nicht vergrößert wurde. Die Molekülvergrößerung erfolgte durch Bildung von C–O–C-Bindungen, die durch Wasser wieder gespalten (hydrolysiert) werden. Ein Zusatz von Calciumhydroxid erzwingt stattdessen die Bildung eines C–C-verknüpften Dimers des Formaldehyds, des Glycolaldehyds, einer Diose (das ist ein Zucker mit zwei Kohlenstoffatomen). Warum funktioniert das so? Formaldehyd ist ein extrem wasserlösliches Gas, das aus der Atmosphäre sofort ausregnet, falls es dort gebildet wird. Negativ geladene Oberflächen von in Wasser aufgeschlämmtem Kalk (Calciumhydroxid, Ca(OH)2), der in den ersten Ozeanen der Erde wahrscheinlich allgegenwärtig war, aber lagern ihr Hydroxid am Formaldehyd an, erzeugen eine negative Ladung am Kohlenstoffatom, ein Carbanion. Damit reagiert Formaldehyd, CH2O, dessen Kohlenstoffatom eine

77

78

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

partielle positive Ladung (Mesomerie, Abb. 2.23) trägt, leicht zu Glyconaldehyd (CH2O)2 oder trimerisiert zu Glycerinaldehyd (CH2O)3 und anderen Kohlenhydraten (Abb. 2.23).

Abb. 2.23 Formaldehyd, CH2O, ist einerseits stark polar, weil in der C=O-Doppelbindung das Elektronenpaar gemäß C(+)-O(–) zum Sauerstoff verschoben ist. Ist der Formaldehyd an Kalk gebunden, spaltet er in geringem Maße ein Proton ab, es entsteht ein

sehr reaktives C–-Ion. Das gibt sein Elektronenpaar viel schneller an ein benachbartes Formaldehyd-Molekül ab als der Sauerstoff. Statt der C-O-Bindung des Formalins entsteht eine C–C-Bindung, eine „organische“ Synthese hat stattgefunden.

Ein anderes primitives Syntheseschema benutzt UV-Licht als Energiequelle zur „präbiotischen“ Photosynthese. Dabei bilden sich aus Kohlendioxid in vernachlässigbar kleiner Ausbeute zunächst Kohlenmonoxid und Sauerstoff, dann auch Wasserstoff, Formaldehyd und Folgeprodukte (Abb. 2.24): Abb. 2.24 Das UV-Licht der Sonne spaltet das in Planetenatmosphären allgegenwärtige Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid, CO, und Wasser, H2O; das wiederum zerfällt in Wasserstoffatome, HN, und Hydroxylradikale, HON. Aus diesen Produkten entsteht etwas Formaldehyd, das in Gegenwart von anorganischem Kalk spontan zu Kohlenhydraten (CH2O)n weiterreagiert (siehe vorige Abbildung).

2.2 Cellulose

Diese Art der chemischen Synthese komplexer Naturstoffe aus einfachen Vorläufern unter primitiven Bedingungen heißt als Forschungsgebiet „präbiotische Chemie“ und war bislang wenig hilfreich, die „chemische Evolution“ der Naturstoffe zu begreifen. Nach 50 Jahren präbiotischer Forschung klafft die Lücke zwischen der lebenden und der toten Materie hoffnungslos auseinander und wir verstehen die Entstehung des Lebens nicht – und selbst der Zusatz „noch nicht“ erscheint nach zwei Jahrhunderten Naturstoffchemie in kleinsten und größten Dimensionen, in längsten und kürzesten Zeiten und bei höchsten und niedrigsten Energiezuständen unangemessen optimistisch. Pflanzen nutzen das sichtbare Sonnenlicht seit Jahrmillionen extrem effizient, synthetisieren Glucose aus Kohlendioxid und Wasser, indem sie zuerst Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzen (Elementarprozess der Photosynthese), dann den Sauerstoff in die Atmosphäre abblasen und mit Kohlendioxid und Wasserstoff an Proteinoberflächen gezielt und stereospezifisch „biologische“ Glucosechemie betreiben. Diese biologische Synthese ist hochinteressant, wird immer noch intensiv untersucht und genutzt; die Formaldehydgeschichte aber ist nur etwas für Anfänger, denen man zeigen möchte, wie man Kohlenstoffgerüste aufbauen kann. Also – nutzen wir die Produkte der Biologie als Molekularbauern, als Biotechnologen in großem Stil! Kümmern wir uns vor allem um die Cellulose, von der Jahr für Jahr 1011 Tonnen nachwachsen.

2.2 Cellulose

Cellulose, der Stoff, aus dem die Pflanzen sind, besteht aus etwa 1000–10 000 Glucosemolekülen, die durch Abspaltung von Wassermolekülen (Kondensation) linear und kovalent miteinander verbunden sind. Je einer von zwei benachbarten Glucoseringen stellt dafür eine äquatorialständige OH-Gruppe des Halbacetals an C-1 zur Verfügung (Seite 69), der andere liefert das Proton einer ebenfalls äquatorialständigen OH-Gruppe an C-4. Der übrig bleibende Sauerstoff (2OH ? O + H2O) zwischen C-1 und C-4 ist dann das Kettenglied des CellulosePolymers, eines Polyacetals. Das 1,4-b-verknüpfte Dimer der Glucose, die Grundeinheit der Cellulose, heißt Cellobiose (b bedeutet dabei oberhalb der Cyclohexanebene stehend und an C-1 äquatorial, a ist unten und an C-1 axial). Wasseranlagerung (Hydrolyse) zerlegt die Cellulosekette zu Glucose, was am einfachsten durch Zugabe von Salzsäure in Gegenwart des Enzyms Cellulase und nach endlosem Zermahlen der Fasern (Wiederkäuen) im Kuhmagen gelingt. Für Menschen ist die Cellulose des Papiers (ca. 3000 Glucosemoleküle) oder der Baumwolle (6000 Einheiten) unverdaulich. Ein einzelnes Cellulosemolekül ist etwa 4 lm lang und wird nach der Anfärbung mit geeigneten Kontrastmitteln im Elektronenmikroskop sichtbar. Faserbündel sieht man auch unter dem Lichtmikroskop (Abb. 2.25).

79

80

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Abb. 2.25 Strukturformeln von Cellobiose und ihrem Polymer, der Cellulose. Im Hintergrund das elektronenmikroskopische Bild einer pflanzlichen Celluloseschicht, darüber ein Modell von vier übereinander gewickelten Schichten.

Glucose wird in der Cellulose zu einem wasserfesten und eleganten Baustein molekularer Bauten. Die kovalent gebundenen Wassermoleküle der Kohlenhydrate sind in den Cellulosefasern in Form eines flachliegenden S, einer elementaren stehenden Welle am Kohlenstoff, gebunden und diese Welle passt wiederum perfekt in die des gefrorenen Wassers. Das Grundelement von wässrigem Eis und reiner Cellulose ist ein wellenförmiger Sechsring. Glucose, das Kohlenhydrat, überträgt so das Motiv gefrorenen Wassers in die starren Gerüste der Pflanzen und versieht jene, die keine Knochen haben, mit festen Faserbündeln. Bäume sind die größten Glucosebauten. Cellulosefasern lagern sich über Wasserstoffbrücken zu Kapillaren zusammen, viele solcher Kapillaren werden durch Phenol miteinander vernetzt (Seite 188 f) und wachsen in die Höhe. Ein

2.2 Cellulose

Baumstamm entsteht. Kapillarkräfte pumpen Wasser in die Blätter der Baumkrone, deren Feuchtigkeit unter der Sonne verdunstet. Eben diese Blätter sind auch die Quelle des Baumaterials Glucose, das sie aus Wasser und Kohlendioxid durch Photosynthese (Seite 274 ff) herstellen. Der Stamm wächst schnell in die Höhe und hebt die Krone aus der Schattenund Fraßzone der Erde heraus. Mit den Jahren verdickt sich der Stamm. Sonne, Wasser, Kohlendioxid, Salze und ein in Jahrmillionen entwickelter Bauplan sind alles, was zum Eigenbau einer Eiche nötig ist. Cellulose formt auch die Blätter, vernetzt sich flach und breit mit Lignin und wendet die Chlorophyllsegel der Sonne zu. Stille Maschinenräume zur Wasserspaltung und Zuckersynthese flattern im Wind und ernähren Tier und Mensch (Abb. 2.26).

Abb. 2.26 Das Wassertransportsystem eines Blatts aus verholzten Rohren (vgl. Seite 188). Der vom Blatt erzeugte Zucker wird in den Stamm transportiert, das Wasser stammt aus Erde und Wurzel. Der Käfer ernährt sich von dem Zuckerwasser und bohrt Löcher in die Rohre.

Die Cellulosefasern des Holzes schwingen sowohl in dicken als auch in dünnen Brettern bei unterschiedlichsten Frequenzen. Dicke Holzstäbe, die mit einem harten Stab angeschlagen werden, bilden die Grundlage des afrikanischen Musizierens mit dem Xylophon (griech. xylon, „Holz“; phone, „Klang“), die Resonanz von Cellulosekästen verschiedener Form und Dichte gibt dem Klavier und der Geige ihren vollen Klang. Das nur etwa 3 mm dicke Klangbrett der Geigen braucht „Weichholz“ (zum Beispiel norwegische Fichte, die eine vollkommene Resonanz mit den Schwingungen von Collagen-Saiten aus Schafsdär-

81

82

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

men eingeht (Seite 197) und Steifheit, Festigkeit und schöne Maserung in sich vereint). Das römische Fichtenholz für Stradivari-Geigen wurde mit Kochsalzund Boratlösungen gewaschen, wodurch Poren im dünnen Brett entstanden, in die Borsäure eindringen und die Cellulose quervernetzen konnte (Seite 63 und 87). Auf diese Weise war das Brett immun gegen Pilzbefall und bereit zur Aufnahme von viel Oberflächenlack (Glasur). Das Rückenbrett der Geige ist dicker und besteht aus wenig schwingendem Hartholz, zum Beispiel Ahorn. Der Schall des unteren, schwingenden Bretts wird schließlich durch Luft im Hohlkörper der Geige in Töne verwandelt und durch das Loch im Schallbrett freigelassen. Die wichtigsten Nutzpflanzen des Menschen aber sind noch vor den Bäumen die Gräser. Jährlich werden 2 Mrd. Tonnen Reis, Weizen, Mais für den Menschen und 3,5 Mrd. Tonnen Futtermittel für Rind, Schwein, Schaf und Ziege geerntet. Jeder Mensch verbraucht direkt oder indirekt eine Tonne Gras im Jahr. Nicht zuletzt besteht auch der Blütenschmuck der Sommerwiesen aus Glucose (Abb. 2.27). In Deutschland werden jährlich 30 Millionen Kubikmeter Holz eingeschlagen. Ein Drittel davon wird in Papier verwandelt, das zu 60–95% aus Cellulose-

Abb. 2.27 Grashalme – das wichtigste Reservoir für Nahrungsmittel wie Brot, Reis und die Produkte der Kuh (Seite 119).

2.2 Cellulose

fasern besteht, dem Rohmaterial „Zellstoff“. Laubholz liefert 1 mm lange Fasern. Nadelholzfasern sind 3-mal länger, meist wird Fichte verwendet. Fichtenspäne enthalten 30% Lignin (siehe Seite 189), was bei der Papierherstellung besondere „Aufschließverfahren“ notwendig macht: Das Lignin muss weg, weil es im Papierbrei Klumpen erzeugt, die sich aus dem trockenen Papier nicht mehr entfernen lassen. Die Späne werden zum Zweck der Ligninbeseitigung mit Natronlauge, Sulfid, Sulfat und Carbonat unter einen Druck von 10 atm gesetzt und fünf Stunden lang auf 180 8C erhitzt. Das derart oxidierte und sulfonierte Lignin löst sich als „Schwarzlauge“. Der Zellstoff wird über groben Filtern abgepresst und mit Chlor in Natronlauge vorsichtig in sechs Stufen gebleicht, wobei immer wieder mit Natronlauge gewaschen wird. Danach strömen große Mengen von Wasser in die Papierfabrik, die ohne reine Gewässer oder eigenen Brunnen in der Nähe nicht existieren kann. Das meiste Wasser geht in die Aufschlämmung des Zellstoffs und der Füllstoffe. Eigene Abwasserreinigungsanlagen erlauben mehrere Kreisläufe des Waschwassers und schließlich die Rückführung in das Gewässer. Die turbulenten Kräfte rotierender Laufräder zersetzen den Faserbrei und erzeugen schließlich eine 5%ige Suspension der Cellulosefasern, die noch viele Stippen (Zellstoffflächen bis zu Fingernagelgröße) enthält. Gegeneinander rotierende Zahnringe entstippen die Suspension, bevor sie über ein Siebband in eine gleichmäßig nasse Bahn überführt wird. Viel Wasser verschafft den Fasern Freiraum zur ungestörten Ausrichtung und Netzbildung und es verhindert die Bildung von Flocken. Es folgen etliche Walzen, oft mit umlaufenden Filztüchern bedeckt, die die Papierbahn zusammenpressen und weitergehend entwässern. Die Papierbahn ist jetzt „fest“, ihre Cellulosefasern sind miteinander verfilzt. Tonnenweise wird das Papier zwischen beheizten rotierenden Zylindern endgültig getrocknet und aufgerollt. Eine Papiermaschine ist bis zu 10 m breit, die Papierbahn fährt 70–80 km/h schnell und wiegt nach einem Tag 600 t (Abb. 2.28).

Abb. 2.28 Der Vierfarbdruck in einer Druckmaschine verlangt eine hohe mechanische Festigkeit des Papiers. Die Cellulosefasern bewältigen das, wenn man sie richtig miteinander verfilzt – vergleichbar mit einem

Blatt im Sturm, bei dem die Verankerung im Ast nicht reißen darf. Nach R. Baufeldt, M. Dorra, H. Rösner, J. Scheuermann, H. Walk, Informationen übertragen und drucken, Beruf und Schule, Itzehoe, 1993.

83

84

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Die beschriebene Papierfabrikation würde nicht funktionieren, wenn die Cellulose nicht eine enorme mechanische Reißfestigkeit und Steifheit mitbringen würde, die sie schon in den grünen Blättern der Bäume auszeichnet. Ein Blatt Papier ist dasselbe in Weiß und ohne Wachs an der Oberfläche. Es besteht aus Cellulosefasern, Stärkeleim und Füllstoffen. Qualitätsmerkmale des Papiers sind eine gleichmäßige Massenverteilung, die sich bei der Betrachtung gegen das Licht als homogene Wolkigkeit zeigt, Festigkeit in Maschinenlaufrichtung und senkrecht dazu, Weiße und Glanz, Glätte sowie das Saugverhalten im Druck und beim Beschreiben. Um Qualitätspapier herzustellen, braucht man eine gute Maschine und optimale Füllstoffe. Die wichtigste technische Voraussetzung für homogene Massenverteilung, Glanz und Glätte ist eine schnelle Strömung des Papierbreis ohne Pumpenpulsationen in den Zuführungsrohren zur Papierbahn. Festigkeit, Weiße, Glanz und Saugverhalten beruhen auf Füllstoffen, die in das Netzwerk der Cellulosefasern integriert werden. Da ist zuerst eine Stärkelösung in Wasser, die als „Leim“ die Poren verschließt. Im Verlauf der Trocknung füllt sie alle Faserzwischenräume. Das so geleimte Papier verlässt die Papiermaschine und wird danach gestrichen. Die Streichfarbe bestimmt den gleichmäßigen Farbton, das Saugverhalten, den Glanz und auch die Nassfestigkeit. Sie wird als Emulsion aufgewalzt. Man benutzt vor allem Kaolin (Tongestein, Aluminiumsilicate) und Kalk (Calciumcarbonat), die auf dem Stärkeleim hervorragend haften. Gegeneinander rotierende, aneinander gepresste Hartguss- und Papierwalzen bilden schließlich Glättwerke und Satinierkalander. Die harte Walze drückt sich in die Papierwalze, die Papierbahn wird dazwischen zusammengepresst, reibt sich an beiden und wird gleichzeitig erhitzt und befeuchtet. Das Papier wird auf diese Weise „satiniert“, was heißt, dass seine Oberfläche ein paar hundert Jahre lang glatt, saugfähig und glänzend bleibt. Langlebigkeit ist besonders für beschriebenes oder bedrucktes Papier wichtig. „Beschrieben“ wird mit Graphit (Bleistift), Farbstoff (Tinte) oder Paste (Kugelschreiber), gedruckt wird mit einer Druckerfarbe und einem Druckverfahren. Die Druckqualität wird vor allem von der Reaktion zwischen Farbe und Papier bestimmt. Die Druckfarbe muss innerhalb von Sekundenbruchteilen in das Papier eindringen („wegschlagen“) und darf nicht verlaufen. Außerdem darf sich die Oberfläche des Papiers unter der Druckerpresse nicht verändern, das Material darf nicht „rupfen“. Leimen, Streichen und Satinieren haben dafür die Voraussetzung geschaffen (Abb. 2.29). Beim klassischen Hochdruckverfahren liegen die druckenden Flächen höher als die nicht druckenden. Die Farbübertragung erfolgt weniger durch Druck als durch sanften Kontakt, durch Adhäsion der viskosen Farbpaste am Bedruckstoff. Hochdruck eignet sich vor allem für Wellpappe, die nur unter geringfügigster Pressung bedruckt werden darf. Beim Rotationstiefdruck werden an Kupferkanten auf Zylindern die zu druckenden Flächen eingeätzt (klassisch) oder eingraviert (modern). Die Zylinder werden mit dünnflüssiger Druckfarbe eingefärbt, die durch die Saugkraft des zwischen ihnen durchlaufenden Papiers übertragen wird. Die Lösungsmittel verdampfen schnell, eine federnde Stahl-

2.2 Cellulose

Abb. 2.29 Die Saugkraft und Steifheit der Cellulosefasern ist die materielle Grundlage aller Druckverfahren auf Papier. Beim Hochdruck wird die dünne Farbschicht aufgepresst, beim Tiefdruck saugt das Papier die flüssige Farbe auf, beim Offsetdruck werden feuchte, pastöse Pasten aufgedrückt.

klinge („Rakel“) schabt überflüssige Farbe ab. Vier hintereinander geschaltete Zylinder erzeugen einen Vierfarbendruck. Im Flachdruck befinden sich die druckenden und nicht druckenden Flächen auf nahezu der gleichen Ebene. Drucken und Nichtdrucken beruht auf der Abstoßung von Fett und Wasser. Die druckenden Stellen auf Aluminiumplatten oder Karton werden so präpariert, dass sie Wasser abstoßen, die nichtdruckenden Stellen dagegen sind wasserfreundlich. Beim Mehrfarbendruck wird „nass in nass“ gedruckt – weder die Farbe noch die Wasserschicht ist abgetrocknet, wenn die nächste Farbe auf das Papier kommt. Das Papier wird also nicht nur durch die Druckfarbe, sondern zusätzlich durch Wasser feucht. Leimung, Imprägnierung, Faserfestigkeit und Konditionierung beim Satinieren und eine optimale Klimatisierung der Räume sorgen dafür, dass das Papier mit Wasser so träge reagiert, dass die Dehnung durch Aufquellen erst eintritt, wenn alle Farben aufgetragen sind. Offset-Druckfarben sind hochviskos, rupfen bei der Übertragung am Papier und neigen außerdem beim Trocknen zum Stauben. Sie enthalten oft Leinöle, die durch Oxidation mit Luftsauerstoff verharzen oder „getrocknet“ werden. Bei hohen Druckgeschwindigkeiten geschieht diese Verharzung bei 180 8C, wobei überschüssiges Öl und Restfeuchtigkeit auch verdampfen. Diese Verharzung erfolgt am besten bei einem pH-Wert von 5. Bei höheren pH-Werten werden die Wasser abstoßenden Stellen der Druckform hydrolysiert und angelöst, der Druck wird unscharf, bei zu niedrigem pH wird die Verharzung und damit der Druckprozess zu langsam. Der Offsetdruck ist extrem anspruchsvoll an das Papier, andererseits ist er vielseitig und anpassungsfähig und die Gummituchformen sind preisgünstig. Für den Druck zu Hause eignen sich Tintenstrahl- und Laserdruck. Der Tintenstrahl ist eine Serie schnell geschleuderter Tintentropfen aus Kapillaren. Das funktioniert aufgrund der niedrigen Viskosität des Wassers, der Formstabilität und dem schnellen Abreißen kleiner Wassertropfen. Der Prozess wird von den

85

86

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Wasserclustern und der hohen Oberflächenspannung des Wassers begünstigt (Seite 25). Der Laserdruck hingegen beruht auf der elektrischen Aufladung der Cellulose, die ähnlich funktioniert, wie die Aufladung der Wolken: Die beiden Oberflächen des Papierblattes laden sich beim Erhitzen unterschiedlich auf und an der positiv geladenen Oberseite haften die Graphitpartikeln („Toner“), wo sie dann von einer Presse fixiert werden (Abb. 2.30).

Abb. 2.30 Funktionsweise eines Laserdruckers. Eine Elektrode lädt das Papier oberflächlich positiv auf, elektronenreiches Kohlepulver wird angesogen und danach auf dem Papier festgedrückt. Pulverreste werden abgebürstet, bevor das nächste Bild auf die Trommel gedruckt wird. Blätter aus Kohlen-

hydraten eignen sich wie die Wasserwolken am Himmel zur reversiblen Aufladung durch elektrische Felder. Nach R. Baufeldt, M. Dorra, H. Rösner, J. Scheuermann, H. Walk, Informationen übertragen und drucken, Beruf und Schule, Itzehoe, 1993.

Papier altert im Laufe von Jahrhunderten durch Oxidation. Dabei platzen die Stärkehäufchen des Kleisters durch Austrocknung und Quervernetzung und sammeln ihr Material an den Kreuzungspunkten der Cellulosefasern. Bei der Oxidation entstandene Carbonyl- und Carboxylgruppen vernetzen vor allem amorphe Bereiche mit eng zusammenliegenden Alkoholgruppen. Das Papier wird wasserabstoßend und spröde. Es ist also die bewegliche Stärke, die das starre Gerüst der Cellulosefasern in biegsames, wenig sprödes Papier verwandelt, und es ist die molekular-dünne Stärkehelix, die schließlich als Erste zerstört wird (Abb. 2.31). Mit den Cellulosefasern der Baumstämme ist das Kapitel über Cellobiose-Polymere noch nicht abgeschlossen. Es gibt Feineres und Festeres – die Baumwolle (engl. cotton). Baumwoll-Fasern stammen aus Gossypum-Büschen, die auf sandigem Grund in warm-feuchtem Klima wachsen. Baumwollplantagen verbrauchen viel Wasser und Schädlingsbekämpfungsmittel. Bis zu 50% der Welternte fallen jährlich Parasiten und Krankheiten zum Opfer. Etwa 100 Tage nach der Aussaat entwickelt die Pflanze weiße Blütenstände aus Knospen, deren Farbe über rosa und blau zu violett wird, wenn die Blüten austrocknen und schließ-

2.2 Cellulose

Abb. 2.31 Papier altert durch oxidative Quervernetzung ähnlich wie der menschliche Körper durch AGE (siehe Seite 77).

lich zu Boden fallen. Samenkapseln oder Schoten (amer. bolls) bilden sich innerhalb von 60–80 weiteren Tagen. In den Schoten, die erstaunlich groß werden, erscheinen die Samenhaare oder Baumwollfasern, die Linters. Die walnussgroßen reifen Früchte werden gesammelt, platzen nach der Reife und geben ein faustgroßes Büschel feiner weißer Zellen aus 2–5 cm langen Langhaaren frei, die etwa 10 000 Glucosemoleküle pro Cellulosefaser enthalten. Der Durchmesser eines einzelnen Samenpaars liegt bei 20 lm oder 20 000 nm; es besteht aus tausenden von Cellulosefasern großer Festigkeit. Baumwollsamen führt zu Entzündungen der Atemwege. Die Baumwollernte war Jahrhunderte lang eine ähnlich ungesunde Sklavenarbeit wie die Zuckerproduktion (Seite 99 f). Heute wird mit Spindelpickern mechanisch geerntet und geschält, die rohe Baumwollfaser mit 25%iger Natronlauge, Seifen und Entschäumern behandelt („mercerisiert“, nach dem englischen Erfinder Mercer, 1844), was Wasserstoffbrücken löst, und gestreckt. Diese Streckung und teilweise Oxidation macht sie glänzend und für Farbstoffe zugänglich, ihr Griff wird weich und füllig.

87

88

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Die Cellulosefaser wird steifer und fester, wenn sie mit Lignin vernetzt wird wie in Baumstämmen. Derartige Fasern findet man im Flachs, Linum usitatissimum. Flachs wird einen Monat nach dem Erscheinen der ersten Blüten, wenn die Farbe der Stiele von grün nach gelb wechselt, ausgerissen. Die goldfarbigen Stiele werden mit Flachsriffeln von Samen befreit, mit Tau oder Flusswasser gewaschen und schließlich getrocknet und gebrochen. Die elastischen Flachsfasern bleiben dabei unverletzt erhalten, werden ausgekämmt, sind 70–90 cm lang und, gründlich gewaschen, weiß oder stahlblau. Nur mit Tau behandelte Fasern variieren von bräunlich bis grauschwarz. Aus Flachsfasern wird Leinengewebe gesponnen (Abb. 2.32).

Abb. 2.32 Ein Flachsfaserbündel.

Äußerlich ähnliche Stärkeklumpen wie in altem Papier gibt es in den Glycogendepots der Muskeln. In Muskeln und Leber wird hydratisiertes Glycogen als Energiereserve eingelagert, das wie die Stärke aus a-verknüpften Glucosepolymeren besteht, aber höhermolekular und stärker verzweigt ist. Das Blut, das zur Leber fließt, kann bis zu 0,4% Glucose enthalten, das abfließende nur noch die „vorgeschriebenen“ 0,1%. Der Rest bleibt in der Leber und in Muskeln als Glycogen, der Speicherenergie für die erste Hälfte eines Marathonlaufs. Ist das Glycogen alle, müssen Fette verbrannt werden, wofür viel mehr Sauerstoff

2.3 Stärke

gebraucht wird und was man trainieren muss, bevor es richtig funktioniert (Abb. 2.33).

Abb. 2.33 a) Modell und b) elektronenmikroskopisches Bild der Glycogenspeicher im Muskel. c) Der Zeitverlauf des Glycogenabbaus innerhalb weniger Minuten beim Sport.

2.3 Stärke

Wir sind der Stärke im Zusammenhang mit dem Leimen des Papiers und dem Energievorrat in Leber und Muskeln schon begegnet. Wann immer Tiere und Menschen mit Glucose in Kontakt kommen, spielt auch die Stärke eine Rolle. Cellulose ist für Menschen unverdaulich, sie ist nichts als Ballast, der im Magen aufquillt, dort Darmbewegungen induziert und so möglicherweise Verstopfungen vorbeugt. Zu Glucose aber wird sie nicht abgebaut; einen anderen nachweisbaren Nutzen hat die Cellulose nicht. Stärke hingegen ist in Wasser quellbar und wird von Enzymen im menschlichen Darm schnell in Glucose gespalten. Stärke ist verdaulich, landwirtschaftlich leicht zu erzeugen und entsprechend billig. Ein Kilo Stärke kostet etwa einen Euro. In Form des Weizenmehls und der Reis-, Hirse-, Mais- und sonstigen Körner bildet Stärke die Grundlage der menschlichen Ernährung.

89

90

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Kurz vor der französischen Revolution wurde nachgewiesen, dass Stärke und Cellulose beim Verbrennen die gleiche Menge Hitze, Wasser und Kohlendioxid entwickeln. Man fand keinen Unterschied zwischen beiden und veröffentlichte die Befunde. Diese Nachricht führte zum Aufschrei der hungernden Massen: Will uns die Wissenschaft verhöhnen? Als wir um Brot bettelten, fragte die Königin, warum wir keinen Kuchen essen. Wenn wir die Wissenschaftler fragen, wie es weiter gehen soll, kommen sie mit Holzspänen statt Weizen. Und dann köpften sie beide, die Königin (Marie Antoinette) und den Wissenschaftler (Antoine de Lavoisier), und fütterten die Adeligen in der Bastille mit Sägespänen. Das war alles höchst widersinnig und unwissenschaftlich. Ein Feuer von 500 8C ist nicht dasselbe wie die Verdauung bei 37 8C, Labormessungen zur Energieausbeute eines Materials ebnen solche Unterschiede nicht ein. Es dauerte 120 Jahre, bis man den Unterschied zwischen Brot und Sägespänen auf stereochemische Unterschiede der Acetalverknüpfung zurückführen konnte. Die Antwort der Wissenschaftler auf das Hungerproblem hatte damit nichts zu tun, aber auch diese Frage wurde letztendlich von Chemikern beantwortet. Man braucht anorganische Mineralien, Kunstdünger, die den Pflanzen Kalium, Phosphat und Stickstoff zum Wachsen geben. Darauf wären die Bauern und die hungernden Städter nie gekommen. Naturwissenschaftliche Grundlagenforschung hilft, Erfahrungen zu verstehen. Die Erfahrung lehrte, dass man von Gras, Spinat und Papierbrei nicht satt wird, wohl aber von Kartoffeln und Reis. Verstehen konnte man das erst, nachdem man die Stereochemie der Glucose kannte. Naturwissenschaft dringt zur molekularen Dimension vor, die der unmittelbaren Naturerfahrung nicht zugänglich ist. Solange seine Moleküle nicht verkäuflich sind, das heißt, solange sie nicht als Nahrungs- oder Heilmittel oder Werkstoffe dienen, sitzt der Naturwissenschaftler typischerweise zwischen allen gesellschaftlichen und politischen Stühlen. Er besteht darauf, seine Experimente unabhängig zu entwickeln, mit seinen Studenten in Ruhe gelassen zu werden und seine neuen Erkenntnisse den wissenden Kollegen in aller Welt mitteilen zu können. Er lässt sich von Aristokraten und Demokraten und Kommunisten und Industriebossen bezahlen und denkt dabei an Zielmoleküle mit faszinierenden Eigenschaften: „Was blockiert den Schmerzrezeptor im Gehirn? Was ist farbig, ohne auszubleichen? Wie komme ich zu helikalen Molekülen?“ Um das zu wissen und machen zu können, fordert der Chemiker sein Gehirn, seine Mitarbeiter und seine Apparate. Wenn er das Zielmolekül dann aufgeklärt, seine Synthese vorgeführt und seinen Wirkungsmechanismus verstanden hat, lässt er irgendjemanden in der Welt sein Molekül fabrizieren und verkaufen. Das Molekül wird Teil der Gesellschaft aus Medizinern, Fernsehern, Computerfreaks und Autofahrern; doch der Chemiker bekommt nun einen stumpfen Blick des Desinteresses. Sein Molekül ist für ihn trivial geworden, er sucht sich mit leuchtenden Augen ein neues. Das gilt allerdings nicht für unsere sieben Moleküle, die allesamt in allen höheren Organismen leben. Und die Organismen sind so komplex, dass sich immer wieder Fragen für die molekulare Biologie stellen werden, ohne Ende. Folgen wir fürs Erste der Glucose in der Stärke.

2.3 Stärke

Das Keimblatt der Pflanzen hängt noch direkt an der Wurzel, wenn das Photosynthesespiel mit der Sonne beginnt. Manche Wurzel wird dabei nicht nur zum Aufsaugen von Wasser und Salzen aus dem Boden herangezüchtet und benutzt, sondern entartet zu großen Knollen oder Rüben, zum Beispiel zu Kartoffeln oder Karotten. Dort unten im feuchten Erdreich herrscht nicht mehr der Drang der Bäume zu Festigkeit im Sturm, zu Schmalheit und Aufstreben zum Sonnenlicht. Die unter der Erde gebildeten Gele neigen zum Aufquellen, zur massiven Kugel- oder Kegelform. Aber die Quellung funktioniert mit Cellulosefasern nicht richtig, dazu sind sie zu steif. In der Erde werden schmale, helicale Glucosestränge bevorzugt, die sich kreuz und quer legen, viel Wasser für die photosynthetisch aktive Pflanze darüber sammeln und mit kapillaren Kräften festhalten. Schraubenförmige Fasern sind hier optimal. Die Natur macht sie, indem sie die Glucoseeinheiten senkrecht aufeinander stellt. Die Pflanzenfasern des Erdreichs und der Früchte bestehen aus helicaler Stärke und Pektin, wobei Letzteres negativ aufgeladene Glucuronsäuren enthält. Pektin ist der Hauptbestandteil der Äpfel, Birnen und Mohrrüben und lässt sich leicht zu festen Gels und nach Zusatz von Calciumsalzen zu stabilen Trockenfrüchten verarbeiten. Pektin bildet die Wand harter Pflanzenzellen; Stärke liefert weiche, verdauliche Gele. Das wichtigste Detail der Glucosechemie der Pflanzen ist also architektonischer Natur: die Aneinanderkettung von mehreren Hundert Glucosemolekülen in Form entweder breiter Bänder oder schmaler Schrauben. Die Cellulosebänder werden zu Rohren und Stäben mit makroskopischen Durchmessern gewickelt, die wir bei Papierfasern mit bloßem Auge sehen können. Die Stärkehelices aber sind tausendmal dünner und bilden mit Wasser die Gel-Strukturen des Brots, der Reiskörner und der Kartoffeln. Die Bildung der eng gedrehten Helices ist durch die Sauerstoffverbindung senkrecht zu den einzelnen Glucoseringen gegeben. Jeder Ring steht senkrecht (axial, a) auf dem nächsten. Das entsprechende Dimer der Glucose, die Einheit der Stärke, heißt Maltose. Nach vier Molekülen Glucose ist die engstmögliche Schraubenwindung fertig. Eine waagerechte (äquatoriale) Verknüpfung der Glucose führt hingegen zu flachen, blattförmigen, stapelbaren Strukturen (Abb. 2.34). Die Stärkehelix trägt die äquatorialen OH-Gruppen außen, die axialen Wasserstoffatome innen. Daraus resultieren eine hydrophile Außenwand und ein hydrophober Tunnel, der zum Beispiel den Komplex [Iod– ? Iod2] (I–3) einschließt. Im Inneren des Tunnels lagern sich mehrere solcher Komplexe aneinander ( . . . I– ? I–I ? I– ? I–I . . . ) und bilden einen blauen Farbstoff. Bei 60 8C schmilzt die Helix zu einem ungeordneten Knäuel – der polymere Iod-Iodid-Komplex verschwindet im umgebenden Wasser, zerfällt dort in braungelbe Monomere und die blaue Farbe ist weg. Beim Abkühlen bildet sich die Helix zurück – die blaue Farbe ist wieder da (Iod-Stärke-Reaktion). Cyclische Glucosederivate (Cyclodextrine) bilden einen kleinen Tunnel, der innen hydrophobe Geruchsstoffe aufnehmen und langsam freisetzen kann, z. B. Vanillin in Parfums, Nahrungs- oder Geschirrspülmitteln. An seiner hydrophilen Oberfläche hingegen adsorbiert das Cyclodextrin schnell polare Körperge-

91

92

a)

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

b)

c)

d)

Abb. 2.34 Struktur der Stärkefasern. a) symbolisiert den Cellulosestapel der Abb. 2.24–2.31, b) zeigt die Tetramereinheit. Die dimere Grundeinheit der Stärke heißt Maltose, zwei Glucose-Einheiten sind 1,4-verknüpft und stehen senkrecht aufeinander. (c) ist das am engsten verdrehte Poly-

mer der Maltose, die Stärke. (d) zeigt Modelle des monomeren hydrophoben Hohlraums der Stärkefaser (Cyclodextrin) und der Stärkefaser, die mit blauen Jodid-Jod-Polymeren gefüllt ist (Stärketest). Auch das Band und das Knäuel sind skizziert, die beim Schmelzen der Stärkehelix gebildet werden.

2.3 Stärke

Abb. 2.35 Strukturformel und Modell eines sechsgliedrigen Cyclodextrins mit einer hydrophoben Höhle im Inneren, in die ein hautreizender „Vanille Begleitstoff“ Molekül „eingesperrt“ werden kann.

ruchsstoffe wie Buttersäure (Schweiß) und Putrescin-Amine (bakterielle Zersetzung von Proteinen), die es dann nur so langsam wieder freigibt, dass der lästige Geruch nicht mehr wahrnehmbar ist (2.35). Ausreichend Oberflächenwasser ist die wichtigste Voraussetzung für den Pflanzenwuchs, Äcker, Grünland und Gärten brauchen deshalb Grundwasser bildende Böden. Hat man den, muss man es mit mineralischen Düngemitteln und Pestiziden nicht übertreiben, denn die machen zum Beispiel herabgefallene Blätter für Bodenwürmer ungenießbar. Pilzsporen überwintern dann auf dem behandelten Laub, re-infizieren die Pflanze im Frühling und verhindern den biologischen Aufbau eines porösen Bodens. Hat man kein Grundwasser

Abb. 2.36 Ökosystem eines Feldes auf wenig fruchtbarem Sandboden, vielleicht bei Berlin (wo es allerdings nicht „trocken“ ist). Nach S. Normann-Schmidt, „Auf der Suche nach der umweltgerechten Landwirtschaft“, Verflechtungen von Landund Wasserwirtschaft. R. Oldenbourg, München, 1995.

93

94

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

und treffen negative klimatische Kopplungen eine Wirtschaftsfläche (Abb. 2.36), ist viel zusätzliche Arbeit notwendig. Das Wasser muss herangeschafft, der Boden restrukturiert werden.

2.4 Zucker

Im Leben der Laubbäume spielt der Transport der Kohlenhydrate eine zentrale Rolle für die Entwicklung und das Wachstum des jungen Blatts. Ein ausgewachsenes Blatt exportiert, nachdem es etwa ein Drittel seiner endgültigen Oberfläche erreicht hat, Kohlenhydrate und Aminosäuren zu jüngeren Blättern, Wurzeln, Früchten und Stängeln. Der Wassertransport in das Blatt hinein erfolgt über das Phloem, den Nahrung führenden Siebteil der Äste und des Stamms. Durch das Phloem, das jedes Jahr neu gebildet wird („Jahresringe“), fließt in Bäumen eine 25%ige Zuckerlösung (Saccharose), aus der der wachsende Baum seine Cellulose aufbaut. Wasser ohne Zucker wird hingegen auch über die hohlen, toten Zellen des Xylems, das „Holz“ des Baums, transportiert (Abb. 2.37). Der „Zucker“ des Baums ist wie der der Zuckerrübe oder des Zuckerrohrs weder Cellobiose, noch Maltose oder Glucose, sondern etwas ganz Besonderes, nämlich Saccharose. Saccharose besteht aus zwei kovalent verknüpften HexoseEinheiten und enthält neben dem üblichen steifen Pyranose-Sechsring der Glucose einen sehr beweglichen Furanose-Fünfring, die Fructose, und keinerlei

Abb. 2.37 Mit Zucker beladene Wasserwege vom Blatt in das Phloem (gr. phloios, „Bast, Rinde“) und in das abgestorbene Holzteil Xylem (gr. xylon, Holz) eines Zweigs.

2.4 Zucker

Halbacetal mit einer oxidationsempfindlichen OH-Gruppe. Zucker vereint drei seltene Eigenschaften. Erstens, und das begründet seine wirtschaftliche und psychologische Bedeutung, schmeckt er süß ohne bitteren Nachgeschmack. Zucker bindet nur für einen Sekundenbruchteil an das Rezeptorprotein für „süß“ auf der Zunge und löst sich dann wieder ab, bevor der Rezeptor für „bitter“ reagiert. Zweitens ist Zucker kein Reduktionsmittel wie Glucose, er ist gegenüber Sauerstoff stabil. Mit Zucker kann man bei hohen Temperaturen backen und kochen, ohne dass er zu geschmacklosen oder sauren Carbonsäuren oxidiert wird. Das liegt daran, dass die beiden OH-Gruppen der Glucose- und FructoseHalbacetale direkt miteinander reagieren und Wasser abspalten. Das entstehende 1-1'-verknüpfte Vollacetal ist nicht oxidierbar. Drittens lässt sich Zucker leicht kristallisieren („Kristallzucker“), weil er kein Isomerengemisch bildet, wie es die Halbacetale tun, die immer als Gemisch von a- und b-Pyranosen oder Furanosen vorliegen (Abb. 2.38).

Abb. 2.38 Kristallstruktur der Saccharose. Ein steifer Glucose-Sechsring (siehe die Kristallstruktur links) ist verbunden mit einem beweglichen Fünfring. In der Saccharose sind die Halbacetal-Gruppen der Glucose und der Fructose miteinander zum Acetal

verknüpft; deshalb bleibt kein Halbacetal erhalten und Saccharose ist kein Reduktionsmittel. Ihre Kristalle sind jahrelang stabil („Kristallzucker“), man kann sie schmelzen und zu Bonbons gießen oder bei hoher Temperatur Kuchen und Kekse backen.

Der fünfgliedrige Ring mit fünf Kohlenstoff-Tetraedern sollte im Gegensatz zum Sechsring planar sein, denn die Winkel des Fünfrings (1088) und des Tetraeders (108,58) sind fast gleich. Diese durch die Geometrie der Ringglieder vorgegebene Planarität führt aber alle Substituenten des Kohlenstoffs in je eine Ebene ober- und unterhalb des Rings. Da ist aber weder für die großen Sauerstoffatome der OH-Gruppen noch für die Wasserstoffatome genügend Platz – die mit Elektronen gefüllten Orbitale der nebeneinander stehenden Atome überlappen einander und verdrillen den planaren Fünfring, einer der KohlenstoffAtome flippt aus der Ebene heraus. Wäre das alles, dann wäre es nichts Besonderes: Vier Kohlenstoffatome würden eine Ebene bilden, das fünfte läge darüber oder darunter. Da aber alle

95

96

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

vier Kohlenstoff-Atome im Zucker gleich große OH-Gruppen tragen, weichen alle vier Kohlenstoff-Atome und der Ringsauerstoff mit seinen ungebundenen Elektronen dem räumlichen Druck in der Ebene aus – der gesamte Fünfring einschließlich des Sauerstoffatoms vibriert, alle Atome flackern in statistischer Reihenfolge um ihre Ruhelage. Dieses Flackern heißt Pseudorotation, weil die Reihenfolge des Aussteigens der Atome aus der Ebene rein statistisch ist. Wir werden diesem Phänomen bei den Steroidhormonen (Seite 154) und bei der DNS (Seite 231) wieder begegnen. Der Effekt der Pseudorotation ist immer gleich: Fünfringe kristallisieren schlecht und sind deshalb extrem gut löslich. Der Körper verwandelt Saccharose in zwei Glucosemoleküle. Glucose ist die einzige Energiequelle des Gehirns und versorgt darüber hinaus alle Körperzellen mit „schneller“ Energie. Der Zucker erleidet also genau das gleiche Schicksal wie die Stärke des Brots und der Kartoffel. Trotzdem hat nur Zucker einen miserablen Ruf als Nahrungsmittel, während Brot und Reis in Ordnung sein sollen. Wie kommt das? Warum wollen viele Chemiker mit dem größten Verständnis für Moleküleigenschaften Werbung für Süßwaren verbieten? (Linus Pauling: „Ich glaube, dass Gesundheit und Wohl unserer Kinder wichtiger sind als die Einschränkung der Werbefreiheit.“) Der Grund liegt in zwei fatalen Eigenschaften des Zuckers: Seine Süße macht süchtig und deshalb fett und er durchlöchert die Zähne. Die Sucht kann man wegerziehen, Karies und Parodontose aber sind eine echte „Zuckerkrankheit“. Zucker ist seit dem 14. Jahrhundert im Gebrauch. Erst seitdem gibt es Skelette mit löcherigen Zähnen. Zucker klebt auf dem glatten Calciumphosphat der Zähne fest und wird dort von Mundbakterien zu Milchsäure und Essigsäure abgebaut. Im engen Kontakt mit der Oberfläche der Zahnlamellen (Seite 254) lösen sie das Calcium aus dem Phosphat heraus, machen es damit wasserlöslich und bohren Löcher in den Zahnschmelz. Hierbei ist nicht die pro Tag aufgenommene Zuckermenge kritisch, sondern die Verweilzeit von beliebig kleinen Zuckermengen in der Mundhöhle. Häufiger Zuckerverzehr wirkt dabei ebenso aggressiv wie feste Zuckerwaren oder fettiger Schokoladebrei, nur der Zucker leichtflüssiger Getränke verschwindet schnell. Das Wasser des Speichels löst die Zuckerflecken nicht herunter. Es braucht die Seife der Zahnpasta, die sich ebenfalls auf dem Calciumphosphat festbeißt und heftiges mechanisches Bürsten, das die Seifenfilme zusammen mit dem Zucker herunterreißt. Diese beobachtete und so schädliche Klebrigkeit des Zuckers beruht sowohl auf den äquatorialen OH-Gruppen, die die Wassercluster um das Phosphat immobilisieren, als auch auf den hydrophoben, axialen CH-Gruppen, an denen die Mikroorganismen andocken. Zucker dringt so tief in die Calciumphosphatgerüste des Zahns ein und reichert sich auch im Belag der Zähne an, wo er die Bakterienkolonien ernährt, die Säuren erzeugen, damit an versteckten Stellen den Zahnschmelz auflösen und auch noch für Entzündungen des Zahnfleischs sorgen. Die Bakterienhaufen („Plaques“) sind noch 12 Stunden nach der Beladung mit Saccharose sauer (pH 4,2).

2.4 Zucker

Abb. 2.39 Glucosemoleküle kleben am Calciumphosphat der Zähne fest. Bakterien verwandeln die Glucose in verschiedene Carbonsäuren, die das Phosphat in wasserlösliche Phosphorsäure verwandeln. Der Zahn löst sich auf, Karieslöcher entstehen.

Wir werden dem Phänomen des Klebens von Glucose an Oberflächen in den Yoctobrunnen wieder begegnen (Seite 140) (Abb. 2.39). Das Kariesproblem (lat. caries, „Fäulnis“) kann nur mit dem pausenlosen Einsatz der Zahnbürste oder mit Zuckerersatzstoffen beseitigt werden. Die reduzierten Zucker Mannit und Sorbit produzieren weniger Säure, der Pentosealkohol Xylit gar keine. Xylit (Bonadent®) hat die gleiche Süßkraft wie Zucker, ist nicht kariogen (lat./griech., „fäulniserzeugend“) und wird zur Zeit als Süßstoff in Zahnpasta und Kaugummi eingesetzt. 100 g Xylit dürfen einem Kilo Lebensmittel ohne weiteres zugesetzt werden, bei größeren Mengen muss die Packung Hinweise auf die abführende Wirkung tragen. Xylit stammt aus dem Holzzucker Xylose, der bei der „Holzverzuckerung“ mit Schwefel- oder Salzsäure und nachfolgender Neutralisierung mit Kalk anfällt. Eine Tonne trockenes Nadelholz liefert etwa 500 kg Zucker, der meist zu 200 L Ethanol vergärt wird. Die Hefe ist als Tierfutter nützlich. Vorläufig jedoch ist Zucker in der modernen Ernährung allgegenwärtig und es gelten die uralten Rezepte: „Kein festliches Mahl (nicht einmal die tägliche Nahrung) schmeckt ohne Zucker“ und „Zucker verdirbt kein Speise.“ Der unwiderstehliche Reiz der Eigenschaft „zuckersüß“ beruht vielleicht auf der unauslöschlichen Erinnerung an die süße Muttermilch, dem glücklichen Gefühl kindlicher Geborgenheit. Zwar reagieren Geschmacksknospen auf viele verschiedene Moleküle „süß“, doch bei den meisten folgt auf den ersten SüßImpuls ein ernüchternd bitterer Nachgeschmack. Die Süßstoffe bleiben dann zu lange auf den Proteinrezeptoren hängen, die Freude ist vergangen, das kindliche Glücksgefühl durch das Gefühl des Ausgesetzt- und Betrogenseins ersetzt. Dass lange gekautes Brot oder Kartoffeln süß schmecken hat hingegen nichts mit einem süßen Nachgeschmack zu tun. Hier wird vielmehr deren Stärke im Speichel zu Glucose hydrolysiert, der süße Zucker wird „biotechnologisch“ aus dem geschmacklosen Polymer produziert.

97

98

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Ein Strukturvergleich vieler Süßstoffe zeigt die folgenden gemeinsamen Eigenschaften: Schwach, das heißt nur in relativ hoher Konzentration, süß schmecken Moleküle, die einen Protonenakzeptor B und einen Protonendonor A im Abstand von 0,25 nm haben. Beide bilden wahrscheinlich Wasserstoffbrücken mit entsprechenden Donoren und Akzeptoren auf dem Rezeptorprotein. Stark süß sind Substanzen, die einen dritten Protonenakzeptor in 0,5 oder 0,7 nm Abstand aufweisen. Zur Zeit ist Aspartam, der Methylester eines Dipeptids mit einer Phenylgruppe, besonders populär, weil er viele Tests und viel Kommerz problemlos überstanden hat (Abb. 2.40).

beta-D-Fructose (Honig)

Abb. 2.40 Dreipunktmodell der Süße. Stark (noch in Milligramm-Mengen pro Liter Wasser, Kilo Mehl oder Fett) süß schmecken Stoffe, die je einen Protonenakzeptor und -donor in 0,3 nm Abstand und einen weiteren Protonenakzeptor in einem Abstand von 0,7 nm aufweisen. Aspartam ist ein solches Molekül.

2.4 Zucker

Der Drang des Menschen nach süßer Speise, der ursprünglich nur mit Zucker befriedigt werden konnte, war das Motiv für den brutalsten Sklavenhandel und -missbrauch der Geschichte. Zucker ist ein relativ junges Nahrungsmittel. In Deutschland standen um das Jahr 1000 insgesamt 12 kg Zuckerhüte aus dem Zuckerrohr der Kanarischen Inseln in den Regalen der Apotheker. Sie wurden grammweise gegen Blähungen und Erkältungen verabreicht. Kolumbus, der auf Madeira verheiratet war, brachte 1479 Zucker erst nach Genua, 1492 nach Kuba. Schon eine Generation später, 1535, gab es 30 Zuckermühlen für das Zuckerrohr und Tausende von Sklaven aus Afrika auf spanischen und portugiesischen Plantagen. Im 17. und 18. Jahrhundert tobten auf See Zuckerkriege zwischen Portugal, Spanien, England und Frankreich. In San Domingo wurden 450 000 Sklaven zur Arbeit auf Zuckerplantagen gezwungen. Wenn auf der Nordhalbkugel Winter herrschte, war die Überfahrt kühler, schneller und profitabler. Schiffe verließen deshalb Liverpool im Frühherbst in Richtung Afrika, überquerten zwischen Dezember und Februar mit frischen Sklaven den Atlantik, kamen im Frühherbst in der Karibik an und kehrten im Sommer mit einer Ladung Zucker nach England zurück. Die Einzelheiten des Sklavenhandels waren furchtbar. Bei der Gefangennahme und dem Transport der Sklaven litten vor allem die Männer. Frauen und Kinder konnten sich häufiger frei bewegen. Die westafrikanischen Männer der Ibos und Yoruba zum Beispiel glaubten, dass man seine Seele nur in den Himmel bringen könne, wenn man über Bord spränge. Vor diesem Glauben mussten die Sklaven als wertvolle Handelsware Mensch geschützt werden. Erwachsene Männer wurden deshalb aneinandergekettet und lagen wehrlos bis zu drei Monate lang in ihren eigenen Exkrementen. In der Karibik angekommen, fuhr das Schiff von Insel zu Insel, bis alle Sklaven von Bord und verkauft waren. Aus dem „Passagierschiff“ wurde wieder ein Frachtschiff, das man mit grobem, einmal raffiniertem Zucker belud und das nun mit den dann vorherrschenden westlichen Winden binnen 30–50 Tagen nach Hause steuerte. Auf einer Plantage mit 50 Sklaven mussten jedes Jahr fünf Erwachsene ersetzt werden. 20% derer, die in Afrika eingeschifft wurden, starben an Bord. Um in Barbados fünf lebende Sklaven zu haben, mussten sechs bis sieben in Afrika losgeschickt werden. In Jamaika war der Bedarf zehnmal höher. Um 1800 reglementierte Englands Flotte den Zuckerhandel. Napoleon forderte alle französischen Gelehrten auf, einen Ersatzzucker zu finden, und sperrte den englischen Handel mit dem europäischen Kontinent. Ein Berliner (Andreas Marggraf) hatte 1747 den Zucker in Rüben entdeckt, ein anderer (Franz Achard) gründete unter Friedrich dem Großen in Kunern (Schlesien) die erste Rübenzuckerfabrik, die fünf Jahre später niederbrannte, ohne wirtschaftlichen Erfolg gebracht zu haben. Erst ab 1830 setzte sich die Zuckerfabrikation aus Zuckerrüben durch, Zuckerfabriken wurden zu den größten Industriebetrieben in Deutschland. 1801 lebten in England neun Millionen Menschen und der Zuckerverbrauch lag bei 17 Pfund pro Kopf und Jahr, insgesamt 70 000 Tonnen. In jenem Jahr betrug der Gegenwert eines Schwarzen bereits zwei Tonnen Zucker. 35 000 schwarze Sklaven wurden auf den Zuckerinseln verschlissen. Anders gesagt: Für je 250 Eng-

99

100

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

länder – Männer, Frauen und Kinder – musste jedes Jahr ein Schwarzer sein Leben lassen. Diese Mordrate betraf alle Europäer – auch die türkische Prinzessin, die sich ihren gesüßten Kaffee von einer Sklavin reichen ließ, die wegen ihrer Zartheit nicht in die Karibik verkauft worden war, aber an ihren Mann dort dachte. Mit der Zuckerrübe war die Prophezeiung eines Kaffeehausgedichts aus dem Berliner Tiergarten (Autor unbekannt) von 1799 Wirklichkeit geworden: Im Zuckerschälchen ist, bei jetzt’gem hohen Preise, mehr als man nehmen will; kommt künftig nur die Runkelrübe ins Geleise Gibt’s wohl noch mal so viel. O wundervolle Runkelrübe! Es welkt das blut’ge Zuckerrohr. Bald steigt beim Knall der Rübchentriebe Der Sklaven Schrei nicht mehr empor. 1802 wurde die Sklavenarbeit auf Zuckerplantagen abgeschafft, aber auch der deutsche Sozialbericht aus Schlesien von 1866 schildert miserable Zustände (Quelle: H. Olbrich (Hrsg.), Sozialbericht von Johannes Hesekiel, Über die Wanderarbeiter beim Rübenanbau und in den Zuckerfabriken der Provinz Sachsen, Schriften aus dem Zuckermuseum, TU Berlin, 1982): Die Kaserne aus drei gut gebauten Häusern mit je vier Räumen oben und unten beherbergt 350 Personen im Sommer. In einer Stube zwei Familien mit acht und fünf Kindern von sehr verschiedenen Altern. Auf dem Schlafgerüst 12 Lagerstätten für die 17 Personen in drei Reihen übereinander. Der Schlafraum dient auch als Wohn- und Speiseraum. . . vor der Kaserne ein Kochraum ohne Rauchfang mit 20 Feuerstellen. . . . Im Winter ist die Kaserne von 200 Personen für die Fabrikarbeit bewohnt. 7 Ehepaare liegen in einem Raum dicht beieinander. Die Kinder bleiben den Sommer über sich allein überlassen und auch während der Winterarbeit ohne Unterricht. . . . Die Arbeit war hart und sauer, doch vergleichsweise gesund und lieferte den Arbeitern einen guten Lohn. Die Feldarbeit wurde meist Frauen und Kindern überlassen, die für die krumm gebeugte Arbeitshaltung „besonders geeignet“ seien. Männer besorgten das Waschen, Zerreißen und Ausquetschen der Rüben und das Auswalken und Filtern der klebrigen Proteine an den Maschinen sowie den teuersten Prozess der Zuckerherstellung – das Eindampfen des Safts und die Kristallisation. Die ersten 500 Jahre der Landwirtschaft mit Zuckerrohr und -rübe waren also eine Schreckensgeschichte. Dann aber wurde die Zuckerfabrikation aus Rüben im Norden ebenso erfolgreich wie die aus Rohr in den Tropen und der Drang zum Süßen, der lange Zeit die Ärmsten überleben ließ, führte schließlich auch zu normalen Betriebsverhältnissen auf Bauernhöfen und in Zuckerfabriken.

2.4 Zucker

Heute wird der Saft des zerkleinerten und zerquetschten Zuckerrohrs maschinell ausgepresst und zusätzlich mit Wasser ausgelaugt. Die Pressrückstände werden verbrannt und besorgen das Eindicken des Safts. Eine Tonne Zuckerrohr liefert etwa 100 kg Zucker. Die Zuckerrübe muss gewaschen, der Saft mit Wasser in Diffusionskolonnen ausgezogen werden. Eine Tonne Rüben liefert 120–150 kg Zucker. Der Zuckerertrag eines Jahres beim Rohr liegt bei 20 t/ha, mit der Rübe bei etwa 10 t/ha. 35 Millionen Tonnen Zucker werden in den gemäßigten Klimazonen der nördlichen Halbkugel (Ukraine, Russland, Deutschland, Frankreich, Polen, USA) jährlich aus Zuckerrüben auf einer Erntefläche von etwa 50 000 km2 geholt. 61 Millionen Tonnen Zucker werden aus Zuckerrohr in Amerika etwa zwischen 358 nördlicher und 308 südlicher Breite gewonnen. Hundert Millionen Tonnen Zucker für sechs Milliarden Menschen bedeuten 1,6 kg für jeden. In Wirklichkeit liegt der Pro-Kopf-Verbrauch bei denen, die es sich leisten können, weltweit zwischen 30 und 40 kg im Jahr. Heute, 2007, tobt ein globaler Kampf um den Zucker, den ein Zeitungsbericht zum „mehrkettigen Saccharid“ und „primitiven Ding“ verunstaltet. Der Weltmarktpreis einer Tonne Zucker beträgt 275 1, Europa verteuert ihn durch Schutzzölle auf 632 1 und subventioniert darüber hinaus noch Exporte zum Weltmarktpreis. Deutsche Fabriken verlangen 63 Cent fürs Kilo; im Laden kostet es einen Euro; brasilianische Fabriken berechnen 28 Cent. Auch Brasilianer und andere Tropenländer verlieren, wenn ihr Zucker ständig zum Herstellungspreis oder knapp darunter verkauft werden muss. Der durchschnittliche Zuckerkonsum eines Europäers oder Amerikaners liegt bei 30–40 kg/Jahr, was vom Energiegehalt her einer einzigen Tankfüllung eines Autos entspricht, wobei der Staat Benzin ebenso teuer macht wie Zucker. Zucker ist überall der Treibstoff des Alltags geworden. Trotzdem können deutsche und französische Rübenäcker aus politischen Gründen zerfallen, während auf den tropischen Feldern Moskitowolken schwirren, Schlangen, Skorpione und Mähnenwölfe wimmeln und die Machete und das Feuer schnell wirksame Hauptwerkzeuge der Ernte sind. Zucker ist seit 700 Jahren ein wirtschaftliches und nahrungstechnisches Kuriosum ersten Ranges und mit neun asymmetrischen Kohlenstoffatomen ein kristallin-süßes Ungeheuer. Und so haben Bücher über Zucker negative Titel wie „Pure, White and Deadly“ „Sugar Blues“, „Essen wir uns krank“, „Zucker, nein danke“ und „Zucker: Der Schweiß der Sklaven“. Der Zuckerverbraucher merkt davon wenig. Er oder sie nennt die Tochter „meine Süße“, die „Süße“ selbst kauft sich ein „süßes Kleid“. Die modernen Ernährungsprobleme reicher Länder aber heißen nicht Zucker und Fett, sondern Fresssucht und Bewegungsarmut. Populäre, schnell und großspurig formulierte Sätze wie: „Zucker verändert den Säuregehalt des Bluts, bewirkt Diabetes, Rheuma, Arteriosklerose, Schlaganfälle, zerstört Vitamine und erzeugt als einziges Nahrungsmittel das Verlangen, immer mehr davon zu verzehren“, sind hanebüchener Unsinn. Butter, Bier, Coca Cola (hier vor allem die Phosphorsäure), Wein, Erdnüsse, Kartoffelchips, Schnitzel, Maisfladen – alles Katastrophenquellen ersten Ranges, wenn nicht Maß gehalten wird. Die Medizin-

101

102

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

geschichte des Zuckers ist tatsächlich eine zweieinhalb Jahrtausende andauernde Abfolge von Irrtümern. Sakaraˆ („König“) ist der indische Sanskrit-Name des Zuckerrohrs; später wurde saccharum, Zucker, daraus. Arabische Gelehrte setzten den Begriff mit dem saccarum der Antike gleich, was sich auf die Schild- und Blattlaussekrete der Pflanzen bezog, die bei den Römern als erstens süß und zweitens „heilsam für Brust und Bauch und Nieren“ empfunden wurden. Im 13. Jahrhundert wurde das irrtümlich auf Zucker übertragen: „Zucker trocknet, reinigt, löst, beruhigt die Eingeweide, feuchtet den Magen an und reinigt die Stimme.“ Von deutschen Medizinern des 14. und 15. Jahrhunderts wurden daraufhin Zuckerlösungen auf Wunden geträufelt, wobei man sich wieder auf die Römer berief. Zwar ist vorstellbar, dass die eine oder andere Entzündung unter Zuckersirup zurückging, weil der Bakterien durch Osmose entwässert, so wie man heute vorgeschichtliche oder antike Boote und Holzmöbel mit gesättigten Zuckerlösungen konserviert. Andererseits wirkte der aufgeträufelte Zucker wohl fast immer als Nährboden für eben jene Bakterien, die man zu bekämpfen glaubte. Im Körper wird die Saccharose schnell in Glucose verwandelt. Glucose reichert sich in Zellen an, die biologisch besonders aktiv sind. Dieser Zufluss von Glucose kann zeitaufgelöst mit der Positronen-Emissions-Tomographie (Seite 52) von 2-18Fluor-2-desoxyglucose (FDG) vermessen werden. Dieses Glucosederivat geht die gleichen Wege wie Glucose und bindet an die gleichen Rezeptoren, wird aber viel langsamer abgebaut. Bei der Anwendung geringer Mengen stört FDG die Energieversorgung des Gehirns nicht, und es ermöglicht lange Messzeiten. Abbildung 2.41 zeigt die FDG-Tomographie eines Mannes mit starkem Glucoseverbrauch in Gehirn, Penis und einem Tumor im Hals (Abb. 2.41).

Abb. 2.41 Die 18Fluordeoxyglucose (18FDG)-Tomographie eines Mannes mit starkem Glucose-Metabolismus in Gehirn, Leber und Penis. Mit freundlicher Erlaubnis von Jens Langner, www.Wikipedia

2.4 Zucker

Nicht alle im Blut gelösten Substanzen erreichen unser Gehirn. Es gibt eine wirksame Blut-Hirn-Schranke, die viele Substanzen aussondert, bevor das Blut ins Hirn strömt (Seite 147). Je älter ihr Träger ist, desto träger reagiert die Schranke. Eine 70 Jahre alte Barriere zum Beispiel wird langsamer beim Glucose-Transport, woraufhin das Kurzzeitgedächtnis nachlässt. Es wird dann Zeit, nicht nur gemächlicher zu laufen, was das Herz schont, sondern auch behutsamer zu denken, um die Verbindung des Körpers mit dem Gehirn nicht zu überfordern. Glucose und sein b-Dimer, die Cellobiose, lösen sich in Wasser und fügen sich fast perfekt in die hexagonalen Kristalle von Eis und die Cluster in flüssigem Wasser ein. In einem großen Volumen flüssigen Wassers fällt diese Einpassung nicht auf, weil sich die Wassercluster und die darin eingeschlossenen Glucosemoleküle schnell bewegen und weil einzelne Wassermoleküle mühelos zwischen benachbarten Clustern hin und her springen. Im großen Volumen herrscht das freie Spiel der Kräfte. An Membranoberflächen mit Glycoproteinen, die enge Zuckerhöhlen aufbauen, kommt die Unbeweglichkeit, die Klebrigkeit der Glucose und verwandter Kohlenhydrate ins Spiel. Diese dominiert die Differenzierung und Signalgebung biologischer Zelloberflächen. Niere, Herz, Leber, Sexual- und andere Organe unterscheiden sich an ihrer Oberfläche vor allem durch unterschiedliche Zuckermuster der baumkronenähnlichen Endstücke von Glycoproteinen. Das Wachstum eines Zellgewebes im Organismus endet, wenn seine Zuckerkronen die eines benachbarten Gewebes berühren. Es sind die Zuckerkronen, die Steroidhormone von ihren Trägersystemen im Blut abpflücken und so das Signal zur Proteinsynthese (Anabolika) oder ihres Stops (Katabolika) aufnehmen. Verschiedene Glycoproteine sind auch die Ursache für die verschiedenen Blutgruppen A, B und 0. Sie markieren Blutkörperchen und sorgen für die Ausfällung durch Antikörper. Die Zucker verkleben in den Kapillaren miteinander (Abb. 2.42).

Abb. 2.42 Modell der Glycoproteine an der Oberfläche von Membranen. Die engen Räume zwischen den Kohlenhydratästen fixieren starre Moleküle. Das Wasser des Bluts führt diese Moleküle zwar heran, kann sie dann aber nicht herauslösen.

103

104

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Abb. 2.43 Mengenverhältnisse Blutkreislauf der Glucose.

Die 5 L Blut des menschlichen Körpers enthalten 5–10 g Glucose; das entspricht 1,8 g/L oder 0,01 mol/L (Molmasse von Glucose: 180 g/mol) (Abb. 2.43). Unsere Nahrungsmittel, insbesondere Zucker und Stärke, liefern reichlich Glucose. Man hat ihnen einen glycämischen Index (GI) zugeordnet, der den Kaloriengehalt des Nahrungsmittels in Beziehung zum erreichten Glucosegehalt im Blut bringt. Glucose mit einem Energieinhalt von 420 kcal/100 g wird auf 100% gesetzt; alle anderen Nahrungsmittel sind ihr höchstens gleichwertig. Die unten stehende Tabelle zeigt verblüffende Zuckerwertigkeiten in Bezug auf Glucose und Diabetes. Der Faktor zwei zu Gunsten gekochter gegenüber gebackenen Kartoffeln, die 20% Gewinn beim Verbrauch festen Zuckers an Stelle der Colalösung, die Gleichsetzung von Schokolade und Buttermilch kommen als Überraschung. Flüssige Nahrung schneidet nicht so gut ab. Die Blutzuckerkurven nach einer Mahlzeit entsprechen den GI-Werten. Der Bedarf an mahlzeitbedingtem Insulin ist jedoch kaum davon abhängig. Die Diagnose „zuckerkrank“ gilt als gesichert, wenn der Glucosegehalt des Bluts lange

2.4 Zucker

nach einer Mahlzeit 1,4 g/L überschreitet. Das liegt dann entweder an einer vererbten Unfähigkeit, genügend Insulin zu produzieren (Diabetes Typ 1) oder an einer meist altersbedingten Missfunktion des Insulins (Diabetes Typ 2, siehe Seite 209 ff). 95% aller Fälle gehören zum Typ 2; dies kostet in Westeuropa 30 Milliarden Euro jährlich, 55% davon fürs Krankenhaus, 7% für Insulin und andere Drogen. Ein durchschnittlicher Patient kostet etwa 3000 Euro pro Jahr. Viel Geld für ein bisschen Glucose (Tab. 2.1).

Tab. 2.1 Glycämische Indices (GI) von glucosehaltigen Nahrungsmitteln GI Glucose und gebackene Kartoffeln (!) Coca Cornflakes Zucker Weißbrot Bier Orangensaft und Eiscreme Gekochte Kartoffeln Nudeln Reis, Bananen, Vollkornbrot, Orangen, Rosinen und Weintrauben Schokolade, Spaghetti, Buttermilch und Äpfel Milch und Joghurt Erdnüsse

100 97 90 79 (!) 69 67 60 54 (!) 50 47 32 27 12

Das Gehirn darf im Gegensatz zum Körper nicht hungern: Ohne Glucose und Sauerstoff stirbt das Gehirn nach wenigen Minuten. Das ist nur dann nicht der Fall, wenn der Körper mehrere Tage gefastet hat und sein Glycogengehalt allmählich auf fast null heruntergeschraubt wurde – dann erscheinen „Ketokörper“ wie Aceton und Acetessigsäure im Blut (Seite 209 ff) und das Gehirn kann auch diese nutzen. Bis zu 50% seines Energiebedarfs kann es zur Not aus dieser Quelle bestreiten, wenn es langsam an den Hunger angepasst wurde. Im Blut gelöste Glucose dient aber natürlich nicht nur dem Gehirn als Energiequelle, sondern auch den Muskeln und Nerven des Körpers. Das Gehirn verbraucht ziemlich gleichbleibend 5–6 g Glucose in der Stunde. Unter Ruhebedingungen sind das 50% des Gesamtverbrauchs. Bei physischer Aktivität aber steigt der Bedarf der Muskeln und der Leber bis auf das Zehnfache an, das Gehirn braucht immer noch 5–6 g/h und der Zuckergehalt des Bluts darf auf Dauer 12 g nicht überschreiten. Enthält das Blut mehr als 12 g, sind wir zuckerkrank, verbraucht werden aber bis zu 50 g/h, wenn wir uns warm laufen oder im kalten Wasser schwimmen und die Hautmuskeln zittern, um warm zu bleiben. Die sechs Liter Blut durchströmen den ganzen Körper und das Gehirn, überall wird Glucose abgezapft oder eingeschleust und ein einziger Zuckerwürfel zuviel macht krank. Ein einziger Zuckerwürfel oder ein paar Dutzend

105

106

2 Glucose: Fünfzehn Milliarden Tonnen nachwachsender Rohstoff im Jahr

Atemzüge zu wenig können tödlich sein. Unser Leben hängt also nicht nur am Wasser, sondern auch an der Glucose, dem Hydrat des Kohlenstoffs, und am Sauerstoff. Die Regulierung der Glucosekonzentration im Blut wird in Kapitel 4 (Seite 209 ff) erklärt, die des Sauerstoffs in Kapitel 6 (Seite 280 ff).

Fragen zur Glucose

1. Welchen Zucker enthalten Rosinen? 2. Ein Liter Wasser löst etwa zwei Kilogramm Saccharose, aber nur halb so viel Glucose und ein sechzehntel so viel Cellobiose. Kann man das auf molekularer Basis verstehen, wo doch kleine Moleküle „immer“ besser löslich sind als große? 3. Welche Stoffe verbraucht das Gehirn beim Denken? 4. Was wissen Sie über die Geschichte des Zuckeranbaus? Fallen Ihnen Besonderheiten ein? Vergleichen Sie mit der Geschichte der Erdölförderung. Hinweis: Wie sind der Zuckeranbau und Erdölförderung heute organisiert? 5. Wie vermeidet man die Zuckerkrankheit – indem man wenig Zucker isst? 6. Wieso schadet ein bisschen Säure aus Zucker den steinharten Zähnen? 7. Was treiben Käfer auf Blättern und an Baumstämmen? 8. Was unterscheidet das Gras der Kühe von den Nutzpflanzen der Menschen? 9. Wieso muss man aus den Baumstämmen das Lignin entfernen, bevor man zu brauchbarem Papierbrei kommt? 10. Wieso kann man Papier bedrucken? 11. Wie altert Papier? 12. Was bewirkt geringen Pflanzenwuchs? 13. Wie zaubern Sie eine betörende Basisnote mit einem flüchtigen Geruchsstoff? 14. Ist ein Süßstoff schon ein Zuckerersatz, wenn er fest an die „Süßrezeptoren“ bindet? Was muss man vermeiden? 15. Welche Glucose nutzt zur Krebsdiagnostik?

107

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran Ein Einzelmolekül wirst du nicht sichten, in Wasser bildet’s dünne Schichten. Macht phosphatierte Zellmembranen mit Ladungs- und Glucosebahnen.

Überblick

3.1 Hauptbestandteile des Lecithins und der nahe verwandten Fette sind die Fettsäuren. Besonders häufig sind gesättigte Fettsäuren mit linearen Ketten aus 15 (Palmitinsäure) oder 17 (Stearinsäure) Methylengliedern –CH2, einer Carboxylgruppe –COOH und einem Wasserstoffatom an beiden Enden. Ebenso oft findet man die Stearinsäurekette mit einer cis-Doppelbindung zwischen C-9 und C-10, die so genannte Ölsäure. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren oder omega-3-PUFAs (engl. polyunsaturated fatty acids) mit drei bis fünf cis-Doppelbindungen, die jeweils durch eine Methylengruppe voneinander getrennt sind, wirken vorbeugend gegen Herzinfarkte und kommen vor allem in Leinöl und Fischölen vor. Die zwischen den Doppelbindungen stehenden, allylischen CH2-Gruppen werden von Sauerstoff zu

108

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Allylradikalen oxidiert und gefährden so die Langlebigkeit der Öle mit PUFAs. Fettsäuren sind wasserunlöslich, ihre Salze („Seifen“) bilden aber spontan wasserlösliche Micellen, Blasen und Schäume. 3.2 Fette sind Triester des Glycerins mit drei Fettsäuren. Als Nahrungsmittel sind sie hauptverantwortlich für Übergewicht (body mass index, Masse/ Größe2; BMI > 25) und Herzinfarkte (Ausnahme: x-3-PUFAs). 3.3 Im Lecithin ist eine der Fettsäuren durch Phosphat, –O–P(O)(O–)2, ersetzt, wodurch zwei negative Ladungen eingeführt werden. Diese Ladungen sind meist durch den Alkohol Cholin, HO(CH2)2N(CH3)+3 , neutralisiert, der eine der sauren OH-Gruppen verestert und die zweite mit einer Trimethylammoniumgruppe neutralisiert. Lecithin bildet in Wasser doppelschichtige Membranen (BLM, bilayer lipid membrane). Zellmembranen sind undurchlässig für Natrium- und Kalium-Ionen und stabilisieren elektrische Potenziale. Viele mehrstufige Prozesse der Photosynthese, der Atmung, des Abbaus von Nahrungsmitteln, des Sehens, Fühlens und Denkens laufen an solchen Zellmembranen ab. Die Elastizität der Lungenbläschen (Alveolen) und die Säurestabilität der Magenwand beruhen auf Lecithin-Monoschichten. 3.4 Das Steroid Cholesterin gibt es nur bei Tieren. Es dichtet die Grenzschicht zwischen fluiden Fettsäureketten und steifen Membranproteinen in den Zellmembranen der Nerven und Muskeln ab. Andere membranlösliche Steroide schalten Proteinsynthesen an und ab, sie wirken als anabolische oder katabolische „Hormone“. Tiere und Menschen enthalten nur etwa 60 Gewichtsprozent Wasser, nicht 90% wie Pflanzen, und ihre Zellen bestehen nicht aus wasserfreundlicher Cellulose, sondern aus fettigen Lipidmembranen mit eingelagerten porösen Proteinen. Die wassergefüllten Gewebezellen, die faserigen Nerven und Muskeln sowie die röhrenförmigen Adern sind funktionelle Teile von „Maschinen“, die sich zielgerichtet bewegen und die Prozesse des Sehens, Denkens und Fühlens betreiben. Diese biologischen Maschinen sind in jeder Hinsicht (Konstruktion, Produktion, Struktur, Energieversorgung, Abfallbeseitigung, Pflege) äußerst komplex. Keine Biomaschine ist auch nur annähernd durch Synthese zugänglich. Künstliche Ersatzteile müssen grundsätzlich von außen, mit Batterien und anderen Maschinenteilen versorgt und gesteuert werden, sie können nicht „organisch“ integriert, nicht dem Metabolismus eingegliedert werden. Fettsäuren, Fette und schließlich das Lecithin sind zusammen mit ihren in Wasser gebildeten Aggregaten Gegenstand der ersten drei Abschnitte dieses Kapitels. In einem vierten Abschnitt wird auch das leicht auskristallisierende Steroid (griech. stear, „fest“) Cholesterin (griech. chole, „Galle“) besprochen, das bei Mensch und Tier hydrophobe Membranteile mit helicalen Membranproteinen verkittet. Solche Membranen lassen Wasser passieren, Natrium- und Kalium-Ionen aber werden nur durch Proteinkanäle geleitet. So können elektrische Potenziale aufgebaut und der osmotische Druck aufgehoben werden. Der Abbau einer Seitenkette des Cholesterins führt zu anderen Steroiden, die als Hormone

3.1 Fettsäuren

(griech. horman, „anregen“) wirken, im Wesentlichen als Schalter für Proteinsynthesen. Anabolika schalten die Synthese an (Schwangerschaft, Muskelaufbau), Katabolika schalten sie ab (Entzündungshemmung).

3.1 Fettsäuren

Die langen Kohlenwasserstoffketten der Fettsäuren sind von allen Molekülteilen der Natur am beweglichsten. Diese Mobilität in wässrigen Medien muss Glied für Glied analysiert werden, um folgende essenzielle Eigenschaften biologischer Zellwände zu verstehen: · Zellwände sind abgerundet und flexibel; · ihre Bestandteile sind wasserunlöslich, aber kristallisieren nicht aus; · die Membranen trennen Natrium- von Kalium-Ionen, obwohl sie nur 5 nm dick sind; · dadurch entstehen Spannungen von 10 000 V/cm, aber die Membranen reißen trotzdem nicht auf und es gibt keine Entladungen; · das Membraninnere ist flüssig und erlaubt trotzdem die feste Verankerung von Proteinen und von vielerlei Molekülen für die Reaktionsketten der Photosynthese, der Atmung und der Stromleitung in Nerven. Keine dieser Eigenschaften ist ohne die Methylenketten der Fettsäuren denkbar. Methylenketten treten bei Raumtemperatur in tausenderlei Gestalt auf, weil bei Raum- und Körpertemperatur die vielen Kohlenstofftetraeder um die C–C-Bindungen gegeneinander rotieren. Gestreckte Fäden, weite Schleifen und dicht gepackte Knäuels kommen gleichermaßen vor. Wie ein Wollfaden in kochendem Wasser verändert sich die äußere Form eines isolierten Fettsäuremoleküls ständig so, wie es unten für die (CH2)12-Kette des Dodecans demonstriert ist. Jede „Spitze“ des Kohlenstoffgerüsts entspricht einem tetraedrisch substituierten Kohlenstoffatom. Legt man alle zwölf Kohlenstoffatome als lineare Zickzack-Kette in eine Ebene (hier in die Papierebene der Buchseite), so sind die Wasserstoffatome oder beliebige andere Atomgruppen an benachbarten Kettengliedern weitestmöglich voneinander entfernt. Diese Anordnung nennt man all-trans, weil alle benachbarten Substituenten des Kohlenstoffs aufeinander entgegengesetzten Seiten der Kette liegen. In der Zickzack-Kette sind die Atome am untenstehenden Kettenglied („zick“) unten, die am obenstehenden Kettenglied („zack“) oben. In dieser Lage ist die gegenseitige Abstoßung benachbarter Substituenten der Kohlenstoffkette minimal. Die Kohlenstoffatome der Zickzack-Kette liegen in der Papierebene. Verwendet man an ihm für eine Bindung statt eines einfachen Strichs ein ausgefülltes Dreiecks so legt man damit den Substituenten in einem Winkel von: 548 vor die Papierebene. Eine gestrichelte Linie bedeutet, dass das gebundene Atom 548 hinter der Papierebene liegt. So stehen z. B. die Wasserstoffatome an C-7 in Ab-

109

110

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

bildung 3.2 nach unten, an den benachbarten Atomen C-6 und C-8 jedoch nach oben, eines der beiden Wasserstoffatome liegt immer hinten, das andere vorne. Betrachtet man nur die C-6–C-7-Bindung so zeigt das links benachbarte Kohlenstoffatom C-5 in der Zickzack-Konformation nach unten, der rechte Nachbar C-8 nach oben. Substituenten in der gleichen Ebene, also zum Beispiel zwei Wasserstoffatome am Ende eines Balkens von benachbarten Kohlenstoffatomen, sind um 1808 gegeneinander versetzt (sie stehen trans oder anti). Das trifft für alle 1,2- oder 1,4-ständigen Kohlenstoffatome der Zickzack-Kette zu. Dreht man die Kohlenstoffatome nur um die Bindung C-6–C-7 so lange, bis ihre Wasserstoffatome genau nebeneinander in einer Ebene liegen, so kommt man zur ekliptischen Konformation (ein Substituent steht im Schatten des anderen, so wie Mond und Sonne im Fall der Sonnenfinsternis oder Eklipse). Diese Konformation ist die energiereichste, weil die nebeneinander stehenden Atome sich mit ihren Elektronenwolken berühren – das bedeutet, Nähe und gegenseitige Abstoßung der Substituenten sind maximal. Bei Raumtemperatur sind solche Stellungen kurzlebig und selten, während die trans- oder anti-Konformation die energieärmste und entsprechend bei Raumtemperatur häufigste und längstlebige ist. Grundsätzlich kommen alle Konformationen vor, weil die Zahl der Moleküle so groß ist und weil die Atome dauernd in der Wärme schwingen. Fettsäureketten von einzelnen Molekülen in Lösung haben keine feste Gestalt (Abb. 3.1).

Abb. 3.1 Konformationen der (CH2)12-Kette, die durch Drehungen um C–C-Einfachbindungen zustande kommen. a) Links ist alles Benachbarte trans oder anti, in der Mitte und rechts liegen C6-C7 in der ekliptischen Form vor, aber alle C-Atome liegen noch in einer Ebene. Aus solchen Konformeren bilden sich

leicht ringförmige Verbindungen (Cyclen). b) Die um 608 versetzte gauche-Form der C–C-Bindung (rechts) führt bei regelmäßiger Wiederholung zu schraubenförmigen Konformationen (links). Regelmäßige Verdrillung wird meist durch einheitliche chirale Kohlenstoffatome erzwungen (siehe Seite 71 ff).

3.1 Fettsäuren

Diese Beweglichkeit der Alkanketten, der Hauptkomponenten der BLM, führt zum Anschmiegen der Membran an die Oberflächen starrer Proteine, wie sich Butter in die Poren einer Scheibe Brot einfügt. Diese Fluidität hat einen tiefen biologischen Sinn. Sie ermöglicht es, dass Natrium- und Kalium-Ionen vollkommen kontrolliert durch steife Rohre im Innern der Proteine fließen, anstatt in statistischer Weise durch Bruchstellen der Membran nach außen zu gelangen. Die absolute Undurchlässigkeit der 5 nm dicken Strukturen für Metallionen beruht vorwiegend auf der Fluidität der tierischen und anthropogenen Membranen. Cellulose, Nucleinsäuren, Proteinfasern oder andere Biopolymere ohne Abdichtung mit fluiden BLMs taugen hingegen weder zur Stromerzeugung noch zum Aufbau langer Reaktionsketten innerhalb der wasserabweisenden Membran-Doppelschicht. Berechnungen der Abstoßungskräfte, die zwischen den Elektronen nahe zusammenliegender Atome auftreten, und die Analyse von 1H-NMR Spektren, die bei verschiedenen Temperaturen aufgenommen wurden, zeigen, dass ekliptische Stellungen bei Alkanen je nach Größe der Substituenten 3–6 kcal/mol energiereicher sind als die gestaffelten Stellungen. Zwar finden Rotationen über diese Energiebarrieren in jedem Alkanmolekül mehrfach in jeder Sekunde statt, die längste Zeit aber schwingen die Substituenten nur um die energieärmsten Stellungen (glatte und schwach verdrillte anti-Stellungen) hin und her (Abb. 3.2). Im festen Zustand, also unterhalb des Schmelzpunktes eines Kohlenwasserstoffs und in dicht gepackten Zellmembranen, ist die Beweglichkeit der Alkylketten drastisch eingeschränkt. Die Moleküle in den weichen Kristallen von

Abb. 3.2 Energiebarrieren bei der Rotation um die innere C–C-Bindung des Butans, CH3–CH2–CH2–CH3. Um die beiden endständigen Methylgruppen (–CH3) in eine ekliptische Position zu bringen, werden

5 kcal/mol gebraucht. Die Wärmeenergie bei Raumtemperatur (27 8C, 300 K) beträgt nur 0,6 kcal/mol. Die energiereiche Konformation tritt dort nur in nicht messbarem Anteil auf.

111

112

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Kohlenwasserstoffen verschieben sich zwar mechanisch leicht gegeneinander, die mehr oder weniger gestreckte Gestalt der Moleküle bleibt aber auch in butterartigen Festkörpern über längere Zeiträume konstant. Thermodynamisch stabile Konformationen herrschen sehr stark vor, die Kohlenwasserstoffkette wackelt nur um ein paar Grad um die energiearmen anti-Stellungen herum. Aus einheitlichen Fettsäuren oder Estern können deshalb bei sehr langsamem Abkühlen einer Schmelze über mehrere Tage hinweg reine Kristalle aus vollständig gestreckten Molekülen erhalten werden. Am schnellsten aber bilden sich aus langkettigen Fettsäuren und ihren Estern (Seite 125) schmierige Schichten oder wässrige Gele. Neben C–C-Einfachbindungen gibt es in den Fettsäureketten auch C=C-Doppelbindungen, die wir im Folgenden meist rot einzeichnen. Die Kohlenstoffatome der Doppelbindung sind im Gegensatz zu den Tetraedern der Einfachbindungen planar: Kohlenstoff und seine drei Substituenten bilden nun einen zweidimensionalen Mercedes-Stern. Die C=C-Doppelbindung ist außerdem starr, also nicht verdrehbar. Diese C=C-Doppelbindung absorbiert UV-Licht mit Wellenlängen von 200–400 nm (1 Nanometer, nm, = 10–9 m). Durch diese Energiezufuhr verwandelt sich die neutrale Doppelbindung in eine „angeregte“ Einfachbindung, in der sich das Elektronenpaar der Doppelbindung auf eines der beiden Kohlenstoffatome konzentriert. Dieses Kohlenstoffatom gibt leicht Elektronen ab, es ist ein starkes Reduktionsmittel. Das zweite Kohlenstoffatom wird gleichzeitig positiv geladen und nimmt deshalb leicht Elektronen aus der Umgebung auf; es ist nun ein starkes Oxidationsmittel. Das ist typisch für Doppelbindungen, die ein Lichtquant absorbieren: Der angeregte Zustand ist immer zugleich ein starkes Reduktions- und ein starkes Oxidationsmittel. Außerdem wandeln sich im angeregten Zustand cis- und trans-Diastereomere ineinander um. Aus diesem Grund wird in diesem Buch die Doppelbindung rot gezeichnet. Das soll zeigen, dass Licht chemische Oxidations- und Reduktionskräfte freisetzt und die zuvor doppelt gebundenen Atome beweglich macht. Nur durch diese Doppelbindungen können Kohlenstoffketten Lichtenergie aufnehmen, speichern und als elektrische Energie abgeben (Abb. 3.3).

Abb. 3.3 cis-trans-Diastereomere des 2-Butens sind formstabil wie Mauersteine. Das ändert sich, wenn kurzwelliges UV-Licht die Elektronen verschiebt, dabei die Doppelbindung aufspaltet und Ladungen erzeugt.

3.1 Fettsäuren

Etwa 10 kg oder 40% der organischen Körpermasse des Menschen sind Ester der Palmitin-, Stearin- und Ölsäure. Werden diese Fettsäuren freigesetzt, so lösen sie sich in Wasser kaum (0,2–0,7 g/L), sondern knäueln sich zusammen und schwimmen als schmierige Filme an die Wasseroberfläche. Palmitinsäure ist der Hauptbestandteil des Kokospalmenfetts, Stearinsäure (griech. stear, „starr, fest“) bildet besonders harte Fettblöcke, Ölsäure ist bei Raumtemperatur flüssig. Solche Trivialnamen chemischer Verbindungen weisen, wie Sie sehen, auf den Ursprung oder irgendeine beliebige physikalische Eigenschaft der Moleküle hin, und sind deshalb leicht einzuprägen. Die Palmitinsäure wurde mit viel Geduld bei niedriger Temperatur und völliger Ruhe langsam aus Wasser auskristallisiert, was nur funktionierte, weil die endständige Carboxylgruppe zur Dimerisierung durch –C=OHO-Wasserstoffbrücken neigt. Dabei lagert sich das positiv geladene Proton der OH-Gruppe an das negativ geladene Sauerstoffatom der C=O-Gruppe eines zweiten Moleküls an. Solche Brückenbildung sorgt im fettig-schmierigen Feststoff für eine Paarung und Vororientierung der Moleküle und begünstigt die Ausbildung der Kristallebenen (Abb. 3.4). Solche Fettsäure-Kristallebenen sind wegen der Beweglichkeit der (CH2)-Ketten, die zum Chaos führt, allerdings schon im Labor mit reinen, vollkommen einheitlichen Fettsäuren schwer zu realisieren. In den Fettsäuregemischen der Natur treten Fettsäurekristalle niemals auf. In einem Stück Butter oder einem Stück Seife gibt es auch nach jahrelangem Stehen keine Kristallebenen, selbst wenn der Oberflächenschimmer und das Farbenspiel der Seifen das zuweilen vortäuschen. Mehr als Nanometer-Kristallite gibt es da nie.

Abb. 3.4 Die gestreckte Konformation der CH3(CH2)14COOH-Kette der Palmitinsäure a) im Kristall, b) in der üblichen Darstellung als Strukturformel. Die trans-Doppelbindung der Elaidinsäure ändert die lineare Gestalt nicht.

113

114

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Fettsäuren werden wasserlöslich, wenn die OH–-Ionen von Natronlauge die Protonen der –COOH-Gruppe als Wasser abspalten und negativ geladene Natriumcarboxylate, CH3(CH2)nCOO–Na+, zurücklassen. Die über Wasserstoffbrücken dimerisierenden Fettsäuremoleküle verwandeln sich so in Seifenmoleküle, deren „Kopfgruppen“ einander abstoßen, während sich die unlöslichen Kohlenwasserstoffketten in Wasser zu molekularen Mono- oder Doppelschichten zusammendrängen. Wegen der Ladungsabstoßung ist die entstehende Seifendoppelschicht stark gekrümmt: Die negativen Ladungen wollen auseinandergehen, die Kohlenwasserstoffketten aber drängen sich zusammen. Diese gegenläufigen Triebkräfte erzwingen kugelförmige Haufen oder „Micellen“ der Seifenmoleküle, die in Wasser prächtig löslich sind, weil ihre stark gekrümmte Oberfläche viel Wasser aufnimmt. Daraus folgt ein Paradoxon, das typisch ist für „Amphiphile“, Moleküle mit einem wasserfreundlichen („hydrophilen“) Carboxylatkopf und einem wasserfeindlichen („hydrophoben“) Kohlenwasserstoffschwanz: Einzelne Seifenmoleküle sind sehr schlecht in Wasser löslich, ein Aggregat von 50–100 Molekülen aber löst sich wunderbar. Um die micellare Kugel zu füllen, müssen sich die Kohlenwasserstoffketten zu Knäuels bündeln, denn für gestreckte Ketten wird nach innen der Platz zu klein. Nur je eine einzige endständige Methylgruppe von 50–100 Molekülen kann zum Beispiel das Zentrum der Kugel ausfüllen! Die Knäuelbildung aber setzt die vollkommene Beweglichkeit der Ketten voraus. Tatsächlich ist das Innere der Micelle ein nur sehr wenig viskoses, benzinartiges Öltröpfchen, das zusammen mit der polaren Kopfgruppenregion eine ausgezeichneter Lösungskraft für Fette, hydrophobe Farbstoffe und vieles andere hat. Die Lösungskraft der Seifenmicellen wird vor allem in Waschmitteln genutzt. Dabei ersetzt man die Carboxylatgruppe meist durch Sulfatgruppen –SO–3, weil Carboxylatseifen mit den Calcium-Ionen Ca2+ „harten“ Wassers ausfallen und die Wäsche dann eher verschmutzen als reinigen. Fettschichten auf der Haut, Fett- und Farbflecken auf Hemd und Hose werden von den CH2-Ketten der wasserlöslichen Seifen unterwandert. Die Oberflächenladungen der entstehenden Micellen verwandeln klebrige Flecke dann in wasserlösliche Tröpfchen. Aber Seifenmicellen „waschen“ nicht nur, sondern sie töten auch Bakterien. Ihre Fettsäureketten mischen sich mit denen der Zellmembranen, durchlöchern sie und zerstören Membranpotenzial und -organisation. Seife bildet deshalb die billige Grundlage jeder Hygiene: Sie macht Wasser auf einfachste Weise zum tödlichen Lösungsmittel für Mikroorganismen. Unser Körperwasser (ca. 5 L Blut, 45 L Zell- und interstitielles Wasser) vermeidet natürlicherweise größere Konzentrationen von Fettsäuren, weil die bei pH = 7 daraus gebildeten Micellen die Zellmembranen auflösen würden. Die beim Abbau der Fette entstehenden und ins Blut gelangenden Seifen werden deshalb von der Leber und den Fettkörperchen („Adipocyten“) schnell aufgenommen, zu Fetten oder Lecithin „verestert“ (Seite 125) oder zu Kohlendioxid abgebaut (Seite 131 f). Fettsäuren und Seifen bilden also im Volumenwasser Micellen, sammeln sich aber außerdem spontan auf der Wasseroberfläche als glänzender, mehrschichti-

3.1 Fettsäuren

ger oder monomolekularer Film. Multischichten schimmern dabei in den Regenbogenfarben wie Seifenblasen und werden farblos, wenn sie nach maximaler Ausbreitung die Dünnheit einer molekularen Monoschicht erreicht haben (siehe den nächsten Absatz). Solche Monoschichten lassen sich auch ohne micellare Unterphase dadurch herstellen, dass man eine stark verdünnte Lösung der Fettsäure in Ethanol oder Chloroform auf Wasser tropft. Das Lösungsmittel verdunstet, die zurückbleibenden Fettsäureflecken können mit einer schwimmenden Barriere zu einer geschlossenen Monoschicht zusammengeschoben werden (Abb. 3.5). Diese sieht wie eine molekulare Bürste aus: Die CarboxylatGruppe und ihre Gegenionen schwimmen auf der Wasseroberfläche, die Kohlenwasserstoff„borsten“ weisen in die Luft. Aus der abgewogenen Seifenmenge und der Fläche der erzeugten Monoschicht lässt sich eine Fläche von etwa 0,2 nm2 und ein Durchmesser von 0,45 nm pro Seifenkette berechnen. Die molekulare Monoschicht ist mit bloßem Auge als matt schimmernder Fettfilm zu erkennen und kann durch einfaches Eintauchen eines festen Gegenstands (Glas, Metall) auf diesen übertragen werden. Bläst man Luft in eine Seifenlösung, so bildet sich um die Luftblase keine Monoschicht, sondern eine molekulare Doppelschicht aus. Die Natrium- und Carboxylat-Ionen bleiben in einer zentralen Wasserschicht, die wasserunlöslichen Alkylketten zeigen auf die inneren und äußeren Luftvolumen. Zuerst liegen hunderte solcher Schichten übereinander. Bei zehn Doppelschichten ist die Seifenblasen-

Abb. 3.5 Eine rechteckige Schale wird mit Wasser halb gefüllt. Ein genau vermessenes Volumen (z. B. 200 lL) einer Lösung genau bekannter Konzentration (z. B. 100 mg/L) eines Amphiphils wird aufgetropft. Das Lösungsmittel (z. B. Ether) verdampft und zurück bleibt eine Monoschicht, deren Molekülzahl man weiß und die, wenn man alles richtig gemacht hat, kleiner ist als die Oberfläche des Trogs. Diese bedeckte Fläche muss man noch genau vermessen, um den

Durchmesser des Moleküls berechnen zu können. Dazu taucht man eine bewegliche Barriere in die Oberfläche des Wassers, die von einem Motor langsam verschoben wird und die Wasseroberfläche kontinuierlich solange verkleinert, bis die durchbrochene Monoschicht geschlossen ist. Dieser Effekt ist mit bloßem Auge sichtbar und außerdem am schlagartig steigenden Bremsdruck der Barriere erkennbar: Der Motor muss von nun an Molekülschichten übereinander schieben.

115

116

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

haut etwa 400–500 nm dick, was der Wellenlänge sichtbaren Lichts entspricht. Das Licht wird an den Oberflächen des Fettsäurehäutchens reflektiert und es kommt zu Auslöschungen mit dem eintreffenden Licht („Interferenzen“): die multischichtige Haut der Seifenblase schillert in den Farben des Regenbogens. Lässt man die Seifenblase aber stundenlang in einem staubfreien Raum auf einem Ring stehen, so fließt das Wasser nach unten und bildet einen Tropfen am Fuß der Seifenblase. So dünnt sich deren Haut solange aus, bis sie nur noch zwei Moleküle dick ist. Hält man eine schwarze Pappe hinter die Blase, so bleibt diese tiefschwarz; alle farbigen Interferenzen sind verschwunden. Man nennt deshalb die BLM nicht nur bilayer lipid membrane, sondern auch black lipid membrane. Im Zwischenraum der molekularen Doppelschicht bleibt eine konzentrierte wässrige Salzlösung erhalten, die jahrelang stabil ist. Der Dampfdruck der gesättigten Salzlösung im Zentrum der molekularen Doppelschicht ist extrem niedrig. Auch die Salzlake am Grund der Seifenblase trocknet nicht vollständig aus, solange die umgebende Luft einigermaßen feucht ist. Das wenige von der großflächigen inneren Schicht verdampfende Wasser wird aus dem Tropfen am Boden ersetzt. Das Ensemble aus hydrophober Wand und Salzlake ist vollkommen undurchlässig für Luft, die Seifenblase bleibt jahrelang

Abb. 3.6 Querschnitt durch eine Seifenblase mit Ausschnittvergrößerung. Das Wasser der Innenschicht verdampft nicht, obwohl die Membran durchlässig ist.

3.1 Fettsäuren

metastabil, obwohl der Luftdruck in der Blase höher ist als der äußere Luftdruck. Trifft allerdings ein Staubkorn die Blase, platzt sie sofort. Eine Selbstreparatur wie bei den wassergefüllten Vesikelmembranen (Seite 137) findet nicht statt. „Metastabil“ bedeutet, dass ein die Organisation einer komplexen, zerbrechlichen Struktur unter geeigneten Bedingungen viele Jahre lang existiert, bei kritischen äußeren Einwirkungen aber sofort zerfällt. Alle biologischen Organismen sind metastabil gegenüber Temperaturschwankungen von mehr als 100 8C, Säuren und Basen in Blut und Zellwasser, mechanischen Kräften mit Messerschärfe oder Hammerwucht, elektrischen Strömen, zu niedrigem und zu hohem Luftdruck und anderen Faktoren (Abb. 3.6). Ersetzt man das kleine, harte Natrium-Ion der Seifenblasen durch organische Ammonium-Ionen, dann integrieren sich die Ionen in benachbarte kleinere Seifenblasen und es entstehen stabile Schäume. Seifenschaum aus Stearinsäure mit Triethylethanolammonium, (C2H5)3N+-CH2CH2OH, als Gegenion und etwas Natriumdodecylsulfat, CH3(CH2)11OSO3Na, als Lückenfüller an Ecken hoher Krümmung ist als Rasierschaum unübertrefflich: billig und glatt. Gleiches gilt für die positiv geladenen Seifen mit Tetraalkylammonium-Endgruppen anstelle der negativ geladenen Carboxylate. Sie kleben sich als glänzende Monoschicht auf das negativ geladene Keratin der Haare. Stumpfes altes Haar glänzt dann wie der Fettfilm auf einem geputzten Schuh und die ultradünne Ölschicht trennt die aneinander klebenden Haare. Volumen kommt auf, die Fülle der großen Frisur entsteht (Abb. 3.7).

Abb. 3.7 a) Nackte Haare mit negativen Oberflächenladungen aus der Glutaminsäure der Haarproteine. b) Invertseifen beseitigen die negativen Oberflächenladungen der Haut- und Haarproteine und legen eine Ölschicht von molekularer Dicke (3 nm) darüber. Das Haar wird „voluminös“, weil Salz- und Wasserstoffbrücken es nicht mehr verkleben.

117

118

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Die fettigen Oliven des Mittelmeerraums konnten mit der Stearinsäure nichts anfangen. Deren Schmelzpunkt von + 69 8C ließ Zellmembranen an kalten Tagen erstarren, sie wurden hart und leblos. Daraufhin entzog die Evolution den gesättigten C18-Ketten der Oliven im Zentrum zwei Wasserstoffatome und formte so zwei tetraedrische Methylengruppen, C–CH2–C, in planare Methingruppen, –CH=, um. Ölsäure mit einer cis-Doppelbindung im Innern war entstanden und der Schmelzpunkt auf –36 8C abgesenkt. Olivenöl würde in kalten Nächten oder im Kühlschrank nie mehr erstarren, weil die CH2-Ketten nun links und rechts von der zentralen, cis-konfigurierten CH=CH-Gruppierung frei rotieren und jede Menge gekrümmte Formen erzeugen konnten. Eine transkonfigurierte Doppelbindung zeigt diesen Effekt nicht, weil sie sich in das antiMuster der CH2-Ketten ohne Störung einfügt (Abb. 3.8).

Abb. 3.8 Beweglichkeit der Kohlenwasserstoffkette um cisDoppelbindungen herum.

Auch alle ungesättigten Fettsäuren der Humanmilch enthalten ausschließlich cis-Doppelbindungen, die eine starre Doppelschicht aus gesättigten Fettsäuren sehr stark auflockern, fluidisieren, beweglich machen. Das ist vor allem für die durch die Kapillaren des Blutkreislaufs strömenden Erythrocyten (siehe Seite 289) wichtig. Elastizität ist für jeden Lösungs- und Transportprozess in Zellmembranen absolut notwendig und spielt insbesondere im lipidreichen Gehirn und Nervensystem eine dominierende Rolle. Neben der allgegenwärtigen Ölsäure mit einer cis-Doppelbindung im Zentrum finden sich mehrfach ungesättigte Fettsäuren (PUFAs) in fluiden Lipidmodulen des Körpers, insbesondere in Neuronen, Muskeln und Erythrocyten. Quantitativ sind die PUFAs im Menschen von untergeordneter Bedeutung, ihr Anteil liegt wohl immer unter fünf Gewichtsprozent. Qualitativ sind die PUFAs, zwei- bis sechsfach ungesättigte Fettsäuren aus Leinensamen (Leinöl;

3.1 Fettsäuren

Linolensäure) und Fischölen (Eicosapentaensäure, EPA, und Docosahexaensäure, DHA) unverzichtbar. Hier muss zunächst auf eine Besonderheit der Namensgebung der PUFAs eingegangen werden, damit Zeitungsberichte verständlich werden. Die gängige Zählweise der Chemiker zur Lokalisierung der Doppelbindung geht von der Carboxylatgruppe aus. Dessen Kohlenstoffatom erhält die Zahl 1, die Doppelbindung der Ölsäure ist dann zwischen C-9 und C-10. (Ölsäure ist die C-18 : 1,(n-9)-Carbonsäure). Bei Nahrungsfetten hat sich aber seit etwa 1980 die gegenläufige x-Zählung eingebürgert, bei der der endständigen Methylgruppe die Nummer 1 zugeordnet wird. Ölsäure ist dann eine x-9-Säure, weil ihre Doppelbindung gerade in der Mitte der Kohlenstoffkette liegt, Linolsäure ist eine x-6-Säure, Linolensäure, EPA und DHA sind x-3-Säuren (siehe Abb. 3.16). Die Zahl gibt an, wo die erste Doppelbindung vom x-Ende aus gesehen lokalisiert ist. Viele Pflanzen, vor allem Gräser, bilden die x-6-Linolsäure mit zwei und die x-3-Linolensäure mit drei cis-Doppelbindungen. Letztere ist die einzige x-3-Säure aus Landpflanzen und besonders das Leinöl ist reich daran (50–60%). Das in Nordeuropa und Nordamerika heimische Leinöl (engl. linseed oil) ist dem Fischöl gleichwertig, denn unser Körper macht die C20-Fettsäure EPA nötigenfalls selbst aus Linolensäure. Man muss dafür nicht gleich den Pazifik leer fischen. Schon die ersten europäischen Bauern wussten, dass man mit Leinöl alt wird. Sie pflanzten in Griechenland wie in Deutschland Leinen an, pressten das Öl behutsam aus und behandelten es vorsichtig. Allerdings kann man mit mehrfach ungesättigten Fettsäuren weder kochen noch braten, weil sie sich beim Erhitzen in einen ungenießbaren polymeren Firnis verwandeln. Das Bauernleben im selbst angelegten Gräserfeld machte in früher Zeit den Menschen abhängig von essenziellen Fettsäuren aus Pflanzen. Der Körper konnte die Stoffe hinfort nicht mehr selbst produzieren. Das war nicht problematisch, solange das Leinöl zur Verfügung stand. Kritisch wurde die Lage erst, als der Bauer sich auf die Wiederkäuer und die Hühner als Nahrungsquelle einließ, denn die Fettsäuren aus den von Kühen wiedergekäuten Gräser und von Hühnern gepickten Körnern gingen nicht etwa unverändert in die Kuhmilch, den Rinderbraten oder das Eigelb über. Das bequeme Federvieh des Nordens und seine trägen Kühe hydrieren vielmehr alle Doppelbindungen und erzeugen ausschließlich gesättigte Fettsäuren in Eigelb, Milch, Butter, Käse und Fleisch, obwohl ihre Körner- und Grasnahrung viel Ungesättigtes enthält. Amerikaner und Europäer verlieren deshalb sieben bis zehn Jahre ihres Lebens und geben Milliarden für Herzinfarkte und Ähnliches aus, was den Fisch essenden Japanern und anderen Insulanern erspart bleibt. Die Fische nämlich leben in kaltem Wasser und schwimmen unentwegt. Sie brauchen die ungesättigten Fettsäuren, die sie aus Wasserpflanzen aufnehmen. Die einzige reale Chance, kostengünstig alt zu werden, ist der gewohnheitsmäßige Verzehr von Leinöl. Für Fischöl sind wir einfach zu viele: Für Japaner, Kreter und vielleicht noch ein paar andere Inselbewohner mag es reichen, wenn wir uns aber alle auf den Fischfang im lebensrettenden Ausmaß stürzen, rotten wir die Fische aus (Abb. 3.9).

119

120

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Abb. 3.9 Das Fett im Fleisch der Kuh und in ihrer Milch ist nicht das Fett, das die Kuh im Gras vorfindet. Das Vieh lässt nur die Doppelbindung der Ölsäure unbeschädigt, alle PUFAs (siehe Text) werden vollkommen hydriert.

Das Problem des „Zuviel“ an gesättigten Fettsäuren ist physikalischer Natur: Die Säuren sind im Verbund der Zellmembran allein zu steif, verderben die Plastizität der Erythrocyten (Seite 289), erhöhen die Viskosität des Bluts und fördern den Herzinfarkt. Chemisch aber sind sie auf ideale Weise unreaktiv oder „inert“. Beim Kochen und Braten sind es die mehrfach ungesättigten Fettsäuren, die zu Problemen durch Radikalbildung und Polymerisation führen. Linolensäure reagiert mit Oxidationsmitteln wie Sauerstoff und bildet instabile Moleküle mit einem einzelnen Elektron, also Radikale (siehe Seite 15 und 262). Das Oxidationsmittel spaltet ein Wasserstoffatom ab und lässt ein Elektron der C–H-Bindung zurück. Dieses einzelne Elektron hält sich gleichzeitig auf allen Kohlenstoffatomen der fünf benachbarten CH-Gruppen auf. Diese Verdünnung der Dichte des ungepaarten Elektrons („Resonanzstabilisierung“) macht es langlebig und lässt es alle möglichen, oft folgeschweren Reaktionen eingehen (Abb. 3.10).

Abb. 3.10 Die CH2-Gruppe reagiert extrem schnell mit Sauerstoff und anderen Radikalen. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie neben einer cis- oder einer trans-konfigurierten Doppelbindung steht.

3.1 Fettsäuren

Im Laufe von Stunden wird nach einer Kaskade von Radikalreaktionen aus der flüssigen Linolensäure ein fester Lack. Maler nutzen diese Firnisbildung in der Ölmalerei: Sie verreiben ihre Pigmente in Leinöl, malen ein „Ölgemälde“ und warten. Innerhalb von Tagen verfestigt sich ihr Bild, das Öl ist „trocken“ geworden. Die Linolsäureradikale haben sich unter der Wirkung von Licht, Sauerstoff und radikalischen Metalloxiden aus den Farben zu einem polymeren Firnis vernetzt. In der Küche sollten wir es halten wie die ersten Bauern: Leinöl nicht erhitzen! In Magen und Darm wenigstens wird die Firnisbildung aus Linolensäure durch biologische Reduktionsmittel wie Ascorbinsäure und Vitamin E zuverlässig verhindert (Abb. 3.11).

Abb. 3.11 Das „Öl“ der Ölmalerei ist Leinöl mit vielen Radikal bildenden „allylischen“ CH2-Gruppen neben Doppelbindungen (–CH2-CH=CH–CH2–). An der Luft polymerisiert das Öl zu festem Firnis, indem die un-

gepaarten Elektronen neue C–C-Bindungen ausbilden („Quervernetzung“). Metallionen der Ölfarben mit einem ungepaarten Elektron („Radikale“, z. B. Kupfer, Cu2+, Eisen, Fe3+) beschleunigen die Firnisbildung.

Leinöl ist mit 50% Linolensäure die beste europäische Quelle für die x-3-Linolensäure. Die Mais-, Sonnenblumen- und Rapsöle der Europäer und Amerikaner oder das Sesamöl der Inder und Afrikaner enthalten viel zu viel x-6-Linolsäure, die der menschliche Körper nicht in die Linolensäure verwandeln kann. Aber sie bilden die Quellen der miesen Fast-food-Fette. Ihre Folgeprodukte im Immunsystem des Bluts machen junge Menschen anfällig und töten Alte (siehe Seite 123). Störend am Leinöl ist ein bitterer und etwas penetranter Nachgeschmack, der die allgemeine Anwendung als Nahrungsfett bisher einschränkt. Europäische und amerikanische Bauern haben nicht versucht, was den Bauern im Mittelmeerraum selbstverständlich war, nämlich ihre wichtigste Fettquelle genießbar zu machen. Stattdessen haben sie sich im Schlepptau der Franzosen mit dem Butteraroma angefreundet, das auf dem Nachgeschmack der Fettsäuren mit kurzen Alkankette, insbesondere C6 und C8 beruht (Seite 110 f). Was aus dem Olivenöl eine beliebte Delikatesse machte (Extraktion der Bitterstoffe), sollte auch mit dem Leinöl in angemessener Weise möglich sein. Der Schutz vor Firnisbildung ist ein kleines Problem: Essen Sie das Öl einfach roh auf einer Scheibe Brot! Die fade und bittere Ranzigkeit des physiologisch

121

122

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

hervorragenden Leinöls ist auch leicht durch einen Tropfen Honig oder etwas Tomaten- oder Fleischhaltiges zu überdecken. Ein seit Jahrzehnten andauernder Lebensmittelskandal ersten Ranges ist „Diätmargarine“. Dieser Skandal wird weder von Testjournalen noch von europäischen und amerikanischen Politikern und Verbrauchern zur Kenntnis genommen. Lediglich Wissenschaftler und die Präsidentin der amerikanischen Fettgesellschaft rümpfen die Nase. Diese Margarinesorten enthalten praktisch ausschließlich trans-Fettsäuren. Damit können sie zwar ebenso wie das Leinöl verharzen, aber sie sind leider völlig wertlos beim Aufbau biologischer Membranen und Immunstoffe. Der lächerliche „Vorteil“ der trans-Fette heißt „butterähnliche Streichfähigkeit“. Nützliche Fette sind immer flüssig! Die Linolensäure mit drei cis-Doppelbindungen und den vier allylischen Scharnieren vermittelt den Membranen eine wunderbare Geschmeidigkeit und ist ein Segen für den Fluss der Erythrocyten durch dünne Blutkapillaren (Seite 289) und die Schmierung der Retinaporen, wenn sie Lichtsignale in Stromstöße verwandeln. Die trans-Fettsäuren der Pflanzenmargarinen haben nur Nachteile und werden durch irreführende Werbekampagnen schön geredet. Auf der Verpackung von Diätmargarinen werden Sie den guten Namen Linolensäure nie finden, weil sie schlicht nicht enthalten ist. Stattdessen faselt man von „edlen Speisefetten“. Die Versorgung der Menschheit mit Bioschrott sollte unterbunden, dafür aber die Versorgung mit Linolensäure über Leinöl sichergestellt werden. Dabei ist jede Form der Zubereitung erlaubt und erwünscht, die die geschmackliche Zustimmung der Menschen findet, wenn nur die Struktur des Moleküls unangetastet bleibt. Chemische Namen sind ehrlich und klar; suggestive Erfindungen der Werbung sind ehrlich, aber irreführend. Sie nutzen den Lieferanten und der Lagerfähigkeit, kosten aber Milliarden gesunde Lebensjahre der Menschen. Worauf beruht, elementar physikalisch und chemisch betrachtet, der Nutzen der PUFAs, der ungesättigten, cis-konfigurierten Fettsäuren? Erstens vermitteln sie Zellmembranen die nötige Flexibilität, um eingelagerte Proteine abzudichten und unkontrollierten Ionentransport zu unterbinden. Da die PUFAs chemisch anfällig sind, aber besonders an chemisch aktiven Zentren wie der Netzhaut und den Ionengängen von Hirn und Nerven gebraucht werden, müssen sie dauernd ersetzt werden. Den größten Bedarf haben wohl dabei die roten Blutkörperchen, die Erythrocyten, die alle drei Monate sterben und neu entstehen. Nur die PUFAs ermöglichen den Erythrocyten sich durch die engen Kapillaren des Knochenmarks und des Gehirns zu winden. Im Prinzip weiß man das schon lange. Empfohlen wurde deshalb gewöhnlich die Linolsäure, eine x-6-Säure zum Beispiel aus Sonnenblumen- und Maiskeimöl. Ein zweiter, die x-6 Säuren als lebensbedrohend entlarvender Befund hingegen ist allzu lange in medizinischen Fachblättern vergraben geblieben. Mehrfach ungesättigte Fettsäuren erzeugen Prostaglandine, Leukotriene und Thromboxane, die im Immunsystem des Bluts auf alle Arten von Entzündungen reagieren. Die Abkömmlinge der x-6-Säuren, insbesondere der Linolsäure, wirken dort schnell und rabiat – was vielleicht nützlich für junge Menschen ist, die Krankheiten schnell los werden wollen, aber riskant und oft tödlich bei Alten, bei denen

3.1 Fettsäuren

Entzündungsherde vor allem die Blutgefäße verstopfen. Die entsprechenden x-3-Säuren aber sind langsam und schonend; im Alter soll man es eben „langsamer angehen lassen“ („walk slowly“, wie der Amerikaner sagt). Kreter und Japaner haben mit ihrer frischen Meereskost, den x-3-Fettsäuren der Fische, erstens bessere Gefäße und gehen zweitens sanfter mit ihnen um, wenn sie schließlich auch altern und von Entzündungen befallen werden. Ziehen sie von ihren Inseln fort in die weite Fast-food-x-6-Welt, verspielen sie diesen Vorteil und sterben so früh wie alle anderen. Die wohl einzig klare Diätvorschrift, die zur Verlängerung des Lebens führt, heißt daher: Sorge für x-3-Fettsäuren. Für Festlandsbewohner bedeutet das: Kümmere dich um unverletzte Linolensäure aus frischem Leinöl (Abb. 3.12).

Abb. 3.12 x-6-Eicosansäure ist die Quelle der schnellen Agenzien des Immunsystems; das x-3-Gegenstück EPA erzeugt die schonenden Analoga mit einer zusätzlichen cis-Doppelbindung.

Neurologen behandeln Schlaganfälle im Gehirn, Kardiologen kümmern sich um Herzanfälle und Nephrologen um Durchblutungsstörungen der Niere. Wesentlich sind für alle drei fettige Ablagerungen an Gefäßwänden. Man ist so alt wie seine Blutgefäße, heißt es zu Recht. Sklerotische Herz- und Nierenarterien machen sehr alt und führen eher zu Herzinfarkt und Nierenversagen als zu einer Hirnblutung. Pharmaka, die den Blutdruck senken, verbessern die Symptome, aber nicht den Blutstrom, mehrfach ungesättigte cis-Fettsäuren und körperliches Training aber sorgen für geschmeidige Gefäße und Erythrocyten (Seite 289). Fluide Membransegmente, gleichbedeutend mit cis-konfigurierten Fettsäuren, finden sich überall dort, wo schnell aufeinander folgende Reize verarbeitet werden. Der Kontakt von Tieren mit dem Sonnenlicht ist in der Retina, gleich hinter der Augenlinse, konzentriert. Die Zellmembranen dort sind reich an mehrfach ungesättigten cis-konfigurierten Fettsäuren ( ³ 50%). Geier hacken deshalb dem Aas zuerst die Augen und den Sehnerv aus, um an die kostbaren x-3-Fett-

123

124

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

säuren (Linolensäure, EPA und DHA) zu kommen. Danach tauchen sie ihren Schnabel in das offene Maul des Kadavers und holen sich über den Nahrungstrakt mit ihrem langen Hals die inneren Organe, die die gleichen beweglichen Fettsäuren anreichern. Das Licht sammelnde System der Retina ist übersät mit allylischen –CH2–CH=CH-Gruppen, weil die Fluidität der Membranen nirgendwo nötiger ist als bei der Aufnahme der Flut von Lichtquanten und ihre Umformung in Membranströme. Ein Retinaareal mit einer Oberfläche von einem Quadratzentimeter ist deshalb mit tausend Milliarden Molekülen gepflastert, die Membranporen öffnen und schließen (Kapitel 7). In Pflanzen wird Wasser durch Sonnenlicht zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt, was erstens eine ähnlich schnelle Prozessführung und zweitens einen Schutz der Linolensäure vor dem bei der Photosynthese entstehenden aktiven Sauerstoff erfordert. Gräser und Blätter drehen ihre Oberfläche der Sonne zu und stehen in einer Sauerstoffatmosphäre. Dieses Verhalten und diese Umwelt provozieren geradezu einen schnellen Tod durch Verlackung der Zellmembranen, durch Firnisbildung aus Linol- und Linolensäure. Man möchte den Pflanzen raten, auf gesättigte Fettsäuren umzurüsten wie es die Kühe und Menschen tun. Dann aber würden die Zellmembranen der Blätter jedem Temperatursturz in der Nacht erliegen. Kein Baum kann sich den Luxus einer „Standheizung“ leisten. Dazu reichen die am Tag angesammelten Energieträger nicht aus, die nur wenig Substanz zum Veratmen liefern. Tatsächlich überleben die ungesättigten Fettsäuren Sonnenlicht und Sauerstoff problemlos, weil Pflanzen wie alle biologischen Gewebe stark reduzierend wirken. Radikale werden von Zuckern und ihren metabolischen Produkten schnell weggefangen. Weder der Sauerstoff noch die Chlorophyll-Moleküle kommen in Kontakt mit den allylischen CH2-Gruppen, den unentbehrlichen beweglichen Scharnieren in den PUFAs. Wenn Pflanzen einen Sommer lang mit Linolensäure so gut leben, muss es auch möglich sein, flüssige Linolensäureöle aufs Brot zu geben. Wir begegnen hier einem sehr typischen Dilemma der Bio-Logik: Die molekularen Maschinenteile der Natur fallen ständig den in ihnen ablaufenden Prozessen zum Opfer. Die Beweglichkeit der Kette der ungesättigten Fettsäuren ist Voraussetzung für den Transport des Sauerstoffs im Blut und die Verarbeitung von Lichtsignalen – alles hängt an der Beweglichkeit von Methylen-Scharnieren neben cis-Doppelbindungen. Andererseits ist dieses Scharnier extrem anfällig, weil es neben elektronenreichen Kohlenstoffatomen liegt, die die relativ schwache C–H-Bindung der Oxidation durch Sauerstoff preisgeben. Die Doppelbindung selbst kann mit dem Sauerstoff-Biradikal wenig anfangen, aber die aktivierte CH2-Gruppe kann Hydroperoxide, –CH–O–OH, bilden, Wasser abspalten und damit zu C=O „ketonisieren“. Damit ist das Scharnier dann so unbrauchbar wie ein festgebackener Kolben im Automotor. Geschmeidige Teile einer Maschine müssen dauernd gepflegt, das verbrauchte Schmieröl muss ersetzt werden.

3.2 Fette

3.2 Fette

Lecithin, Sphingosin, Fett und Cholesterin bezeichnet man zusammenfassend als Lipide (griech. lipos, „Speck“). Das sind Verbindungen, die in Wasser völlig unlöslich sind, aber von Chloroform oder Ether aus totem biologischem Gewebe leicht extrahiert werden, während Kohlenhydrate und Proteine zusammen mit anorganischen Salzen zurückbleiben. Das Gehirn, das die Bilder der Umwelt gestochen scharf und zeitaufgelöst liefert, das Gedanken und Gefühle aus dem materiellen Nichts erzeugt, besteht vor allem aus ultradünnen „Speckschichten“ besonderer Art, nämlich aus phosphorylierten Wasserkanälen. Das Material dieser Kanäle ist vor allem Sphingosin (abgeleitet von Sphinx, gemeint ist das Rätselhafte); das der Zellmembranen der Körperzellen heißt Lecithin (griech. lekithos, „Eidotter“). Beides sind phosphathaltige Ester der Fettsäuren. Nennenswerte Mengen an freien Fettsäuren gibt es beim Menschen nur auf der Hautoberfläche, wo sie den pH-Wert niedrig halten und damit Mikroorganismen abwehren. Im Rest des Körpers gibt es nur Ester der Fettsäuren mit wasserlöslichen Alkoholen, meist Glycerin, Acetylcholin oder Glucose. Diese Alkohole addieren sich an die Carboxylgruppen –COOH, der Fettsäuren, wobei ein Molekül Wasser abgespalten wird (Kondensation). Der entstehende Ester ist hydrophob. So kam auch der Name „Ester“ zustande: Schon der „Essigether“ (Essigsäureethylester) aus den mit Wasser vollkommen mischbaren Komponenten Ethanol und Essigsäure schwimmt auf Wasser und bildet zwei Phasen wie das Lösungsmittel Diethylether, C2H5–O–C2H5. Für die unverzichtbaren, membranbildenden Lipide mit Phosphat oder anderen Kopfgruppen gibt es einen massenhaft vorkommenden Vorratsstoff ohne solche Gruppen, das Fett. Es sitzt als Wärme-, Energie- und Rohstoffspeicher in Fettzellen (Adipocyten) und ist funktionell kaum von Bedeutung, wohl aber ausgesprochen problematisch im täglichen Leben. Drei Hauptquellen speisen den Strom der Fette mit gesättigten Fettsäuren in Nahrungs- und Reinigungsmitteln. Das sind erstens tropische Kokosnüsse, in denen C12- und C14-Säuren vorherrschen, und zweitens, quantitativ viel bedeutender, europäische und amerikanische Kuhmilch mit viel C16-, weniger C18und einem Gemisch kürzerer Ketten und drittens Eigelb mit wenigstens 40% C18. Die aus diesen Quellen stammenden gesättigten Fette und das Lecithin des Eigelbs bilden in der Kälte perlartig schimmernde Haufen von Mikrometer großen Kristalliten, die zum Namen Margarine geführt haben (griech. margarin, „Perle“). Kokospalmen gedeihen nur in den Tropen. Das Kokosfett erstarrt bei den niedrigen Temperaturen des Nordens. Pflanzliche Zellen ohne ungesättigte Fettsäuren sterben in kalten Nächten schnell (Abb. 3.13). Butterfett (Seite 129) enthält 23% Palmitinsäure, 19% Ölsäure und 12% Stearinsäure. Das ist nichts Besonderes und würde sie nicht zur Delikatesse unter den Fetten mit ihrem berühmten Mundgefühl (amer. mouth feeling) machen. Dafür ist die zweite Hälfte aus wenigstens 14 Fettsäuren mit 4–18 Kohlenstoff-

125

126

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Abb. 3.13 Fettstruktur: Hier zwei einheitliche, synthetische Fette oder Triglyceride – links mit zwei Stearinsäuren und einer Ölsäure in der Mitte, rechts mit zwei Hexyl- und einer Decylsäure-Kette. Solche synthetischen Fette lassen sich kristallisieren. Biologische Fette enthalten im Zentrum oft eine ungesättigte cis-Fettsäure und andere Fettsäuren in statistischer Verteilung. So etwas kristallisiert nie.

atomen verantwortlich. Neben dem wohligen Gefühl an den Schleimhäuten vermittelt die Butter, wie alle Fette, dem Magen ein Sättigungsgefühl. Das liegt daran, dass die Fette sich kaum mit Wasser mischen (ca. 20 g pro Badewanne), nur langsam abgebaut werden („liegen“ im Magen) und außerdem ihr Kaloriengehalt etwa doppelt so hoch ist wie der der Glucose. Fette werden in den Mitochondrien der Zellen, insbesondere auch denen des immer sehr aktiven Herzmuskels mit Sauerstoff oxidiert (Seite 282), wobei erst Essigsäure, dann Kohlendioxid entsteht. 11 C-markierte Palmitinsäure (Halbwertszeit 23 min) strahlt Positronen (Seite 52) ab und reichert sich im Myokard, im Herzmuskel an. Das ist der Fall, weil Fettsäuren besonders viel Energie liefern, die im menschlichen Körper vor allem zum Betrieb des Herzens gebraucht wird. Für den gewaltigen Energiebedarf des Herzmuskels sind die Fettsäuren gerade richtig; die Proteine des Herzmuskels müssen dann allerdings die Reaktionen mit molekularem und atomarem Sauerstoff (Seite 282) ertragen. Für das Gehirn hingegen sind sowohl atomarer Sauerstoff und als auch Radikale unerträglich. Es beschränkt sich deswegen auf die sanftere Glycolyse der Glucose zur Energiegewinnung (Seite 76). Europäer und Amerikaner sollten über das Fett der Kühe und Hühner Bescheid wissen, das über Fleisch, Milchgetränke, Speiseeis, Käse, Mayonnaise, Butter und viele darauf beruhende Produkte den Fettmarkt dominiert. Im Gegensatz zum einhöhligen Menschenmagen für unverdauliche Kost sind dem Kuhmagen drei Vormägen zugeschaltet, die nach einiger Vorverdauung das Futter ins Maul zurückbefördern („Wiederkäuer“), wo andauerndes Kauen die Cellulose weiter zermahlt. Eine Kuh zermahlt das Gras mit 40 000 Kaubewegungen am Tag, womit sie den Menschen mindestens hundertfach übertrifft. Dabei geht es weniger um die katalytische Effektivität der Cellulasen, die die Glucose

3.2 Fette

der Cellulose für die Kuh freisetzen, als vielmehr um das unermüdlich-mechanische Zerreiben unlöslicher Fasern. Zusätzlich sorgen die 8 kg Mikroorganismen der Vormägen für einen sehr hohen Eiweiß- und Mineralgehalt der Milch. Sie erzeugen aus der Glucose die gesättigten Fettsäuren; dabei benutzen sie zwar die ungesättigten Fettsäuren der Gräser für sich selbst, liefern aber Proteine, Mineralstoffe und Vitamine mikrobiologischen Ursprungs. Kuhmilch ist wegen der ewigen Wiederkäuerei besser mit Proteinen, Calcium und Phosphat ausgestattet als Muttermilch, aber die Linolensäure ist weg. Ein Kalb schafft es, sein Geburtsgewicht von 35 kg bereits nach 45 Tagen zu verdoppeln und ist damit erstens dreimal so schnell wie ein Baby und zweitens zehnmal so schwer. Das zentrale Nervensystem des Menschen entwickelt sich langsamer als das der Kuh, weil die menschliche Großhirnrinde mehr Erfahrungen, Fähigkeiten und Wissen aus dem Erbe der Vorfahren speichern muss als das der Kühe, die sich auf einige zweckmäßige Reaktionen auf die Umwelt beschränken. Wir lassen uns Zeit für eine lange Jugend, in der unsere Wasserkanäle sprechen, singen und differenziert sehen, denken und fühlen lernen. Zwischen dem Gehalt der Milch an Eiweiß für den Aufbau und die Funktion der Muskeln und Phosphat für Gehirn, Nerven und ATP einerseits und der Wachstumsgeschwindigkeit von Neugeborenen andererseits bestehen enge Beziehungen. Muttermilch trägt dem vorhersehbar langsamen Wachstum Rechnung. Das Neugeborene wiegt 3,5 kg, verliert erst 10% davon und verdoppelt dann sein Gewicht nach 150 Tagen. Milch ist eigentlich ein Sekret des Muttertiers, das unter natürlichen Bedingungen nur so lange gebildet wird, bis die Jungen sich an die Umwelt angepasst haben und selbstständig werden. Bei hochgezüchteten Milchkühen aber durchströmen 10 000 L Blut die Milchdrüsen, und ihre Sekretion kann durch fortlaufende Milchentnahme über fast beliebig lange Zeiträume aufrecht erhalten werden. Die Drüsenzellen dieser Zuchttiere sind extrem reich an Mitochondrien und das ATP setzt dort 4100 kcal am Tag frei. Die Milchdrüsen einer Kuh haben etwa den gleichen Energieverbrauch wie zwei erwachsene Menschen. Die Produktion der fünf Billionen (5 ´ 1012) Fettkügelchen in einem Liter Milch hängt direkt mit der Glycolyse (siehe Seite 76) in den Vormägen zusammen und sinkt beim Ausbleiben von Futter steil ab. Ein erwachsener Mensch setzt 2500 kcal am Tag um, eine Kuh braucht 10 000 kcal zum Überleben und weitere 26 000 kcal, um 20 L Milch zu erzeugen, bei Winterfütterung 10 L am Tag. Extrem viel Aufwand, bevor Butter und Käse im Kühlschrank liegen (Tab. 3.1).

Tab. 3.1 Zusammensetzung von Muttermilch und Kuhmilch.

Wasser Fett Eiweiß Milchzucker + 2+ Mineralien (K+, Ca2+, PO3– 4 , Cl , Na , Mg )

Muttermilch

Kuhmilch

87,6% 4,1% 1,2% 6,9% 0,2%

87,5% 3,4% 3,5% 4,8% 0,8%

127

128

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Die Größe der Fetttröpfchen in der Kuhmilch liegt zwischen 0,1 und 10 lm. Die einzelnen Tropfen sind umhüllt von Lecithin, Proteinen und natürlich von Hydratwasser. Milch ist eine kolloidale Lösung von Fetttröpfchen mit negativen Oberflächenladungen (Phosphat, Carboxylat), die sowohl von Lipiden als auch von eingelagerten Milchproteinen herrühren. Neutralisiert man die Ladungen mit Säuren, z. B. Milchsäure, so geliert („gerinnt“) die Milch („Käsebildung“). Die Zentrifuge hingegen „entbuttert“ sie, indem sie das leichte Fett auf die Wasseroberfläche treibt. Butter besteht aus wenigstens 500 verschiedenen Triestern des Glycerins mit verschiedenen Fettsäuren. Vor allem gibt es viele kurze Fettsäureketten in der Butter, die auf der Zunge langsam schmelzen und gelöste Aromastoffe langsam und „zart“ verteilen. Herausragende Gegenstücke sind Kakaobutter und Palmkernfett, die steil innerhalb eines Bereichs von 2 8C abschmelzen. Sie sind spröde und kühlen die Zunge, weil sie in einem engen Temperaturintervall viel Wärme von ihr abziehen. Aroma findet da kaum statt. Nichts für Nordländer! Kuhmilch ist die einzige Milch, die in großem Stil artfremd verwendet wird. Man zentrifugiert sie und erhält Butter mit 10% Wasser. Etwas eingelagertes Casein, ein Protein (siehe Kapitel 4), sorgt für die Mischung („Emulgierung“) beider Komponenten. Die Steifheit der CH2-Ketten der Palmitin- und Stearinsäure findet sich in der Robustheit des Kuhmagens, sowie in der Stabilität und Steifheit ihrer Gelenke wieder. Menschenmilch enthält viel weniger Stearinsäure. Gleiches gilt für die Eier von Hauskükenarten. Auch ihr Eigelb (Eidotter) ist rigide, weil das domestizierte Huhn der Geschmeidigkeit wenig bedarf. Vogelund Schlangeneier enthalten viel weniger Stearinsäure, mehr Linol- und Linolensäure. Beweglichkeit ist hier alles. Körner und Gräser, das Futter der Hühner und Kühe, sind voll von x-3-Säuren. Das Fett der Frauenmilch enthält 48% gesättigte Fettsäuren und 36% Ölsäure, die Kuhmilch 64 bzw. 19%. Bei den Diensäuren beträgt der Gehalt beim Menschen 8, bei der Kuh 4%, bei den Triensäuren 1,1 bzw. 0,4%. Die Unterschiede sind nicht dramatisch, aber signifikant, weil Milch-, Butter- und Käsefette im Zehn-Gramm-Maßstab verzehrt werden. Schnell entsprechen alle Fettsäuren des Menschen denen der Kuh. Wenn schon Milchprodukte eine Grundlage der menschlichen Ernährung sein sollen („alles Essenzielle ist in ihr enthalten, sonst würde das Baby nicht gedeihen“) dann kann nur die Muttermilch des Menschen in der Menge, die eine Mutter erzeugt, als Maßstab dienen, nicht der Riesenbetrieb des Euters der domestizierten Kuh. Fette werden in Milch und anderen Körperflüssigkeiten durch Proteine, zum Beispiel Casein, emulgiert. Danach aber müssen zunächst Fettsäuren und Glycerin durch Lipasen-katalysierte Wasseranlagerung (Hydrolyse) voneinander getrennt werden, die Fettsäuren schrittweise durch Sauerstoff zu Essigsäure abgebaut und zu Kohlendioxid verbrannt werden. Schon der erste Schritt, die einfache Hydrolyse, ist mühsam, denn Fetttröpfchen und wasserlösliche Enzyme sind einander vollkommen fremd. Es bedarf eines Vermittlers (Aktivators), der beide Komponenten bindet und zur Reaktion miteinander befähigt. Danach

3.2 Fette

Abb. 3.14 Modell eines Fetttröpfchens der Milch. 88% ist Wasser, der Rest ist zu etwa gleichen Teilen Butterfett, Protein (vorwiegend Casein) und Milchzucker.

muss die Fettsäure schnell entfernt werden, bevor sich Micellen bilden und Zellmembranen aufgelöst werden (Abb. 3.14). Das Fettproblem landet – wenn nicht sportliche Aktivitäten sofortige Abhilfe schaffen – in den Adipocyten, den Fettzellen des Körpers. Kuhmilch und Folgeprodukte sowie Rindfleisch machen Europäer und Amerikaner fett. Europäer essen Butter, Käse und Schokolade, Amerikaner in jeder Stunde eine Million Tiere, beide essen Milcheis und trinken Milch. All das sind europäisch-amerikanische Spezialitäten, die sich unwiderstehlich und schnell (als „Fast food“ eben) in der Welt verbreiten. Kein Land Asiens oder Afrikas kennt Schlachthöfe im großen Stil, kein Mensch und auch kein Tier außer uns trinkt fremde Milch und isst reines Fett. Das schlanke Volk der Japaner verfettete nach dem 2. Weltkrieg, als Milchprodukte das Land überschwemmten; zum Glück haben die Japaner die Milch schnell wieder „vergessen“. Käse- und Fleischverzehr sind auch für Europäer alles andere als „natürlich“. Ihr Körper wurde von der Evolution auf beides nicht eingerichtet. 99% der Evolutionsgeschichte war der Mensch ein Pflanzenesser. Das Töten von Tieren und das Melken der Kühe wurde erst vor hundert Jahren zur Hauptnahrungsquelle. Schlachthäuser und Melkmaschinen kamen auf, das Erdöl trieb Autos, Eisenbahnen, Schiffe und Flugzeuge über die Erde, machte Europäer, Amerikaner und nun auch viele andere reich und träge – ein breiter Strom gesättigter Fettsäureketten brachte nach der Sättigung die Übersättigung (Abb. 3.15).

129

130

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Abb. 3.15 Weiße Fettkörperchen oder Adipocyten. Das sind keine wirklichen Zellen, sondern gigantische Fettsäcke mit 10 lm (10 000 nm) Durchmesser.

Bei Wölfen und Hunden ist das anders. Sie waren schon immer Fleischfresser, trotzdem lernten sie die Arteriosklerose nie kennen. Käse und Butter essen sie nicht, an das Fett im Fleisch sind sie adaptiert. Außerdem sterben sie jung. Letzteres wollen wir nicht nachahmen, aber ansonsten sollten wir uns wie die Wölfe an unsere Evolutionsgewohnheiten erinnern. Bei einer Beschränkung auf Kohlenhydrate registrieren wir beim Essen sofort „genug“ und schieben nicht dauernd nach. Immer folgt auf ein üppiges Kartoffel- oder Reismahl zwangsläufig ein bescheidenes. Nicht so bei fettigem Essen. Das innere „Genug-Signal“ kommt nicht, das überwältigende mouth feeling und der aromasüchtige Gaumen befehlen mehr, mehr, mehr bis zur Völlerei. Die gängige Mischung Alkohol plus Fett ist grundsätzlich ebenso misslich. Das Gehirn wird durch den Wein aus seiner feinen Balance geworfen und befiehlt dem Körper: „Raus damit!“ Der Körper beeilt sich daraufhin, den Alkohol schnellstmöglich zu verbrennen, wobei das Fett liegen bleibt. Mundgefühl, Aroma- und Alkohol-Rausch wirken gemeinsam, potenzieren ihre Wirkung Richtung Gewichtszunahme und setzen den Aufbau unbeweglicher Adipocyten durch. Einen Höhepunkt europäisch-amerikanischen Unsinns bei den Fettnahrungsmitteln markiert das Produkt „Olestra“. Der Name weist daraufhin, dass man das künstliche Nahrungsmittel wohl werbetaktisch als „Öl von den Sternen“ anpreisen wollte. Durch Veresterung aller OH-Gruppen des Zuckers mit gesättigten Fettsäuren erzeugte man ein Superfett mit dem berühmt-sahnigen Mundgefühl. Dieses Superfett ist erstens absolut unverdaulich, weil die Fett-abbauenden Lipasen den Kern des molekularen Fettklumpens nicht erreichen, und zweitens können auch die Adipocyten mit Olestra nichts anfangen. Olestra geht deshalb direkt in die Faeces und macht den Kot dünnflüssig. Das kalorienfreie Fett mit sahnigem Charakter, das kulinarische Paradies auf Erden, hat also die Kehrseite des ständigen Durchfalls und setzt vor allem das Gesetz des Hungers nicht außer Kraft: Was den Körper nur durchläuft, sättigt nicht, der Hunger bleibt. Man isst dann das „normale“ Fett zusätzlich (Abb. 3.16).

3.2 Fette

Abb. 3.16 Molekülstruktur von Olestra, einem Octaester des Zuckers mit Palmitinsäure. Die Esterbindungen dieses Fetts (rot) sind für Lipasen unzugänglich, weil sie von den Alkylketten der Fettsäuren abgedeckt werden (blau, hier nur unvollständig verknäuelt, um

das rote Reaktionszentrum sichtbar werden zu lassen). Olestra ist damit unverdaulich und ohne Kalorien. Es schmeckt sahnig wie Butter, sättigt aber nicht, sondern macht nur die Ausscheidungen dünnflüssig.

Kartoffeln, Gemüse, Fleisch und Fisch lassen sich wunderbar in Fett garen und knuspern, weil Fett bei hoher Hitze und intensivem Wärmeaustausch für kurze Verweilzeit und wenig Strukturschaden sorgt. Leider saugt sich das gebratene oder frittierte Produkt mit Fett voll. Nach zwei Minuten Frittieren steigt der Fettgehalt auf 60%, wenn man mit einer Öltemperatur von 60 8C beginnt und dann auf 180 8C erhitzt. Wirft man hingegen die Kartoffelstückchen direkt in das 180 8C heiße Fettbad, dann sinkt der aufgenommene Fettanteil auf 30%, lässt man dann noch bei 180 8C sorgfältig abtropfen, auf 20%. Das macht die Frittenbude mit ihren Sieben: Die Poren der Kartoffel haben sich im Hitzeschock blitzschnell geschlossen, sie bleiben mit Wasser gefüllt, und die Abtropfdynamik des Fettes ist bei 180 8C optimal. Gibt es fettarmes Fleisch? Die Zahl der Adipocyten ist bei Schweinen festgelegt. Verfettung beruht auf einer Vergrößerung der Fettzellen, nicht auf ihrer Vermehrung. Bei geringem Fettverzehr lagern die Fettzellen Wasser ein, das Fettgewebe leert sich. Das Fleisch wird schlaff und wenig aromatisch. Schweinefleisch ist also immer fett, wenn es schmeckt, bei Rind und Geflügel kann aromatisches Fleisch fettarm sein. Das bei der Atmung frei werdende Kohlendioxid kann aus der ausgeatmeten Luft (ca.4% CO2) mit Calciumhydroxid, Ca(OH)2, als Calciumcarbonat, CaCO3, abgetrennt und quantitativ bestimmt werden. Die Differenz des Sauerstoffgehalts in der ein- und ausgeatmeten Luft (ca. 4%) lässt sich mit Sauerstoffelektroden elektrochemisch bestimmen. Aus den beiden Werten berechnet sich Verhältnis CO2/O2, der Atemquotient. Die beiden Hauptnahrungsstoffe zur

131

132

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Energiegewinnung sind Kohlenhydrate, im Wesentlichen –CHOH–, und Fette, hauptsächlich –CH2–. Daraus ergeben sich folgende Atemquotienten AQ: Kohlenhydrate:

–CHOH– + O2 ? CO2 + H2O; AQ = 1

Fette:

2 –CH2– + 3 O2 ? 2 CO2 + 2 H2O; AQ = 2/3 = 0,66

Fette verbrauchen also ein Drittel mehr Sauerstoff als Kohlenhydrate, um ein Molekül Kohlendioxid zu erzeugen. Durch eine Messung des AQ lässt sich feststellen, wie viel Fett und wie viel Kohlenhydrate ein Mensch, ein Tier oder ein Organ zu einem beliebigen Zeitpunkt verbrennt. Im Ruhezustand liegt der AQ meist um 0,8, das heißt Kohlenhydrat und Fett werden gleichermaßen verbrannt. Intensive Bewegung und geistige Arbeit treiben den AQ auf 0,9 hoch, der schnelle Glucoseabbau dominiert mit 80%. Einen Abfall des AQ unter 0,75 findet man auch im tiefen Schlaf nicht, weil das Gehirn immer Glucose verbraucht. Atemquotienten über 1 bedeuten, dass sehr kalorienreich gegessen wurde und ein Teil der Glucose nicht vollständig verbrannt, sondern in Fett verwandelt wird, das sich zunächst in der Leber ansammelt. Der Sauerstoffverbrauch sinkt dann kräftiger als die Kohlendioxiderzeugung. AQ-Werte bis 1,2 kommen vor. Übergewicht ist das Hauptproblem der Ernährung mit Fetten. Der Körpermassenindex BMI (Körpergewicht in kg/(Körperlänge in cm)2) sollte unter 25 liegen. Schon bei BMI = 30 verdoppeln sich die tödlichen Risiken der HerzKreislauf Krankheiten, liegt die Zahl der Krebstoten um 30% höher und wird das Altern unnötig schmerzensreich. In unserer Haut wirkt Fett wunderbar ausgleichend und wärmend. Nur unsere Handflächen werden nicht von Talgdrüsen eingefettet, ihre Haut ist nicht wasserdicht. Im Seifenwasser tritt Wasser aus dem Körper, die Hände werden faltig und „schrumpeln“. Auf der Handfläche ist deshalb der Ersatz abgewaschenen Fetts durch eine Fettcreme mindestens ebenso angemessen wie auf der Zunge. Die Bedeckung mit Fett macht die Innenflächen der Hand weich und glatt, auf der Zunge erweckt sie die sahnige Geruchs- und Geschmacksanmutung, die Schleimhäute erfahren durch Weichheit und Feuchtigkeit der Fetttröpfchen wohlige Gefühle. Fett ist das auch das körpernächste organische Lösungsmittel. Pickel lösen sich bei einer Behandlung mit erstens Badeschaumwasser, um den Schmutz zu entfernen, zweitens massiv Fettcreme, um die Membranen zu lösen, drittens einer Bodylotion mit freien Fettsäuren und Zitronensäureestern in Wasser, um die dicke Fettschicht wasserfreundlich zu machen, viertens warmem Leitungswasser, um den schmierigen Fettfilm mit dem Akneschmutz weitgehend abzuspülen, und fünftens einem sauberen Handtuch, um alles abzutupfen. So wäscht man den täglichen Schmutz schonend herunter und es bleibt ein dünner sauberer Fettfilm auf der Haut. Die Pickel verschwinden hoffentlich und die Haut fühlt sich nicht gereizt, sondern gut behandelt. Als dünne Schicht unter der Haut verteilt Fett auch wässrige Lösungen des Proteins Insulin langsam und völlig gleichmäßig über den Körper. Nur wenige

3.2 Fette

Tropfen einer wässrigen Lösung mit Phosphatpuffer (pH 7) und 100 U (engl. units, „Einheiten“) oder 3,75 mg Insulin werden am besten mit Fertigspritzen oder Kartuschen flach in die Fettschicht unter der Haut gespritzt, weil Injektionen direkt in durchblutete Muskeln zu unkontrollierbaren Konzentrationsschwankungen des Insulins und damit der Glucose im Blut führen. Die Verteilung über die große Fettfläche unter der Haut vermeidet das. Man führe deshalb die Nadel der Einwegspritze wie gesagt schräg in eine straff gehaltene Hautfalte und richte sie beim Zurückziehen um 458 verwinkelt auf. So verhindert man das Zurückfließen des Wassertröpfchens der Insulinlösung aus dem fettigen Stichkanal auf die Hautoberfläche. Nach einer kleinen Massage des Einstichs verteilt sich das ziemlich hydrophobe Insulin erst in der Fettschicht und dann innerhalb von etwa 30 min gleichmäßig im Blut. Die wasserunlösliche Fettschicht an der Oberfläche des Körpers kontrolliert so die Glucose-Konzentration in den wässrigen Blutbahnen in seinem Inneren. Ein wunderbares Zusammenspiel der äußeren Speckschichten mit den inneren Wasserstraßen ist typisch für die Lebensprozesse der Tiere und Menschen (Abb. 3.17).

Abb. 3.17 Zuckerkranke (Seite 209) sollten die Injektionsnadel mit der wässrigen Insulin-Lösung nicht in Richtung des Injektionskanals wieder herausziehen (rechts), sondern vorher verkanten (links). Sonst drückt

die Fettschicht den Wassertropfen zurück in den offenen Kanal und der landet auf der Haut, anstatt sich im Fettpolster zu verteilen. Nach M. Berger (Hrsg.) Diabetes mellitus, Urban und Schwarzenberg, München, 1995.

133

134

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

Das Eigelb („Dotter“) im Zentrum der Hühnereier ist eine wässrige Emulsion von Fett und Lecithin im Verhältnis 2:1, außerdem enthält es knapp 1 g Cholesterin (Seite 150) und ein paar Milligramm Carotine (Seite 295). Wenn man ein Ei in kaltes Wasser legt und langsam erhitzt, schwimmt der leichte, fettige Dotter in der wässrigen Eiweißlösung häufig nach oben. Gleichzeitig verlässt das Hydratwasser der Lecithinschichten das Eigelb und es trocknet zu einem Pulver aus, wenn man das Ei schließlich mehrere Minuten lang im Wasser kocht. Damit ist das fettige Lecithin vom Protein abgetrennt und lässt sich dann weiter anreichern, indem man Fett, Cholesterin und Carotin mit Chloroform herauswäscht. Die etwa 8–10 kg Fettsäureester des Erwachsenen mit den beweglichen Alkanketten führen erstens zur runden Form, der Kurvatur, biologischer Zellen und Zellverbände und machen sie zweitens unlöslich in Wasser. Zellmembranen aus Millionen von Lecithinmolekülen sind wasserlöslich, das einzelne Lecithinmolekül ist es nicht. Das ist eines der Paradoxa der Natur: Ein einziges Molekül mit einem Molekulargewicht unter 1000 ist nahezu vollkommen unlöslich, Aggregate mit einem Molekulargewicht von vielen Millionen lösen sich hingegen wunderbar und schwimmen seit Milliarden Jahren als Bakterien und Algen in Flüssen und Seen, ohne jemals auszukristallisieren. Biologische Zellwasser und die einhüllenden Lipidmembranen sind weder Flüssigkeiten noch Festkörper. Es sind Hydrogele, d. h. dreidimensionale Netzwerke aus Membranen und Polymersträngen, die große Mengen Wasser einschließen (Zellwasser, Blut). Kapillarkräfte verfestigen diese Gele, das Zellwasser wird von biologischen Oberflächen makroskopisch fixiert. Unter günstigen äußeren Bedingungen leben biologische Gele hundert Jahre lang, aber sie sind anfällig gegenüber geringfügigen Änderungen der einfallenden Lichtenergie (UV-Licht), des äußeren Drucks (Zerstörung des Augapfels durch einen Druck mit dem Finger), der Temperatur (keine Palmen im Grunewald, keine lebenden Fische oberhalb von 298C) sowie des Lösungsmittel- und Säuregehalts des Wassers. Ein paar Milliliter Chloroform im Blut oder im Blatt, ein paar Protonen zuviel – und der Organismus stirbt. Lebendiges ist zerbrechlich und verwest schnell nach dem Tod. Ist das räumliche Netzwerk des Gels in einem lebenden Organismus einmal zerrissen, durch Mikroorganismen angefressen oder durch Versteifung zerbröselt, dann ist es kaum zu reparieren oder neu aufzubauen. Der langsame Verlust der Elastizität in dem Netzwerk ist die Ursache des Todes alles Lebendigen durch Altern. Ein Kristall ist ewig stabil und ewig tot, ein Hydrogel kann lange leben, auch neu geboren werden – in sich aber ist es nur metastabil. Lecithinschichten gibt es aber nicht nur in Form der Fasern im Volumenwasser, sondern auch als stabile molekulare Monoschichten (MLM, monolayer lipid membrane) auf Wasser oder festen Materialien. Benutzt man dazu Lipid mit nur einer Kopfgruppe, hydrophobisiert man die Oberfläche; werden aber Bolaam-

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

Abb. 3.18 Molekulare Struktur eines Gemischs langkettiger Fettsäuren und ihrer Derivate in Wasser. Die Kristallisation zu spitzen und kantigen Nadeln (links oben) ist schwierig und findet in Gemischen so gut wie nie statt, dagegen lässt sich die Bildung weicher Fasern und Faserbündel in Wasser sowie das Gelieren leicht erreichen. Die elektronenmikroskopische Aufnahme (oben rechts) zeigt Fasern, deren Durchmesser der Länge von

zwei Fettsäuremolekülen entspricht und die in Wasser elastische Gele bilden. Fettsäurederivate kleben mit ihrer polaren Endgruppe oft an Glas oder anderen polaren Oberflächen fest und ordnen sich dort entsprechend ihrer Kettenlänge. Solche geordneten Bereiche gleicher Moleküle heißen „Domänen“. Fettsäuredomänen sind hydrophob, wenn die Kopfgruppen an den Festkörper gebunden sind, Boladomänen sind immer hydrophil.

phiphile mit zwei Kopfgruppen verwendet, erhält man stabile hydrophile Oberflächen (Abb. 3.18). Der wichtigste Fettsäureester unseres Körpers ist das Lecithin, das auch den Hauptbestandteil des Fettkörpers „Eigelb“ im Hühnerei bildet. Der Alkohol des Lecithins ist Glycerin, dessen drei OH-Gruppen mit zwei Fettsäuren und einer Phosphorsäure verestert sind. Phosphorsäure ist O=P–(OH)3, enthält also drei OH-Gruppen, die leicht ein Proton abspalten. Die zweite OH-Gruppe der Phosphorsäure ist mit einem stickstoffhaltigem Alkohol namens Cholinchlorid HO(CH2)2N(CH3)+3 Cl–, verbunden, der auch eine positive Ladung mitbringt. Die dritte OH-Gruppe der Phosphorsäure bleibt frei und dissoziiert in Wasser. Lecithin ist dementsprechend ein Phosphorsäurediester und ein Zwitterion mit je einer positiven (Cholin) und einer negativen (Phosphat) Ladung. Die beiden Fettsäuren steuern ihre wasserunlöslichen Alkylketten bei (Abb. 3.19). Das Lecithin-Molekül ist vollkommen wasserunlöslich. Versuche, seine Wasserlöslichkeit zu messen, endeten bei 10–10 mol/L, etwa 0,0001 mg pro Liter Wasser.

135

136

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Abb. 3.19 Lecithin bildet sehr stabile molekulare Monoschichten auf Wasseroberflächen (siehe Abb. 3.18) und bläschenartige (Abb. 3.21) oder schlauchförmige Doppelschichten in Volumenwasser.

Lecithin quillt aber in Wasser auf und bildet Fäden, die sich ablösen, um wassergefüllte, kugelförmige Bläschen, sogenannte Vesikel (lat. vesicula, „Bläschen“) zu bilden. Diese Vesikel verkleinern sich beim Schütteln auf einen einheitlichen Durchmesser von 30 nm, werden aber in biologischen Zellen auch viele Mikrometer groß. Die Hülle oder Membran besteht aus der gleichen, aber umgedrehten molekularen Doppelschicht wie die Seifenblasen: die polaren Gruppen sind jetzt außen und die Membran trennt nicht zwei Gasvolumen, sondern zwei Wasservolumen voneinander. Diese BLM (bilayer lipid membrane) ist eine molekulare Doppelschicht (bilayer), weil die wasserlöslichen Kopfgruppen in den inneren und äußeren Wasserschichten gelöst sind, ein Lipid, weil die Alkylketten aus dem Wasservolumen herausstreben, und eine Membran, weil sie eine ganz, ganz dünne Trennschicht zwischen zwei Flüssigkeitsvolumen bildet, die für Salze undurchlässig, für Wasser aber permeabel ist (Abb. 3.20). Die Kohlenwasserstoffketten in den wenig gekrümmten Vesikelmembranen liegen im Wesentlichen in gestreckten Konformationen vor und laufen parallel zueinander. Deshalb sind diese Membranen viskoser als Micellen, aber immer noch sehr fluide Lösungsmittel und lassen keine Ionen, wohl aber Wasser passieren. Die Trennfähigkeit für Salz und die Durchlässigkeit für Wasser macht die BLM der Vesikel osmotisch (griech. osmos, „schieben, stoßen“) aktiv. Erzeugt

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

Abb. 3.20 Modell eines wassergefüllten BLM-Vesikels (links) und elektronenmikroskopische Aufnahme eines beim Anlegen des Vakuums im Mikroskop nach innen gewölbten, wasserfreien Vesikels.

man eine Vesikel zum Beispiel in einer Kochsalzlösung und verdünnt dann die Lösung, so versucht das Wasser spontan einen Konzentrationsausgleich, indem es in die Vesikel eindringt. Das Innenvolumen vergrößert sich, die Vesikel platzt. Erzeugt man hingegen die Vesikel in reinem Wasser und fügt Kochsalz zu, so diffundiert das reine Wasser innerhalb der Vesikel nach außen in die Salzlösung und die Kugel schrumpft zusammen (Abb. 3.21 ).

Abb. 3.21 Modell und osmotisches Verhalten von Vesikeln. Oben: Das Vesikelwasser enthält weniger Salz (Cl–) als das Außenvolumen. Wasser strömt durch die Membran

nach außen (Osmose), der Vesikel schrumpft. Unten: Die innere Salzlösung ist höher konzentriert, Wasser strömt in den Vesikel (Osmose) und bringt ihn zum Platzen.

137

138

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Lungenbläschen (Alveolen, lat. „kleiner Hohlraum“) sind die Luftzellen der Lunge, deren Volumen sich beim Einatmen stark erhöht. Sie sind unterschiedlich groß und miteinander verbunden. Verhielten sie sich wie Seifenblasen, würden sich die kleinen in die großen entleeren, weil der Druck p in einer Seifenblase proportional zu 1/r ist, ein kleinerer Radius r also einen größeren inneren Druck bedeutet. Die Lunge würde schließlich nur noch aus einer einzigen großen Luftblase bestehen; ihre Oberfläche wäre sehr klein geworden, sie würde schon bei einer kleinen Verletzung am Rand der Katastrophe stehen. Dieser Überdruck kleiner Alveolen wird durch Lecithin-Monoschichten abgebaut. Sie erniedrigen die Oberflächenspannung des Wassers von 50 auf 30 mN/ cm, indem die Ladungen der geladenen Phosphorestergruppen für unregelmäßige Wassercluster sorgen und die unterschiedlich langen, hydrophoben Ketten eine extrem bewegliche, fettige Oberflächenschicht bilden. Die Vergrößerung der Alveolen beim Einatmen sorgt dann für unbedeckte, freie Wasserflächen mit großer Oberflächenspannung, die wie gespannte Gummitücher wirken. Diese neigen zum Zusammenziehen. Da der Anteil unbedeckter Flächen bei kleinen Blasen größer ist als bei großen Blasen, bauen diese Tücher den größeren Innendruck der kleineren Blasen in stärkerem Maße ab und ermöglichen den Druckausgleich verschieden großer Alveolen zu Beginn und Ende jeden Atemzugs. Die zerrissene Lecithinschicht wirkt wie ein angespannter, die geschlossene Lecithinschicht wie ein entspannter Muskel (Abb. 3.22).

Abb. 3.22 Oben: Modell zweier miteinander verbundener Lungenbläschen. Große Bläschen haben einen geringeren Innendruck als kleinere und sollten so lange wachsen, bis nur noch eine große Luftblase übrig bleibt. Unten: Das ist unter anderem deshalb nicht der Fall, weil die Innenseite der Alveo-

lenmembran eine Lecithinmonoschicht trägt, die beim Vergrößern des Bläschens, also beim Einatmen, zerrissen wird (unten). Dieser Film wirkt wie eine Federkraft, die dem Innendruck entgegen wirkt und die kleinen Bläschen stabilisiert.

Versteift man die molekularen Monoschichten auf festem Untergrund (Abb. 3.24 und 3.25) mit Amid-Wasserstoffbrücken (siehe Seite 194), so lassen sich aus ihnen steife Wände molekularer Höhe aufbauen. Das funktioniert so: Zuerst werden viele einzelne Moleküle, meist Porphyrine (siehe Seite 140 und

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

271), fleckenweise flach auf einer reaktiven Oberfläche, zum Beispiel einer glatten Elektrode aus Gold fixiert und dann mit aufrecht stehenden Fettsäure-Diamiden umgeben. Die schrittweise Anbindung von Molekülen auf glatte Oberflächen nennt man englisch SAM (self assembly of membranes oder monolayers). Es entstehen feste Brunnen molekularer Größe, die man wegen ihres Volumens von etwa 10 ´ 10–24 L oder 10 Yoctolitern als Yoctobrunnen bezeichnet. Auf den genannten glatten Goldelektroden werden solche Yoctobrunnen elektrochemisch aktiv, wenn man die Elektrode in die wässrige Lösung eines Eisensalzes taucht, zum Beispiel von Hexacyanoeisen(II)-Anionen. Die Lösung füllt dann den Brunnen aus und die Oxidation von Eisen(II) zu Eisen(III) findet bei einem geeigneten Elektrodenpotenzial auf der Goldelektrode ebenso statt wie die entsprechende Reduktion von Eisen(III)-Ionen (Abb. 3.23).

Abb. 3.23 Etwa dreihundert Wassermoleküle (nicht gezeichnet) in künstlichen Yoctoliterbrunnen transportieren große [Fe(CN)6]3–Ionen (siehe Seite 267). Wasser dringt in molekular kleine hydrophobe Poren ein und wird nicht kapillar abgestoßen (Seite 267).

Die Magie dieser Yoctobrunnen mit hydrophob-fettigen Wänden liegt in der Eigenschaft, wasserlösliche Kantenamphiphile fixieren zu können. Das sind Moleküle wie Glucose und Cellobiose mit einer hydrophoben und einer hydrophilen Kante (Seite 171 f). Innerhalb einiger Stunden besetzen die hydrophoben Kanten die hydrophoben Brunnenwände und es bilden sich in den Brunnen aus verdünnten Lösungen spontan Nanokristalle, die in dem molekular-engen Raum wie Steine fixiert werden, auch wenn sie mit großen Wasservolumen an der Oberkante der Brunnen in direktem Kontakt stehen. Etwa dreißig Moleküle werden so im Brunnen vollkommen immobilisiert. Sie können ihn nicht verlassen, weil die Diffusionswege in dem Brunnen extrem eingeschränkt sind und weil die paar Wassermoleküle, für die zwischen den Glucosewänden noch Platz ist, die bindenden hydrophoben Kräfte zwischen den Molekülen und den Wänden des Brunnens nicht mehr lösen können. Die Moleküle werden in den Yoctobrunnen hoffnungslos eingepfercht. Weder trennt sie ein Gitter vom Volu-

139

140

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

menwasser der Umgebung, noch klebt sie ein bindendes Mittel an die Brunnenwände. Diese Einpferchung ist spezifisch für starre Moleküle vom Glucose- oder Phenol-Typ, die auch an biologischen Membran- oder Proteinoberflächen extrem fest haften können. Im Fall der Yoctobrunnen lässt sich das leicht zeigen, indem man nachweist, dass die Fluoreszenz des Bodenporphyrins (Seite 274 ff) durch wasserlösliche Löschsubstanzen nicht mehr verdunkelt werden kann, wenn der Brunnen zum Beispiel durch Cellobiose verstopft ist (Abb. 3.24).

Abb. 3.24 Mit Wasser gefüllte Yoctobrunnen mit hydrophoben Wänden, Porphyrinboden (siehe Seite 274 ff) und einem Glucose-Nanokristallit. Diese Immobilisierung von Kohlenhydraten an hydrophoben Wänden ist das

Grundphänomen, das zur Zelldifferenzierung im Menschen führt. Nieren-, Herz- und Leberzellen zum Beispiel unterscheiden sich vor allem durch das Zuckermuster auf ihren Oberflächen.

Der Schriftsteller Thomas Mann war Anfang des 20. Jahrhunderts, als er im Zusammenhang mit seiner wissenschaftlich-interessierten Schöpfung namens Hans Castrop im Zauberberg unzufrieden mit der „Ratlosigkeit der Wissenschaften“ im Angesicht der Lebensprozesse war: „Man weiß nicht einmal, warum der Magen sich nicht selbst verdaut ... Zwischen Leben und unbelebter Natur klafft ein Abgrund, den die Forschung vergebens zu überbrücken strebt. Man müht sich, den Abgrund mit Theorien zu schließen, die er verschlang, ohne an Tiefe und Breite im geringsten einzubüßen.“ Das war vor hundert Jahren schön geschrieben. Und es stimmte. Aber die Bemerkung „nicht einmal“ ist auch hochnäsig, denn die Sache mit der Magenwand ist tatsächlich so kompliziert, wie alles, was lebt. Unser Magen ist mit etwa einem Liter 3,5%iger Salzsäure gefüllt, die 99,99% unserer Protonen enthält. Der Rest des Körperwassers enthält zusammen ein paar Tausendstel Milligramm Protonen, die Magensäure 3,5 g. Wie kann die Magenwand 106-mal mehr Säure überstehen als alle anderen Zellmembranen, die von Säuren zersetzt werden und alle Proteine, deren Strukturen von Säure aufgelöst werden (Seite 57 und 201)? Das biologische Wunder des Magens liegt in einer Schleimhaut, die die empfindlichen Zellmembranen und Proteine von der Säure abschirmt. Dieser

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

Schleimschutzmantel ist 50–400 lm dick – ein durchsichtiger, viskoser Film, der zerfließen und so den Formänderungen des Magens folgen kann. Im Schleim findet sich ein Gerüst aus negativ geladenen Glycoproteinsulfaten und -carboxylaten, die massiv über Schwefelbrücken miteinander vernetzt sind. Das ist ungewöhnlich innerhalb eines biologischen Organismus und der Befund kam entsprechend unerwartet. Diese Art der Vernetzung gibt es sonst nur auf der Körperoberfläche, in Haut, Haaren und Fingernägeln, weil nur dort (durch den Sauerstoff der Luft) eine oxidatives Milieu existiert, das SchwefelSchwefel-Bindungen (S–S) aus dem –SH des Cysteins erzeugt. Das Innere jedes biologischen Organismus aber ist, vom Magen abgesehen, ein starkes Reduktionsmittel. Alle anderen Körperzellen haben das gleiche Reduktionspotenzial wie molekularer Wasserstoff und spalten die S–S-Bindung zu zweimal SH. Die konzentrierte Salzsäure aber entspricht einem Oxidationspotenzial von etwa +0,4 V – die S–S-Brücke überlebt im Körperinneren, so kann die Magenschleimhaut durch die S–S-Vernetzung extrem viskos gemacht werden. Die vernetzte innere Haut schützt auch die darüber liegenden Muskelproteine. Es tritt jedoch ein zweites Problem auf: Weder die Zucker-Zuckernoch die Protein-Zucker-Ester-Bindungen sind säurestabil. Auch die Kohlenhydrate des Glycoproteins sollten bei pH = 1 vom Wasser zersetzt („hydrolysiert“) werden. Dem entgehen sie mit einem zweiten, in der Evolution entwickelten Trick 7 die quervernetzte Schleimhaut überzieht sich mit einer molekularen Monoschicht aus lecithinähnlichen Lipiden, ähnlich wie die Alveolen der Lunge. Die hydrophilen Kopfgruppen dieser Monoschicht lagern sich dicht an die polaren Kohlenhydratketten der Glycoproteine, die hydrophoben Seitenketten integrieren sich mit in den Schleim eingebauten, teilweise auch fest gebundenen Cholesterin-, Fettsäure- und Fett-Molekülen. Mehrere heterogene und raue Monoschichten kooperieren auf der Schleimhaut, sie sind extrem beweglich. Überall, wo Säure ist, verdichten sich Multischichten zu undurchlässigen Barrieren aus vielen Komponenten. Die wasserabstoßende Schleimoberfläche, die die Salzsäure nicht überwinden kann, erscheint im Foto als matt weiße Oberfläche. In ihr herrscht ein komplexes Kommen und Gehen der Proteine und Lipide. Die physikalische Fluidität der Fettsäuren koppelt sich mit chemischer Hydrolyse und Kondensation der Ester und erzeugt so einen dynamischen Schutzwall gegen Salzsäure. Andererseits ist das quervernetzte Mucin-Glycoprotein mit Schleimhaut für Nahrungsmittel und Medikamente durchlässig. Gegessenes gelangt problemlos über die Schleimhäute in die Darmzotten mit einer Oberfläche von 300 m2 und von dort zuverlässig ins Blut. Schließlich muss die verbrauchte Salzsäure auch immer wieder ersetzt werden. Wie gelangt sie aus den sie erzeugenden Drüsen in der Magenwand durch die Magenschleimhaut, ohne diese zu zerstören? Das beruht wahrscheinlich auf der örtlichen Auflösung der geschlossenen Schleimhaut durch die Bildung „viskoser Finger“. Bei pH > 2 ist die Schleimhaut geschlossen, bei pH > 4 bilden sich Wasserkanäle, weil in den Mucinen Ladungen auftauchen. Carboxylat-Gruppen sind bei pH = 4 teilweise deprotoniert, die Salzsäure dringt in das Gel ein. Bei pH = 2 ver-

141

142

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

schwinden Ladungen und Wasserkanäle. Man kann also von einer Selbstdichtung des fingernden Gels durch höher konzentrierte Salzsäure sprechen. So ist die Magenwand in der Evolution zu einer perfekten Maschine optimiert worden, deren molekulare Module schwer zu lokalisieren und zuzuordnen waren. Der besonderen Beweglichkeit der Linolensäure bedarf es hier nicht – die Magenwand ist im Wesentlichen eine Domäne der gesättigten Fettsäuren (Abb. 3.25).

Abb. 3.25 Foto der Magenwand eines Schweins (unten) und Modell (oben): Haut aus quervernetzten Proteinen (Keratin), bedeckt mit einer Schleimschicht aus Mucoproteinen mit viel Wasser und einer Lecithinmonoschicht, ähnlich wie bei den Lungenbläschen (Seite 138).

Monoschicht und Schleimgel auf der Magenhaut sind osmotisch aktiv – Wasser passiert sie, Salze nicht – und so kann man den Magen willkürlich und problemlos durch das Trinken einer konzentrierten Natriumsulfatlösung (Glaubersalz) entleeren. Das Salzwasser sammelt sich im Magen, das übersalzte Magenvolumen zieht das Körperwasser osmotisch an und treibt den Mageninhalt durch den Darm aus dem After („Fasten“). Nachträgliches Trinken von Süßwasser ersetzt den Wasserverlust. Unter Normalbedingungen entzieht der Dickdarm dem Speisebrei aus Magen und Dünndarm pro Tag etwa 5 L Wasser durch muskuläres Auspressen. Ist die Muskelwand des Dickdarms zu dieser Leistung nicht fähig, kommt es zu Durchfall, wobei dann nicht nur das Wasser, sondern auch die in ihm gelösten Salze (ca. 1,5 Gewichtsprozent) verloren gehen. Hier gilt ein allgemeines Ernährungsgesetz: Verbrauchtes Wasser muss laufend durch Trinkwasser ersetzt werden. Zwei Liter am Tag sollten das wenigstens sein. Aber auch beim Wassertrinken sollte man mitdenken. Obstschalen sind zum Beispiel von Bakterien besiedelt, die von der Magensäure getötet werden. Trinkt man Wasser zusammen mit Obst, so verdünnt man die Magensäure und gibt den Bakterien eine bessere Überlebenschance. Sie fangen womög-

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

lich an den Zucker des Obstes zu vergären, erzeugen Ethanol, blasen den Magen mit Kohlendioxid auf und vermehren sich ungehörig. Lecithin wird durch seine Fähigkeit, bimolekulare Membranen zu bilden und Membranproteine darin zu integrieren, zu einem zentral wichtigen Baumaterial des Körpers. Biologische Zellen, Nerven und Gehirn sind ohne lecithinartige oder -ähnliche Moleküle undenkbar. Biologische Zellen sind größer als Vesikel, aber immer noch mikroskopisch klein. Ihr Durchmesser ist nicht größer als ein paar Mikrometer und doch enthalten sie viele membranumhüllte Organellen (Zellkern, Mitochondrien) und Mikroskelette. Da alles Zellwasser in engem Kontakt mit Protein- und Lipidoberflächen ist, verhält es sich durchweg wie Kapillarwasser. Kaum ein Wassermolekül ist mehr als ein paar Mikrometer von einer Oberfläche entfernt und wird nicht durch Kapillarkräfte, die über tausend Mikrometer weit wirken, immobilisiert. Das Volumenwasser der Zelle erstarrt deshalb makromolekular zu einem unbeweglichen Gel. Das bedeutet aber keineswegs, dass die einzelnen Wassermoleküle unbeweglich wären – das Gegenteil ist der Fall. In ihren Mikrometer großen Kammern bewegen sich die Wassermoleküle und Cluster völlig frei und springen auch von Kammer zu Kammer über. Etwa die Hälfte bis zwei Drittel (25–30 L) des Körperwassers ist solches Zellwasser – im größeren Zellrahmen ein ziemlich starres Gel, im Kleinstvolumen aber frei beweglich, osmotisch aktiv, also im Stande, wasserdurchlässige Membranen zu durchdringen und fähig, elektrische Potenziale zu erzeugen, indem es Salzlösungen durch engste Poren transportiert (Abb. 3.26).

Abb. 3.26 Schema einer biologischen Zelle mit vielen Oberflächen, die Wasser kapillar binden (Seite 48) – Kern, Mitochondrien, Zellwand usw.

143

144

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Zehn der 50 L Wasser eines Erwachsenen befinden sich außerhalb der Organe, in Zwischenräumen, als „interstitielles“ Wasser; (lat. interstitium, „Zwischenraum“). Seinen Transport durch die Herzpumpe behindern zottig-fettige Oberflächen der Lungenbläschen, des Darms, des Magens, der Niere und anderer Organe. Vier weitere Liter Plasmawasser sind in die feinen Blutgefäßen eingeschlossen oder in Knorpeln und Bindegewebe gefangen. Natrium-, Kalium-, Calcium- und Magnesiumchlorid müssen ebenso durch enge Kapillaren transportiert werden wie das Phosphat zur Umsetzung des allgegenwärtigen ATP (Kapitel 6) und für den Aufbau von Lecithin, Knochen, Zähnen und DNS. Diese Ionen sind in Wasser frei beweglich, der Körper aber ist in verschiedenste, voneinander durch Membranen getrennte Wasservolumen aufgeteilt, zwischen denen ein Transport der Ionen nur über streng regulierte Passagen erfolgt. Außerdem muss die Ausfällung von Magnesium- und Calciumphosphat und -carbonat in Form kristalliner „Steine“ vermieden werden: Steine in den Wasserwegen blockieren den Transport und können tödlich sein (Abb. 3.27).

Abb. 3.27 Die Wasserräume und Wasserwege des Körpers. Zwei Drittel sind Zellwasser, das mit interstitiellem Wasser in Lungen, Nieren, Magen-Darm-Trakt (20%) und mit dem Blutwasser (10%) über Zellmembranen in Kontakt steht.

Der Blutstrom fließt schnell in großen Arterien und Venen zwischen Herz und Lunge sowie Herz und Körper (Seite 104). Im Innern des Gehirns und in der Organe (Leber, Niere, Milz) aber dominieren Kapillaren, in denen das Wasser dahinkriecht (Abb. 3.28). Die meisten Röhren des Körpers sind Millimeter und Mikrometer enge Kapillaren (Seite 50 und 146). Ihre Oberfläche ist nicht fest wie Glas, sondern weich und geschmeidig wie Speck; ihre Wände sind wasserdurchlässig, verhindern aber den Durchtritt von Ionen. Die zwei Millionen Röhren einer Niere (Nephren) zum Beispiel bilden ein Netz aus Kapillaren, deren Wände mit 3 nm gro-

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

Abb. 3.28 Quantitatives Schema der Blutversorgung der Organe in Millilitern pro Kilogramm Gewebe und Sekunde.

ßen Poren durchlöchert sind, die mittlere und große Proteine abfiltrieren und ins Blut zurückschicken. Überflüssige Ionen, Harnstoff, Glucose und andere kleine Moleküle erscheinen in 200 L Wasser des täglichen Filtrats, weniger als zwei Liter davon werden als Abfallwasser namens Urin ausgeschieden. Die wesentlichen Effekte dieser Filtration und der partiellen Ausscheidung sind die Einhaltung konstanter Salz- und Glucose-Konzentrationen und die Ausscheidung von Harnstoff. Es ist die Tendenz des Wassers, von verdünnten Salzlösungen in konzentriertere zu fließen, die den Fluss durch die Rohrwände

145

146

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

erzwingt. Biologische Rohrwände erlauben eine schnelle Äquilibrierung, obwohl die Flussgeschwindigkeit durch Membranen extrem langsam ist, denn Wasser ist im Körper allgegenwärtig und die Diffusionswege aus den Leitungsrohren in die Zellen und zurück sind nur ein paar Nanometer lang. Die Glomeruli der Nieren filtern so täglich aus 900 L des fließenden Blutes 160 L Wasser heraus. Etwa 130 L werden sofort („proximal“), 28 L später („distal“) in die Blutgefäße zurückgeschleust. Letzteres wird durch das im Blut gelöste Protein Adiuretin geregelt. Lediglich 2 L Wasser von 160 L Filtrat werden ausgeschieden (Urese). Fehlt das Protein Adiuretin im Blut, kann das ausgeschiedene Wasservolumen durch Diurese von zwei auf 20 L am Tag ansteigen ( griech. dia, „intensiv“ und urese, „urinieren“). Adiuretinmangel ist unter anderem eine Folge des Alkoholtrinkens oder der Diabetes. Auch ungeregelt hohe Konzentrationen gelöster Substanzen im Blut oder Darm (Harnstoff, Natriumsulfat, Fasten) behindern die Reabsorption des Wassers und führen zu Diurese. Auf Membranen mit den 3 nm weiten Poren folgt in den Nephronen eine zweite Schicht aus einem polymeren Kohlenhydratsulfat („Heparansulfat“) das negativ geladene Zellen und Proteine ins Blut zurückschickt, positiv geladene Ammoniumzucker und kationische Proteine aber passieren lässt. So beseitigt die Niere giftige Fremdmoleküle und hält biologisches Baumaterial zurück (Abb. 3.29).

Abb. 3.29 Modell eines Nephronennetzes (links) und der verschiedenen Typen von Nanometerporen (rechts) zur Filtration und Diffusion des Wassers durch die Niere. Rechts außen: elektronenmikroskopisches Bild eines Nephrons.

Die lipidreichsten Gewebe unseres Körpers sind Gehirn und Nerven. 80% der Gehirnsubstanzen sind Lipide, die nach Linolensäure und ihren beweglichen Verwandten hungern. In lipidbegrenzten Wasserkanälen (Synapsen) und Rohren transportiert der vom Herzen gepumpte Blutstrom die Nahrungsmittel des Gehirns, die elektrisch geladenen Ionen und die Neurotransmitter. Für fast alle wasserlöslichen Verbindungen aber besteht eine unüberwindbare Barriere zwischen den Blutvolumen des Gehirns und des Körpers (Blut-Hirn-Schranke). Die wichtigste Ausnahme ist der primäre Energielieferant des Gehirns, die Glucose. Dafür gibt es ein aktives Transportprotein in der Schranke. Statistische Untersuchungen zeigen, dass dieses Transportsystem nach dem 45. Lebensjahr an Aktivität einbüßt, die Vergesslichkeit steigt an.

3.3 Lecithinmembranen und Magenschleimhaut

Nachweisen lässt sich die Wirksamkeit der Blut-Hirn-Schranke mit polaren Fluoreszenzfarbstoffen, zum Beispiel Säureblau. Dieses verteilt sich gleichmäßig über die Blutbahn im Körper, wenn es in eine Arterie einer Ratte oder eines Menschen gespritzt wird. Ebenso erreicht es alle Teile des Gehirns, wenn man ins Hirn der Ratte injiziert. Eine Verteilung auf die andere Seite der Schranke aber findet nicht statt. Gleiches gilt für den passiven Transport aller geladenen und polaren Moleküle, wenn es für sie kein spezifisches Transportprotein gibt. Membranlösliche Verbindungen aber – zum Beispiel viele Neurotransmitter, Neuropeptide und Cholesterin – diffundieren problemlos von ihren Trägersystemen im Blut in die Membran des Schrankengewebes und von da ins Gehirn. Das kann lediglich in Rattenversuchen getestet werden, deren Ergebnisse aber nur ungefähr auf den Menschen zu übetragen sind. In Bezug auf den Menschen ist man auf Versuche in vitro mit bekannten Transportproteinen angewiesen. Welches Gift auf welchem Weg ins Gehirn gelangt, ist meist nicht vorherzusagen (Abb. 3.30).

Abb. 3.30 Die Blut-Hirn-Schranke und ihre Undurchlässigkeit für den angegebenen blauen Farbstoff Säureblau mit negativ geladenen Sulfatresten. Er erreicht nach dem Einspritzen in Gehirnwasser oder Körperblut die jeweils andere Region nicht.

Die extrem druckfeste Knorpelschicht der Kniescheibe ist 2 mm dick. Sie besteht aus 75% Wasser und einem eng verknüpftem Netz aus Proteinen und quervernetzenden, negativ geladenen Kohlenhydraten. Dieses Gel enthält 25-mal mehr Festsubstanz als das Gel des Glaskörpers des Auges und reagiert auf Druck reversibel wie ein extrem viskoses Öl. Hoher Druck lässt es auf den Knochenoberflächen auseinander fließen, wonach es extrem elastisch federt. Die 75% Wasser des Knorpels sind gemäß dem Magnetresonanzfoto schwer bewegliches Oberflächenwasser. Die Zerstörung des kleinen Polsters durch Bakterien, die sich in dem wässrigen Gel einnisten, führt zur Arthrose. Der Körper schickt vorher sein Immunsystem mit Prostaglandinen, Leukotrienen und Thromboxanen (Seite 123) und bekämpft die Mikroorganismen mit einer Entzündung. Aber auch die zerstört das Gel. Ebenso können Entzündun-

147

148

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

gen, die weit entfernt von den Gelenken auftreten, auf diese übergreifen und die Knorpelmasse erodieren. Das schwer bewegliche Wasser des festen Gels ist sehr anfällig für Infektionen und im Blutstrom nicht leicht zu reinigen. Darüber hinaus degeneriert das Polster kontinuierlich ab dem 40. Lebensjahr. Arthrose droht – meist zuerst an den Schultern und mehr oder weniger unbemerkt, dann an Knie und Hüfte. Auf Dauer aber helfen nur schnell umfließendes Wasser und lebendige Knorpelzellen, die die Proteinfasern des Gels erneuern. Bleiben Sie in Bewegung (Abb. 3.31)!

Abb. 3.31 Das Wasservolumen des fettigen Knorpelgels im Knie (blau markiert), wie es in Magnetresonanz-Schnittbildern erscheint.

3.4 Cholesterin als flüssigkristalline Einheit

Pflanzen bauen ihre Gerüste aus Cellulosefasern auf, die Wasserrohre bilden und sie mit Lignin verfestigen (Seite 188 f). Das Körperskelett von Tieren bekommt seine Standfestigkeit vom Calciumphosphat der Knochen; das Körperwasser aber fließt durch Rohre und Kapillaren aus fluiden, weichen Membranen, deren Material ein fein abgestimmtes Gemisch aus Fett, Phosphaten, Proteinen und Cholesterin ist. Cholesterin wirkt dabei als Mörtel zwischen dem Lecithin und helicalen Membranproteinen. Architektonisch ähnelt Cholesterin der Glucose, seine Hauptbestandteile sind steife Cyclohexan-Sechsringe und flexible CyclopentanFünfringe. Bei der Saccharose bringt der zusätzlich Fünfring eine exzellente Wasserlöslichkeit (Seite 94), beim Cholesterin Membrangängigkeit und bei der DNS die Teilbarkeit der Doppelhelix (Seite 239). Besonders deutlich wird der Doppelcharakter des Cholesterins in Derivaten, die an den Sechs- und Fünfringen lange Kohlenwasserstoffketten tragen. Die Röntgenstrukturananlyse von weichen Kristallen („Flüssigkristallen“) solcher Art zeigt, dass die Kette am Sechsring

3.4 Cholesterin als flüssigkristalline Einheit

A praktisch völlig unbeweglich ist, während die Kette am Fünfring D sehr stark vibriert. Links ist das Steroid kristallhart, rechts butterweich (Abb. 3.32).

Abb. 3.32 Die Molekülstruktur eines Cholesterinderivats mit einer reduzierten Doppelbindung im Ring B (vgl. Abb. 4.33) und einem Fettsäureester an C-3. Die Radien der Atome sind bei den drei Sechsringen und

der Seitenkette an C-3 relativ klein, auf Grund starker Wärmeschwingungen am Fünfring D hingegen viel größer. Der lange Hebelarm an C-17 verstärkt diese Wärmeschwingungen noch.

Solche Cholesterinderivate finden technische Anwendung in FlüssigkristallBildschirmen. Die kristallinen, leicht um die fluide Stelle und die verlängerte Achse herum verdrehbaren Stapel sind helikal, weil das Cholesterin selbst mehrere chirale Kohlenstoffatome aufweist (zum Beispiel C-3 und C-17). Die Ganghöhe der Helix ist dabei relativ lang und kann zum Beispiel der Wellenlänge roten Lichts (600–700 nm) entsprechen. Bei der Überlagerung einfallender und reflektierter Lichtstrahlung („Interferenz“) wird das rote Licht dann teilweise gelöscht und der Kristall erscheint blau. Liegt der Stapel zwischen transparenten Elektroden, so verschwindet die Helix beim Anlegen einer kleinen elektrischen Spannung, die ihr Dipolmoment aufhebt. Farbige Pixel werden sehr schnell spontan aufgebaut und elektrisch gelöscht, ohne dass Lichtquanten absorbiert und Farbstoffe ausgebleicht werden (Abb. 3.33).

Abb. 3.33 Flüssigkristalle aus einem Cholesterinderivat mit einer zusätzlichen Seitenkette an C-3 (siehe Abb. 4.31). Die Flüssigkristalle bilden wegen der vielen Chiralitätszentren am Cholesterin Helices, die Interferenz-

farben erzeugen. Sie verschwinden, wenn die Moleküle durch ein elektrisches Feld reversibel ausgerichtet werden, was die reflektierenden Kristallebenen der helicalen Flüssigkeitskristalle reversibel zerstört.

149

150

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Auch das Cholesterin selbst ist links steif und klebt an jedem Kohlenstoffgerüst fest, rechts ist es beweglich und drängt in jede Membranlücke. Die Lecithin-Doppelschicht der Zellmembran wirkt generell als zweidimensionales Lösungsmittel. Gelöste hydrophobe Substanzen bewegen sich frei in der etwa 5 nm dicken molekularen Lecithin-Doppelschicht, können sie aber nicht verlassen. Die freie Beweglichkeit in zwei Dimensionen begünstigt die Bildung von Molekülkomplexen oder von Domänen mehrerer Fremdmoleküle innerhalb der Lecithin-BLM. In menschlichen Zellmembranen betrifft das vor allem das Cholesterin, das sich als beweglicher Film an Membranproteine und an Lipide heftet und beide fest aneinander fügt. Cholesterin ist deshalb ein Bestandteil aller Nerven- und Muskelgewebe. 100 g Eigelb enthalten zum Beispiel etwa 2 g Cholesterin, ein einzelnes Ei etwa ein Gramm. Jedes heranwachsende Tier, jeder Mensch braucht zuerst ein funktionsfähiges Gehirn und dann ein Herz. In Butter ist der Cholesterinanteil 10-mal kleiner, im Mais- und Sojaöl findet sich etwa ein Gewichtsprozent Pflanzensteroide, deren Sechs- und Fünfringe denen des Cholesterins gleichen, die aber mit verzweigten Seitenketten viel weniger schmiegsam sind. Nur Cholesterin kittet die unterschiedlichen Proteine und Lipide der Zellmembran so fest zusammen, dass die Membranen zu verlässlichen Barrieren für Ionenströme werden. Die Evolution des Cholesterins war eine molekulare Voraussetzung für die Evolution der Nerven und Muskeln und damit für den Landgang der Tiere: erst Cholesterin, dann Knochen. Der aufrechte Gang im Schwerefeld, das Sehen und Fühlen und Denken hängen von einer perfekt gedichteten Fettsäure-Protein-Zellmembran ab. Das kann das Cholesterin mit seiner steifen Stufe links und dem unruhigen Fünfring mit seiner zweifach methylierten Seitenkette rechts. Ein 70 kg schwerer Mann produziert etwa 700 mg Cholesterin am Tag. Das Verhältnis Cholesterin : Lecithin ist in den sehr viskosen Plasmamembranen 1 : 1, in fluiden Membranen im Inneren der Zelle hingegen nur 1 : 9 (Abb. 3.34).

Abb. 3.34 Molekülstrukturen des Cholesterins aus tierischem Gewebe und zweier Pflanzensteroide aus Sojaöl.

3.4 Cholesterin als flüssigkristalline Einheit

Die biomolekulare Architektur mit Cholesterin als Baumaterial ist oft von überragender Eleganz und Funktionalität. Vom Typ her – starrer Sechsring, gekoppelt mit flexiblem Fünfring – gleicht das Cholesterin der Saccharose; durch elegant versetzte Zwischenringe und die mobile Seitenkette aber wurde es zum überragend anpassungsfähigen Mörtel jeder Membranstruktur durchgestylt. Sozusagen ein Meisterwerk! Lecithin dringt mit seinen Fettsäureketten wohl kaum in ein Protein ein, aber es wird durch Cholesterin eng mit ihm verzahnt (siehe Abb. 3.19). Die weiter unten zu besprechenden Hormone schweben ähnlich souverän über hydrophoben Bereichen der Proteine und trennen oder verknüpfen sie gleichermaßen von bzw. mit der Umgebung. In Bezug auf die biologischen Wasserwege hat der Sechsring seinen Charakter auf dem Weg von der Glucose zum Steroid vollkommen verändert. Aus der Glucose, die in Wasser so leicht transportiert wird, nur an hydrophilen Oberflächen kleben bleibt und da gleich zu Carbonsäuren metabolisiert wird, ist fettähnliches Cholesterin geworden, das an allen fettigen Oberflächen haftet und Domänen und zum Beispiel in der Blutbahn molekulare Klümpchen bildet, die biologisch nur sehr langsam abgebaut werden. Nach einer fettreichen Mahlzeit trübt sich das Plasma des Blutes, seine Lichtstreuung wird dreimal größer und normalisiert sich erst nach fünf Stunden wieder. Der gemeinsame Transport von Fettsäuren mit dem wasserunlöslichen Cholesterin im Blut erfolgt in Form von Anlagerungsprodukten an verschiedene wasserlösliche Proteine oder an Fetttröpfchen mit einem Lecithin-Protein-Mantel. Das Transportprotein für Fettsäuren heißt Albumin, die vier unterschiedenen Fetttröpfchen sind die relativ großen Chylomikronen (Molmasse 107; Massenverhältnis Lipid : Protein = 99 : 1), das Very-Low-Density-Lipoprotein VLDL (107; 10 : 1) – diese beiden rufen die Plasmatrübung hervor –, das Low-Density-Lipoprotein LDL (3 ´ 106; 3 : 1) und das High-Density Lipoprotein, HDL (3 ´ 105; 1 : 1). Chylomikronen und VLDL nehmen das Cholesterin zunächst auf. Der VLDL-Komplex aber ist kurzlebig und übergibt das Cholesterin an LDL, wofür die dem Blut zugewandten „Plasmamembranen“ der Zellen Rezeptoren haben. LDL verschmilzt mit der Membran und gibt das Cholesterin an die Zellmembranen ab, wo es dringend benötigt wird, um die Membranproteine dicht in die BLM aus Fettsäureketten einzufügen. Erst mit Cholesterin ist die Membran osmotisch aktiv, trennt Natrium- von Kalium-Ionen und erzeugt ATP mit Protonengradienten. Überschüssiges Cholesterin aber ist problematisch. Es wird von scheibchenförmigem HDL im Blut zurückgenommen, wobei das HDL sich zur Fettkugel wandelt, zur Leber wandert und dort das Cholesterin wieder abliefert. Die Leber macht daraus entweder Micellen bildende, wasserlösliche Gallensäuren, die unlösliche Fette lösen, ohne Zellmembranen aufzulösen, oder sie baut es ab oder entlässt es bei Bedarf wieder in den Blutstrom. Am LDL ist Cholesterin so locker gebunden, dass es im Überschuss auch von Arterienwänden adsorbiert wird, die eigentlich keine neuen Zellen aufbauen. Das trägt zu einer langsam fortschreitenden Verstopfung (Stenose) bei, führt zur Arteriosklerose und zum Herzinfarkt. Andererseits resorbieren auch wichtige, sich teilende Zellen das Cholesterin von diesem Trägersystem.

151

152

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Hohe Cholesterinwerte beruhen auf der Eigenproduktion in der Leber und haben mit der Nahrung wenig zu tun. In diesem Zusammenhang ist wohl nur vom Dotter des Hühnereis abzuraten. Jedes Ei enthält etwa 1 g Cholesterin und die zehnfache Menge an gesättigten Fettsäuren. Dieses zusätzliche Cholesterin geht zwar vorwiegend an HDL und wird in der Leber oxidativ abgebaut, aber das ist mühselig und langsam. Von „gutem“ Cholesterin kann keine Rede sein, auch wenn das immer wieder verbreitet wird. Es wirkt bei fettreicher Ernährung wie ein schwer verdaulicher Fremdkörper und die 50 g gesättigten Fettsäuren aus einem Eigelb sind problematisch. Das Eigelb ist deshalb im Gegensatz zum Eiweiß kein nützliches Nahrungsmittel und sollte vermieden werden, wenn ein Herzinfarkt droht und man ein Übermaß an Fett und Cholesterin fürchten sollte (Abb. 3.35).

Abb. 3.35 Modell der Cholesterin und Fett transportierenden Lipoproteinpartikel im Blutplasma: Chylomikronen, die die Trübung des Bluts nach einer Mahlzeit verursachen, Very Low Density Lipoprotein (VLDL), Low Density Lipoprotein, LDL, und High Density Lipoprotein, HDL, das Cholesterin zur Leber trägt, wenn die Proteine intakt sind.

Die Unterbindung der Eigenproduktion durch Cholesterinsenker gelingt chemisch mühelos, indem man die Synthese des Cholesterinvorläufers Mevalonsäure (HOOC-CH2-C(OH)(CH3)-CH2-CH2OH) durch Hemmung einer von außen leicht zugänglichen Oxidase blockiert. Dafür gibt es inzwischen ein Dutzend geeigneter, billiger Substanzen, die durch Patentschutz und Reklamekampagnen verteuert werden. Sie werden in großer Menge an Wohlstandsbürger mit prallen Adipocyten verkauft.

3.4 Cholesterin als flüssigkristalline Einheit

Die besten Verkaufsargumente für die eigentlich nutzlosen Cholesterinhemmer sind zum einen der erste erlittene, sehr schmerzhafte und immer als lebensbedrohend empfundene Herzinfarkt und zu anderen die Statistiken, die einen geringen Chlesteringehalt und mit einer etwas niedrigeren Infarktrate in Zusammenhang bringen. Manche Cholesterinsenker bringen so bis zu vier Milliarden Euro Umsatz im Jahr. Trotzdem bleibt es zweifelhaft, dem Körper in Bezug auf die Behandlung seiner Zellmembranen Vorschriften machen zu wollen. Hier sollte die demokratische Gesellschaft zumindest das Laster der Völlerei mit hohen Versicherungsraten bestrafen, denn es ist wenigstens so schädlich wie das Rauchen, das die Lungenbläschen verdirbt und die Beladung der Erythrocyten durch üble, obendrein Krebs erregende Teerfilme behindert. Übergewicht und Trägheit kosten die Gemeinschaft noch mehr. Allerdings: Die Cholesterinsenker funktionieren. Man isst sie, und die Eigensynthese geht in den Keller. Leute mit einem Herzinfarkt nehmen also Cholesterinsenker, denn sie wollen keinen zweiten. Nach einem Infarkt stellt man keine Fragen mehr, sondern hört auf die Statistiker. Auch die Pflanzen haben Dichtungsmaterial für ihre Membranen, das Phytosterol. Es taugt nicht viel – ist längst nicht so wirksam wie Cholesterin –, aber man extrahiert es automatisch aus Sojabohnen, wenn man deren Proteine isoliert. Dann liegt tonnenweise Phytosterol auf Halde und wird verbrannt. Die Diätmargarine-Leute erlagen der Verlockung, Phytosterol in ihr ohnehin zweifelhaftes Produkt zu mischen und Reklame zu machen, dieses Gemisch senke den Cholesterinspiegel im Blut. Wahrscheinlich aber verstopft es die Blutgefäße in ähnlicher Weise wie überschüssiges Cholesterin. So ersetzt man den evolutionären Gründerstoff der Tierwelt teilweise durch sinnloses Pflanzensteroid und niemand weiß genau, was Phytosterol darüber hinaus im tierischen Körper anrichtet. Nach der üblichen Testperiode von 30 Jahren wird es in Europa und Amerika vermutlich wieder mehr Herzinfarkte geben als je zuvor. Neben dem Cholesterin, das im Körper 10- bis 100-Gramm-weise auftritt, gibt es Steroidhormone in Mikrogrammmengen. Hormone (griech. horman, „anregen“) sind Stoffe, die in winzigen Mengen von Drüsen in verschiedenen Regionen des Körpers synthetisiert und ins Blut abgegeben werden. Dort finden sie Zielorgane und verändern den Ablauf chemischer Reaktionen. Steroidhormone sind vor allem aktiv bei der Steuerung der Synthese von Proteinen: Anabolika starten sie, Katabolika bremsen sie. Anabolika sind bei der Schwangerschaft (Eisprung und Aufbau der Gebärmutter) sowie beim Muskelaufbau nützlich. Estradiol (im Deutschen häufig Östradiol geschrieben) ist ein vorwiegend weibliches Hormon und reguliert den Eisprung, das synthetische Norgestrel ist der wirksamste Bestandteil der Antibabypille und stürzt bei regelmäßiger Einnahme den Aufbau der Gebärmutterproteine ins Chaos. Testosteron ist vorwiegend ein Männerhormon und induziert zum Beispiel gegenläufige Proteinaufbau- und abbauwege beim Muskelwachstum und Haarausfall. Nandrolon (nicht abgebildet), dem eine der beiden Methylgruppen des Testosterons fehlt, ist hingegen ein typisches Anabolikum. Alle natürlichen Steroidhormone findet man bei Frauen wie bei Männern, alle Anabolika haben bei beiden ähnliche Wirkung

153

154

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

(mit Ausnahme der Schwangerschaft). Geschlechter und Individuen unterscheiden sich vor allem hinsichtlich der Mengen. DHEA (Dehydroepiandrosteron) und sein Sulfat gelten als Ursubstanz unserer Steroidhormone. DHEA induziert wahrscheinlich Enzyme, die Peroxide zerstören, mildert die Entzündungen bei Rheuma und Autoimmunkrankheiten, reguliert die katabolischen Wirkungen des Cortisons. Es schützt die Blutgefäße vor Verfettung (Arteriosklerose), Quervernetzung, Entzündung und verhindert schlecht regulierten Muskelschwund und Krebs – alles typische Altererscheinungen. Kein Wunder, dass der DHEA-Spiegel eines 30-Jährigen 10-mal höher ist als der eines 65-Jährigen. Jeden Morgen 10 mg davon eingenommen, ein kleines Glas Milch als fettiges Lösungsmittel dazu – und der Spiegel ist wieder auf alter Höhe. Vielleicht macht der aktive Körper daraus auch Sexualhormone. Einen statistisch relevanten Nachweis gibt es für diese positive Wirkung nicht (Abb. 3.36).

Abb. 3.36 Die Struktur des Hormonvorläufers DHEA und dreier Hormone. Cortison ist das klassische Katabolikum, es verhindert die Proteinsynthese in schnell wachsenden Bakterienkolonien und fördert als Hydrocortison oder Cortisol Depressionen. Testosteron und Östradiol sind anabolische Geschlechtshormone, die die Synthese von Spermien und Eizellen steuern.

Das meist benutzte Katabolikum heißt Cortisol oder Hydrocortison. Es ist das an C-11 hydrierte Derivat des Cortisons und entsteht aus diesem im Körper. Cortisol ist die Basis für die Bekämpfung von Entzündungen im Körper und auf der Haut. Das umfassende Wirkungsspektrum des Blockers für Proteinsynthesen in verschiedenen Organen umfasst Akne, Arthritis, Leber-, Magen- und Nierenerkrankungen, Infektionen, Diabetes, Ohren- und Kehlkopfschmerzen. Cortison wird aber auch bei der Höhenkrankheit, Allergien, Herztransplantationen und vielen anderem eingesetzt. „Cortison-Therapie“ ist ein so umfassendes Thema

3.4 Cholesterin als flüssigkristalline Einheit

und unter diversen Aspekten auch ein Phänomen vorübergehender medizinischer Moden, dass ihm wahrscheinlich mehr enthusiastische und warnende wissenschaftliche Artikel als irgendeinem anderen Medikament gewidmet wurden. Cortisol ist auch eines der wirksamsten Stresshormone des Gehirns. Die Schmerzen der Cholera zum Beispiel lassen sich vor allem Dank seiner Hilfe überstehen. Der Mensch produziert es dann selber. Nach Perioden der Hoffnungslosigkeit aber bleibt der hohe Cortisolbestand des Körpers oft jahrelang erhalten und behindert das Lern- und Erinnerungszentrum bei der Arbeit. Der Hippocampus schrumpft, späte manisch-depressive Phasen enden oft mit Selbstmordversuchen. Die Chemie des Gehirns hilft dem Körper Stress und Leiden zu ertragen, um das Vergessen kümmert sie sich nicht. Cortisol und seine Derivate (Corticoide) wirken über Rezeptorproteine auf der Oberfläche von DNS (siehe Seite 257 f). Die Einlagerung des Cortisols leitet dort Reaktionsketten ein, die entweder die Proteinsynthese unterbinden – „genomische Wirkung“ bei der Übersetzung, der „Translation“, von DNS-Informationen in Protein-Sequenzen – oder die Proteinsynthese in späteren Stadien (posttranslational) hemmen. Beides dauert Stunden, Cortisol wirkt langsam. Schnellere Wirkungen werden erzielt, wenn die Verbindung als Phosphatester intravenös gespritzt wird. Fast alle Corticoide können auch gegessen werden. Innerhalb von ein bis zwei Stunden erreichen sie im Blut ihre maximale Konzentration, ihre Halbwertszeit beträgt zwei bis drei Stunden, ihre biologische Wirksamkeit hält ein bis zwei Tage an. Die Nebenwirkungen sind dann ebenso vielfältig wie die Wirkungen: Schlaflosigkeit, labile Gefühlslage, Appetit- und Gewichtszunahme sind charakteristisch von Beginn an, weil Cortison auch ein Glucocortoid ist, das dafür sorgt, dass Glucose auf unterschiedlichsten Wegen nachgeliefert wird, wenn der Blutzuckerspiegel über die Maßen sinkt. Der Körper macht dann die Glucose auch aus Fetten und Aminosäuren (Seite 210). Längerfristig bewirkt Cortison Bluthochdruck, Diabetes mellitus, Allergien, Magengeschwüre und Akne – Krankheiten also, die eigentlich bekämpft werden sollten. Außerdem kommt es zu bedrohlichen Zuständen, wenn das Cortison abgesetzt wird und die gedrosselte Cortisolproduktion des Körpers zu extremen Mangelzuständen führt. Hormonbehandlungen sollten deshalb nur in Notfällen und nur in Kliniken durchgeführt werden, die Erfahrung mit der angemessenen Dosierung und der zeitlichen Wirkung verschiedenster Cortison-Derivate haben und auf Änderungen schnell reagieren. Der Massengebrauch des Cortisons sollte zurückgefahren werden. Was Ärzte „wissen“, kommt aus statistischen Langzeituntersuchungen an Mensch und Tier, aus denen man für jede Einzelwirkung eine breite, glockenförmige Wahrscheinlichkeitsverteilung erhält. Bei auftretender Depression oder Haarausfall zählt allein die individuelle Befindlichkeit und nicht die Statistik.

155

156

3 Lecithin: Fünf Nanometer Fettmembran

Fragen zu Lecithin und Steroiden

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

9. 10. 11.

12. 13. 14. 15. 16. 17.

Was wissen Sie über das Altern der Blut-Hirn-Schranke? Wieso haben biologische Zellen keine Ecken, sondern sind rund? Gibt es Pflanzenfette mit x-3-Fettsäuren? Welches Öl benutzt man bei der Ölmalerei? Warum nimmt man kein Olivenöl? Wieso beruhigt sich die stürmische See in einem Hafenbecken, wenn man Öl (flüssiges Fett) draufschüttet? Wieso wäscht eine Seifenlösung einen Fettfleck aus einem Pullover? Wieso glätten sich Haare nach dem Waschen mit Invertseife (besitzt eine positiv geladene Kopfgruppe)? Wieso enthält das Fett der Kokosnuss wie das der Kuh vorwiegend gesättigte Fettsäuren, während Gras und Fische viel mehrfach ungesättigte Fettsäuren enthalten? Warum machen Fettsäureester von Zucker („Olestra“) nicht dick? Was ist das Mundgefühl beim Essen? Ein 50-jähriger, 77 kg schwerer Mann verbraucht etwa 10 000 kJ (2400 kcal), eine 50-jährige 65 kg schwere Frau 8000 kJ (1900 kcal) täglich. Vergleichen Sie das mit dem Tagesverbrauch einer 100-Watt-Glühlampe. 1 Watt = 1 J/s. Was passiert, wenn Sie eine konzentrierte Natriumsulfatlösung trinken („Fasten“)? Wann sollte man das Wassertrinken kurz unterbrechen? Durch welche Organe fließt das meiste Blut? Wie funktioniert die Farbgebung durch farblose Flüssigkristalle? Welche Ursubstanz der Steroidhormone wird gerne gegessen? Welchen Unsinn treiben Diätmargarinen mit Sojabohnensteroiden und mehrfach ungesättigten Fettsäuren?

Teil 2 Molekulare Module für chemische Wechselwirkungen, Nerven, Muskeln, Atmung und das Sehen

159

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen Protonen im All, Proteine in unserem Sein, die nehmen die ersten Plätze ein. Tyrosin ankert da sensibel, und kleben tut es auch nicht übel.

Überblick

4.1 Tyrosin ist eine von zwanzig a,L-Aminosäuren, die, über Amidbindungen kovalent miteinander verknüpft, die Proteine bilden. Jede dieser Aminosäuren enthält einen spezifischen Substituenten, der in den Proteinen als Seitenkette erscheint. Im Tyrosin ist das ein Benzolring mit einer leicht sauren OH-Gruppe, eine Phenolgruppe. Benzol ist ein „aromatischer“ SechsringKohlenwasserstoff, C6H6, mit drei konjugierten Doppelbindungen. Er unterscheidet sich von einem offenkettigen Polyen mit drei konjugierten Doppelbindungen durch sein Absorptionsspektrum und durch seine überragende thermische Stabilität. Beides beruht auf der Mesomerie der drei konjugierten Doppelbindungen. Benzol dringt in jede hydrophobe Lücke an der Oberfläche von Proteinen ein, was für die Wirksamkeit der Benzol- und Phenolderivate als Aromen, Pharmaka und Neurotransmitter verantwortlich ist. Außerdem bildet das Phenol leicht Phenolat-Anionen, die von Sauerstoff und anderen Oxidationsmitteln zu Radikalen oxidiert werden. Aspirin blockiert durch Umesterung mit einem Phenolacetat die Aggregation von

160

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Blutkörperchen. Die a,L-Aminosäure-Gruppierung des Tyrosins wird ausschließlich zum Einbau des Tyrosins in Proteine verwandt. Tyrosin und achtzehn andere Aminosäuren sind chiral, weshalb ihre Polyamide häufig Schrauben (Helices) formen. 4.2 Polymere Aromaten dienen in der Natur (Lignin, Melanin) und Technik (Bakelit, Anilinschwarz) als wasserfeste Füllmaterialien und bilden stabile, variable Farbtupfen in polymerer Matrix (Pelargonidin). Sie eignen sich aber nicht als Bausteine definierter Fasern und Rohrleitungen. 4.3 Proteine sind lineare Polyamide, NH2(CHR–CO–NH–)nCOOH, aus zwanzig durch die Art von R verschiedenen a,L-Aminosäuren. Die Abfolge der Aminosäuren 1 bis n heißt Sequenz oder Primärstruktur, die wichtigste Sekundärstruktur ist die Helix. Tyrosin ist eine a,L-Aminosäure mit einer leicht aciden Phenolgruppe. Wegen ihres flachen und hydrophoben Benzolrings drängt sie sich in hydrophobe Taschen an Proteinoberflächen und ist deshalb der ideale Anker von Pharmaka und Neuropeptiden an Rezeptor- und Enzymoberflächen. In der pflanzlichen Photosynthese leitet der Phenolring des Tyrosins einzelne Elektronen, indem er reversibel Radikale bildet. 4.4 Tyrosin ist ein klebriger Bestandteil des Insulins, das Membranporen öffnet. Tyrosinphosphat gibt das Signal zur Aufnahme von Zucker in der Zelle weiter. Oft ist es nützlich zu wissen, aus welchem biologischen Material und auf welche Weise ein Naturstoff zum ersten Mal isoliert wurde. Solche ersten Versuche sind meist einfach, bleiben deshalb im Gedächtnis haften und geben einen bleibenden Eindruck von den Moleküleigenschaften. Die drei bisher beschriebenen Moleküle – Wasser, Glucose und Lecithin, die wichtigsten Baustoffe des Lebens – waren direkt zugänglich. Wasser fließt den Menschen seit Jahrmillionen in reinem Zustand zu, weil die Sonne es aus dem Meer in die Wolken destilliert, von wo es im reinen Zustand herabregnet. Glucose wurde zuerst 1792 aus eingedicktem Traubensaft kristallisiert und als „Traubenzucker“ von „Rohrzucker“ unterschieden. Lecithin-Gemische lassen sich zusammen mit viel Fetten, Carotin und Cholesterin als schmieriges „Eigelbpulver“ isolieren, wenn man Hühnereier kocht. Das Protein verfestigt sich als Eiweiß-Gel und entzieht dem Dotter das meiste Hydratwasser der Lecithinschichten. Aus dem getrockneten Dotterpulver werden die Lecithine am besten durch Wasserdampf herausgelöst, Fette und Cholesterin bleiben ungelöst zurück. WaGluLe sind also leicht zu haben, wobei WaGlu reine Verbindungen, Le aber ein wildes Gemisch verschiedener, aber einander ähnlicher Fettsäureester und Phosphatester ist. Das Tyrosin ist eine von zwanzig Aminosäuren, kovalent als Amid in Proteinen gebunden, also nicht direkt zugänglich: Tyrosin wird aus Proteinen mit starken Laugen freigesetzt und kann erst danach aus Wasser kristallisiert werden. Das erste Mal gelang das 1846 mit dem käsebildenden Protein der Milch (Caseïn) als Ausgangsmaterial und geschmolzener Kalilauge (KOH). Mischte man die beiden bei 200 8C, so zersetzte sich das Casein fast quantitativ zu Am-

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

moniak, Wasser, Wasserstoff und wasserlöslichen Zersetzungsprodukten. Nur das Tyrosin war bei der großen Hitze in der Lauge stabil und kristallisierte nach Zugabe von Essigsäure als reiner „Käsestoff“ (griech. tyros, „Käse“) aus. 100 g Casein gaben etwa 1 g Tyrosin. Das Verfahren wurde auf Albumin aus Blut, Ochsenhorn, Haaren, Vogelfedern, Muskeln, Hautschuppen und Tierkadavern übertragen. Man fand in fast allen Proteinen ein bis zwei Gewichtsprozent Tyrosin mit den immer gleichen charakteristischen Eigenschaften extremer Stabilität und Schwerlöslichkeit in schwach saurem Wasser.

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

Ein „Modul“ ist ein funktioneller Teil einer Maschine, also zum Beispiel ein Rad, eine Bremse usw. So etwas ist das Tyrosin als extrem variabler Baustein biologisch aktiver Proteine. Tyrosin ist eine a,L-Aminosäure mit einem Phenolring; a bedeutet hier, dass Amin und (Carbon-)Säure benachbart sind, L weist auf die Chiralität des a-Kohlenstoffatoms hin, das vier verschiedene Substituenten trägt: ein Proton, ein Phenol, eine Carboxyl- und eine Aminogruppe. Phenol und Amin sind Bausteine, die in der Glucose und im Lecithin nicht vorkommen. Wir werden sie deshalb im Folgenden zuerst beschreiben, einführen sozusagen.

Nach H, C, O und P aus SCHÖPFeN in den Gerüststoffen der Pflanze (Glucose) und Tiere (Lecithin) kommen wir nun zu N, dem Stickstoffatom (griech. nitro-gen, „Nitrat-Bildner“), dem letzten Element aus dem CNO-Fusionszyklus der mittleren Sterne. Die CHO-Verbindungen mit ein bisschen Phosphat sind einfach und übersichtlich. Ihre molekulare Welt lässt sich mit hundert Abbildungen und ein paar Erklärungen gut darstellen. Die Addition des Stickstoffs aber führt zu Proteinen, Nucleinsäuren und Heterocyclen unglaublicher Vielfalt. Von jetzt an müssen ausgewählte Beispiele genügen: Von zwanzig Aminosäuren der Tiere und Menschen beschreiben wir nur das Tyrosin, von Tausenden bekannter Proteine müssen ein paar wichtige Strukturtypen und das Verhalten eines Dutzends auffälliger Individuen genügen.

161

162

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Obwohl der Name Nitrogen des Elements an das Nitrat-Anion, NO–3, die Mutter aller Sprengstoffe, erinnert, ist der reduzierte Stickstoff in Form des Ammoniaks, NH3, als Muttersubstanz der biologischen Stickstoffverbindungen aufzufassen. Alle biologischen Organismen haben ein Reduktionspotenzial von null Volt, was dem Potenzial des reduzierend wirkenden Wasserstoffmoleküls auf der einen Seite einer Membran im Kontakt mit Protonen, auf der anderen Seite einer Membran entspricht. Ammoniak, NH3, ist ein Gas, das in großer Konzentration brennend nach Salmiak riecht, verdünnt nach Urin. Flüchtige Stickstoffverbindungen riechen generell, oft in Verbindung mit Schwefelverbindungen, nach Kadavern, nach Kot, nach Tod und Verderben. Diese Gerüche sind deshalb psychologisch oft ekelerregend, die gasförmigen Amine und Schwefelverbindungen (Zwiebel, Knoblauch) aber kaum giftig. Schwer giftige Gase sind hingegen oft geruchlos (Kohlenmonoxid) oder riechen angenehm nach Mandelblüte (Blausäure) oder aromatisch (Benzolderivate, Tetrachlorkohlenstoff). Man kann eine Lebensgefahr oft sehen und hören, aber kaum riechen. Ammoniak wird bei –33 8C flüssig und gefriert bei –78 8C. Flüssiger Ammoniak enthält ähnlich wasserstoffverbrückte Cluster wie Wasser, seine Dielektrizitätskonstante (22 Debye) ist aber viermal kleiner. Ammoniak ist extrem gut wasserlöslich. Bei –90 8C fallen zwei Hydrate aus (NH3 · H2O und 2NH3 · H2O), die durch Wasserstoffbrücken verknüpft sind. Es gibt in diesen Hydraten kein NH4OH, sondern nur Wasserketten, die durch Ammoniak quervernetzt sind. Auch in wässriger Lösung gibt es kein NH4OH, wohl aber die Ionen NH+4 und OH–. Die OH–-Ionen machen das Ammoniumhydroxid zu einer Base. Eine einmolare wässrige Ammoniaklösung (17 g/L) enthält nur 60 mg NH+4 plus OH–, obwohl das Salz NH4OH vollständig dissoziiert ist. Gelöstes Ammoniakgas liegt im hundertfachen Überschuss vor! Der Ammoniakstickstoff hat fünf Außenelektronen, die sich in vier tetraedrisch angeordneten Orbitalen bewegen, die wir vom Kohlenstoff (Seite 61) und Sauerstoff (Seite 15) schon kennen. Drei Orbitale vom Stickstoff sind zur Hälfte besetzt und können je ein Elektron von anderen Atomen aufnehmen, zum Beispiel von den drei Wasserstoffatomen des Ammoniaks, vom Kohlenstoff, was zu Aminen führt, oder von anderen Stickstoffatomen. Diese sechs „bindenden“ Elektronen oder drei Elektronenpaare befinden sich dann zwischen je zwei Atomen. Das übrig bleibende, nur am Stickstoffatom befindliche Elektronenpaar heißt „einsam“ oder „nichtbindend“. Ungebundene, einsame Elektronenpaare kennen wir schon vom Sauerstoff, der über zwei davon verfügt (Seite 15). Wasserstoff und Kohlenstoff bindet der Stickstoff immer mit insgesamt drei Bindungen. Das können beim Kohlenstoff drei Einfachbindungen oder eine Doppelbindung und eine Einfachbindung oder eine Dreifachbindung sein. Ein Elektronenpaar aber bleibt „ungebunden“ oder „frei“. Wasserstoff ist immer „einbindig“ oder „einwertig“, Sauerstoff immer zweiwertig, Stickstoff meist dreiwertig und Kohlenstoff fast immer vierwertig (Ausnahme: CO). Anders ausgedrückt: Ein Wasserstoffatom kann ein Elektron aufnehmen, Sauerstoff zwei, Stickstoff drei und Kohlenstoff vier (Abb. 4.1).

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

Abb. 4.1 Verteilung der fünf Außenelektronen des Stickstoffatoms in vier Orbitalen. Eines der Orbitale ist schon mit zwei Elektronen gefüllt, deren Spins gepaart sind. Dieses Orbital kann von anderen Atomen keine

Elektronen mehr aufnehmen, es ist nichtbindend. Die drei anderen Orbitale sind bindend, wenn sie je ein Elektron von anderen Atomen, zum Beispiel Wasserstoff oder Kohlenstoff, übernehmen (siehe Abb. a).

Es sind aber auch vier Bindungen zum Stickstoff möglich, wenn nämlich das ungebundene, einsame Elektronenpaar ein Proton oder eine Methylgruppe ohne Elektron bindet: Das Stickstoffatom reagiert dann als „Base“, die mit Protonen Ammonium-Ionen, NH+4 , und mit Methylgruppen Tetramethylammoniumsalze bildet. Solche protonierten oder alkylierten Stickstoffatome sind die einzigen positiv geladenen Zentren von Kohlenstoffverbindungen. Nur Ammoniumverbindungen tragen eine volle positive Ladung an einem einzigen Atom und nur sie lagern sich an biologische und geologische Oberflächen an, die durch saure OHGruppen aller Art (Phosphat, Oxid, Carboxylat) fast immer negativ aufgeladen sind. Die positive Ladung der Ammoniumverbindungen ist einerseits der wirksamste Überträger chemischer Botschaften zwischen biologischen Zellverbänden, insbesondere beim Acetylcholin, CH3COO(CH2)2N(CH3)+3 , dem häufigsten Neurotransmitter zwischen den Enden von Nerven- und Muskelfasern (siehe Seite 243, 251 ff). Andererseits sind manche Ammoniumverbindungen schwere Zellund Atemgifte, weil sie negativ geladene Rezeptorproteine dauerhaft blockieren (Abb. 4.2).

Abb. 4.2 Ammoniak und sein protoniertes (oben) bzw. tetraalkyliertes (unten) Kation. Der Bindungswinkel des Ammoniaks ist 107,38, also dem Tetraederwinkel des Methans nahe.

Außerdem bildet der Stickstoff, ebenso wie Kohlenstoff, Doppel- und Dreifachbindungen aus. Im Benzol ersetzt der dreiwertige Stickstoff zum Beispiel eine ebenfalls dreiwertige CH-Gruppe, es entsteht Pyridin, C5H5N. Pyridin ist

163

164

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

fast genauso hitzestabil wie Benzol und stinkt widerlich. Die Geruchsstoffe Indol und Skatol der Faeces (Kot, Scheiße, Seite 78 f) sind ähnlicher Natur. Die stabilste Bindung des Stickstoffs ist die Dreifachbindung. Sie tritt zum Beispiel im Stickstoffgas der Luft, N2, und in der Blausäure, HCN, auf. Blausäure entsteht unter anderem, wenn elektrische Entladungen („Blitze“) auf Gemische von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen treffen, z. B. N2 + CO2 oder NH3 + CH4 (Seite 78 f). Die Hitzestabilität der Dreifachbindung erklärt sich daraus, dass die Spaltung der Bindung nur dann erfolgt, wenn alle drei Bindungen gleichzeitig gelöst werden. Das ist unwahrscheinlich und deshalb selten. Die drei Bindungen wirken kooperativ (Abb. 4.3).

Abb. 4.3 Wichtige Stickstoffverbindungen mit Doppel- und Dreifachbindungen. Im Pyridin, C5H5N, ist eine CH-Gruppe des Benzols durch N ersetzt. Der molekulare Stickstoff der Luft, N2, enthält ebenso wie die Blausäure, HCN, eine Dreifachbindung.

Die a,L-Aminosäuregruppe des Tyrosins fixiert dieses über eine Amidbindung, –CO–NH–, in Proteinen. a bezeichnet die direkte Nachbarschaft der Amino- und Carbonsäuregruppen an einem Ende der zwanzig proteinbildenden (proteinogenen) Aminosäuren, „L“ steht für die chirale Konformation des aKohlenstoffatoms (das neben der Carboxylgruppe). Wichtig ist die Einheitlichkeit der Händigkeit (Seite 71 f): In den Proteinen gibt es ausschließlich linkshändige Aminosäuren, rechte Hände kommen nicht vor. Daraus erklärt sich die einheitliche Schraubung der Helices in biologischen Geweben. Die zwanzig verschiedenen Reste R der proteinogenen Aminosäuren in Abbildung 4.4 sind hydrophob (Phe, Trp, Leu, Ile, Val, Met, Glu, Gln) oder hydrophil (Arg, Asp, Lys, Ser, Thr), manche sind sauer (Asp, Glu), andere basisch (Arg, Lys), extrem flexibel (Pro) oder sehr stark zur oxidativen Vernetzung neigend (Sh, Lys). His ist ein guter Säure-Basen-Puffer bei pH = 7. Die Eigenschaften der Aminosäurereste bestimmen erstens die Faltung der Proteine (hydrophob paart mit hydrophob, Säure paart mit Base, hydrophob geht nach innen, hydrophil nach außen in wässriger Lösung). Zweitens ermöglichen sie äußerst komplexe Reaktionsmuster von Proteinen, in denen Tausende von Aminosäuren je nach Lage und Zugänglichkeit unterschiedliches Verhalten zeigen. Cystin vervielfacht zum Beispiel über S–S-Brücken das Molekulargewicht der Proteine z. B. in Haaren und Pigmenten (Seite 190) und macht sie unlöslich; Lysin produziert geordnete Tetramere, Prolin begünstigt die Entstehung von Tripelhelices (Seite 196) und die Faltung von Proteinsträngen (Abb. 4.4).

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

Abb. 4.4 Molekülstrukturen der 20 Aminosäuren von Proteinen und die gängigen Abkürzungen ihrer Namen. Die Computerabkürzung besteht nur aus einem Buchstaben: Glycin (Gly, G), Alanin (Ala, A), Arginin (Arg, R), Asparagin (Asn, N), Asparaginsäure (Asp, D), Cystein (Cys, C), Glutamin (Gln,

Q), Glutaminsäure (Glu, E), Histidin (His, H), Isoleucin (Ile, I), Leucin (Leu, L), Lysin (Lys, K), Methionin (Met, M), Phenylalanin (Phe, F), Prolin (Pro, P), Serin (Ser, S), Threonin (Thr, T), Tryptophan (Trp, W), Tyrosin (Tyr, Y) und Valin (Val, V).

165

166

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Acht der zwanzig Aminosäuren sind „essenzielle“ Nahrungskomponenten. Sie müssen täglich aus der Nahrung zugänglich sein, weil die Menschen verlernt haben, sie selbst zu synthetisieren, ohne sie jedoch weder lebenswichtige Muskeln noch Nerven oder Erythrocyten produzieren können. Diese partielle Unfähigkeit, aus eigener Kraft zu leben, ist eine typische Degenerationserscheinung der Zivilisation: Irgendwann hatte es der Bauer nicht mehr nötig, komplexe oder wenig beständige Aminosäuren selbst zu machen. Sein Hof, sein Getreide und sein Vieh sorgten schon dafür. Die täglich minimal benötigten Mengen und die Zusammensetzung typischer Nahrungsmittel sind in Tabelle 4.1 zusammengefasst. Proteine sind mit Abstand die teuersten Grundnahrungsmittel: Ein Kilogramm Protein kostet rund 10 Euro, ein Kilogramm Fett 2 Euro und ein Kilogramm Stärke 1 Euro. Die wertvollsten Nahrungsproteine ähneln in ihrer Zusammensetzung den Humanproteinen. Tierische Proteine sind den pflanzlichen überlegen. Gut verdauliche Proteine enthalten außerdem große Anteile von Einzelhelices, die viel Wasser aufnehmen und deshalb leicht zu hydrolysieren, leicht verdaulich sind. Außerdem fördern Kochen und Braten die Verdaulichkeit (Tab. 4.1). Tab. 4.1 Anteile der essenziellen Aminosäuren in Nahrungsmittelproteinen. Verbraucher (Milligramm pro Tag) Mann

Quellenausbeute (Milligramm Aminosäure pro Gramm Stickstoff ) Frau

Kuhmilch

Eiweiß

Rind

Weizen

Isoleucin 700 450 407 428 332 Leucin 1100 620 630 565 515 Lysin 800 500 496 396 540 (die Lysinwerte gelten nur ohne Backen und Braten; Lysin ist empfindlich)

262 442 126

Methionin 1100 550 Phenylalanin 1100 1120 (daraus auch Tyrosin und DOPA)

154 311

196 368

154 256

78 322

Threonin Tryptophan Valin

295 90 440

310 106 460

275 75 345

174 69 262

500 250 800

305 157 650

Proteingehalt der Feststoffe: Milch 25%; Eiweiß 100%; Rind 40–80%; Weizen 15%

Vor der biologischen Evolution, die sich durch versteinerte Fossilien in die ferne Vergangenheit Hunderte von Millionen Jahren zurück verfolgen lässt, könnte auf der Erde vor drei bis vier Milliarden Jahren eine „präbiotische“ oder „chemische“ Evolution stattgefunden haben in Form einer spontanen und wahrscheinlich massenhaften Entstehung von Kohlenstoffverbindungen. Dafür gibt

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

es keine fossilen Zeugen und es sind auch keine zu erwarten. Chaotische Gemische metastabiler Substanzen hinterlassen keine Steinabdrücke. Andererseits entstehen aus Wasser allein keine Zellmembranen, Zellkerne und Proteine, keine Rohrsysteme zur Wasserleitung (Leben) oder sich teilende Zellen. Dieser Mangel an erdgeschichtlich alten Proben macht naturgemäß jede Forschung zur Entstehungsgeschichte der Moleküle und jede Ahnenreihe spekulativ. Zunächst ist die Annahme unwiderstehlich, dass die präbiotische Chemie auf der glühenden Magmakugel, die sich nur langsam abkühlte, Hochtemperaturchemie gewesen sein muss. Deshalb beginnt man mit einer hitzestabilen und gleichermaßen reaktiven Verbindung aus Kohlenstoff und Stickstoff, aus der Aminosäuren und Nucleinbasen (Seite 221) entstehen könnten. Das einfachste Molekül dieser Art ist Blausäure, HCN. Deren Reiz liegt vor allem darin, dass HCN elektropositiven Kohlenstoff (Yang) enthält, während nach Abspaltung eines Protons das Cyanid-Anion, CN–, entsteht, also elektronegativer Kohlenstoff (Yin). Wenn Blausäure in Wasser also zu CN– und H+ zerfällt, kann CN– mit dem C(+) von HCN reagieren, sich eine C–C-Bindung bilden und so die „Ursynthese“ (Yin-Yang, I Ging) stattfinden (Abb. 4.5).

Abb. 4.5 Die plausible Ursynthese einer C–C-Bindung aus Blausäure, HCN.

Tatsächlich entstehen die beiden einfachsten a-Aminosäuren, Glycin und Alanin, spontan, wenn man elektrische Entladungen durch Wolken aus Wasserdampf, Stickstoff oder Ammoniak und Methan fahren lässt. Zuerst bildet sich dabei in größeren Mengen wie erwartet Blausäure. Das ist eine plausible Ursynthese, wie sie sich in der Uratmosphäre des sich abkühlenden Planeten Erde zugetragen haben könnte. Außerdem fand man nach der Blausäure Ameisensäure (4%), Glycin, Alanin und Milchsäure (je 2%). Formaldehyd, der Urkörper der Kohlenhydrate (siehe Seite 63 ff), und Tyrosin oder Phenylalanin, die thermisch stabilsten Aminosäuren, sind allerdings ebenso wenig in dem Urgemisch enthalten wie die unverzweigten Kohlenwasserstoffketten der Fettsäuren. Glycin und Alanin aber endeten vielleicht auf Felswänden, wanderten in die Zwischenräume der Gittersilicate und polymerisierten dort zu seidenähnlichen Proteinen ohne Stereochemie und Materialwert. Ein Anfang wäre gemacht worden – die Blausäurechemie hätte die Synthese von Kohlenstoffverbindungen auf der Erde etabliert. So kann man es sich vorstellen und Plausibleres ist bis heute niemandem eingefallen (Abb. 4.6).

167

168

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Abb. 4.6 Links: Modellexperiment zur Ursynthese. Kohlenstoff- und stickstoffhaltige Gase werden einem Lichtbogen ausgesetzt und gasförmige Produkte im Kreislauf durch Wasser geführt. Rechts: Zuerst entsteht

Blausäure, HCN (grüne Spur), die sich zu diversen niedermolekularen Kohlenstoffverbindungen (rote Spur, vor allem Ameisen- und Milchsäure) und Aminosäuren (blaue Spur) umwandelt.

Vom Ergebnis der biologischen Evolution her wissen wir, dass Gottes Auge gnädig auf seinem fleißigsten und frommsten Element, dem Kohlenstoff, ruhte. Kohlenstoff wirkt weder aggressiv oxidierend noch reduzierend, noch zerfallen seine Bindungen zu H, C, N und O, den anderen häufigen Elementen in Meteoren, im Wasser. Vor allem aber ist seine kovalente Chemie sehr abwechslungsreich und bietet sich für eine Evolution am ehesten an. Schon bei der Geburt der Elemente in den Sternen und bei ihrer Zusammenballung in kaltem Gestein des Universums hatte es sich ergeben, dass das Element Nummer sechs, der schwarze Kohlenstoff eben, ebenso bereitwillig Elektronen vom Wasserstoff aufnahm (Yin), wie er sie an Stickstoff oder Sauerstoff abgab (Yang). Wenn er mit sich selber reagierte, war das Yin-Yang, was schon im Weltall zu viel neutraler „Kohle“ aus Benzolringen führte (Graphit). Aber auch die Reduktion zu Methan und die Oxidation zu Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sind gängige Weltraumreaktionen. Die ganze wunderbare Vielfalt der Oxidationszahlen von –4, 0 und +4 stand von vorneherein zur Verfügung, als es auf dem Planeten Erde mit der Kohlenstoffchemie im großen Stil losging. Nur der Kohlenstoff war ziemlich genau zur Hälfte Yin und zur Hälfte Yang. Er machte sich das Wasser zunutze, indem er seinen Wasserstoff und Sauerstoff in den Kohlenhydraten gleichermaßen verbaute, und kam auch mit dem Stickstoff so gut zurecht, dass er nach den Pflanzen eine komplexe Tierwelt in Angriff nehmen konnte. Gott ließ den Kohlenstoff gewähren und der macht bis heute alles richtig. Sechs unserer sieben Moleküle konnten nur auf Grund der ausgewogenen Eigenschaften des Kohlenstoffs optimiert und beseelt werden – dieses Element war zu jeder Art der Bindungsbildung bereit und fähig, es reagierte heftig mit Wasser, Ammoniak und Sauerstoff und seine vier halbbesetz-

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

ten Orbitale machten eine äußerst komplexe Molekülarchitektur in drei Dimensionen möglich. Mit diesen elementaren Deutungen sollte man sich hinsichtlich der „präbiotischen Synthese“ zufrieden geben. Die Ursprünge der temperaturempfindlichen Kohlenhydrate – der thermisch ganz unwahrscheinlichen unverzweigten CH2-Ketten der Fettsäuren, der Verknüpfung des Benzols mit dem Alanin im Tyrosin – bleiben vorerst unverstanden. Nehmen wir an, dass die zwanzig proteinogenen Aminosäuren schon da sind. Sehen wir auf die Proteine. Dabei werden wir schnell das Tyrosin wieder in den Mittelpunkt des Interesses stellen. Die einfachste Reaktion der a-Aminosäuren ist die Bildung eines Zwitterions mit den geladenen Gruppen –NH+3 und –COO–. Beide Ladungen werden vom Wasser stark hydratisiert (Abb. 4.7).

Abb. 4.7 In Wasser übernimmt der basische Stickstoff der Aminosäuren das Proton der Carbonsäuren – es entsteht ein Zwitterion. Aminosäuren sind deshalb wasserlöslich, die Unterschiede sind aber sehr groß: Von Prolin lösen sich 1,5 kg im Liter Wasser, von Tyrosin nur 0,6 g.

Proteine (griech. proteuein, „der Erste sein“) sind zusammen mit dem Lecithin die wichtigsten Materialien des Menschen und der Tiere. Der Mensch besteht (vom Wasser abgesehen) in erster Näherung aus Estern (Lecithin) und Amiden. Proteine sind Polyamide (griech. poly, „viel“) aus a,L-Aminosäuren. Ein Proton einer Aminogruppe einer Aminosäure nimmt bei der Amidbildung die OH-Gruppe des Carboxylats, COOH, einer zweiten Aminosäure auf und bildet Wasser. Die Bildung von Amiden, –CO–NH–, ist also wie die Esterbildung, –CO–OC, eine Kondensation. Amide sind allerdings in neutralem Wasser, in Säuren und Basen viel stabiler. Man benutzt am besten wie die Natur Katalysatoren (Enzyme, Amidasen, Seite 201), um die Amidbindung zu bilden und zu spalten. Die gleiche Amidbildung innerhalb eines einzigen Moleküls („intramolekular“) ist bei a-Aminosäuren in wässrigen Medien nicht möglich, weil der dabei entstehende Dreiring mit einem Bindungswinkel von 608 in Wasser instabil ist. Er hydrolysiert sofort wieder zur Aminosäure. Aus b-Aminosäuren entstehen bei derselben intramolekularen Wasserabspaltung Vierringamide (b-Lactame, Beispiel: Penicillin) mit Bindungswinkeln von 908, die schon viel stabiler sind, sich aber immer noch langsam öffnen. Bei noch größeren Abständen zwischen Carbonsäure und Aminogruppe reagieren Aminosäuren aber fast ausschließlich zu stabilen, cyclischen Amiden („Lactamen“) mit fünf oder mehr Atomen im Ring. Offenkettige Polymere lassen sich aus solchen Aminosäuren nur über be-

169

170

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

sonders geschützte Zwischenstufen herstellen. Die a-Aminosäuregruppierung hat sich in der Evolution der Proteine also wahrscheinlich deswegen durchgesetzt, weil sie erstens direkt aus Blausäure entsteht (Seite 167) und zweitens intermolekulare Kondensationen, die Bildung der Proteinkettenmoleküle, gegenüber der eigentlich wahrscheinlicheren intramolekularen Reaktion begünstigt. An cyclischen Einzelgängern war die Evolution nicht interessiert, die Proteine aus zwanzig proteinogenen Aminosäuren haben sich durchgesetzt (Abb. 4.8).

Abb. 4.8 a- und b-Aminosäuren cyclisieren nur zögerlich zu Lactamen, obwohl Aminogruppen und Carbonsäuren eigentlich dazu neigen, unter Wasserabspaltung Amide zu bilden. Die Kondensation führt in diesen

Fällen aber zu Ringen mit ungünstigen Bindungswinkeln von 608 bzw. 908. Diese Ringe sind gespannt und zerfallen in Wasser. Die intermolekulare Polymerisierung zu Proteinen verläuft hingegen problemlos.

In Bezug auf das Tyrosin muss jetzt das zweite Motiv, der Phenolring, eingeführt werden, mit dem das Molekül nach außen agiert. Obwohl Tyrosin die am wenigsten wasserlösliche der 20 Aminosäuren ist, wirkt sie hydrophil, denn in kugelförmigen („sphärischen“) Proteinen versteckt sie sich nicht im hydrophoben Inneren wie das Phenylalanin ohne OH-Gruppe, sondern zeigt sich gern an der Proteinoberfläche. „Hydrophil“ und „wasserlöslich“ sind also keine Synonyme, sondern nicht vorhersagbare, voneinander unabhängige Eigenschaften der Moleküle, insbesondere der Aminosäuren in Proteinen, die experimentell ermittelt werden müssen. Tyrosin ist mit 450 mg/L Wasser die am schwersten in Wasser lösliche aller Aminosäuren, aber in kugelförmigen Proteinen, zum Beispiel in vielen Enzymen und Hormonen, erscheint sie durchaus nicht im hydrophoben Inneren, sondern an der dem Wasser zugewandten Oberfläche. Tyrosin ist schwer löslich in Wasser, aber in Proteinen hydrophil (Abb. 4.9).

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

Abb. 4.9 In kugelförmigen Proteinen drängen manche Aminosäuren an die Oberfläche und sind damit vom Wasser aus zugänglich. Solche Aminosäuren heißen „hydrophil“. a) Tyrosin gehört trotz seiner Schwerlöslichkeit in Wasser dazu. b) Das Phenylalanin ohne die OH-Gruppe ist hingegen hydrophob – der Benzolring versteckt sich im Inneren des Proteinknäuels. c) Das hydrophile Tyrosin eignet sich hervorragend als Anker in hydrophoben Lücken an der Oberfläche von Re-

zeptorproteinen oder Enzymen, die den Mittelteil des Phenols umschließen und das saure Proton mit einer Wasserstoffbrücke fixieren. Viele biologisch aktive Proteine verhaken sich mit anderen Proteinen über das Tyrosin. Das gilt auch für Aromen, Adstringenzien und Pharmaka, die Tyrosin oder Phenylalanin enthalten, aber keine Proteine sind. Tyrosin und viele andere Aminosäuren aus Abb. 4.4 sind auch als Monomere biologisch aktiv.

Trotzdem binden hydrophobe Taschen von Proteinen gerne an Tyrosin, indem sie am Boden der Tasche einen Protonenakzeptor für die OH-Gruppe bereitstellen, zum Beispiel die CO-Gruppe eines Amids. Auch die hydrophoben CH-Kanten der Glucose werden fest von zwei Phenolgruppen des Tyrosins eingeklemmt. Diesen Effekt findet man vor allem in Pflanzenproteinen, die sich auf die Erkennung von Kohlenhydraten spezialisiert haben, den Lectinen (Abb. 4.10). Bei der Isolierung des Tyrosins aus Käse (Seite 160 f) fiel auf, dass Tyrosin als einzige von zwanzig Aminosäuren die Alkalischmelze überstand. Ursache für die außergewöhnliche Hitzestabilität des Tyrosins ist ein Bestandteil mit dem Namen Benzol (engl. benzene) und der Summenformel C6H6. Benzol wurde erstmals durch Destillation aus übelriechendem Teer in einer besser, fast angenehm riechenden Fraktion isoliert, die man deshalb die „Aromaten“-Fraktion nannte. Die Analyse des Benzols ergab sechs CH-Gruppen in einem völlig ebenen Sechsring mit sechs 1208-Bindungswinkeln und sechs p-Orbitalen als Aufenthaltsräume für die sechs Elektronen von drei Doppelbindungen. Wenn man diese Orbitalformel der Abbildung 4.10 mit den Strichformeln darunter vergleicht, fällt auf, dass das mittlere p-Orbital links und rechts genau gleiche p-Orbitale als Nachbarn hat. Die Strichformeln darunter aber behaupten, dass nach links eine Doppel- nach rechts eine Einfachbindung vorliegt oder umgekehrt. Die Aussagen beider Formeln stimmen nicht überein, denn woher sollte

171

172

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Abb. 4.10 Vereinfachtes Modell der Kristallstruktur des Glucose-Lectin-Komplexes, in dem zwei hydrophobe Phenolgruppen des Tyrosins (schwarz) die eigentlich hydrophile Glucose an deren CH-Oberflächen (grün) einklemmen. Die Polyamidkette des Lectins setzt sich nach oben rechts und unten links fort.

das mittlere p-Orbital der oberen Formel wissen, dass es nur mit dem linken oder nur mit dem rechten Nachbar in Wechselwirkung treten darf, wie die beiden unteren Formeln das suggerieren. Andererseits sind zwei Doppelbindungen und eine C–H-Bindung, was zehn Elektronen an einem Kohlenstoffatom bedeutet, nicht möglich. Die beteiligten Atome haben nur acht Elektronen, das Tetraeder schafft nur Platz für vier Elektronenpaare. Der einzige Ausweg aus diesem Dilemma liegt in der Annahme von Eineinhalbbindungen an Stelle der Kombination einer Einfach- mit einer Doppelbindung. Tatsächlich zeigt eine Vermessung, dass alle sechs C–C-Bindungen gleiche Längen von 140 pm haben, was etwa dem Mittelwert einer Einfachbindung (154 pm) und einer Doppelbindung (128 pm) entspricht. Man verbindet deshalb die möglichen Formeln mit isolierten Doppelbindungen mit Mesomeriepfeilen ($) und stellt sich eine „Resonanz“ zwischen ihnen vor. Alle cyclischen Moleküle mit solchen Resonanzstrukturen heißen Aromaten. Wegen der Delokalisierung der oxidationsempfindlichen C=C-Doppelbindungen sind sie besonders hitzestabil. Benzol ist erstens flach und schmal, zweitens extrem elektronenreich und stabil, drittens hydrophob und kaum wasserlöslich. Diese einzigartige Kombination macht es zu einem extrem potenten Anker für Arzneimittel, die an hydrophoben Spalten in den Oberflächen biologisch aktiver Proteine andocken und sie dann blockieren. Benzol ist der thermisch stabilste Kohlenstoffwasserstoff. Er entsteht immer dann, wenn Kohlenstoffverbindungen unter Luftausschluss hoch erhitzt wer-

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

den. Eine solche Pyrolyse (griech. pyros, „Feuer“; lyse, „Auflösung“) zerstört Kohlenstofftetraeder, insbesondere solche von Kohlenhydraten, die Wasser abspalten und endet, wenn durch große Hitze auch die CH-Bindungen gespalten und Wasserstoff erzeugt wird, beim unendlichen Gitter aus dehydrierten Benzolringen ohne Wasserstoff. Ein solches Material ist schwarz (absorbiert sichtbares Licht aller Wellenlängen) und heißt Kohle, Koks oder Graphit. Die Benzolgitterebenen sind im festen Graphit gegeneinander verschiebbar und können leicht abgerieben werden. Bleistiftminen aus Graphit hinterlassen unter leichtem Druck Spuren auf jeder aufgerauten Oberfläche (Abb. 4.11).

Abb. 4.11 Molekülstruktur des Benzols und seines Dehydrierungsprodukts, des Graphits. Graphit hat die gleiche Summenformel wie Diamant, nämlich Cn (siehe Abb. 1.10).

Mit dem Benzol kommen wir zu Verbindungen, die Licht absorbieren – den Farbstoffen. Schon bei den isolierten, einzelnen C=C-Doppelbindungen wurde die Absorption ultravioletten Lichts mit Wellenlängen um 240 nm erwähnt, die zur chemischen Aktivierung der Doppelbindung, zu Oxidations- und Reduktionsmitteln führt (Seite 112). Von den drei konjugierten Doppelbindungen wird noch mehr UV-Licht pro Molekül aufgenommen. („Konjugiert“ nennt man zwei Doppelbindungen, die durch eine Einfachbindung voneinander getrennt sind.)

173

174

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Benzol absorbiert bei mehreren Wellenlängen; sein Absorptionsspektrum liegt im ultravioletten Bereich und lässt sich mit Spektrometern routinemäßig, schnell und quantitativ messen. Das Hexatrien, ein offenkettiges Polyen mit sechs („hexa“) Kohlenstoffatomen und drei konjugierten Doppelbindungen („tri-en“), erzeugt eine einzige Absorptionsbande mit einem Gipfel bei 274 nm. Benzol, der Sechsring mit ebenfalls drei konjugierten Doppelbindungen, zeigt dagegen ein kompliziertes UV-Spektrum mit einer sehr intensiven Bande bei 184 nm und mehreren zehnmal schwächeren Banden um 250 nm. Das Spektrum mit Banden vergleichbarer Intensität (ultraviolettes oder sichtbares Licht) ist typisch für offenkettige Polyene, das charakteristische Spektrum mit einer intensiven Bande im Kurzwelligen und mehreren Banden im Längerwelligen findet man nur bei benzolartigen oder aromatischen Verbindungen.

Abb. 4.12 UV-Spektren des Benzols mit drei C=C-Doppelbindungen (–––––) und des Hexadienals mit sechs Kohlenstoffatomen, zwei C=C-Doppelbindungen und einer Aldehydgruppe –C=O ( – – –). Das Aromatenspektrum des Benzols besteht aus einer Bande im kurzwelligen UV-Bereich (184 nm) mit einer relativen Intensität (Höhe) von etwa 68 000 und einer längerwelligen Gruppe von

Banden (250 nm) mit etwa 300-mal kleineren Intensitäten (relative Intensität 250, blau ausgefüllt). Das Polyenspektrum hat nur eine längerwellige Bande mittlerer Intensität (25 000) bei 261 nm. Die Aromatenspektren sind typisch für Pyrrol, Pyridin und die Blutund Blattfarbstoffe (siehe Kapitel 6), Polyenspektren treten vor allem beim Carotin und beim Sehfarbstoff Retinal (Kapitel 7) auf.

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

In beiden Molekülarten, Aromaten und Polyenen, erzeugt das absorbierte Licht angeregte Zustände, die gleichzeitig ein starkes Oxidationsmittel und ein Reduktionsmittel sind. Der angeregte Zustand existiert nur ein paar Pikosekunden lang und geht dann bei den meisten Aromaten unter Abstrahlung von Licht (Fluoreszenz), bei den meisten Polyenen unter Erwärmung wieder in den Grundzustand über. Gelingt es aber anderen Molekülen, die nur wenige Nanometer von dem angeregten Molekül entfernt sein dürfen, das angeregte Elektron schnell zu übernehmen, dann folgen der Bestrahlung interessante Photoreaktionen, zum Beispiel die Spaltung des Wassers in seine Elemente (Photosynthese, Abb. 4.12). Mittels Röntgenstrahl-Beugung an Kristallebenen kann die Länge der Bindungen in Polyenen und Aromaten vermessen werden. Bei Polyenen alternieren die Bindungslängen (etwa 0,15 nm für die formalen Einfachbindungen und 0,13 nm für die Doppelbindungen), im Benzol aber sind alle Bindungen mit 0,14 nm gleich lang. Man verknüpft solche mesomeren („gemittelten“) Strukturformeln mit einem Doppelpfeil ($), der besagt, dass nur Elektronen verschoben wurden. (Zwei einander entgegen gerichtete Einzelpfeile hingegen bezeichnen ein chemisches Gleichgewicht, bei dem sich auch Bindungen zwischen Atomen verändern.) Die Mesomerie der Einfach- und Doppelbindungen, die beide zu Eineinhalbbindungen macht, heißt Resonanz – und es ist die vollkommene Resonanz zwischen zwei mesomeren Formen, die Aromaten energiearm und hitzestabil macht und die auch angeregte Zustände stabilisiert (Abb. 4.13).

Abb. 4.13 Alle sechs C–C-Bindungslängen im Benzol sind vollkommen gleich. Die Elektronen der Doppelbindungen sind „delokalisiert“, was typisch für Aromaten ist und ihnen ihre Hitzestabilität verleiht.

Der Kern des Benzols ist extrem elektronenreich, die CH-Peripherie hingegen eher positiv geladen. In Benzolkristallen stehen deshalb die Ringe senkrecht aufeinander, ein Proton taucht jeweils in die Elektronenwolke. Tyrosin aber bildet starke Wasserstoffbrücken zwischen den Aminosäuren und Phenolgruppen aus, die die Benzolringe in leicht gewinkelte, parallele Stellungen zwingen (Abb. 4.14). Wenn Benzol zusammen mit Kohlenwasserstoffen ohne Doppelbindungen (z. B. Paraffin) verbrannt wird, dann verbrennen diese direkt zu Kohlendioxid und entwickeln dabei viel Hitze. Das hitzestabile Benzol aber verbrennt nicht gleich zu Kohlendioxid, sondern gibt zuerst seinen Wasserstoff ab, wird zu Kohle, den unendlichen Kristallebenen aus Kohlenstoff-Sechsringen mit Eineinhalbbindungen. Diese Kohlenstoffpartikel glühen dann in der Flamme und leuchten im Benzinfeuer. Dieser „Leuchtgaseffekt“ des Benzols wurde im 19. Jahrhun-

175

176

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Abb. 4.14 In den Kristallebenen des Benzols stehen die Moleküle senkrecht aufeinander; die Tyrosin-Substituenten drehen die Benzolringe eher parallel zueinander, die Phenol-OHGruppen bilden Wasserstoffbrücken mit den Ammoniumprotonen.

dert in den Leuchten und Laternen von London, Paris und Berlin genutzt. Das erste Dehydrierungsprodukt auf dem Weg der Verglühung des Benzols, C6H6, zur Kohle ist –C6H5 und heißt „Phenyl“ (von griech. „scheinen, leuchten“). Die Haupteigenschaft einer brauchbaren Leuchtflamme ist neben einer hohen Lichtintensität auch eine ruhige Stetigkeit. Flackern stört. Nur bei richtiger Ausflussgeschwindigkeit des Gases aus dem Brennerrohr rußt die Flamme nicht und brennt nicht blau, sondern glühend weiß. Ein zu mächtiger Leuchtgasstrom flackert immer und wird von Rußwolken begleitet, strömt hingegen die Luft zu schnell zu, so kühlt die Flamme zu weit ab, flackert nicht mehr, aber leuchtet auch nicht. Eine kreisförmige Flamme aus einem einfachen Rohr mit einem Durchmesser von 2 mm für Kohlegas gibt blendend weiße, stete Flammen, aber der Nutzeffekt des nach außen dringenden Lichts bleibt auch hier gering, weil ein gro-

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

ßer Teil des im Innern der Flamme entwickelten Lichts von den äußeren Schichten absorbiert wird. Die Flamme muss deshalb platt sein, der Gasstrom muss aus dem Schlitz eines „Fischschwanzbrenners“ kommen. Zwei schmale, runde Öffnungen am Ende einer kleinen Wirbelkammer führen innerhalb dieses Fischschwanzes zwei scharfe Flammenkegel schräg aufeinander, sodass sie gleichmäßig und ruhig strömen. An beiden Rändern hat die Flamme dann die größte Höhe und Dicke, die Lichtquelle liegt jetzt außen. Eine Galerie mehrerer solcher schräg gestellter Flammenkegel auf einer ringförmigen Eisenplatte führt zu strahlenden Leuchtern mit dem gezackt-flachen Flammenbild eines Fledermausflügels ganz in Weiß. So sah die Einzelflamme eines Gasleuchters des neunzehnten Jahrhunderts aus (Abb. 4.15).

Abb. 4.15 Die Konstruktion einer Gaslampe als „Fischschwanz“. Zwei einander abstoßende Flammenkegel wirbeln die schweren Kohlenstoffpartikel des unvollständig verbrann-

ten Benzols nach außen in einen dicken Wulst um die Flamme, ohne sie abkühlen zu lassen. Dort verglühen sie vollständig und geben weißes Licht.

In rot glühenden Eisenrohren und in Abwesenheit von Sauerstoff zerfallen Gemische von Kohlenstoffverbindungen, zum Beispiel Holz, tierische Gewebe, Erdgas und Erdöl zu Wasserstoff, Wasser und Benzol – große Moleküle werden in der Glut zerbrochen (pyrolysiert). In Erdölraffinerien findet dieses „Cracken“ im Millionen-Tonnen-Maßstab statt. Das Erdöl wird zu den aus dem Universum bekannten, kleinen, hitzestabilen Moleküle demoliert, die danach die „RohstoffBasis“ der chemischen Industrie bilden. Im Tyrosin findet sich aber kein Phenylrest, sondern dessen oxidierte Form, das Phenol. Die Oxidation können Tiere und Menschen mithilfe von Cytochrom P450 und Sauerstoff selbst durchführen (Seite 283), aber sie funktioniert auch im Reagenzglas: Man entzieht dem Benzol am besten durch Erhitzen ein Elektron, erhält ein Phenylradikal und gibt Wasserstoffperoxid, HO–OH, dazu, das in der Hitze zu OH-Radikalen zerfällt. HO und C6H5 schließen sich dann zu Phenol, C6H5OH, zusammen. Benzol löst sich kaum in Wasser. Außerdem ist es hydrophob. Die OH-Gruppe des Phenols sollte das Benzol wasserfreundlicher machen, aber sie tut es nicht. Phenol löst sich noch weniger in Wasser als Benzol. Das liegt daran, dass

177

178

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Phenol leicht Protonen abspaltet und dann als negatives Anion C6H5O– vorliegt, das starke Wasserstoffbrücken zu anderen Phenolmolekülen bildet. Das führt zu unlöslichen Aggregaten. Phenol spaltet beim Erhitzen kein Wasser ab. Glucose „verkohlt“ trotz der kohlefremden C–O–C-Bindung im Ring spontan unter Wasserabspaltung zu Graphit, während Phenol bei der Destillation des Steinkohlenteers in der Fraktion zwischen 150 und 200 8C als stabile, farblose Verbindung übergeht, ohne auch nur eine Spur Kohle zu bilden. Der Grund dafür erkennt man sofort aus den Summenformeln: Glucose, C6(H2O)6, zerfällt mühelos in 6 C und 6 H2O; Phenol, C6H5OH, aber gäbe nach Abspaltung eines Wassermoleküls C6H4 oder Dehydrobenzol mit einer Dreifachbindung im Sechsring. So ein Molekül gibt es nicht, weil die Dreifachbindung nur lineare, also 1808-Strukturen erlaubt, die sich nicht zum Ring knicken lassen. Phenol überlebt starkes Erhitzen, weil es keine stabilen Dehydratisierungsprodukte bilden kann. Mit fester Kalilauge scheidet sich aus Phenol ein weißes Salz aus (Seite 160 f), das sich beim Zusatz von Wasser wieder verflüssigt. Phenol verliert seine OH-Gruppe niemals, wohl aber wird die OH-Gruppe durch Laugen deprotoniert und nimmt dann eine negative Ladung auf. Die OH-Gruppen der Glucose hingegen dehydratisieren, aber deprotonieren nicht (Abb. 4.16).

Abb. 4.16 Nicht aromatische Hydroxyverbindungen des Kohlenstoffs, zum Beispiel Glucose, verkohlen beim Erhitzen. Aromatische Hydroxyverbindungen hingegen, zum Beispiel Tyrosin, sind hitzefest, weil das Dehydratisierungsprodukt Dehydrobenzol sich wegen des ungünstigen Bindungswinkels einer Dreifachbindung (1808) nicht als Sechsring bilden kann.

Das Elektronenpaar des Phenolat-Anions gibt an Oxidationsmittel, zum Beispiel den Sauerstoff der Luft, leicht ein Elektron ab. Es entsteht ein Phenylradikal mit einem ungepaarten Elektron. Solche Radikale reagieren spontan mit allen möglichen Elektronendonatoren, zum Beispiel mit Sulfiden, mit anderen Aromaten, aber vor allem mit sich selbst. Gesättigte Alkohole, vor allem Kohlenhydrate wie Glucose, spalten Wasser zuerst an C-1 ab und polymerisieren danach reversibel zu Polysacchariden (Cellulose, Stärke), danach verkohlen sie irreversibel zu Graphit. Aromatische Alkohole (Phenole) dehydratisieren niemals, sondern

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

Abb. 4.17 Typische chemische Reaktionen des Phenols. a) Bestrahlung mit UV-Licht oder Oxidation mit Sauerstoff liefert Radikale (instabile Moleküle mit ungepaarten Elektronen), die schmierige, undefinierte Polymere bilden.

b) Polymerisierung bei sperrigen Substituenten (hier Tertiärbutyl, –C(CH3)3). c) Schwefelverbindungen oder Aromaten lagern sich leicht an Phenolradikale an. Solche Reaktionen führen zur Quervernetzung von Geweben, zur Alterung.

spalten ein Proton und ein Elektron ab und werden zu Radikalen (Abb. 4.17). Diese Radikale polymerisieren leicht über die Bildung von C–C-Bindungen (Lignin, Seite 189) und wirken deshalb als Quervernetzer von Proteinen (Seite 197). Reines Phenol, C6H5OH, erweist sich einerseits als gutes organisches Lösungsmittel wie Benzol, andererseits auch als schwache Säure, die bei pH = 7 (dem Zustand des Bluts und anderer Wasservolumen in lebenden Organismen) zu einem Tausendstel Protonen abspaltet. Diese Kombination – Säure plus Lösungsmittel – ist gegenüber Lebewesen aller Art extrem aggressiv: Das abgelöste Proton zerstört Wasserstoffbrücken in Proteinen, der Benzolring löst Membranen auf. Auf diese Weise lässt Phenol das Protein der Haut aufquellen, betäubt die in ihr befindli-

179

180

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

chen Nerven, zerstört Proteingewebe und verursacht nie vernarbende Verätzungen. Schon eine 1%ige wässrige Lösung von Phenol lässt die Proteine irreversibel koagulieren. Dabei schiebt sich der Benzolring in Helices hinein und die Enolgruppe des Phenols bricht natürliche Wasserstoffbrücken auf. Das Phenol wirkt also kooperativ zerstörerisch. Starre helicale Proteine mit starker Krümmung, Enzyme oder Rezeptorproteine mit einer hydrophoben Spalte werden durch Phenol aufgequollen und in klebrige Tropfen verwandelt. Auch in das vernetzte Keratin der Haut brennt reines Phenol weiße Flecken, die bald rot werden und sich in wenigen Tagen abschuppen. Anfangs schmerzt es, dann sterben die Nerven ab und es bleibt nichts als die Taubheit abgestorbenen Gewebes. Phenol ist generell für Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen ein starkes Gift. Tierhaut und andere faulig riechende Stoffe verlieren ihren Geruch, wenn sie mit Phenol behandelt werden. Phenol schmeckt in großer Verdünnung angenehm brennend, ätzend und muffig, wie Vanille ohne Aroma. Verdünnte wässrige Lösungen lassen Pflanzen schnell welken. Hunde sterben nach Dosen von wenigen Tropfen in einer Viertelstunde unter heftigen Krampfanfällen, für den Menschen beträgt die tödliche Dosis bei oraler Aufnahme etwa 1 g. Das Mittel bewirkt Atemlähmung und Herzstillstand. Phenol ist neben dem Quervernetzer Formaldehyd das wirksamste Desinfektionsmittel für Operationssäle. Phenol riecht wie Bibergeil, eine Flüssigkeit, die sich bei männlichen Bibern in Beuteln hinter der Vorhaut, beim Weibchen oberhalb der Scheide ablagert. Sie wurde im 19. Jahrhundert in Form alkoholischer Lösungen (Tinctura Castorei) als „inneres Heilmittel“ verwendet. Ein realer Nutzen wurde nicht erkenn-

Abb. 4.18 Das Bibergeilorgan scheidet ein Substanzgemisch aus, das Phenole enthält und deshalb relativ steril ist und angenehm riecht.

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

bar, weshalb Tinctura Castorei aus der medizinischen Getränkeliste verschwunden ist (Abb. 4.18). Phenole werden noch ätzender, wenn ihnen eine negativ geladene Carboxylgruppe zugeordnet wird, gleichzeitig aber werden sie harmloser, weil sie damit kaum noch durch die Fettschicht der Haut oder durch Membranen dringen. Carboxylierte Phenole erreichen bei äußerlicher Anwendung kein Organ und können als hautauflösende Keratolytika (griech. keras, Horn) verwendet werden. Warzen, Hühneraugen und Schwielen werden mit Salicylsäure weggeätzt, eine geschickt gesetzte Gesichtsmaske pellt alte Haut ab und wird in „Schönheitsoperationen“ unter dem Namen „skin peeling“ missbraucht. Dieser Jungbrunnen jedoch ist der pure Zynismus, denn die Kraft der jugendlichen Zellteilung kehrt nicht wieder. Die Faltung der Haut trägt der in Jahrzehnten des Gebrauchs nachlassenden Proteinelastizität Rechnung – eine Zerstörung der Altersstruktur und oberflächliche Reparatur schafft nichts als tote Fassaden. Verestert man die phenolische OH-Gruppe der Salicylsäure mit Essigsäure, so erhält man Acetylsalicylsäure, die unter dem Namen „Aspirin“ ein klassisches fiebersenkendes und entzündungshemmendes Heilmittel geworden ist. Seine Wirkung beruht auf der Hemmung eines Enzyms namens MAO (Monoaminooxidase), das mit der Essigsäure des membrangängigen Aspirins verestert wird und dann Arachidonsäure nicht mehr in Prostaglandine verwandeln kann (Seite 123), die Entzündungen induzieren. Entzündungen und Schmerzen klingen ab. Die gleiche Reaktion behindert auch die Plättchen-Aggregation der Blutkörperchen bei der Blutgerinnung. Aspirin ist deshalb eines der wirksamsten Mittel zur Vermeidung eines Herzinfarkts. Fast alle alten Amerikaner und Europäer fangen früher oder später an, täglich 100 mg davon zu essen. Die Salicylate verteilen sich auf alle Gewebe und Flüssigkeitsräume des Körpers. Dort wird die Essigsäure durch alle möglichen Enzyme schnell wieder abgespalten. Danach bindet Salicylsäure Eisen(II)-Ionen sehr effektiv, eine Eisenmangelanämie wird begünstigt. Dosen über zehn Gramm entkoppeln außerdem massiv Phosphorylierungen, die ATP-Bildung geht zurück, der Sauerstoffverbrauch in der Atmung und entsprechend die Bildung von Kohlendioxid steigen an. Zwar überlebt die robuste Magenwand das bisschen Extrasäure unbeschadet, aber die Darmwände dahinter leiden. Mehr Glucoseverbrennung führt zudem über den Citronensäurezyklus zu mehr Brenztraubensäure, Milchsäure und Acetessigsäure. Das Säure-Basen-Gleichgewicht wird gestört – Hyperventilation, Ohrensausen und Übelkeit sind erste Anzeichen, Delirien, Atemnot und Koma drohen als Endzustand. Für Salicylsäure gilt, was für alle Nichtnahrungsstoffe gilt: Die eingenommene Menge darf den Gramm-, häufig selbst den Milligrammmaßstab nicht überschreiten. Desaktiviert und ausgeschieden wird die Salicylsäure schließlich in Form von Glycinat (70%) oder Glucuronid (20%) bei saurem Urin (pH 6,5) oder als freie Salicylsäure (85%) bei alkalischem Urin (pH 8). Kurz: Das alte Arzneimittel ist alles andere als harmlos. Es sollte möglichst bei den hundert Milligramm am Tag bleiben. Ähnlich wirken die giftigen Cumarine, die in den Blüten von Gräsern und den Blättern von Klee als Zuckeracetale vorkommen. Beim Welken wird der Zu-

181

182

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

cker abgespalten und das Cumarin als Heugeruch freigesetzt. In größerer Konzentration rufen Cumarine Kopfschmerzen, Übelkeit und schließlich Atemlähmung hervor, außerdem blockieren sie wie das Aspirin die Blutgerinnung. Viele Aromen gelten als „harmlose“ Phenole. Japaner sind anderer Meinung. Immer, wenn ich einem japanischen Chemiker in der dritten Woche eines Besuchs in seinem Land sage, alles sei wunderbar, Gastfreundschaft und Großzügigkeit einzigartig und nur das Essen auf Dauer ein wenig zu eintönig, zu wenig „aromatisch“, dann lächelt er höflich und antwortet: „Sie haben vollkommen Recht.“ Natürlich weiß er, dass Europäer und Amerikaner sich mit ihren aromatischen Quervernetzern Gehirn und Körper vergiften und verzichtet weise. Deshalb geht er auch Diskussionen über „Genuss“ aus dem Weg, wovon Europäer und Amerikaner merkwürdige, in der Tat kaum diskussionsfähige Vorstellungen haben. Nehmen wir zum Beispiel Vanillin, Europeïn und Himbeeraroma. Vanillin ist massiv in der Frucht einer zu den Orchideen gehörenden Schlingpflanze (Vanilla planifolia) enthalten. Eine 12–20 cm lange, stielrunde Kapsel ist an ihrer runzligen Oberfläche mit feinen, weiß-glänzenden Kristallen aus Vanillin bedeckt, im Innern findet sich eine pulpöse Samenmasse, die ebenfalls Vanillinkristalle enthält. Umkristallisieren führt zu harten, vierseitigen Nadeln mit prismatischen Enden, starkem Vanillegeruch und heißem Geschmack. Mitte des 19. Jahrhunderts fiel der Preis von 140 auf 10 Taler pro Kilogramm, sodass eine künstliche Kultur den Aufwand nicht mehr lohnte. Die Gesamtproduktion lag bei 15 t/Jahr. Vanillin riecht nach allgemeiner Meinung angenehm und schmeckt auch so – absurd im Grunde, denn Vanille riecht genauso muffig wie alle Phenole, nur hat es noch so eine leicht blumige Anmutung von der Aldehydgruppe her. Aber eigentlich sollte einen diese Gruppe nicht erfreuen, sondern warnen: Mit ihr enthält das Vanillin nicht nur eine ätzende Phenolgruppe, sondern auch eine extrem reaktive Formylgruppe. Wer weiß, was passiert, wenn das Phenol des Vanillins in einer Proteintasche verschwindet und der Aldehyd an ein Lysin oder ein Adenosin gegenüber bindet. Oleuropein ist der wichtigste Bitterstoff des Olivenöls und enthält Catechol, ein Phenol mit einer zweiten Hydroxylgruppe in Nachbarschaft zur ersten. Die Olive reichert dieses Phenol in Form eines Bitterstoffs in seinem Fettgewebe an, um sich vor Mikroorganismen zu schützen. Bei der Verarbeitung des Olivenöls wird es durch Natronlauge freigesetzt und vorübergehend extrahiert, um den übermäßig bitteren Geschmack des nativen Öls loszuwerden. Der Ausdruck „jungfräuliches Olivenöl“ ist mediterraner Kitsch. Direkt „ausgepresst“, nativ, ist jeder Tropfen Olivenöl ungenießbar, er muss mit Natronlauge versetzt werden, bevor er die Zunge erreicht. Geringe Mengen eines Bitterstoffs sind jedoch auch nützliche Drogen zu Appetitanregung und Völlegefühl, weil sie die Sekretion des so genannten Zündsafts im Magen anspringen lassen, der dann die Abgabe der Verdauungssäfte in Gang setzt. Ein großer Anteil des aus dem Oleuropein hydrolytisch abgespaltenen Catechols bleibt im Öl allerdings erhalten und man kann die statistisch auffallende Langlebigkeit der Bewohner Kretas vielleicht auf diesen Radikalfänger zurückführen. Auch viele Früchtearomen werden durch einen Phenol-

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

ring an die Rezeptoren der Geschmackszellen gebunden. Ein bekanntes Beispiel ist das Himbeeraroma mit einem Phenolanker für ein fruchtig riechendes Butylketon. Auch dieses Phenol ist wie das Vanillin und das Oleuropeïn ein Quervernetzer, denn beide Enden, Phenylradikal und Keton, reagieren mit Proteinen und anderen Molekülen. Für die Schärfe des Paprikas, das Capsaicin, gilt das auch, nachdem die Amid-Seitenkette durch Amidasen abgespalten ist. Ein Aminophenol ist dann auch wieder ein potenter Quervernetzer. So ist das überall, wenn wir unsere Speisen „würzen“ – der Japaner lächelt und lässt es stehen. Denn Proteine quervernetzen heißt „altern“ (Seite 77). Nun könnte man meinen, dass es das Lächeln und die Höflichkeit sind, die den Japaner sechs Jahre länger leben lassen als den Amerikaner und Europäer. Das ist ein Irrtum – denn Japaner, die lange in Amerika oder Europa leben, lächeln immer noch höflich, aber sterben genauso früh wie ihre Gastgeber. Wenn der frische Fisch mit den x-3-Säuren nicht kommt und sie sich an das „aromatische“ Essen gewöhnen, altern sie nicht langsamer als die Amerikaner und Europäer (Abb. 4.19).

Abb. 4.19 Strukturformeln einiger bekannter Arznei- und Nahrungsmittel mit PhenolGrundkörper. Salicylsäure ätzt die Haut; wird die OH-Gruppe mit Essigsäure verestert, erhält man das Schmerzmittel Aspirin, das auch die Aggregation der Blutplättchen behindert. Vanillin ist ein intensives Aroma

und ein prächtiger Quervernetzer, Isovanillin ist fast geschmacklos. Oleuropein ist der Bitterstoff des Olivenöls, Butanonphenol ein künstliches Himbeeraroma, Capsaicin hingegen brennt auf der Zunge, ist “scharf“. Cumarin riecht nach Heu und ist giftig.

183

184

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Adstringenzien (lat. adstringere, „zusammenziehen“) fällen in Schleimhäuten und Wunden Proteine aus und verdichten verletzte Gewebe an der Oberfläche. Es sind meistens Phenole und sie gerben die Haut. Corilagin aus dem Tannin von Eichen und Kastanien besetzt wahrscheinlich zwei nebeneinander liegende Rezeptoren und ist ebenfalls prädisponiert, für irreversible Quervernetzungen zu sorgen, denn die beiden über Glucose verbrückten Phenoleinheiten können sich in Proteinlücken kovalent festhaken (Abb. 4.20).

Abb. 4.20 Ein typisches Kreuzungsprodukt zwischen Glucose und Phenolen ist das Adstringens Corilagin. Es wirkt in den Achselhöhlen desinfizierend wie das Phenol an den Wänden von Operationssälen.

Man kann den Sauerstoff des Phenols durch Stickstoff ersetzen, was zu Anilin führt. Das Protonen anziehende (basische), nach außen wirkende Elektronenpaar des Stickstoffs aber macht das Anilin extrem reaktiv – die Oxidation mit Sauerstoff und die darauffolgende Polymerisierung zu Anilinschwarz ist kaum zu verhindern (siehe den nächsten Absatz). Die Natur benutzte deshalb ein Anilinderivat nur im Falle des harmlosen Adenins (Seite 230 f) und entschärfte es sonst, indem es neben dem Benzol am Stickstoffatom noch eine zweite Doppelbindung einführte – das Tryptophan war erfunden und gesellte sich zum Tyrosin. Beide paaren sich im Gehirn und wirken dort vielfältig zusammen; beide bilden gemeinsam das Lignin der Baumstämme und die Melanine der Haut- und Haarpigmente (siehe Seite 189 und 190 f). Der Name Tryptophan weist auf die Entdeckung dieser zerbrechlichen Aminosäure hin, die beim Proteinabbau mit Salzsäure oder Base und Luft vollkommen zerstört wird und erst bei der schonenden Caseinspaltung mit dem Enzym Trypsin (von griech. „Verreibung“, ein Verdauungsenzym) unverändert freigesetzt oder „offenbar“ (griech. phaneros) wurde (Abb. 4.21).

Abb. 4.21 Tryptophan lagert in salzsaurer Lösung Protonen an und zersetzt sich danach zu einem Substanzgemisch. Es ist ein stetiger Begleiter des Tyrosins in Biopolymeren.

4.1 a,L-Aminosäuren und Phenol als Modul der Proteine

Der Tyrosin-Abkömmling Tryptophan tritt übrigens nicht nur im Lignin und Melanin auf, sondern auch in Schokolade. Im Körper wird der Benzolring des Tryptophans genauso hydroxyliert wie der des Phenylalanins bei der Tyrosinsynthese. Dabei entsteht dann Serotonin, welches dadurch bekannt geworden ist, dass es die Produktion von Endorphinen anregt. Das sind opiumähnlich wirkende kleine Proteine („Peptide“), die „Glückshormone“ genannt werden. Es ist wohl Serotonin, das uns aus Erschöpfungszuständen herausholt und uns, zum Beispiel am Ende eines Marathonlaufs, zu plötzlichen Glücksgefühlen verhilft. Andererseits führt winterliche Dunkelheit zur Ausschüttung von Melatonin, eines mit Essigsäure veresterten Serotonins. Dieses besser membranlösliche Tryptophanderivat macht uns müde und antriebsschwach, gibt uns aber auch einen gesegneten Schlaf ohne Gedanken an die Arbeit von gestern und morgen. Wann immer uns die Arbeit des Tages in der Nacht nicht los lässt, ein paar Milligramm Melatonin schaffen es, weil sie problemlos die Blut-HirnSchranke passieren und das Schlafzentrum aktivieren. Das Morgenlicht bewirkt dann wieder die Ausschüttung des Serotonins, des Aktivitäts-Hormons, direkt im Gehirn. Hochstimmung, Müdigkeit und Stress unterliegen kurzfristig der Kontrolle kleiner Moleküle im Hirn, die kommen und gehen. Ein Charakter bildet sich nur im Netzwerk, in den phosphorylierten Wasserwegen der synaptischen Spalten. Tyrosin- und Tryptophanderivate schwimmen auch im Blut und in den Synapsen des Gehirns. Tyramin oder Adrenalin im Blut ziehen die Muskeln der Arterien zusammen und erhöhen damit den Blutdruck. Darum kümmern sich Kardiologen, wenn ihre Patienten alt werden und das Herz von einem Infarkt bedroht ist. Man gibt dann Antagonisten, die die entsprechenden Rezeptorproteine blockieren (b-Blocker). Für Psychiater hingegen ist viel Dopamin mit zwei Hydroxylgruppen am Benzolring im Blut ein Zeichen des Verliebtseins, Männer reagieren darauf mit häufigen Erektionen. Auch viele Neurotransmitter sind Hydroxyphenol- (Catechol-) oder analoge Tryptophan-Derivate (Dopamin, Serotonin). Sie sind für Psychiater interessant, die Angst, Traurigkeit, Wahnvorstellungen oder Hysterien mit Anxiolytika, Antidepressiva, Neuroleptika, Tranquillantien und Stimulantien dämpfen wollen. Das sind alles membrangängige Benzol- oder Cyclohexanderivate, die Rezeptoren der Neurotransmitter blockieren oder Enzyme, die Benzol oxidieren. Eine solche Aminooxidase-Hemmung kann die allgemeine Stimmung heben: Je mehr Amin im Blut ist, desto besser ist die Laune. Psychopharmaka schalten meistens Enzyme oder Rezeptoren aus, sind lange lagerfähig und leicht zu synthetisieren, das heißt billig, und sie überwinden die Blut-HirnSchranke. Diese Bedingungen erfüllen vor allem Benzol- und Phenolderivate. Bezüglich der chemischen Reaktivität und architektonischen Erscheinung sind Pharmaka fast ausnahmslos so interessant wie ein Topfdeckel, der Schalter einer Verkehrsampel oder der Stöpsel eines Wasserbeckens. Sie funktionieren, lassen sich Gewinn bringend verkaufen und nüchtern, guten Gewissens verschreiben. Sie lassen sich aufs Milligramm genau dosieren und man kann als

185

186

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Arzt quantifizierbare Erfahrungen mit ihnen sammeln, was bei Naturstoffen wie Cortison (Seite 154 f) oft schwierig bis unmöglich ist (Abb. 4.22).

Abb. 4.22 Tyrosin und typische Derivate, die als Signalüberträger (Neurotransmitter) fungieren. Tyramin und Adrenalin (Epinephrin) wirken ebenso wie Adenosin (Seite 229 f) auf Muskeln von Blutgefäßen und bewirken einen plötzlichen, dramatischen Anstieg des Blutdrucks. Viel Dopamin im Blut deutet auf Verliebtheit hin; eine künstliche Anregung der Dopamin-Rezeptoren im Gehirn mit Morphinderivaten (Seite 269 f) löst zum Beispiel zwanghafte Putzanfälle aus. Adrenalin

ohne die Methylgruppe am Stickstoff (Norepinephrin) erzeugt Depressionen, das verwandte Tryptophan-Derivat Melatonin regelt den Rhythmus der Abendmüdigkeit, Serotonin mindert Angstgefühle und macht „glücklich“. Glück und Schlaf sind offenbar durch einen Essigester und einen Methylether voneinander getrennt; Schlaf ist hydrophober als Glück. Wenn Phenole in Proteine rutschen, fühlt man das.

4.2 Polyphenole

Die Proteine, die Polyamide, die durchschnittlich zu einem Prozent aus Tyrosin bestehen, sind die herrschenden Biopolymere der Tiere und Menschen und kontrollieren auch die chemischen Reaktionen der Pflanzen und Mikroorganismen. Es gibt aber auch Biopolymere, die zu fast hundert Prozent aus Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan bestehen. Das negativ geladene Phenolat verteilt vor der Entstehung dieser Polymere sein Elektronenpaar auf den Sauerstoff und drei Kohlenstoffatome des Phenylrings (siehe Abb. 4.6) und wird dann von Sauerstoff oder Eisen(III)-Salzen zum Phenylradikal oxidiert, das sofort in Kettenreaktionen mit anderen Phenolmolekülen zu neuen Radikalen weiterreagiert, neue C–C- und C–O-Bindungen bildet und schließlich polymerisiert. Genauso ergeht es dem Heteroaromaten Pyrrol (Seite 203) des Tryptophans. Wo immer Phenol oder elektronenreiche Heterocyclen und Sauerstoff zusammenstoßen, entstehen farblose bis braune Polymere mit völlig uneinheitlichen Strukturen, denn diese Radikalreaktionen erfolgen regellos, ohne Enzymkontrolle (Abb. 4.23).

4.2 Polyphenole

Abb. 4.23 Phenylradikale polymerisieren spontan miteinander oder mit Thiophen oder Pyrrolen zu roten Farbstoffen. Fast immer ist der Sauerstoff der Luft an der Radikalbildung beteiligt, das heißt, dass in biologischen Organismen die Atmung von Polymerisierungen begleitet ist.

Die Kondensationsprodukte aus dem Phenolderivat Coniferol mit einem zusätzlichen Vinylsubstituenten, –CH=CH2, und Cellulose sind der Hauptbestandteil der Baumstämme und Äste. Das Coniferolpolymer heißt Lignin und stellt 30% der Masse des Holzes. Aufeinander folgende Behandlungen mit Ethanol, Ether, Alkalien, Säure und Wasser lösen zuerst das Lignin in den alkalisierten Lösungsmitteln und fällen es dann mit Säuren wieder aus. Die Cellulosefasern werden abgepresst, durch Sulfatierung mit Schwefelsäure werden Ligninreste wasserlöslich gemacht und abgewaschen und die Cellulose schließlich zur Herstellung von Papier und Pappe verwendet. 300 kg brauner Plastikmüll (Lignin und Ligninsulfat) fallen pro Tonne Baumstamm an und bleiben als Rohstoff ungenutzt. Sie werden schließlich verbrannt und liefern die von Sägewerken und Papierfabriken benötigte Energie. Danach wird für jeden gefällten Baum in verantwortlich handelnden Forstwirtschaften sofort ein neuer gepflanzt – so lebt und überlebt der Wald in Deutschland. Politik und Verwaltung müssen darauf achten, dass jeder Besitzer eines Waldes sich strikt und innerhalb von sehr kurzer Zeit an diese bewährte Regel hält. Das Lignin der Bäume entsteht durch radikalische Polymerisation einer Vinylgruppe, –CH=CH2, des oben genannten Coniferols (Coniferen sind Nadelbäume) völlig in Analogie zu Styrol, C6H5CH=CH2, und dem Polystyrol der Plastiktüten. Schon in den lebendigen Baumstämmen vernetzt der Coniferylalkohol die Cellulosefasern, verklebt und verfestigt das mit Wasser quellbare Cellulosegerüst. Im Stamm erzeugen die OH-Gruppen der Cellulose mit den Keto-

187

188

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

gruppen von Chinonen die nötigen Querverbindungen zwischen der Ligninmasse und den Cellulosefasern (Phenolacetale). Lignin ist das elastische Gummi und der Klebstoff zwischen den toten Cellulosesäulen im Innern der Baumstämme und den kurzlebigen Zucker- und Salzleitungen des außen liegenden Phloems (Seite 94). Die braunen Baumrinden schließlich bestehen ebenfalls vorwiegend aus Lignin. Die Rinde ist nur locker gebunden und verhindert vor allem die Austrocknung des Phloems. Schließlich taucht das Phenol aus Tyrosin auch massiv in den Huminsäuren auf, den braunen Resten abgefallener Blätter und Nadeln, dem Staub aus abgestorbenen Pflanzen. Huminsäuren sind ein undefiniertes Polykondensat aus einem polycyclischen braunen Kern mit locker daran gebundenen Cellulose- und Proteinresten. Phenolderivate sind wegen der außergewöhnlichen Stabilität des Phenylrings Hauptbestandteile der Huminsäuren. Dieser hydrophobe Belag des Waldbodens bildet auch einen Deckel für die Verdunstung des Bodenwassers. Tyrosin ist also einerseits außergewöhnlich reaktiv, polymerisiert leicht und lagert sich an alles an – andererseits überleben der Benzolring und die Bindung Sauerstoff besser als alle anderen Motive der Proteine. Die Abbildung 4.24 zeigt einen kleinen Ausschnitt aus einer Holzzellwand mit hydrophilen Cellulosefibrillen und kurzen Cellulosefasern (Hemicellulose) sowie hydrophobem Ligninnetz (Abb. 4.24). In Weichholz (Pinien) verbinden kleine Ligninpolymere die Cellulosestränge durch hydrophobe Kräfte und Wasserstoffbrücken. In hartem Holz (Teak) herrschen Quervernetzungen großer Ligninpolymere mit oxidierten Cellulosesträngen vor. Analoge Versteifungen lassen sich auch künstlich zwischen Cellulosefolien und isoliertem Lignin erzielen. Streicht man eine Ligninlösung auf glasartige Celluloseschichten (Cellophan), so haftet die nach dem Verdampfen des Lösungsmittels gebildete Ligninschicht auf dem Cellophan sehr fest, macht es hydrophob. Lignin ist unerlässlich für Bäume, weil reine Cellulosefasern kaum quervernetzen, sondern wie Papier aufquellen und in Wasser zu einem unförmigen Brei zerfallen. Das Material eines Baumstamms mit seinem Wasser führenden Rohrsystem aus Kapillaren braucht den Wasser abstoßenden Verbundstoff, damit es im eigenen Zellwasser und im Leben spendenden Regen nicht aufquillt und umknickt. Auch in den Pflanzen herrscht ein Yin (Cellulose)-Yang (Lignin)Gleichgewicht. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden 800 L Flusswasser zu Abwasser verdorben, um 1 kg Papier herzustellen. Heute sind es weniger als 20 L. Eine fleißige Sekretärin verbraucht ein halbes Kilogramm Papier am Tag und verschmutzt damit 10 L Wasser mit Schwefelsäure und Phenolen, die die Papiermühlen wieder abtrennen müssen. Den Schwefel und den Eimer Wasser führen die Mühlen im Kreislauf zurück, das Phenolpolymer, das heißt fast ein Drittel des Baumstamms, verbrennen sie. Über das Lignin hinaus gibt es im Holz auch wasserlösliche Phenole. Holziger Geschmack deutet meist auf ein nicht polymeres Phenol. Das Kernholz von Kiefern und Fichten ist voll davon und aus den Ablaugen der Zellstoff- und Pa-

Abb. 4.24 Baumstämme bestehen aus einem Verbundmaterial, das sich aus Cellulose (links und rechts) und Lignin (Mitte) zusammensetzt. Lignin ist ein Copolymer aus Coniferol und vielen anderen Aminosäurekomponenten, die mit der Cellulose vernetzt sind. Zur Isolierung der Cellulose beim Papiermachen wird das Lignin durch Behandlung mit schwefelhaltigen Reduktionsmitteln, Säuren und Laugen zersetzt und abgetrennt. Nach dem Trocknen wird dieser „Abfall“ verbrannt; er dient damit als Energiequelle für die Papierherstellung.

4.2 Polyphenole 189

190

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

pierproduktion können die Stoffe in großen Mengen gewonnen werden. Phenole aus Holzfässern sind zum Beispiel wichtige Whiskyaromen: Je höher die Konzentration, desto „rauchiger“ ist der Whisky. Spuren eines Trichlorphenols sollen den Korkgeschmack von Weinen bewirken. Ersetzt man den Sechsring des Phenols durch einen Siebenring, so erhält man sehr wirksame Gifte für viele Mikroorganismen. Zedernholz enthält so etwas und widersteht deshalb fast jedem Schädlingsbefall. „Melanin“ heißt ein anderes, ligninähnliches Polyphenol, das Zellen (Melanocyten) unter der Haut, Haare und Federn braun bis schwarz anfärbt. Menschen verschiedener Hautfarbe unterscheiden sich lediglich durch die Konzentration des Melaninfarbstoffs in den Melanocyten, nicht durch andersartige Gewebe. Melanin dient als Schutz gegen Bakterien und Pilze, die sich im braunen Polymergerüst auf der Haut verheddern und sich nicht ausbreiten können. Im Vietnamkrieg erkrankten Hellhäutige dreimal mehr an Hautkrankheiten als Dunkelhäutige. Das hat jedoch wenig mit einem Sonnenschutz zu tun; dunkle Haut bietet nur einen Lichtschutzfaktor 4. Bei Weißhäutigen bilden die Melanocyten in der Basalschicht der Oberhaut bei Sonnenbestrahlung im UV-Bereich zusätzliches Melanin. Später verhornen die Zellen dann und schilfern ab, die helle Haut kommt wieder zum Vorschein. Die Melaninbildung nimmt im Alter ab, die Haare werden weiß. Blondes und schwarzes Haar enthält nur Melanine, rotes Haar und Vogelfedern sind durch Phäomelanine (Schwefelverbindungen) gefärbt. Melanine entstehen wie Lignin beim biologischen Tyrosinabbau zu DOPA. Sepia ist ein grauschwarzer Aquarellfarbstoff, den Tintenfische ausstoßen. Man trocknet deren Sepiadrüsen zu Brocken mit einem muscheligen Bruch, extrahiert den Phenolfarbstoff mit Kalilauge und fällt ihn mit Salzsäure wieder aus. Das getrocknete Pulver löst man in wenig heißem Wasser und erhält so eine lichtechte Melanintinte (Abb. 4.25).

Abb. 4.25 Von links nach rechts: Ein typisches Eumelanin von blonden oder schwarzhaarigen Menschen aus oxidiertem Tryptophan, ein Galleophäomelanin mit Schwefel aus braunen Hühnerfedern und ein typisches lineares Melanin von Rothaarigen.

4.2 Polyphenole

Viele Blütenfarbstoffe und Pigmente des Rotweins sind ebenfalls Phenolderivate, aber sie polymerisieren nicht, sondern sind einheitliche Moleküle und Gemische. Ihre leuchtende Farbe in tausend feinsten Schattierungen ändert sich unter anderem mit dem Säuregrad des umgebenden Pflanzensafts, der Dicke der Fettschichten, in denen der Farbstoff gelöst ist, und bei Komplexierung mit Metallionen. Die roten Farbstoffe der Rose und des Rotweins zum Beispiel sind sehr ähnliche Verbindungen vom Typ der Pelargonidinsalze. Der blaue Farbstoff der Kornblumen entsteht aus dem roten „Originalfarbstoff“ der Rose, indem ein Proton abgespalten wird und das entstandene Salz deprotonierte Stapel bildet. Pelargonidin ist einer der Spurenstoffe des Weins, die sowohl Farbe als auch „Bukett“ bestimmen. Quantitativ ist Wein eigentlich neun Zehntel Wasser und ein Zehntel Ethanol – der Rest ist dem Gewicht nach unerheblich und als Nahrungsmittel wertlos. Die paar Milligramm Bukett schmecken sekundenlang gut, aber die leuchtenden Augen von „Weinkennern“ sind wohl eher Angeberei (Abb. 4.26).

Abb. 4.26 Rote Naturfarbstoffe (Rose, Rotwein) sind oft vom Pelargonidinchloridtyp. Blaue Farbstoffe, in der Natur selten, entstehen aus den roten durch Abspaltung eines Protons und/oder Stapelung der Moleküle an Membranen unter verschiedensten Bedingungen.

Technisch wichtig ist auch das Stickstoffderivat des Phenols, das Anilin, C6H5NH2. Es bildete einmal die Grundlage der chemischen Industrie in Deutschland, weil man billige, lichtbeständige Farben daraus machen kann. Aus einer „Industrie-Gemeinschaft (IG) Farben“ erwuchs die deutsche Chemieindustrie. Außerdem polymerisiert Anilin viel schneller als das Phenol zum Anilinschwarz der Schuhwichse. Biologische Organismen meiden deshalb das Anilin. Anilinschwarz ist noch heute eine erste kommerzielle Basis sich neu entwickelnder Chemieindustrie – nichts ist leichter zugänglich als diese schwarze Farbe in öligen Pasten und Lacken. Das Polyanilin ist außerdem eines der wenigen Polymere, das unter geeigneten Bedingungen elektrischen Strom hervorragend leitet und zur Zeit als Halbleiter für Nanochips in der Entwicklung steht. Man muss es nur ansäuern, die Chinone protonieren. Das Bakelit ist ein Polymer aus Phenol und Formaldehyd und dient als Füllmasse in elektrischen Isolierungen. Tausende von Phenoleinheiten sind darin durch CH2-Brücken verbunden (Abb. 4.27).

191

192

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Abb. 4.27 Oben: Anilin-Polymerisierungen führen zu einem linearen, teerartigen Produkt, dem Anilinschwarz. Das sind Ketten aus Diiminochinonen und Diaminoanilinen im Gemisch mit schlecht definierten Heterocyclen. Unten: Die Kondensation mit Formaldehyd, CH2O, gibt ein farbloses Polymer, das Bakelit, das an der Luft langsam schwarz wird.

Der Phenolteil des Tyrosins tritt also in Form unterschiedlichster Produkte überall auf. Phenol bildet typisch-amorphe Füllmaterialien und braune, fettlösliche Farbtupfen großer Stabilität. Es verleiht wässrigen und alkoholischen Lösungen einen angenehm-unauffälligen Holzgeschmack, unterbricht aggressive Radikal-Kettenreaktionen und verlangsamt damit das Altern biologischer Gewebe und Materialien. Es klebt Proteine an Stahlkörpern, Holz und Knochen fest. Zum Aufbau geordneter Strukturen in höheren Organismen aber eignen

4.3 Tyrosin in Proteinen

sich Phenolpolymere offensichtlich nicht – sonst hätte die Evolution das wohl verwirklicht. Die konkurrierende 180- und 608-Verknüpfung der Radikale ist von regelnd wirkenden Proteinen offenbar ebenso wenig in den Griff zu bekommen. Sie führt, wie unten gezeigt wird, schon bei dimeren Phenolen zum Chaos (4.28).

Abb. 4.28 Die Polymerisation des Phenylradikals am Beispiel des Tyrosins. Schon die Dimerisierung führt zu wenigstens sechs unterschiedlichen Strukturen, was sich kaum steuern lässt. Tyrosin-Polymere sind deshalb nicht einheitlich, sondern statistische Gemenge.

4.3 Tyrosin in Proteinen

Einerseits hat die Natur das Phenolmotiv zur Herstellung ungeordneter Füllmaterialien gebraucht, andererseit aber auch streng geordnet in Proteine eingeführt und als klebrige Seitenkette, als Anker genutzt. Der Ausdruck „geordnete Proteinstruktur“ bezeichnet eine vollkommen unverzweigte Polyamidkette der Aminosäuren (Primärstruktur) in vollkommen einheitlicher Abfolge (Sequenz) bei jedem individuellen Protein, die zur Schraube aufgedreht ist, zur Helix (Sekundärstruktur). Um Sequenzen aufzubauen, ist eine kontrollierte, schrittweise Kette von Kondensationsreaktionen an einer DNS-Matrix vonnöten. Vorbedingung für eine Helix ist die einheitliche Chiralität L der Aminosäuren.

193

194

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Die biochemische Sequenzkontrolle der Proteinsynthese im Zellkern werden wir hier nicht beschreiben. Die Schraubenform der Proteine aber entsteht aus a,L-Aminosäuren spontan, „von alleine“, weil größere Substituenten R in einer geradlinigen Kette einander im Wege stehen würden. Die kleinste Schraubenwindung besteht aus 3,6 Aminosäure-Einheiten, und die Schraube heißt „a-Helix“ („a“ bedeutet hier einfach die historisch erste identifizierte Helix). Der Befund, dass jede Schraubenwindung aus wenigstens ca. 4 Aminosäuren besteht, ist plausibel, denn jede Amid-Gruppierung steht etwa senkrecht auf der benachbarten, nach vier Aminosäuren ist ein Zyklus geschlossen. Die Windung einer Helixschraube kann beliebig weitläufig werden, aber nicht enger als vier Aminosäuren. Aminosäuren mittlerer Wasserlöslichkeit stabilisieren Helices; schwer lösliche wie Tyrosin oder extrem lösliche, vor allem das Prolin, wirken als „Helixbrecher“ (Abb. 4.29).

Abb. 4.29 Struktur der a-Helix eines Proteins. Die Aminosäuren 1 und 4 in der Sequenz sind jeweils durch Wasserstoffbrücken, NH ··· C=O, in Richtung der Helixachse miteinander verbunden.

Das häufigste helicale Protein in Tieren und Menschen enthält kein Tyrosin und heißt „Collagen“ oder, in leicht veränderter Form, „a-Keratin“. Das sind die Skleroproteine (griech. skleros, „hart, trocken“), die den Landtieren als Stützmaterial dienen. Fische enthalten nur sehr wenig davon, weil sie im Wasser schweben und auf mechanische Steifigkeit ebenso verzichten können wie auf ein wärmendes Fell. Collagene finden sich in weichen Bindegeweben (Haut, Knorpel, Sehnen, Blutgefäßen) und in Knochen. a-Keratine (griech. keras, „Horn“) sind die Collagene der Haare, Fingernägel, Hufe, Klauen, Schnäbel und Hühneraugen, die durch viele Cystin-S–S-Brücken (Seite 164) quervernetzt sind. Die Sekundärstruktur des Collagens ist hundertprozentig helical, obwohl ihre Proteinhelix in Wasser eigentlich nicht haltbar ist. Die Hydrathülle verwandelt solch schmale Schrauben sofort in ein Knäuel. Helices müssen entweder durch ein kugeliges Protein (zum Beispiel Globin) oder eine Membran (Membranpro-

4.3 Tyrosin in Proteinen

teine) vom Wasser abgetrennt sein, oder sie müssen sich zu Doppel- oder Tripelhelices zusammenlagern, deren Innenraum durch hydrophobe Wechselwirkungen stabilisiert ist. Letzteres ist im Collagen der Fall. Dort winden sich drei a-Helices ineinander, die einzeln nicht nur von Hydratathüllen, sondern auch von großen Anteilen des beweglichen Prolins destabilisiert würden. In der Tripelhelix aber werden die drei Stränge durch unpolare Aminosäuren wie von „Knöpfen“ (engl. buttons) zusammengehalten. Diese hydrophoben Seitenketten passen genau in die Zwischenräume („Knopflöcher“, engl. holes) zwischen unpolaren Aminosäuren einer zweiten und dritten Helix und das Prolin begünstigt die flüssige Einpassung der drei Ketten. Entgegengesetzte Ladungen (Arginin-Glutaminsäure) dienen an manchen Stellen als zusätzliche Knopf-Bindungen. Eine vielfach durch Knöpfe vernetzte Tripelhelix ist extrem steif, wenn sie nicht durch Fünfringe (Seite 95), Scharniere aus Prolin und Hydroxyprolin, beweglicher gemacht wird. Isoliertes Prolin und Hydroxyprolin sind wegen der Pseudorotation des Fünfrings (Seite 71) extrem flexibel und deshalb erstens die am besten in Wasser löslichen proteinogenen Aminosäuren (1,5 kg/L) und zweitens die besten elastischen Bauteile in Tripelhelices. Tatsächlich besteht Collagen etwa zu einem Drittel aus solchen Fünfringen. Die dichte Packung der Tripelhelix begünstigt außerdem der fast ausschließlich aus Glycin, der Aminosäure mit einem Proton als kleinstmöglicher Seitenkette, bestehende Innenraum. Collagene sind stark gekrümmte Fasern, die in Wasser nicht auskristallisieren, weil sich ihre Stränge nur tangential berühren und die gemeinsame Oberfläche zweier aneinander liegender Fasern klein ist. Die hochmolekularen Schraubenstrukturen sind zwar stark hydratisiert, aber sie bewegen sich kaum. Das führt zu wässrigen Gelen, in denen das Wasser durch Kapillarkräfte an den Oberflächen der Proteine (oder Cellulose, Stärke, DNS) immobilisiert wird und so nicht aus dem Gel herausfließen kann. Biologisches Material ist weder eine wässrige Lösung noch ein Kristall, sondern vor allem ein wässriges Gel unterschiedlicher Elastizität, das von Wasser führenden Rohren oder hydratisierten Stäben durchzogen wird. Dieses Gel ist im Gegensatz zu Lösungen und Kristallen nicht stabil, sondern metastabil: Es kann jederzeit dehydratisieren und zu einem Pulver und flüssigem Wasser zerfallen. Ein simpler Druck mit dem Daumen oder etwas zuviel Hitze können genügen. Das gilt nicht nur für die gelartigen Sehnen und Knorpel aus Collagen, sondern für alle Gele aus beliebigen helicalen Proteinen, zum Beispiel im Glaskörper des Auges oder im Muskelfleisch. Beim Braten oder Kochen von Fleisch verschwindet die Zähigkeit des Gels, weil die Helices bei etwa 70 8C schmelzen und sich beim Abkühlen nicht wieder ordnen. Gebratenes Fleisch wird ohne Pyrolyse knusprig, weil sich die Helices in Knäuel verwandeln, in der Hitze chemisch miteinander vernetzen und die Oberfläche verhärtet. Schon bei 41 8C beginnen Proteine zu „gerinnen“. Frostbeulen hingegen entstehen als chronische Entzündung auf Grund einer Kälteschädigung des Gewebes. Entscheidende Ursache ist hier eine mangelhafte Durchblutung – das Rohrsystem funktioniert nicht optimal (Abb. 4.30).

195

196

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Abb. 4.30 Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Collagen-Gels der Haut und schematisierter Ausschnitt aus der Strukturformel mit Oxyprolin-, Lysin- und Glutaminsäure-Einheiten an der äußeren Oberfläche. Innen herrscht Glycin vor, das nicht gezeichnet wurde.

Collagen wird aus Knorpelmasse, Sehnen und Knochen von Schlachttieren einfach durch Erhitzen und Druck als „Gelatine“ in großen Mengen abgetrennt. Heute liegt die jährliche Produktion bei mageren 125 000 t, was sich leicht verhundertfachen ließe. Die Hydrolyse von 100 g Gelatine, der kommerziellen Form des Collagens, liefert zum Beispiel 27 g Glycin, 20 g Prolin, 14 g Hydroxyprolin, 20 g Glutaminsäure und 15 g Arginin (zusammen 96 g), das heißt, die Knöpfe und Löcher werden fast vollständig aus Glutaminsäure-Argininbase-Paaren gebildet und die Prolin-Beweglichkeit ist das Motiv, das der Tripelhelix ihre Beweglichkeit verschafft. Die käufliche Gelatine ist allerdings meist durch Behandlung mit Natronlauge (NaOH) völlig denaturiert, Arginin und Glutaminsäure sind zum großen Teil entfernt. Solche Gelatine reagiert leicht sauer und geliert beim Erkalten bereits als einprozentige Lösung. Die Veresterung des Hydroxyprolins mit Fettsäuren ergibt sanfte Emulgatoren für Hautcremes. Das flexible Polyamid-Rückgrat dieser gelatineartigen Proteinsorte aus der Haut und den Knochen von Schlachttieren erlaubt eine optimale Ausbildung molekularer Kontaktflächen, gekoppelt mit unübertrefflichen Kohäsionskräften. Deshalb ist wässrige Gelatine in Konserven ein hervorragendes Bindemittel für Aromastoffe und gibt dem hoch erhitzten Fleisch seinen Geschmack zurück.

4.3 Tyrosin in Proteinen

Die Skleroproteine des Menschen und der meisten Tiere sind praktisch frei von Tyrosin. Sie hätten in diesem Tyrosin-Kapitel nichts zu suchen, wenn nicht Muschelcollagene mit Tyrosin dessen Bedeutung als molekularen Klebstoff besonders deutlich machen würden. Collagen (von griech. „Leimbildner“) ist deshalb auch eine großartige Basis für die Entwicklung komplexer Klebstoffe aus erneuerbaren Rohstoffen und wurde tatsächlich lange als Zimmermannsleim verwendet. Heute ist es aus der Mode gekommen, weil es in feuchter Umgebung 90% der Haftfestigkeit und Scherstabilität verliert. Außerdem wird feuchte Gelatine von Proteasen zersetzt – Pilzen und Bakterien fressen sie auf. Andererseits sind viele natürliche Klebstoffe auf Gelatine-Basis hart und wasserstabil. Der quervernetzte Klebstoff, den Muscheln ausscheiden, wenn sie sich an Schiffsrümpfen festsetzen, ist ein eindrucksvolles Beispiel. Die Festigkeit der biologischen Muschel-Stahl-Verbindung ist der von geschweißten Stahl-Stahl-Verbindungen fast ebenbürtig. Von Protease-Empfindlichkeit kann keine Rede sein. Die Muschel macht etwas, was die Natur dem Collagen ursprünglich versagt hat: Sie setzt ihm das bishydroxylierte Tyrosin, das Dihydroxyphenylalanin (DOPA) zu, das wir schon von den Neurotransmittern her kennen (Seite 186). Auf dem Schiffsrumpf erzeugt sie daraus mit muscheltypischer Ruhe unlösliche 1,2-Chinone, die die Aminogruppen des Collagens kovalent binden, die Tripelhelices quervernetzen und dann auch gleich noch an die OH-Gruppen des Rosts der Stahlschiffe oder der Cellulose der Holzboote binden. Im Prinzip ist das dem Cellulose-Lignin-Gemisch der Baum-

Abb. 4.31 Struktur a) der Collagen-Tripelhelix und b) dessen Verklebung mit DOPA-Polymeren. Die drei Einzelhelices wurden übertrieben weit auseinander gerückt, um die Verknüpfung darstellen zu können. In Wirk-

lichkeit klebt der Benzolring flach auf der Oberfläche der Fasern. Die innere Verklebung wird durch Außenverklebungen, zum Beispiel mit Knochen oder rostigen Schiffsrümpfen, ergänzt.

197

198

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

stämme abgesehen: Biologische Materialien koppeln gern mit steifen Polyphenol-Blattstrukturen an hydroxylierte Oberflächen. Die Zimmerleute aber müssen die richtige Quervernetzungstechnik erst noch lernen. Zunächst liegt die Zukunft der Gelatinekleber sicher in intelligenten Vernetzungen auf der Oberfläche von Knochen, wobei das oxidierte DOPA Knochenproteine und Gelatine verleimen könnte. Die Medizin kann zunächst die etwas teure Materialforschung bezahlen; die gesammelten Erfahrungen sollten dann technisch beispielsweise auf Metalloberflächen übertragen werden können (Abb. 4.31). Collagen ist nicht nur als Gel und Leim, sondern auch als festes Material nützlich und überdies schön. Denken Sie etwa an die Darmsaiten der Geigen und Gitarren, Nebenprodukte der Fleischindustrie. Die innerste Schicht des Darms von Schafen und Rindern aus kargen, trockenen Gegenden (Schottland, das Latium um Rom) wird bis auf die Muskelhaut gereinigt, in Streifen geschnitten und nass zu Seilen zusammengedreht, danach langsam getrocknet und so lange rund geschliffen, bis die „quintenreine Saite“ einen vollkommen gleichmäßigen Durchmesser hat. Solche Darmsaiten erzeugen einen unver-

Abb. 4.32 Der chirale Doppelschichteffekt bei helicalen Polyamiden aus nur einer Aminosäure, zum Beispiel Poly-L-tyrosin oder Poly-L-lysin. Mischt man Helices aus L-Aminosäuren mit solchen aus D-Aminosäuren, so legen sich die Helices antiparallel (blaue Pfeile), damit die Aminosäurereste (zum Bei-

spiel das Phenol beim Tyrosin) sich nicht berühren, sondern abwechselnd oben und unten stehen (grüne Kugeln). Danach strecken sich die Windungen und bilden lineare Fadenstrukturen, die sich im Wasser zuerst knäueln und dann zu kristallinen Blattstrukturen zusammenwachsen.

4.3 Tyrosin in Proteinen

kennbar warmen Klang in Geigen und können durch Bespinnen mit Silberdraht in Klang und Festigkeit optimiert, dem Zeitgeschmack angepasst werden. Nur Proteine aus einheitlich chiralen Aminosäuren bilden Helices. Ein Gemisch aus D- und L-Aminosäuren in der Sequenz führt zu Knäueln. Mischt man Helices aus Homoproteinen, die nur aus einer einzigen Aminosäure bestehen, zum Beispiel poly(L-Lysin) oder poly(L-Tyrosin), mit den entsprechenden D-Proteinen, so fällt innerhalb weniger Minuten ein blattartiger Festkörper aus dem Wasser aus und das Gel verschwindet. Kovalent geknüpfte Polymere zeigen also den chiralen Doppelschichteffekt ebenso wie nicht kovalente Fasern (Seite 73 ff). Daraus ergibt sich, dass die Stabilität biologischer Gele wesentlich von der einheitlichen Chiralität der Faserkomponenten abhängt. Ohne chirale Glucose, Ribose und Aminosäuren gäbe es weder Cellulosefasern noch Muskeln und Nerven oder Chromosomen, weder das Auge noch den Knorpel der Knie. Chiralität ist eine wesentliche Grundlage zur Herstellung langlebiger Gele oder zur Integration von Wasser in Organismen (Abb. 4.32). Der Raumbedarf der verschiedenen Proteinstrukturen ist sehr unterschiedlich. a-Helices sind extrem lang gestreckt, die Tripelhelix des Collagens bei gleicher Anzahl von Aminosäuren nur etwa halb so lang und doppelt so dick. Globuläre Strukturen, zum Beispiel Hämoglobin (Seite 281) und fast alle Enzyme, sind kompakt („globulär“) und weich, Blattstrukturen kompakt und oft hart (Naturseide). Alle Proteinstränge werden unbeweglich und hart, wenn man sie durch kurze –S–S-Brücken quervernetzt. Der größte Teil des Hausstaubs besteht aus Hautabfall, den Hornplättchen. Das ist –S–S-quervernetztes Keratin. In staubfreien Fabrikationshallen muss jeder Arbeiter staubdichte Kleidung tragen, weil er selbst Staub erzeugt. Eine Quervernetzung mit Lysin wirkt wegen der langen und beweglichen (CH2)4-Seitenkette weniger „härtend“. Eine braune Brotkruste ist zum Beispiel Lysin-quervernetzt, ihre Krümel zerfallen deshalb unter Druck. Ein Pferdehuf (Keratin) ist hingegen kurzkettig cystinvernetzt, und ein Pferd kann darauf von der Mongolei bis nach Frankreich galoppieren (Abb. 4.33).

Abb. 4.33 Der Raumbedarf von Proteinen aus ca. 100 Aminosäuren mit unterschiedlicher Sekundärstruktur.

199

200

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Skleroproteine sind unverdaulich, aber abgesehen von einem bisschen Lysin ist sowieso nichts Wertvolles drin. Beim Keratin von Haaren und Fingernägeln liegt die totale Unverdaulichkeit vor allem an den –S–S-Quervernetzungen. Menschliche Haut und Rindsleder hingegen enthalten 65% Wasser und 33% Collagen-Tripelhelices, aber kaum Cystein-Quervernetzungen. Die häufigste Aminosäuresequenz ist Glycin-Prolin-Hydroxyprolin, wobei das wasserlösliche Hydroxyprolin collagentypisch ist. Es fragt sich also, warum auch Haut, Knorpel und Sehnen unverdaulich sind. Das liegt allein daran, dass die Tripelhelix als Ganzes sehr schwer zu knacken ist. Das hydrophobe Innere macht sie fettähnlich und kaum zugänglich für Proteasen, die relativ steife Faser sorgt für stabile Aggregate. So ist Keratin „chemisch (S–S-) unverdaulich“, Collagen eher „physikalisch unzugänglich“. Aus den jährlich etwa drei Milliarden geschlachteten Tieren wird das Leder als eines der wichtigsten erneuerbaren Rohmaterialen gewonnen. Eigentlich sollte es ebenso stabil wie die Haut selbst sein, aber das ist nicht der Fall. Häute und Felle faulen schnell, wenn sie vor Fäulnisbakterien, die mit der Chemie der Tierhäute vertraut sind, nicht geschützt werden. In grauer Vorzeit wurde das Leder in Leinöl getaucht, von dem bei der Polymerisation der ungesättigten Fettsäuren entstehenden Firnis (Seite 121) eingehüllt und geschützt. Heute wird Leder mit pflanzlichen Extrakten (Rotgerbung), Aluminium-Chromsalzen (Chromleder) sowie synthetischen Phenolen gegerbt. Die Proteine vernetzen sich mit Phenolpolymeren wie die Cellulose der Baumstämme mit Lignin und das Keratin der Haare mit Melaninfarbstoffen (Seite 189 f). Jeder dieser Gerbungsprozesse befreit das Leder von Harzen und Bindegewebe und vernetzt die Collagenfasern, wobei die Chromgerbung vor allem –COO––Chrom––OOC-Brücken einführt, Aldehyde mit dem Amin des Lysins reagieren (Schiff’sche Basen) und Phenolharze und Phosphate Wasserstoffbrücken-Netze einlagern. Der Aldehyd ist oft einfach Glucose, das Phenol kann ein Extrakt des Kastanienholzes sein. Reaktive Harze werden mechanisch in das Ledergefüge eingewalkt, um die Haut zu verdichten und zu verfestigen.

Abb. 4.34 Gerben des Leders mit a) Phenolen aus Eichenund Kastanienholz, b) Chrom- und c) Aluminiumsalzen. Das Collagen des Hautproteins wird quervernetzt.

4.3 Tyrosin in Proteinen

Die Kunst des Gerbens optimiert Haltbarkeit, Geschmeidigkeit und Farbe der Lederhaut, wobei die lockere Faserstruktur der inneren Lederseite (Flame) viel Harzgerbstoff aufnimmt, die äußere Seite (Rücken) vergleichsweise wenig. Entsprechend bläht sich die Flame auf, die glatte Seite bleibt unverändert. Das Ergebnis ist wunderbar weiches Leder (Abb. 4.34). Schaf- und Ziegenwolle (Angora, Kaschmir) besteht ebenfalls aus ineinander gewundenen Helices (a-Keratin, Ganghöhe 0,5 nm), die im feuchten Zustand mechanisch zu Blattstrukturen (b-Keratin) gestreckt werden können, weil Helices mechanisch sehr empfindlich sind – besonders, wenn sie hydratisiert sind. Naturseide ist reines b-Keratin aus Glycin und Alanin, Schafwolle enthält alle 20 Aminosäuren und ist massiv durch Schwefelbrücken (Protein 1–S–S–Protein 2) und durch wenige Lysin-Glutaminsäure-Amidbindungen (Protein 1–(CH2)2– CONH–(CH2)4–Protein 2) vernetzt. In kochendem Wasser quillt Schafwolle erst auf und verklebt dann irreversibel, weil Wasserstoffbrückenbindungen gelöst und an anderer Stelle neu gebildet werden. Das lockere Gewebe hat eine große Oberfläche und klumpt zusammen, das Gewebe „verfilzt“. Trocknet man dieses Material und presst es in der Hitze zusammen, erhält man tatsächlich Filz. Die Jahresproduktion des Rohstoffs Schafwolle liegt bei etwa 1,7 Millionen Tonnen. Verdauliche Proteine, also Muskeln („Fleisch“), Eiweiß, Milch- und Weizenproteine, werden im Körper von Proteasen zu Aminosäuren hydrolysiert und dort als Bauelemente der eigenen Muskeln und anderer Proteine genutzt. Enzymatisch ist diese Hydrolyse sehr schnell und braucht keine Säuren. Die chemische Hydrolyse in konzentrierter Salzsäure im Druckrohr bei 130 8C aber benötigt mehrere Stunden, bis sie ein Muskelprotein in seine Einzelteile aufgespalten hat. Merkwürdigerweise unterscheiden sich die Proteasen aus lebenden Tieren, die die tierischen und pflanzlichen Proteine spontan und sehr schnell hydrolysieren, kaum von ihren Substraten. Warum hydrolysieren sich die Proteasen nicht selbst? Das ist wieder das Yin-Yang-Spiel der Evolution. Enzyme und ihre Cofaktoren, zum Beispiel das Imidazol in Abbildung 4.35, reagieren grundsätzlich ähnlich wie die gleichen Einheiten in den umzusetzenden Verbindungen. Auch die Muskelproteine werden Imidazol enthalten, das mit Protonen Hydrolysen katalysieren kann. Aber es wird nicht so wie das Enzym mit anderen Muskelproteinen Molekülkomplexe bilden (Abb. 4.35).

Abb. 4.35 Typische Detailstruktur einer Protease. Ein Histidinring des Chymotrypsins wird von einer Asparaginsäure protoniert und zwingt dem Stickstoff eines Amids dieses Proton auf. Gleichzeitig schiebt die OH-Gruppe eines benachbarten Serins dem Carboxyl-Kohlenstoff des Amids ein Elektronenpaar zu. Das entstehende Zwitterion zerfällt, indem die Amidbindung aufbricht und Aminosäuren frei werden. Das geschieht bei neutralem pH-Wert in Wasser 10 000-mal in der Sekunde. Das ImidazoliumIon ist dabei selbst hydrolyseempfindlich.

201

202

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Die erste Wechselwirkung von Enzymen und Rezeptoren mit anderen Molekülen besteht in wässriger Umgebung häufig in der Einschiebung hydrophober Phenyl- oder Phenolgruppen in hydrophobe Lücken an der Proteinoberfläche. Von diesem Befund lebt die Pharmaindustrie. Fast alle Arzneimittel-Bestseller wirken dadurch, dass sie Enzymreaktionen oder Rezeptoren blockieren. Das geht am besten mit Benzol oder Phenolderivaten. Die „Heilmittel“ tun dann nichts anderes, als unerwünschte Reaktionen zu unterbinden, indem sie ausgewählte Katalysatoren (Enzyme) oder Rezeptoren an Membranoberflächen ausschalten. 1998 waren zum Beispiel Simvastin (Hemmung einer Reduktase in der Cholesterin-Biosynthese), Omeprazol (Blockade einer ATPase, Seite 242) und Fluoxetin (Blockade eines Serotonin-Rezeptors) die drei umsatzstärksten Produkte der Pharmaindustrie mit jeweils mehr als 3 Milliarden Dollar Umsatz. Nummer eins unterbindet die Bildung von „zu viel“ Cholesterin im Körper und verzögert daraus resultierende Herzinfarkte und Schlaganfälle, Nummer zwei, der ATPase-Hemmer, beruhigt überreizte Mägen, und Nummer drei, der Serotoninverdränger, dämpft Depressionen – obwohl wir doch gerade erst der Meinung waren, dass Serotonin glücklich macht (Seite 185 f). Der „Mechanismus“ dieser drei sehr unterschiedlichen Wirkungen ist immer derselbe: Ein Benzoloder (bei Simvastin) ein Cyclohexenring schlüpft in die hydrophobe Tasche eines Proteins, die Substituenten sorgen für die selektive Bindung an hoffentlich nur ein einziges Protein und dann hängt das Pharmakon dort einige Zeit fest, blockiert den natürlichen Lauf der Dinge, der uns nicht passt, wird schließlich herausgewaschen . . . und eine neue Pille eingenommen (Abb. 4.36).

Abb. 4.36 Die drei meistverkauften Pharmaka (1998). Simvastin hat als hydrophobes Teil, das in eine Proteinbindungstasche taucht, zwei Cyclohexenringe, Omeprazol und Fluoxetin haben für den gleichen Zweck Phenol-

ringe (jeweils grün). – Vermutlich sind 2008 andere Produkte Spitzenreiter, aber weder ihre Chemie noch der Wirkungsmechanismus (Blockierung von Proteinen) haben sich wesentlich geändert.

Das wasserunlösliche und trotzdem hydrophile Tyrosin findet man außerdem regelmäßig als erste Aminosäure bei den opiumähnlich wirkenden Endorphinen, Peptiden, die an die gleichen Membran-Rezeptorproteine von Schmerzzentren binden wie Morphium. Das menschliche Gehirn weist drei Schichten auf: den Hirnstamm (Rautenhirn) für unbewusstes, automatisches Tun wie die Atmung und die Regulierung des Blutkreislaufs, der Körpertemperatur und der Verdauung, das limbische System

4.3 Tyrosin in Proteinen

dicht darüber für Gefühle und die Großhirnrinde für Denkprozesse und vernünftiges Abwägen. Automatische Aktivitäten und Denken benutzen im Wesentlichen die Aktionspotenziale des Nervensystems, deren Kontrolle übernimmt das elektrische Netzwerk, das „synaptische Selbst“. Angst, Durst, Verlangen und andere Gefühle hingegen basieren auf den chemischen Wechselwirkungen zwischen Informationsmolekülen oder „Botenstoffen“, den Neurotransmittern, Magenpeptiden, Hormonen und Rezeptoren in besonderen, örtlich fixierten Gehirnzentren. Im Zusammenhang mit dem Tyrosin interessieren hier besonders die Botenstoffe; auf elektrische Signale gehen wir im nächsten Kapitel ein. Die Postämter für den Empfang von Botenstoffen und die Verarbeitung ihrer Botschaften liegen auf Zelloberflächen und heißen Rezeptorproteine. Nach dem Andocken der Botenstoffes öffnen und schließen sie Membranporen, wobei die molekularen Wechselwirkungen zwischen Boten und Rezeptor oft merkwürdig und von verwirrender Komplexität sind. Für Opiate zum Beispiel, die Schmerzen aufheben und Glücksgefühle erzeugen, liegen die Rezeptoren in den Stirnlappen der Großhirnrinde. Morphium aber ist ein Produkt der Mohnpflanze. Es ergibt eigentlich keinen Sinn, dass sich das Gehirn mit Rezeptoren für Moleküle aus Schlafmohnsamen ausstattet. Was soll das? Der körpereigene Botenstoff für den gleichen Opiumrezeptor ist ein Peptid namens Enkephalin. Es enthält wie das Morphium einen Phenolring, gleicht ihm aber ansonsten überhaupt nicht. Enkephalin ist ein offenkettiges Pentapeptid mit Tyrosin als erster Aminosäure, Morphium ist ein starres Molekül mit fünf ineinander verkeilten Ringen. Nach 20 Jahren intensiver Suche nach einer biologisch aktiven Konformation des beweglichen Peptids (in einer Publikation von 2004: „im Grunde genommen ist Enkephalin in Lösung vollkommen strukturlos, M. M. Palian, V. I. Boguslavsky, D. F. O’Brien, R. Polt, J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 5823–5831), wurden cyclische Abkömmlinge hergestellt. Besonders wirkungsvoll und leicht zu kristallisieren war ein Enkephalinderivat mit zwei HS-C(CH3)2–CHNH2–COO-Seitenketten, die die Bildung eines relativ starren Disulfid-Rings (–S–S–) erlaubten. Es ist dann wohl ein Zufall,

Abb. 4.37 Das Schmerzzentrum des Gehirns enthält einen Rezeptor für das Pentapeptid Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu, das Enkephalin. Der gleiche Rezeptor reagiert auch mit Morphin aus der Schlafmohnpflanze. Enkephalin zeigt in Lösung hunderte verschiedener Gestalten, weil um die C–C-Bindungen alle möglichen

Verdrehungen auftreten. Das polycyclische Morphin hingegen ist vollkommen starr. Man könnte vermuten, dass im Gehirn das Enkephalin durch irgendeinen Faktor so verbogen wird, dass die beiden Benzolringe einander ähnlich nahe kommen wie die Ringe im Morphin.

203

204

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

dass Morphium die Gestalt der aktiven Konformation des Enkephalins annimmt, wie sie in diesem Disulfid verwirklicht ist. Das kovalent cyclische Morphium bindet viel länger und fester als das bewegliche Enkephalin, lähmt das Schmerzzentrum namens Opiumrezeptor für lange Zeit und drängt die Schmerzen in einen Dämmerzustand des Unbewussten ab (Abb. 4.37). Die Proteine von Mikroorganismen sind viel komplexer als die des Menschen und ändern sich außerdem innerhalb weniger Generationen, das heißt in ein paar Monaten, drastisch durch Mutationen. Mikroorganismen enthalten viel mehr verschiedene Aminosäuren als die zwanzig des Menschen, die überdies häufig durch zusätzliche Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen miteinander vernetzt werden. Ein typisches Beispiel ist das biotechnologisch aus Streptococcus-Bakterien zugängliche Antibiotikum Vancomycin, das neben Tyrosin auch DOPA- und Chlortyrosin-Einheiten enthält, die in keinem humanen Protein auftauchen. Höhere Organismen meiden chlorierte Kohlenstoffverbindungen wie die Pest, weil sie sie nicht kontrolliert abbauen können und weil sie leicht Salzsäure abspalten. Chlorierte Verbindungen aus der technologischen Umwelt werden deshalb so schnell wie möglich (und möglichst unverändert) mit dem Harn eliminiert. Die Mikroorganismen des Darms können Vancomycin nicht verdauen. Man könnte es also oral geben. Trotzdem wird es intravenös in 10- bis 60-mg-Dosen gespritzt, 90% davon werden sofort über die Niere wieder ausgeschieden. Die restlichen 10% aber werden über Proteine des Blutplasmas in das zentrale Nervensystem transportiert. Dort unterbindet Vancomycin die Vermehrung der gefährlichen, klinisch wichtigen Staphylokokken und drängt Hirnhautentzündungen (Meningitis) zurück. Die beiden hydrophoben Phenoleinheiten, die nicht dem humanen Tyrosin entsprechen, binden wahrscheinlich an das wachsende Zellwandprotein; der polare Rest deckt das wachsende Ende des Membranproteins der Bakterien spezifisch zu und verhindert deren Wachstum (Abb. 4.38).

Abb. 4.38 Molekülstruktur des gegen Meningitis wirksamen Pentapeptids Vancomycin. Drei Quervernetzungen der phenolischen Seitenketten an Nicht-Tyrosin-Aminosäuren, zwei ungewöhnliche Chlorsubstituenten am Benzol und ein phenolisches Glycosid entrücken das Vancomycin weit vom Metabolismus des Menschen.

4.3 Tyrosin in Proteinen

In erster Näherung koordinieren zwei Steuerungssysteme die Aktionen des menschlichen Körpers: Das Nervensystem sendet schnelle Stromimpulse und die endokrinen Drüsen (Hypophyse und Hypothalamus im Gehirn hinter der Nasenwurzel, Schilddrüsen links und rechts neben dem Kehlkopf, Pankreas und Nebenniere in der Magengegend) senden Botenstoffe ins Blut, die längerfristig an den Zellen wirken. Schon lange bekannt ist, dass die Neurotransmitter fast gleichermaßen reichlich im Gehirn (verständlich) und im Magen (überraschend) vorkommen. Aber auch viele im Blutkreislauf bewegliche Zellen wie Leukocyten oder die allgegenwärtigen Antikörper scheiden solche Botenstoffe aus, die wie Neurotransmitter und Hormone Nervenimpulse leiten und integrieren. Letzteres tun vor allem die so genannten „Neuropeptide“. Die beweglichen Zellen und Antikörper im Blutkreislauf in Gehirn, Magen, Geschlechtsorganen und Haut entlassen nicht nur alle die gleichen Peptide ins Blut, sondern sie haben auch die gleichen Rezeptorproteine. So breiten sich die Gefühle des Schmerzes und des Wohlseins überall im Körper aus. Die Antikörper folgen dabei in der Blutbahn den Botenstoffen in Richtung steigender Konzentration. Das häufigste Gehirnpeptid der Säugetiere ist ein Polyamid namens Neuropeptid Y5 aus 36 Aminosäuren; fünf davon sind Tyrosin oder Y (in der Computersprache). Y5 steigert den Appetit, reguliert den Blutdruck und sorgt für ein besseres Gedächtnis. Es fällt wieder besonders auf, dass Anfang, Ende und Zentrum des Neuropeptids von Tyrosin besetzt werden. Im Zentrum sind es die Aminosäuren 20 und 21 in der Sequenz; eines zeigt nach innen, das andere nach außen. Nur das äußere Tyrosin kann an ein Rezeptorprotein binden, das innere taugt vielleicht zur Phosphorylierung in einer Membran. Das Tyrosin am Aminoende der Sequenz weist dann wieder auf eine Tyrosin-Tasche des Rezeptors, in der das Neuropeptid wohl zunächst fixiert wird, um mit Y-21 oder Y-22 festgezurrt zu werden. Vasopressin schließlich ist ein Nonapeptidhormon, das beim Menschen die Rückresorption des Wassers aus den Nieren kontrolliert (Seite 146). Fehlendes Vasopressin verursacht eine massenhafte Ausschwemmung von Harn. Bei Mäusen wirkt die Verbindung als Neuropeptid. Manche Präriemäuse sind monogam – sie lieben ihren Partner, paaren sich nicht mit Fremden. Das Liebesleben der Präriemäuse wird von der Lokalisierung der Rezeptoren für Vasopressin im Gehirn bestimmt, die mittels Positronen-Tomographie mit 18-Fluor-Tyrosin herausgefunden wurde. Die beobachtete selektive Aggression gegen Mäuse gleichen Geschlechts hängt ebenso wie die selektive Partnerwahl stark von der Konzentration des injizierten Vasopressins ab. Sexuell erregte Mäusemännchen schütteten Vasopressin aus. Beim Menschen beobachtete man das auch. Dort reguliert es aber offensichtlich nicht die Beziehung zum anderen Geschlecht, sondern die Wasserausscheidung. Oxytocin ist ein sehr ähnliches Nonapeptid und stimuliert die Aufnahme des Spermiums bei der Befruchtung, die Kontraktion der Gebärmutter bei der Niederkunft und die nachfolgende Milchbildung. Antagonisten des Vasopressins vermindern den Harndrang, solche des Oxytocins verhindern Frühgeburten.

205

206

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Immer sind es das Phenol des Tyrosins und die endständigen polaren Gruppen der Seitenkette des großen Rings, die an die Rezeptoren der Hormone binden. Psychiaterphantasien, die Derivate des Oxytocins als „jüdisch-christliches“ Hormon heilig sprechen, weil es Nächstenliebe und Treue induziere, extrapolieren von Besonderheiten im Gehirn kurzlebiger amerikanischer Präriemäuse auf ein sechzigjähriges Eheleben der Menschen. Das ist wohl kaum relevant. Immerhin ist auffällig, dass nur Mäuse mit dem Oxytocin-Gen das Begehren nach Männchen von deren Geruch abhängig machen, von Krankheiten infizierte Mäuse hingegen meiden. Mäusefrauen ohne Oxytocin differenzieren da nicht. Weder bei männlichen Mäusen noch bei männlichen Menschen sind physiologische Wirkungen des Oxytocins bekannt (Abb. 4.39).

Abb. 4.39 Strukturformeln des Hormons Oxytocin und eines Antagonisten. Das Hormon taucht wahrscheinlich mit dem Phenolring in die hydrophobe Spalte seines Rezeptors, die spezifische Erkennung und das darauffolgende Öffnen der Membranspalte aber wird von den benachbarten und den

endständigen Aminosäuren bewirkt. Details im Macrocyclus wie „–X–X–“ spielen für die primäre Bindung keine Rolle, wohl aber für die der Spaltöffnung folgende Abspaltung des Hormons (Öffnung des Rings durch S–S-Spaltung).

Tyrosin ist also diejenige a,L-Aminosäure, die wegen ihrer leicht aciden OHGruppe aus hydrophoben Zentren heraus ins Wasser ragt, sich aber andererseits wegen ihres glatten, flachen und hydrophoben Benzolrings in hydrophobe Taschen an Proteinoberflächen drängt. Tyrosin ist deshalb der ideale und am meisten verwendete Anker, um Pharmaka an Rezeptoren und Enzymen zu fixieren. Viele Verbindungen mit Phenolringen wirken außerdem als effiziente Neurotransmitter, wichtige Moleküle in der Psychiatrie (Dopamin, Serotonin, Morphin, Oxytocin und viele Agonisten und Antagonisten). Außerdem ist Tyrosin chemisch reaktiv. In der pflanzlichen Photosynthese spielt das Tyrosin die Rolle eines Elektronenüberträgers von einem Mangan-Ion zu einem photooxidierten Chlorophyll-Molekül. Für die Pflanze ist das nützlich,

4.4 Tyrosinphosphat

weil der direkte Kontakt zwischen dem leicht zersetzlichen Chlorophyll und dem schließlich gebildeten OH-Radikal vermieden wird (Abb. 4.40).

Abb. 4.40 Modell der Elektronenübertragung in der pflanzlichen Photosynthese vom Wasser zum Chlorophyllradikal mit einer Elektronenlücke und einer positiven Ladung über ein dazwischen liegendes Tyrosin. Vier derartige Reaktionen liefern vier OH-Radikale

oder zwei Wasserstoffperoxid-Moleküle, H2O2 (nicht gezeigt). Dieses zerfällt schließlich an Mangan-Ionen zu Wasser und Sauerstoffmolekülen. Der Sauerstoff der Atmosphäre stammt aus diesem Prozess.

4.4 Tyrosinphosphat

Die Phosphorylierung des Tyrosins von Membranproteinen führt uns ins nächste Kapitel. Phosphat lässt Natrium-, Kalium- und Calcium-Ionen durch die LecithinBLMs in die Zellen hinein- und wieder herausfließen. Das erzeugt elektrische Ströme, lässt Menschen und Tiere hören und sehen, sich bewegen, denken und fühlen. Wenn mit dem Phosphat oder mit den Zell- und Nervenströmen irgendetwas schief geht, wird man zuckerkrank oder Nerven und Herz versagen. Negative Ladungen von Phosphat in Membranporen erlauben den selektiven Transport von Natrium- und Kalium-Ionen durch Zellmembranen und erzeu-

207

208

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

gen so elektrische Potenziale und elektrische Ströme (Seite 245 ff). Das Tyrosin arbeitet dabei vorwiegend an der inneren Membranoberfläche. Dort wird das Phosphat sowohl an die 6-OH-Gruppe der Glucose als auch an das Tyrosin eines Membranproteins addiert (Kinasen) oder von ihnen entfernt (Phosphatasen). Die tägliche Umsatzrate dieses Phosphataustauschs beträgt zwischen 50 und 100 kg! Quantitativ machen wir eigentlich kaum etwas anderes als phosphorylieren und dephosphorylieren. Phosphat ran, Phosphat ab – das ist fast alles, was der Mensch an Chemie macht. Der gewaltige Umsatz wird von der geringen O–P-Bindungsenergie von lediglich –1,4 kcal/mol begünstigt. Das entspricht etwa der Bindungsenergie eines Magnesium-Ions an Adenosintriphosphat (Seite 239 ff). Phosphatreste am Tyrosin werden dementsprechend extrem leicht ausgetauscht. In Modellexperimenten lassen sich Phosphorylierungen mit entwässerter Phosphorsäure, der Metaphosphorsäure HPO3, durchführen. Dephosphorylierungen des Phenols lassen sich leicht dadurch induzieren, dass man das Phenol oxidiert: Diese oxidative Dephosphorylierung spaltet direkt Metaphosphat ab, das nun andere Alkoholgruppen phosphorylieren kann, und aus dem Phenol wird ein Chinon, das von den reduktiven biologischen Organismen sofort zum Hydrochinon reduziert wird (Abb. 4.41).

Abb. 4.41 Einfacher „Mechanismus“ einer oxidativen Phosphorylierung. Dehydratisierte Phosphorsäure (Metaphosphorsäure) phosphoryliert den Phenolsauerstoff des Tyrosins; die Oxidation des Phenols setzt Metaphosphorsäure frei, die nun andere OH-Gruppen phosphorylieren kann. Bei der Oxidation werden auch Protonen frei, die die ATP-Bildung fördern (Seite 243).

4.4 Tyrosinphosphat

Am besten untersucht ist die Rolle der Phosphorylierung des Tyrosins bei dem sehr häufig vorkommenden und sehr kostspieligen Diabetes mellitus (griech. dia-betes, „Durchgehen“, mellitus, „honigsüß“). Diese Zuckerkrankheit beruht nicht auf der Giftigkeit der Glucose, sondern auf einem Mangel an Insulin im Blut, einem kleinen Protein, das erstens Glucoseporen in Zellmembranen öffnet und zweitens die Umwandlung der wasserlöslichen Glucose in unlösliche Fette einleitet, indem es hilft, Glucose in Fettzellen abzulagern. Glucose muss aus dem Blut mühsam heraustransportiert werden, Fette hingegen werden sofort aus dem fließenden Wasser ausgeschieden, weil sie dort unlöslich sind. Aber die Fette verschwinden nicht, sondern füllen Fettzellen auf und bilden als Artefakt alle Arten von unangenehmen Ablagerungen auf den Rohrwänden der Wasserleitungen (Plaques). Wenn Poren in Zellmembranen sich nach einer Mahlzeit nicht öffnen, um die Glucose aus dem Blut heraus in Zellen zu leiten, kommt es zu einem ungehemmten Abbau der Glucose zu Acetessigsäure und Aceton im Blut (> 5 mmol, Ketonämie, Ketoazidose), zu hohen Glucosewerten im Urin (3,5 g/L) und zu extremer Austrocknung des ganzen Körpers durch exzessives Urinieren von bis zu zwölf Litern am Tag. Es ist vor allem die Entwicklung eines Flüssigkeitsdefizits, die schließlich ins Coma diabeticum mit einem Sterberisiko von etwa 10% führt. Ursache des Ketons im Blut und der Glucose im Harn ist immer ein Insulinmangel bei häufig hoher Blutglucose, die dann bei intensiver körperlicher Betätigung gleichzeitig einen katastrophalen Anstieg der Ketoazidose und der Wasserausscheidung bewirken. Die Niere filtriert nicht mehr, sie scheidet ungehemmt Wasser aus (Abb. 4.42).

Abb. 4.42 Modell der Umwandlung der Glucose im Blut zu Acetessigsäure und Aceton („Ketonkörper“), wenn der Abtransport der Glucose in Leber, Muskeln und Adipocyten nicht schnell genug verläuft. Der Niere wer-

den dann unter Umständen große Mengen Glucose, Aceton und Wasser aufgezwungen, der Körper dehydratisiert möglicherweise in lebensgefährlichem Ausmaß.

209

210

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Gesundes Blut enthält etwa 1–2 g Glucose pro Liter (5 ´ 10–3 mol/L) und außerdem 10–10 mol/L Insulin. Wenn die Glucosewerte nicht mehr als doppelt so hoch werden und die Insulinkonzentration um nicht mehr als 50% reduziert wird, kann der Mensch eine normale, zucker- und stärkehaltige Mahlzeit unbeschadet überstehen. Außerdem muss der wenige Blutzucker dauernd nachgeliefert werden, denn er wird massiv verbraucht. Wenigstens 5 g gelöste Glucose benötigt das Gehirn in einer Stunde. Ein Marathonlauf ist schon kritisch – er kann allen Zucker verbrauchen. Dann muss der Körper ihn aus Fett, Glycogen und Aminosäuren schnell nachproduzieren. Es ist schon merkwürdig: Der Mensch ist keine Pflanze, er enthält kaum Glucose. Andererseits ist er stark abhängig vom dauernden Fluss der wenigen Glucose in seinem Blut. Mangelt es ihm akut an ein paar Gramm Glucose, stirbt er schnell. Es ist nicht nur fast unmöglich, sich glucosefrei zu ernähren, sondern auch komplett unsinnig. Bei 15 g Glucose in 5 L Blut und bei mangelnder Bewegung aber beginnt die Zuckerkrankheit, wenn nämlich nicht genügend Insulin zur Verfügung steht, um die Glucose abzuleiten. Fehlendes Insulin ist ein Notfall. Damit der Diabetiker überlebt, muss er es vor jeder Mahlzeit injizieren (Seite 133). Sonst setzt die exzessive Bildung von Fett und Glucoseabbauprodukten ein, das Nervensystem wird langsam zerrüttet. Schon ein Viertelliter Coca Cola bedeutet eine plötzliche Überflutung mit 20 g Zucker, aus dem die Glucose schnell freigesetzt wird. Das Blutprotein Insulin ist der einzige Schlüssel, der sofort alle Abflüsse öffnet: Die meiste Glucose wird in die Leber geschleust und dort in Stärke (Glycogen) verwandelt. Dafür braucht man wenig Insulin. Wenn das nicht reicht, muss die Glucose in Fettzellen und Muskeln geleitet werden, wo sie in Fettund Aminosäuren verwandelt wird. Der Glucosespiegel im Körper steigt bei einer Mahlzeit rasch an und fällt beim Sporttreiben oder beim Hungern ebenso rasch wieder ab. Niemals aber wird Glucose zum Baustein des Körpers, nirgends wird sie in größeren Mengen gelagert. Der Mensch ist keine Pflanze, aber immerhin hat er Pflanzen stets in Reichweite – er kann sie ja essen! Insgesamt tritt Diabetes mellitus bei etwa 5% der Europäer und Amerikaner auf, jenseits eines Alters von 70 Jahren sind es 20–25%. Behandelt wird der Diabetes mit Insulin, das die Glucose aus der Blutbahn entfernt. Dabei ist es klug, die „Fettsenke“ nur wenig zu benutzen, sondern überschüssige Glucose lieber durch Muskelbewegung des Körpers zu verbrennen. Dann ist es der Herzmuskel, der am meisten Fett und Glucose verbraucht. Wenn man andererseits den Körper ein Leben lang überstrapaziert, dann ist das Leben auch nicht länger, als wenn man ihn gar nicht belastet hätte. Gebrauchen Sie Ihr Gehirn, um Ihren Körper selbst zu beobachten und richtig einzuschätzen. Jeder ist seines Körpers und Gehirns eigener Schmied (Abb. 4.43)!

4.4 Tyrosinphosphat

Abb. 4.43 Insulin wird über das Fettgewebe ins Blut gebracht und öffnet dort die Poren in den Rezeptoren für den Transport der Glucose in Leber, Niere und Muskeln. Solange der Körper intensiv arbeitet, kreist die Glucose im Blut und wird zum Beispiel im

Gehirn direkt verbraucht, oder sie wird nach der Umwandlung in Fett in den Adipocyten von den Muskeln verbrannt. Untätigkeit und Gewichtszunahme verlangsamen den Abbau der Glucose und überfordern das körpereigene Insulin.

Die wichtigste Aufgabe der in Wasser gelösten Glucose und ihres Folgeprodukts Fett ist die Energieversorgung aller Körperzellen, im Besonderen aber die des Herzens und des Gehirns. Die Kohlenhydrate und Fette treiben dabei nicht nur die mechanische Herzpumpe für den Blutstrom an, sondern liefern auch die Energie für die chemische Fabrik der Leber und das Elektrizitätswerk der Nerven, Muskeln und Sinnesorgane in Gehirn und Körper. Glucose und Fette sind also nicht nur die elementaren Baumaterialien des Lebens, sondern zusammen mit dem Sauerstoff auch seine Betriebsmittel. Die Glucose kommt aus der Nahrung. Woher aber kommt das Insulin? Insulin ist ein kleines Protein oder Polypeptid. Es besteht aus einer A-Kette mit 21 Aminosäuren und einer B-Kette mit 30 Aminosäuren, die über zwei DisulfidBrücken (–S–S–) miteinander verbunden sind. Eine Internationale Einheit (I.E.) entspricht 38,5 lg/mL oder 6 nmol (6 ´ 10–9 mol). Unser eigenes Insulin stammt aus den so genannten b-Zellen des Pankreas (Bauchspeicheldrüse), ei-

211

212

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

ner 20 cm langen, 80 g schweren Drüse im oberen Bauchraum. Krankhafte Überdosen von Insulin oder Pankreastumore erzeugen Hypophysenstörungen und wecken eine unwiderstehliche Fettsucht. Käufliches Insulin wird meist aus dem Pankreas von Schlachttieren hergestellt, die etwa 100 mg Insulin pro Kilogramm liefern. Das Insulin aus einem Kilogramm Schweinepankreas reicht für 100 000 Spritzen. Humaninsulin wird biotechnologisch hergestellt. Das menschliche oder äffische (Macaca) Insulingenom dient als Ausgangsprodukt, Bakterien- (Escherichia coli) oder Hefekulturen in großen Fermentationstanks sind die Multiplikatoren. Synthetisch eingeführte, hydrophile Aminosäuren lassen das Insulin schneller wirken, die künstlich herbeigeführte Aggregation führt zu Langzeitinsulinen. Das natürliche Langzeit-Insulin aus der Bauchspeicheldrüse ist ein Hexamer mit einem zentralen Zink-Ion, das im Blut erst in Monomere gespalten werden muss, bevor es wirksam wird. Die Zusammenfügung der sechs Einheiten zum kreisförmigen Hexamer wird dabei vor allem von drei Tyrosin-Einheiten der Insulinketten bewirkt und tritt auch ein, wenn zu viel Insulin gespritzt wird. Die hydrophoben Zentren, die die Bindung des Insulins an seine Rezeptoren einleiten, enthalten zwei der vier Tyrosineinheiten des Insulins und außerdem zwei ähnliche Phenylalanin-Kettenglieder (unten nicht hervorgehoben). Die Injektion einer einzigen Einheit senkt bei einem 2,0–2,5 kg schweren Kaninchen die Blutglucose nach einer Stunde vom Normalwert 1,0 auf 0,5 g/L. Zuckerkrankheit wird durch Fettleibigkeit begünstigt und erzeugt außerdem die Sucht nach immer mehr Fett (Abb. 4.44).

Abb. 4.44 Schematische Struktur des Insulins mit einer A-Kette (oben) und einer B-Kette. Es ist leicht vorstellbar, dass die Radikalchemie des Phenols mit der der S–S-Brücken gekoppelt ist, denn beide sind ziemlich hydrophob. Das Phenol verliert

leicht ein Proton und der negativ geladene Sauerstoff könnte die Brücken spalten. Die nach außen zeigenden Tyrosin-Einheiten sorgen für die durch Zink-Ionen geförderte Aggregation zu Hexameren.

4.4 Tyrosinphosphat

Ein „normaler“ Insulinverbrauch oder eine „normale“ Insulinresistenz können nicht festgelegt werden, weil beides sehr stark von der Person und ihren Ess- und Trinkgewohnheiten abhängt, insbesondere vom Verhältnis aller insulinregulierten Substanzen (Glucose, Aminosäuren, Fettsäuren). Die postprandialen (nach der Mahlzeit) Schwankungen der Hyperglycämie (zu viel Glucose im Blut) stimulieren die b-Zellen der Bauchspeicheldrüse, die dann automatisch die richtige Menge Insulin oder die Vorstufe (Proinsulin) ins Blut schütten. Bei Zuckerkranken funktioniert diese physiologische Wechselwirkung der Nahrungsaufnahme mit der Insulinausschüttung nur noch rudimentär und zu langsam. So wird die Hyperglykämie chronisch, wobei die Störungen der komplexen Rückkopplungsmechanismen letzten Endes oft multigenetischen Ursprungs sind, was perfekte Übereinstimmungen bei eineiigen Zwillingen im Gegensatz zu wesentlich geringeren Konkordanzen bei Verwandten ersten bis dritten Grades belegen. Trotzdem: Zu große Glucosemengen oder zu wenig Insulin im Blut werden als Krankheit oft erst manifest, wenn zu wenig Glucose verbrannt und zu viel Fett ausgesondert wird. Nur der Abtransport der Glucose aus dem Blut, nicht aber ihr Metabolismus in den Muskeln oder im Gehirn wird vom Insulin gesteuert. Deshalb besteht ein enger Zusammenhang zwischen Fettleibigkeit und Diabetes mellitus. Eine ungünstige Erbmasse kann meist viel einfacher bewältigt werden. In der Zuckerkrankheit wirken die Moleküle eins bis vier zusammen, die Wasserströme mit Glucose durch die Lecithinmembranen, die Ablagerung von Fett und das Tyrosin der Phosphorylierung und des Insulins. Damit leiten wir zum ATP, dem fünften unserer sieben Moleküle, und zum nächsten Kapitel über. Der Abtransport von Glucosemolekülen aus dem Blut in Leber-, Fett- und Muskelzellen durch Zellmembranen erfolgt durch Glucose-Transportproteine („carrier“), genannt Glut 1 bis Glut 4. Alle vier enthalten Tyrosin, das an der OH-Gruppe phosphoryliert und dephosphoryliert wird. In Darm- und Nierenzellen operieren sie im Zusammenspiel mit einem Konzentrationsgefälle von Natrium-Ionen, in anderen Körperzellen erfolgt der passive Glucosetransport entlang dem Gefälle der Glucosekonzentration. Die Transporter („Glut“) sind 150–200 nm (500–600 Aminosäuren) lang und meist in die zu durchquerende Membran integriert. Glut 1 ermöglicht die Grundversorgung der Zellen mit Glucose, Glut 2 ist typisch für den Transport in die Leber, Glut 4 arbeitet in Muskeln und in Fettzellen und ist besonders während der Nahrungsaufnahme aktiv. Glut 3 wirkt im Gehirn und hat die höchste Bindungskonstante zur Glucose: Es springt schon im millimolaren Bereich an, d. h. bei einer Konzentration, die etwa 5-mal niedriger ist als der Glucosegehalt des Bluts – das Gehirn ist wichtiger als andere Organe und deshalb saugt es die Glucose von anderen Organen ab, wenn Mangel herrscht. Glut 4 ist mit einem Enzym gekoppelt, das die Phenylgruppen von seinem Tyrosinrest mit Phosphorsäure verestert (Tyrosinkinase). Dadurch wird der Glut 4-Kanal negativ aufgeladen, Wasser strömt in sein Inneres und trägt die Glucose durch die Membran. Merkwürdigerweise verestert das Enzym auch seine eigenen Tyrosin-Reste („Autophosphorylierung“) und erleichtert damit auch in seiner Umgebung den Glucosetransport.

213

214

4 Tyrosin: In Proteinen zwischen Proteinen

Das Ausmaß der Phosphorylierung des Tyrosins wird, wie üblich, durch das Wechselspiel zweier Proteine bestimmt: einer Kinase, die phosphoryliert, und einer Phosphatase, die dephosphoryliert. Erst die Tyrosin-Phosphorylierung macht Rezeptoren in Zellmembranen zu wässrigen Kanälen für die Glucose. Die Kinase ist dabei meist an einen Rezeptor in der Zellmembran gebunden, die Phosphatasen regulieren eher aus dem wässrigen Zellvolumen heraus. So erreicht die wässrige Glucoselösung das Fett-Territorium der Adipocyten, wird dort zu Essigsäure abgebaut (C6H12O6 ? 3 CH3COOH) und schrittweise in Fettsäuren und Brenztraubensäure, CH3COCOOH, umgewandelt (zum Beispiel 9 CH3COOH + 9 H2 ? C17H12O6 + O2 ? 2 CH3COCOOH + 2 H2O), wobei Letztere zu Alanin (CH3COCOOH + H2 + NH3 ? CH3CHNH2–COOH + 2 H2O) und anderen Aminosäuren metabolisiert wird. Lassen wir den Strom der Tyrosinwirkungen mit ein paar Bemerkungen zu neueren Projekten ausmäandern (Seite 40). Auch das assoziative Lernen des Gehirns und die Speicherung des Gelernten im Gedächtnis funktioniert über die Phosphorylierung von Tyrosin. Hier sind es Calcium- und GABA-Ströme, die das Signal zur Phosphorylierung von Proteinen an den Synapsenwänden geben, indem sie Proteinkinasen aktivieren, die vom Zellinnern an die Zelloberfläche gelotst werden und dort das molekulare Gedächtnis „bahnen“. Das wichtigste bekannte Lernprotein heißt G-Protein cp20 und verschließt Kalium-Kanäle, wodurch die Depolarisation der Nervenzelle (Seite 246) abnimmt und ihre Erregbarkeit ansteigt. Aufeinander folgende Modifizierungen des cp20-G-Proteins durch Phospholipasen könnten dann das Ergebnis des Lernprozesses in der Nervenzelle zementieren. Dieser Phosphorylierungs-Mechanismus des Lernens wurde bei Meeresschnecken charakterisiert, die ihren Fuß bei Turbulenzen einziehen. Ihnen wurde beigebracht, dass Turbulenzen (Rühren ihres Mediums) immer mit einem Lichtreiz verknüpft waren, bis sie schließlich in ruhigem Wasser den Fuß einzogen, wenn man sie anblitzte. Dieser Lernprozess war eindeutig mit der Phosphorylierung des kleinen cp20-Lernproteins und der Inaktivierung der Kaliumkanäle verknüpft. Tyrosinkinase kontrolliert auch das Wachstum von Zellen und Tumoren und ist an der Aktivierung des Immunsystems beteiligt. Manche Krebs erregenden Viren enthalten das Gen, das für Tyrosinkinase codiert, die dann viele Wege in der Zelle unkontrolliert öffnet und so deren Wachstum und ihre Vermehrung beschleunigt. Ähnliche Phosphorylierungen bestimmen die „Plastizität“ des Gehirns, das heißt die strukturelle Fixierung synaptischer Kanäle in Lern- und Gedächtnisprozessen. Das zeigt zum Beispiel der Einfluss großer Insulinmengen auf die Schizophrenie. Patienten sind aus einem Koma nach ungewollt zu hohen Insulin-Mengen zuweilen erwacht und waren von der Schizophrenie geheilt. Proteine binden Wasser vor allem an Phosphatstellen. Fehlen Proteine und gebundenes Phosphat bei Verhungernden, so kommt es zu enormen Wasseransammlungen im Körper, den Hungerödemen. Unterernährte in Slums sterben an Krankheiten dieser Art, die in reichen Industrieländern keine Bedeutung haben.

Fragen zu Tyrosin

Bei Gesunden öffnet die Phosphorylierung die Wasserwege zwischen den Zellen und in den Membranporen. Phosphat ist das wichtigste molekulare Bindungs- und Schleusenelement auf den Wasserwegen für die gelösten Na+-, K+und Ca2+-Ionen und an den Oberflächen von Muskel- und Nervenzellen.

Fragen zu Tyrosin

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Was ist die Ursache von Hungerödemen? Wie funktionieren die meisten essbaren („oral wirksamen“) Pharmaka? Was passiert mit Proteinen, die Sie essen, zuerst? Woraus besteht Hausstaub hauptsächlich? Woraus besteht ein Pferdehuf? Nennen Sie essenzielle Aminosäuren und gute Quellen dafür. Wo kommen Neurotransmitter hauptsächlich vor? Was tun Serotonin und Melatonin für Sie? Wieso ist Phenol ein guter Proteinanker für Pharmaka aller Art? Woraus bestehen die harten, trockenen Blätter auf dem herbstlichen und winterlichen Waldboden? Können Sie helicale und blattartige Proteine im Kaufhaus kaufen? Wieso ist Leder stabil, tote Tierhäute aber nicht? Was wissen Sie von den Polyamiden der Bakterien? Gleichen sie alle denen der Tiere und Menschen? Was dürfen Psychologen im Gegensatz zu Psychiatern nicht? Warum nicht? Fassen Sie die biologische Wirkung des Phenols in zwei kurzen Sätzen zusammen.

215

217

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung Wahr ist, dass es ohne Phosphor keine Gedanken gibt . . . (Joseph Conrad) Existenz ist Nervenexistenz. (Gottfried Benn)

Überblick

Die Phosphatchemie versorgt das Innenleben der Menschen und Tiere mit den festen Gerüsten der Knochen und Zähne, den Phosphatester-Oberflächen der fluiden Zellmembranen, den dynamischen Phosphat-Leitsystemen für Kalium- und Natrium-Ionenströme in Nerven und Muskeln sowie den PhosphorsäurediesterGerüsten der DNS- und RNS-Matrizen für die Zellteilung. Die dazu verwendeten Phosphatmoleküle heißen Apatit, Lecithin, Tyrosin- und Serinester, Phosphorsäureanhydride, Nucleotide, Cyclonucleotide und Polynucleinsäuren. Ohne Phosphat gäbe es kein Denken, Fühlen, Sehen, keine zielgerichtete Bewegung, keine Zellmembranen und keine Zellteilung. 50–100 kg ATP werden von einem Menschen täglich gebildet und wieder zersetzt, um den Phosphorylierungsbetrieb in diesen unterschiedlichen Reaktionszentren aufrecht zu erhalten. 5.1 Nucleoside sind N-Glycoside von Nucleinbasen mit Ribose oder Desoxyribose. Wenn die Ribose oder Desoxyribose außerdem mit Phosphorsäure verestert ist, spricht man von Nucleotiden. In der DNS gibt es vier Nucleinbasen: die beiden Pyrimidinbasen Cytosin (C) und Thymin (T), sowie die bei-

218

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

den Purinbasen Guanin (G) und Adenin (A). Drei der Nucleinbasen enthalten das unübertroffen polare Harnstoffmotiv –NH–CO–NH–, nur das Adenin ist ein unpolarer Aromat. 5.2 Die Beweglichkeit der Fünfringzucker Ribose und 2-Desoxyribose (Pseudorotation der Furanosen) erlaubt die Bildung eng gewickelter Doppelhelices und macht Nucleoside und Nucleotide wasserlöslich. Adenosin bestimmt den Schlaf- und Lebensrhythmus der Tiere; Coffein stört den Schlaf, Barbitale unterstützen ihn. 5.3 Das Erbmaterial Desoxyribonucleinsäure (DNS; engl. DNA für Acid anstelle von „Säure“) ist ein polymerer Phosphorsäurediester aus Nucleotiden. DNS ist eine Doppelhelix mit einem negativ geladenen Außengerüst aus Phosphorsäurediestern und A-T- und C-G-Basenpaaren. Die Auftrennung der Doppelhelix in Einzelstränge bei Zellteilungen ist nur möglich, weil die Desoxyribose die Basenstapel auflockert. Die negative Ladung der Phosphorsäurediester schützt sie vor der Hydrolyse. 5.4 Enzymatische Phosphorylierungen von Alkoholen mittels ATP und Kinasen sowie Dephosphorylierungen mittels Phosphorylasen und ADP sind die häufigsten chemischen Reaktionen in Menschen und Tieren. Sie kontrollieren die negativen Ladungen in Membranporen, die dort zuerst die Ionenströme (Na+, K+, Ca2+) steuern, sie dann entlang der Nerven- und Muskelfasern führen und schließlich zusammen mit ortsspezifischen Signalmolekülen (Neurotransmittern) über synaptische Spalten zur nächsten Faser leiten. Wir kommen mit dem Phosphor zum ersten der drei Elemente aus SCHÖPFeN, die schwerer als Sauerstoff sind, also nicht aus dem C,N,O-Zyklus stammen. Phosphat-Anionen (15PO3– 4 ), die uns als stabiler Baustein schon im Lecithin begegnet sind, werden hier als aktivste Moleküle der Menschen und Tiere beschrieben, im nächsten Kapitel folgen Schwefel (16S) und Eisen (26Fe), die die Atmung ermöglichen. Diese drei Elemente kommen aus den Kernfusionen in großen Sternen und sind Millionen, der Phosphor sogar Milliarden Mal seltener als Wasserstoff. Außerdem brauchen wir für die Ionenströme der Nerven und Muskeln die Metallionen 11Na+, 12Mg2+, 19K+ und 20Ca2+. Nur das Magnesium ist davon ein häufiges Atom im Weltall. Elementarer Phosphor (griech. phosphorus, „Leuchtstoff“) ist biologisch irrelevant, wird aber aus den biologischen Phosphaten einfach dadurch freigesetzt, dass man tierisches Material, zum Beispiel Urin, unter Luftabschluss erhitzt und eindampft. So wurde der Phosphor im 17. Jahrhundert entdeckt: Nach dem Eindampfen hunderter Liter menschlichen Urins leuchtete der Rückstand in einem verschlossenen Glaskolben magisch weiß, mit einem blauen Schimmer. Der unappetitliche Harnrückstand „phosphoreszierte“ allein deshalb, weil seine durchs Eindampfen angereicherten Kohlenstoffverbindungen und sein Ammoniak das Phosphat in der Hitze langsam zu weißem Phosphor reduziert hatten. In Gegenwart von Spuren Sauerstoff verglomm dieser weiße Belag der Kolbenwand dann „kalt“, er leuchtete (Abb. 5.1).

Überblick

Abb. 5.1 Unter Luftabschluss eingetrockneter Urin enthält elementaren Phosphor, der durch die Reduktion des in ihm enthaltenen Phosphats entstanden ist. Als Reduktionsmittel wirken praktisch alle Verbindungen biologischen Ursprungs. An der Luft leuchtet („phosphoresziert“) der weiße Phosphor,

während er langsam wieder zurück zu Phosphat oxidiert wird. Durch Eindampfen großer Harnmengen unter Luftabschluss haben die Alchemisten im 17. Jahrhundert zum ersten Mal elementaren Phosphor hergestellt. Fiktives Porträt des Apothekers Hennig Brandt (etwa 1630–1692) von Joseph Wright (1771).

In lebenden Organismen aber (bei 37 8C) bleibt der Phosphor immer im Oxidationszustand des Phosphats mit fünfwertigem Phosphor (P(V)). Die niedrigen Temperaturen und die niedrigen Konzentrationen der Reduktionsmittel in lebendigen Zellen reichen als Aktivierungsenergie zur Phosphatreduktion nicht aus, ein Enzym dafür gibt es nicht. Phosphat zieht mit seinen vielen negativen Ladungen positiv geladene Metallionen stärker an als irgendein anderes wasserlösliches Anion. Diese starke elektrostatische Wechselwirkung des Phosphattetraeders mit Metallionen zeigt sich in Kristallstrukturen (Abb. 5.2), ist auch in wässrigen Lösungen noch selektiv

Abb. 5.2 In kristallinen Metallphosphaten tritt das Phosphat-Ion als Monomer oder auch als Polyanhydrid auf. Das Natrium des Natriumphosphats ist ein typischer Ladungsträger für Nervenströme, aus Calciumphos-

phat sind die Zähne und Knochen. Eisen(III) benutzt man in Berlin täglich tonnenweise, um das Düngerphosphat aus dem Tegeler Fließ und dem Nordgraben auszufällen, bevor es in den Tegeler See gelangen kann.

219

220

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

wirksam (Na+ < K+ < Ca2+ < Mg2+ < Fe3+) und bildet die chemische Basis der Nervenströme und Muskelbewegungen. Ohne Phosphat gäbe es keine Ionenströme aus Natrium- und Kalium-Ionen, oft unter Beteiligung von CalciumIonen. Muskeln, Nerven und Gehirn wären nicht aktiv, den typisch tierischen Geweben fehlte jede Existenzberechtigung (Abb. 5.2). Phosphate treten mit vier stark elektronegativen Sauerstoffatomen und wenigstens einer einzigen negativen Ladung im Lecithin-Diester (Seite 107) oder mit bis zu fünf negativen Ladungen im Adenosintriphosphat ATP (Seite 217) auf. Phosphat saugt Metallionen auf wie kein anderes negativ geladenes Ion der Natur und ist damit der stärkste Vertreter des empfangenden Yin-Prinzips im Menschen. Es wird täglich in 10-kg-Mengen eingesetzt, um positiv geladene Metallionen zu bewegen. Jede humane Aktivität läuft auf wässrigen Wegstrecken entlang von Phosphatsammelstellen ab, die die Ströme der positiv geladenen Ionen (Yang) leiten. Die Salzströme entlang der Oberfläche unserer Nerven und Muskeln, die elektrischen Netzwerke unseres Gehirns sind ohne die „Phosphorylierung“ der biologischen Oberflächen undenkbar. Phosphat hält die Natrium-, Kalium-, Calcium- und Magnesium-Ionen im Körper fest. Eine Feinabstimmung der Phosphatwirkung, insbesondere die Anreicherung von Kalium-Ionen, erfolgt außerdem durch die Carboxylat-Gruppen (–COO–) der Proteine (Glutamat, Aspartat) innerhalb der biologischen Zellen. Diese sorgen dafür, dass sich locker hydratisierte Kalium-Ionen innerhalb der porösen Membran direkt als K+ anreichern, während die hydratisierten Natrium-Ionen draußen bleiben. Der Ausspruch von Joseph Conrad – „Wahr ist, wie irgendein Deutscher bemerkt hat, dass es ohne Phosphor keine Gedanken gäbe“ – ist für unser Leben von gleicher allgemeiner Bedeutung wie Heraklits Wassersatz „Alles fließt.“ Die Höflichkeit des Engländers aus Polen, diese Erkenntnis ausgerechnet „irgendeinem Deutschen“ in den Mund zu legen, folgt über das Poetische hinaus außerdem bester europäischer Tradition. Man liest das noch nach hundert Jahren gern. Die funktionellen Teile oder Module biologischer Maschinen halten in wässrigen Medien lückenlos zusammen und greifen reibungslos ineinander. Nur so konnten sich die sieben Moleküle in der biologischen Evolution durchsetzen. Räumlich und funktionell genau passende Moleküle, die außerdem vom Organismus selbst hergestellt werden, wurden von den milliardenfach reproduzierten lebendigen Spezies aller Art über tausend Generationen hinweg wieder und wieder verwendet. Lösliche Kohlenhydrate und Sauerstoff, beide erst durch die biologische Evolution zugänglich gemacht, dienen den Menschen schon zweihunderttausend Jahre lang als Betriebsmittel. Unlösliche Lecithinmembranen und funktionelle Proteinfasern erzeugen quellfähige wässrige Gele und kapillare Leitsysteme. Mit dem wasserlöslichen Überträger des Phosphats, dem Adenosintriphosphat oder ATP, kommt Leben in die Wasserwege zwischen den Zellmembranen aus Phospholipiden. Elektrische Ströme fließen auf ATP-Initiative, die riesigen DNS-Polymerstränge mit der Zuckerphosphatoberfläche leiten Zellteilungen ein. Ohne das Phosphat aus dem ATP gäbe es nicht nur keinen Gedanken, son-

5.1 Aminopurin-Motive

dern auch keine Sinnesorgane, kein Gefühl, keine Bewegung und keine Vererbung. ATP ist ein Zuckertriphosphat (TP) und ein Aminopurin N-Glycosid (A). Wir werden uns zuerst das „A“ ansehen.

5.1 Aminopurin-Motive

Der Charakter von drei der vier Nucleinbasen wird vom Strukturmotiv des Harnstoffs –NH–CO–NH– bestimmt. Nur das Adenin, die Base des allgegenwärtigen ATP, enthält es nicht. Harnstoff ist aggressiv gegenüber Proteinen und zerstört seine Helices. Man hat Harnstoffmotive nicht gern in großen Mengen im Körper. Harnstoff selbst, NH2CONH2, ist ein Hauptprodukt des Proteinabbaus und wird im Magen und im Harn (Urin) entsorgt. Es ist das sehr gut wasserlösliche Diamid der Kohlensäure: Die beiden Hydroxylgruppen der Kohlensäure O=C(OH)2 sind gegen Aminogruppen ausgetauscht, also O=C(NH2)2. Während die Kohlensäure in Wasser spontan zu gasförmigem Kohlendioxid und Wasser zerfällt, ist Harnstoff dort relativ langlebig. In Toiletten und im Wassersäckchen der Vorhaut des männlichen Glieds bildet er langsam Kohlendioxid und Ammoniak gemäß (NH2)2C=O + H2O ? CO2 + 2 NH3, wobei Letzterer den unangenehmen Geruch öffentlicher Aborte und alternder Männer bewirkt. Urin ist, frisch aus der Niere kommend, zunächst nur schwach basisch (pH = 7,4), aber „altert“ dann rasch mit einem pH-Anstieg auf 9 bis 11. Harnstoff hat von allen biologisch relevanten Verbindungen das höchste Dipolmoment (3,8 Debye). Das Dipolmoment des Wassers ist nur halb so groß (1,8 Debye), beim Formaldehyd mit einer einzigen polarisierbaren C=O-Doppelbindung findet man 2,8 Debye. Beim Harnstoff wirkt die gleiche Mesomerie zugunsten dipolarer Grundzustände wie in der Amidbindung der Proteine, nur ist sie im Harnstoff doppelt ausgeprägt und doppelt wirksam (Seite 222). Harnstoff ist billig aus Ammoniak und Kohlendioxid zu machen und er ist nützlich. Verspritzt man eine wässrige Harnstoff-Lösung in Automotoren zusammen mit Dieselöl, so reduziert der in der Hitze entstehende Ammoniak die

Abb. 5.3 Der Dipol des Harnstoffs. Sein Dipolmoment ist 3,8 Debye (D), das des Formaldehyds H2C=O 2,8 D, das des Wassers 1,8 D. Die Ursache des hohen Dipolmoments von Harnstoff ist die Mesomerie mit einer effektiven Übertragung von Elektronen vom Stickstoff auf den Sauerstoff.

221

222

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Stickoxide der Verbrennungsgase zum elementaren Stickstoff der Luft und löst damit das Umweltproblem moderner Dieselmotoren. Es entsteht dann weder NO noch NO2 noch irgendwelche Säuren, die Wälder vernichten. Es könnte aber geschehen, dass Tankstellen an Regentagen nach Urin riechen (Abb. 5.3). Harnstoff lagert sich auf Grund seines Dipols an die Carbonylgruppen (=CO) der Proteine an und spaltet dabei deren Wasserstoffbrücken. Das hat zur Folge, dass sich Membranporen in Nerven, die aus Helices gebildet werden, schließen (Seite 246 f), dass Enzyme desaktiviert werden und Helices sich zu statistischen Knäuels wandeln. Ursprünglich perfekt organisierte Proteine verlieren in einer Harnstofflösung ihre Funktionalität. In Körperflüssigkeiten spielen die zerstörerischen Kräfte bei geringer Konzentration allerdings kaum eine Rolle, weil Harnstoff so gut wasserlöslich ist, dass er eher im Wasserstrom des Bluts das Weite sucht und im Urin abläuft als sich auf Dauer an einem Protein festzuhaken (Abb. 5.4).

Abb. 5.4 Harnstoff, O=C(NH2)2 (zweimal im Bild als polare Grenzform), zerstört jede Ordnung, die auf Wasserstoffbrücken beruht (gestrichelte Linien in der Protein-a-Helix links). Geordnete Polymerstrukturen werden zu regel- und funktionslosen Knäueln.

Harnsäure, ein anderes Abbauprodukt der Proteine, ist ein Molekül mit zwei Harnstoffmotiven. Sie landet wegen ihrer Wasserunlöslichkeit nicht in Niere und Harn, sondern in den Faeces. Die beiden Stickstoffcyclen der Harnsäure mit doppeltem Harnstoffmotiv bezeichnet man als „Purin“, sie bilden beidseitig starke Wasserstoffbrücken aus, sodass sich nur 1 g Harnsäure bei Raumtemperatur in 15 L Wasser löst. Harnsäure ist deshalb der Hauptbestandteil fester Vogelexkremente (Guano), der Blasensteine und der Gichtablagerungen in Gelenken.

5.1 Aminopurin-Motive

Andererseits ist Harnsäure so polar, dass die Amid-Stickstoffatome in wässriger Lösung bei pH = 7 teilweise deprotoniert werden. Die sonst immer basische oder neutrale N–H-Bindung wird hier zur schwachen Säure, was der Harnsäure den Namen gab. Im „Blasenstein“, der die Harnwege verstopft, liegen meist Natrium- oder Ammoniumsalze der Harnsäure vor (Abb. 5.5).

Abb. 5.5 Harnsäure wird schon bei den leicht basischen pHWerten des Harns im Körper in das leicht auskristallisierende Natriumsalz umgewandelt.

Die Paarbildung von sekundären Amiden, –CO–NH–, ist die molekulare Grundlage der Helixbildung in Proteinen (Seite 222) und der Dimerisierung von Nucleinbasen in DNS-Doppelhelices (Seite 233). Hydrophobisierte Harnsäure-Derivate, die die Blut-Hirn-Schranke überwinden (Seite 147), zerstören Wasserstoffbrücken in Membranproteinen des Gehirns und versetzen dieses für einige Stunden in einen Schlafzustand (Barbital, Adenosin). Analog gebaute Moleküle mit blockierten Protonendonoren rütteln es wieder wach (Coffein). Ein für die Pharmaindustrie seit 125 Jahren lukratives Schlafmittel ist die Barbitursäure, die aus Harnstoff und Malonsäure im Tonnenmaßstab billig produziert wird. Ihr Harnstoff-Motiv stört die Ordnung der Membranproteine; das Hirn schaltet den Körper in den Ruhezustand, bis die Störung verschwunden ist. Barbitursäure selbst ist wenig wasserlöslich (< 5 g/L), aber immer noch zu stark hydratisiert, um das Innere der Proteine attackieren zu können. Sie haftet sich lediglich an deren Oberfläche. Zellmembranen kann sie nicht passieren. Die Lage ändert sich, wenn zwei hydrophobisierende Ethyl- oder Phenylgruppen (Wasserlöslichkeit: 1 g/L) die Wasserstoffatome der Malonsäurekomponente –COCH2CO– ersetzen. Solche Substituenten erzeugen eine hydrophobe Kante, über die sich die Moleküle in die Membran einschleusen. Die hydrophobe Kante bringt das Barbital durch die Blut-Hirn-Schranke hindurch (Seite 147). Im Gehirn stören die Harnstoffgruppen –NH–CO–NH– dann die Ionenporen aus Membranproteinen. Das bringt die Nervenströme durcheinander, die Synapsen funktionieren nicht mehr richtig und das Gehirn dämmert in einem Ruhezustand der Zellkommunikation hin. Es schläft! Der Impulsverkehr wird so lange gedrosselt, bis das störende Harnstoffderivat wieder abgebaut und ausgeschieden ist (Abb. 5.6). Der harnstoffinduzierte Schlafzustand ist umkehrbar, nicht aber die Verkrüppelung einer im Mutterleib heranwachsenden Frucht, bei der blockierte Enzyme und Hormone zur Unterentwicklung von Gliedmaßen und Gehirn führen. Die Contergan-Katastrophe von 1962 beruhte auf einer Vergiftung der Embryos mit einem besonders gut membrangängigem Barbitursäure-Derivat. Man versprach sich geringe Nebenwirkungen für die Mutter, weil Contergan in

223

224

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Abb. 5.6 Kristallstrukturen a) der Diethylharnsäure-Bänder (Barbital, die Ethylgruppen –C2H5 sind die blauen Häkchen, vgl. Seite 110) und b) des „Mercedes-Sterns“ aus einem Molekül Harnstoff im Zentrum und drei Molekülen Barbital. Die extrem stabilen Wasserstoffbrücken begünstigen einerseits die

Bildung von Kristallen in Wasser, andererseits zerreißen sie schwächere Wasserstoffbrücken in Proteinen. Die reversible Zerstörung von Proteinstrukturen veranlasst das Gehirn einzuschlafen. Die hydrophoben Kanten mit den beiden Ethylgruppen schleusen das Molekül durch die Blut-Hirn-Schranke.

geringer Dosis wirkte, aber leider überwand das Mittel die Plazentaschranke ebenso mühelos wie die Blut-Hirn-Schranke. Der Stoffwechsel der ungeborenen Babys wurde gedrosselt und die Glieder verkümmerten (Abb. 5.7).

Abb. 5.7 Barbiturate und Schlaf: Purinbasen in den Steuerzentren von Rezeptoren. Der Rezeptor wird erst wieder funktionieren, wenn das Barbiturat-Molekül verschwunden ist.

5.1 Aminopurin-Motive

Zurück zur Harnsäure, der Mutter der Purinbasen (Purin, lat. purum urinae, „Reines vom Harn“). Purin besteht aus den beiden Stickstoff-Aromaten Imidazol und Pyrimidin mit je sechs p-Elektronen. Adenin enthält außerdem eine Aminogruppe, ist so stabil wie ein Benzolderivat, das aromatische p-Elektronensystem des Rings wird durch die externe NH2-Gruppe nicht gestört. Mit Säuren bildet Adenin protonierte Kationen –NH+3 , mit Basen deprotonierte Anionen –NH–. Beide sind in Wasser langlebig und zersetzen sich kaum. Guanin, das erstmals aus Guano isoliert wurde, dem Vogelmist auf den Küstenfelsen Chiles, ist die zweite Purinbase der DNS (Seite 231). Es enthält zwei Harnstoffmotive mit C=O-Bindungen und ist kein Aromat, sondern ein cyclisches Amid, ein Lactam. Der doppelt gebundene Sauerstoff-Substituent am Sechsring zieht die Elektronenpaare aus dem Pyrimidin-Ring heraus und unterbricht das cyclische Elektronensystem der Doppelbindungen im Sechsring; der Benzolcharakter geht verloren (siehe Seite 173). Guanin verhält sich wie Harnstoff, bildet sehr feste Wasserstoffbrücken und schuppenartige, harte Kristalle, die zum Beispiel den Glanz der Fisch- und Reptilienhäute hervorrufen. Ein anderes Harnsäuremolekül, bei dem die drei NH-Gruppen zu N–CH3 methyliert wurden, heißt Coffein. Dieser Ersatz behindert zwar die Hydratisierung, sprengt aber gleichzeitig drei Wasserstoffbrücken. Coffein ist deshalb in Wasser (22 g/L) viel besser löslich als Harnsäure (0,07 g/L) und durchdringt Zellmembranen (Abb. 5.8).

Abb. 5.8 In den Kristallen von Coffein, Guanin und Adenin liegen die verschiedenen Ebenen der Purinbasen in gleicher Weise schräg hintereinander. Im Coffein sorgen drei Methylgruppen für die Trennung der einzelnen Moleküle; die Kristalle sind weich und unscheinbar. Im Guanin sind die Moleküle durch starke –NH···O=C- Wasserstoffbrücken (NH2–OC) zu harten glänzenden Schuppen

verbunden. Adenin bildet schwache Brücken aus und konnte überhaupt nur durch Zugabe von Salzsäure (Chlorid, grün), also durch die erzwungene Bildung von Ammoniumsalzen, kristallisiert werden. Welches der fünf Stickstoffatome protoniert wurde, ist in der Struktur nicht erkennbar; für das Proton reichte die Auflösung nicht.

225

226

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Coffein findet sich im Samen des Kaffeestrauchs, in Blättern und Stielen der Teepflanze und im fein gemahlenen Samen des Kakaobaums. Kaffee und Kakao enthalten etwa 1,5 Gewichtsprozent Coffein (beim Kakao auch als Theobromin mit einer Methylgruppe weniger, aber ähnlicher Wirkung), trockener Tee etwa acht Gewichtsprozent. In einer Tasse Kaffee sind durchschnittlich 100 mg Coffein gelöst, eine Tasse Tee oder eine Tafel Schokolade enthält die Hälfte davon. Organische Lösungsmittel extrahieren Coffein aus geröstetem Kaffee, aber entfernen auch viele Aromastoffe. Coffeinfreier Kaffee wird so geschmacklos und unverkäuflich. Geschmacklich bewährt hat sich die milde Extraktion des Coffeins mit kaltem, flüssigem Kohlendioxid unter Druck. Da Kohlendioxid ebenso ein Derivat der Kohlensäure ist wie Coffein, mögen die beiden einander – „Gleiches löst Gleiches“ – während die weniger polaren Aromastoffe kaum entfernt werden. Das vom Kaffee abgetrennte Coffein wird in Colagetränke gemischt, der braun-körnige Rückstand der Extraktion ist coffeinfreier, „aromatischer“ Pulverkaffee. Dieser Vorgang charakterisiert die Getränkeindustrie – sie beschäftigt sich fast ausschließlich mit der Umverteilung und dem Vertrieb einiger weniger Wirk- und Aromastoffe (Ethanol, Coffein, Saccharose, Kohlen-, Citronen- und etwas Ascorbinsäure, Aspartat, Phenole aller Art), die sie in sehr großen Wasservolumen auflöst. Der finanzielle Aufwand dieser Industrie kann dort, wo reines Trinkwasser zur Verfügung steht, nur als absurd bezeichnet werden, denn das Kanalisationssystem und eine Tüte Kaffee oder Tee oder sonst irgendein Pulver tun es auch; die Industrie macht nichts weiter als einzudampfen, wieder aufzulösen und Lastwagenkolonnen durch die Gegend zu schicken. Viel Wasser und Tee zu trinken und es dabei mit dem Coffein nicht zu übertreiben, scheint ein Gebot der Vernunft zu sein, wenn Sie weder die vielen Lastwagen noch die großflächigen Supermärkte in Ihrer Straße mögen. Kaffeebohnen sind fermentierte und geröstete Samenkörner, die von Samenschalen und Fruchtfleisch befreit wurden. Fermentation verwandelt das schleimige Fruchtfleisch in einen Brei, der abgewaschen wird. Der erhaltene „Hornschalenkaffee“ wird in der Sonne getrocknet, Keime sterben dabei ab, die Hornschale wird abgeschält und abgeblasen und der verbleibende Kern des Kaffeesamens in Trommeln bei 200–250 8C geröstet. Bei dieser heftigen Trocknung entstehen mehr als dreihundert Pyrolyseprodukte, die Geschmack und Aroma bestimmen. Beides kann durch einzelne „Stinker“ nachhaltig verdorben werden. Stinkerbohnen sind Samen, deren Embryonen nach zu lange währender Fermentation abgestorben sind und die dann zur Brutstelle für schwefelhaltige Mikroorganismen wurden. Äußerlich sind Stinkerbohnen kaum zu erkennen, in ultraviolettem Licht aber fluoresziert das Tyrosin der mikrobiellen Zellproteine. Fluoreszenzgesteuerte Verlesemaschinen sortieren die Stinker aus. Mit zunehmendem Alter verschlechtert sich die Qualität von frischen Teeblättern, was nur heißt, dass das Teearoma verloren geht. Das noch nicht voll entfaltete Spitzenblatt eines Zweigs, das Pekoeblatt, enthält am meisten Phenole (26% Catechole und Coffein (5%). Das ist wohl deshalb der Fall, weil das jungzarte Blatt im Frühling auf hungrige Insekten und Hasen trifft, vor denen es sich mit Bitterstoffen schützt. Das dritte Teeblatt von oben ist schon weniger

5.1 Aminopurin-Motive

aggressiv (17% Phenole und 3% Coffein), dessen oberer Stielteil noch weniger (11 bzw. 2,5%), unten ist kaum noch Wirkstoff (5 bzw. 1,4%). Die entsprechenden Pflückformen heißen Imperial (nur die Pekoespitze P) und Weiß- oder Goldpunkt (Pekoespitze plus erstes Blatt, P + 1). Mindere Qualitäten bekommen nur noch Nummern (z. B. P + 4). Prestigesüchtiges, gewinnoptimiertes Marketing ist hier wie überall etwas abwegig, die zu Grunde liegende Biologie oft wunderbar einsichtig. Beim Grüntee werden die Enzyme der Teeblätter durch kurzes Erhitzen deaktiviert, schwarzer Tee hingegen wird tagelang bei 30 8C fermentiert und dann erst eine halbe Stunde lang bei 100 8C deaktiviert. Kakao ist das dritte und das fetthaltigste (54%) coffein- und theobrominhaltige (zusammen 1,4%) Produkt. Er enthält aber auch viele Phenole und Proteine (je 12%) und hunderte von flüchtigen und nicht flüchtigen Aromastoffen (Abb. 5.9).

Abb. 5.9 Der grünliche Samen in roten Kaffeekirschen, der gelbe Samen der Kakaofrüchte und die grünen Teeblätter enthalten Coffein aus demselben Grund: Sie wollen von Tieren und Mikroorganismen nicht aufgefressen werden. Coffein ist für diese ent

weder ein ungenießbarer Bitterstoff oder ein Gift. Bei uns verdrängt es das Adenosin bei Tag und Nacht und hält uns wach. Lexikographisches Institut München, Neuer Bildatlas Pflanzen, Parkland, München, 1991.

Adenin ist der in Wasser wenig lösliche (0,5 g/L) „Erkennungsteil“ oder der „Anker“ des ATPs, das Triphosphat ist sein reaktives Zentrum (Seite 239). Die mit dem Adenin verknüpfte, bewegliche Ribose macht Adenin zum wasserlöslichen Adenosin. Überschüssiges Adenosin wird abends vermehrt von Adenosin-Rezeptoren des Nervensystems und Gehirns aufgenommen, was zur Ermüdung führt. Vermutlich hat die Evolution das beim Landgang der Meerestiere eingeführt, die bei Nacht nichts sehen können und dann Jäger nicht zu fürchten brauchen. Nach kurzem oder längerem Schlaf regenerieren Kinasen dann ATP auf Kosten des Adenosins und stellen bei Sonnenaufgang den wachen Zustand wieder her.

227

228

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Wasserlösliches Coffein bindet im Gehirn an die gleichen Rezeptoren wie das Adenosin. Mit einer Halbwertszeit des Coffeins von sechs Stunden hält es das Gehirn dadurch eine Nacht lang wach, weil nun die ATP-Konzentration immer gleich hoch bleibt. Die Verdrängung des aromatischen Adenins durch das Lactam Coffein mit dem polaren Harnstoffmotiv –N(CH3)CON(CH3)– ist nicht leicht zu verstehen. Coffein und Adenin gleiten in die gleichen Spalten an der Oberfläche von Rezeptorproteinen, obwohl sie sich nur wenig ähneln. Das ist wohl einfach deshalb der Fall, weil die Methylgruppen dem Harnstoffmotiv die Wasserstoffbrücken unmöglich machen. Dann entscheidet das gleichartige Einpassen der gleich großen Moleküle in die Spalte. Die Störung durch das Coffein beschleunigt Grundumsatz, Herzrhythmus und Atmung. Drei bis vier Tassen Kaffee, innerhalb weniger Minuten getrunken, bewirken Ruhelosigkeit, Zittern und Krämpfe. Zehn Tassen täglich verdrängen den nächtlichen Schlaf zugunsten eines Zustands zwischen Migräne und Schwindelgefühl. Verstopfung, Erbrechen und Kollaps können folgen. Eine Kaffeesucht aber gibt es nicht, Abstinenzerscheinungen äußern sich lediglich als vorübergehende Unlust. Coffein hilft bei Arbeiten, die müde machen – Korrekturlesen aller Art, Auswendiglernen, Wiederholen, die endlosen Gespräche in Cafés und Konferenzen.

Abb. 5.10 Geistige Routinearbeit – eine Tasse Kaffee wäre jetzt gut.

5.2 Die Pseudorotation der (Desoxy-)ribose

Routinearbeiten des Geisteslebens florieren so im Kaffeeduft, originelle Ideen aber entstehen erfahrungsgemäß im Dämmerzustand vor dem Ermatten, beim untätigen An-die-Wand-Starren oder in verlegenen Gesprächspausen, wenn sich die ATP-Aktivität auf das Eigenleben des Gehirns beschränkt (Abb. 5.10).

5.2 Die Pseudorotation der (Desoxy-)ribose

Die schlechte Wasser- und Membranlöslichkeit des Adenins beruht darauf, dass sich seine aromatisch-hydrophoben Purinringe schräg aufeinander stapeln und unlösliche Kristallite bilden. Beim Guanin bewirken hingegen die starken Wasserstoffbrücken zwischen den sekundären Amidgruppen eine Schuppenbildung (Abb. 5.9). Tote Kristalle aber können lebendige Organismen nicht brauchen, egal ob verbrückt oder gestapelt. Kristalle verstopfen die Wasserwege des Lebens. Adenin (Löslichkeit: 3,6 g/L) und Guanin (0,6 g/L) haben im Lauf der Evolution davon gelernt und sich mit einem beweglichen und deshalb gut löslichen Fünfringzucker verbunden, der Ribose. Adenin plus Ribose gibt Adenosin, aus Guanin wird Guanosin. Beim Guanosin bringt das allerdings zunächst nicht viel, es löst sich immer noch weniger als ein Gramm davon im Liter Wasser (0,75 g/L). Erst bei biologisch utopisch hohen Temperaturen von über 80 8C werden die Wasserstoffbrücken des Guanins gesprengt, was dann 33 g in Lösung bringt. Beim Adenosin sieht das anders aus – da lösen sich bei 25 8C schon 143 g/L, was die Löslichkeit des Coffeins von 21,7 g/L deutlich übertrifft. Wasserstoffbrücken werden durch die beweglichen Ribose-Substituenten also nicht gesprengt, wohl aber wird die Stapelung starrer Anteile unterbunden. Ribose oder 2-Desoxyribose allein spielen keine Rolle in der Entwicklung der Biologie (Evolution, lat. evolvere, „entwickeln“), wohl aber ihre mit Phosphat und Purinen substituierten Derivate AMP und GMP. Phosphorsäure verestert

Abb. 5.11 Desoxyribose liegt zu drei Vierteln als steifer Sechsring vor. Lagert man aber große Substituenten an, zum Beispiel Nucleinbasen oder Phosphat, so wandelt sie sich spontan und quantitativ in einen flexiblen Fünfring um (Seite 95 f), der genug Beweglichkeit bietet, um großen Substituenten zu erlauben, einander aus dem Weg zu gehen.

229

230

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

die primäre Alkoholgruppe an C-5, die Halbacetalgruppen der Ribose der Purine bilden mit dem aromatischen Imidazolring N-Acetale. Die Einführung dieser beiden großen Substituenten verwandelt den starren Sechsring der Ribose in einen vibrierenden Fünfring. Die großen Substituenten brauchen die Beweglichkeit des Fünfrings. Das prägt sich noch aus, wenn die Phosphorsäure mit einem zweiten Ribose-Ring verestert wird und die polymere DNS bildet (Abb. 5.11). Desoxyribose, das beweglichste Teil der DNS, verbindet so Nucleinbasen an C-1' mit Phosphorsäurediestern an C-5', wobei der Beistrich die Atome der Ribose von denen der Nucleinbase unterscheidet. In den Briefumschlagsformen E (von engl. envelope) liegen vier der fünf Atome des Rings in einer Ebene, das fünfte Atom ist herunter- oder hochgeklappt. In den ebenso häufig vorkommenden Twistformen T sind nur drei Atome in einer Ebene, zwei liegen auf entgegengesetzten Seiten dieser Ebene. Beide Faltungen, Briefumschlag E und Twist T, sind etwa von gleicher Energie, beide treten bei Raumtemperatur häufig auf. Die Nucleinbasen N an C-1 und das Phosphat an C-3 und C-5 liegen in der DNS-Doppelhelix in einer Ebene oberhalb und unterhalb des Fünfrings der Desoxyribose. Wenn C-3 und C-4 um ihre Ruhelage vibrieren, vibrieren auch die Phosphorsäurediester-Ketten und die Aufspaltung der Doppelhelix in Einzel-

Abb. 5.12 a) Viele Gestalten (Konformationen) der Ribose, und solche b) die sich durch Rotation um die C–C-Bindungen ergeben, haben die gleiche Energie. Die Beweglichkeit der Ribose ist die Ursache der Flexibilität der DNS, mit einem weniger beweglichen Zuckerester wäre die Teilung der Doppelhelix bei Körpertemperatur kaum möglich.

c) Energiediagramm der Rotation der Riboseester-Bindungen von 608 bis 1608 (praktisch energielos). Das synthetische GlucoseAnalogon hingegen fällt bei 608 in ein Energieminimum von –9 kcal/mol. Diese Gestalt des Moleküls könnte bei Raumtemperatur nicht verändert werden, sie würde „einfrieren“.

5.3 DNS (Desoxyribonucleinsäure)

stränge ist vorbereitet. Wärmeschwingungen des Fünfrings im DesoxyriboseKettenglied führen zu ausgeprägten, weiträumigen Bewegungen der Phosphorsäurediester-Kette in der DNS und der Nucleinbasen. Beide Substituenten bewegen sich heftig, wenn der Zuckerfünfring vibriert, wenn er „pseudorotiert“ (Seite 95 f). Die großen Substituenten wirken als Hebelarme (Abb. 5.12).

5.3 DNS (Desoxyribonucleinsäure)

Die Desoxyribonucleinsäure (DNS), das genetische Material der Chromosomen, ist ein Phosphorsäurediester wie Lecithin (siehe Seite 107). Die vier Sauerstoffatome gemeinsam mit der negativen Ladung halten das elektronegative Sauerstoffatom des Wassers vom zentralen Phosphoratom fern. Deshalb findet eine Hydrolyse von Phosphorsäurediestern bei pH = 7 kaum statt – nur darf die negative Ladung nicht von Protonen (Säuren) neutralisiert werden. Der Phosphorsäure-Diester ist ein Polymer mit der Sequenz Phosphorsäure(1)–Desoxyribose(1)–Phosphorsäure(2)–Desoxyribose(2)–Phosphorsäure(3)– Desoxyribose(3), wobei die OH-Gruppen an C-3 und C-5 der Ribose die Phosphorsäure verestern. Außerdem ist jede der Halbacetalgruppen (Seite 60) an C-1 mit Nucleinbasen substituiert, die Desoxyribose liegt als N-Glycosid oder

Abb. 5.13 Drei Nucleotide (pTpCpA) der DNS und ihr Gegenstrang (ApGpTp) in einer Doppelhelix, die flach in die Papierebene projiziert wurde.

231

232

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Nucleosid vor. DNS ist ein Phosphorsäurediester-Polymer von Nucleosiden. Nucleoside sind N-Glycoside der 2-Desoxyribose mit einer von vier Nucleinbasen. Die vier Nucleinbasen sind die Purine Guanin (G) und Adenin (A) und die Pyrimidine Thymin (T) und Cytosin (C) (Abb. 5.13). Die oben erwähnte Beweglichkeit der Desoxyribose erlaubt der –C–O–P–O–CBindungssequenz des Diesters fast jede beliebige Verdrillung – die Kohlenstoffatome der Desoxyribose drehen ihre OH-Gruppen mit Leichtigkeit beiseite, wenn sie sich zu nahe kommen. Aus der üblichen gestreckten all-trans-Stellung kann problemlos die äußere C–O-Bindung um 608 verdreht werden, was eine Krümmung der Helix erzeugt und die elektronische Abstoßung zwischen den beiden Estersauerstoffatomen verringert (Abb. 5.14).

gauche Abb. 5.14 Die Phosphorsäurediester-Bindung favorisiert eine gauche-Position der mit dem Phosphat verknüpften Kohlenstoffatome der Desoxyribose (grau). Dadurch wird die Kette leicht gekrümmt, die gewundene Doppelhelix der DNS ist vorprogrammiert.

Der dritte Teil eines Kettenglieds der DNS ist, nach dem Phosphat und der Desoxyribose, eine der vier Nucleinbasen Guanin (G), Cytosin (C), Adenin (A) und Thymin (T). Sie sind als Stickstoff-Acetale an das Aldehyd-Kohlenstoffatom (C-1) der Desoxyribose gebunden und treten in der DNS-Kette in beliebiger Reihenfolge auf, z. B. ApGpCpCpT, wobei „p“ Desoxyribosediphosphat gemäß Abbildung 5.13 bedeutet. Die Dicke eines Basenpaares beträgt 0,34 nm und eine entsprechende Packungsdichte wird mit Röntgenstrahlen in der DNS auch gemessen. Die Basenpaare berühren sich also, sie bilden einen Stapel innerhalb der Doppelhelix. Die Basensequenz in der zweiten Kette korreliert vollständig mit der der ersten Kette, wobei einer großen Purinbase mit zwei Ringen immer eine kleine Pyrimidinbase mit einem Ring gegenübersteht. Nur A-T- und G-C-Paarungen kommen vor. Ist in der ersten Kette G, so wird ihr von der zweiten C gegenüber gestellt, A paart sich immer mit T. Die Merkregel der Chemiker heißt „AT“ (engl. at, „an“), A geht also immer mit T. Für G-C braucht man dann keine Merkregel mehr. Diese Paarungsregel wird vor allem deshalb strikt eingehalten, damit der Durchmesser der Doppelschraube einheitlich 0,8 nm beträgt, was der Breite von drei kleinen Ringen entspricht, einer Purinbase mit zwei und einer Pyrimidinbase mit einem Ring. Das Fremdgehen auch nur einer einzigen Base, die Bildung eines anderen Paars als AT und GC, wird in der Doppelhelix strikt unterbunden. Regionen mit einer Anreicherung von G-C-Paaren mit drei Wasserstoffbrücken sorgen zu-

5.3 DNS (Desoxyribonucleinsäure)

verlässig für Festigkeit und Ordnung der Doppelhelix, eine längere Abfolge von A-T-Paaren vermittelt der Doppelhelix die Flexibilität für Zellteilungen. Lineare all-trans-Phosphorsäurediester haben allerdings die doppelte Länge der Dicke der Basenpaare. Wären die Basenpaare einfach so gestapelt, dass sie einander vollkommen bedecken, käme es zu großen Lücken (Abb. 5.15).

Abb. 5.15 Die Nucleinbasen A, T, C und G treten in Doppelhelices ausschließlich als Basenpaare A=T mit zwei Wasserstoffbrücken und G:C mit drei Wasserstoffbrücken auf. A und G sind bicyclische Purinbasen, T und C monocyclische Pyrimidinbasen.

Die Desoxyribose aber verleiht dem Doppelstrang der Basenpaare die Beweglichkeit, die er braucht, um · durch seitliche Verschiebung und Rotation der Phosphorsäurediesterkette um die Achse der Doppelhelix die Basenpaare gegeneinander zu verrücken, zu verdrehen und dadurch aufeinander zu pressen (B-DNS), · durch Gleiten und Rollen der Basenpaare deren optimale Stapelung im Abstand von 0,35 nm bei einer Länge der Phosphorsäurediester-Bindung von 0,6 nm zu ermöglichen (B- oder A-DNS), · Botenmolekülen zu ermöglichen, mit den Basen in Kontakt zu treten, · die Auftrennung der Doppelhelix in zwei Einzelstränge vorzubereiten und

233

234

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

· mit Proteinen in Wechselwirkung zu treten, die die Doppelstränge nach der Zellteilung oder nach chemischer Zerstörung mit neuen Nucleotiden versehen. Die relativ steife B-DNS-Form ergibt sich direkt aus der Wasserunlöslichkeit der Basenpaare: Der hydrophobe Effekt presst sie zusammen. Phosphat und Ribose ziehen Wasserhüllen zwar an, aber die Basen und die CH2-Gruppe der Desoxyribose stoßen es ab. B ist deshalb die bevorzugte Gestalt der DNS in reinem Wasser. Sie wandelt sich in die beweglichere A-Form, wenn das umgebende Medium zur Salzlake wird (Abb. 5.16).

Abb. 5.16 Zwei extreme Formen der DNS: Die B-DNS (links) ist steif, die A-DNS (rechts) beweglich bis zur Klapprigkeit. A-DNS tritt zum Beispiel auf, wenn wässrige Lösungen der B-DNS mit viel Kochsalz versetzt werden und dem Phosphat Hydratwasser entziehen.

Die Abstoßung der p-Elektronen gestapelter Basenpaare ist eine weitere Kraft, die DNS-Strukturen beeinflusst. Ein Computermodell des GC-Paars zeigt zum Beispiel, dass die obere Kante des Guanins G oben und unten von dichten Elektronenwolken eingehüllt wird, während C nur schwache Ladungen aufweist. Das erzeugt ein positiv geladenes Elektronenloch auf der rechten C-Seite. Liegen, zum Beispiel, zwei Gs und zwei Cs übereinander, so sollten sie schweben wie zwei gleich gepolte Magneten und auf möglichst weiten Abstand gehen. Platziert man hingegen GC über CG, so kleben die übereinander liegenden G- und C-Paare fest aufeinander. Nur ein optimiertes Verhältnis zwischen bindenden und abstoßenden Segmenten schafft die Voraussetzung sowohl für die Stabilität einer lagerfähigen Erbinformation als auch für Teilbarkeit als Voraussetzung für die Zellteilung.

5.3 DNS (Desoxyribonucleinsäure)

Jeder Salzzusatz zum Zellwasser lockert die hydrophobe Beziehung zwischen den Basenpaaren, weil Salze viel Hydratwasser binden. Den gleichen Effekt haben Wechselwirkungen der DNS mit den polaren Seitenketten von Proteinen (Abb. 5.17).

Abb. 5.17 Konstruktionsmerkmale der DNSDoppelhelix. a) Kommen zwei Guanin-Basen (G) in der Doppelhelix direkt übereinander zu liegen, so stoßen sie einander ab; das Paar ist bei einer Zellteilung leicht zu trennen. Das Gleiche gilt für zwei Cytosin-Basen C, nicht aber für ein orthogonales Paar GC (CG), das fest zusammenhält. b) Da die

Phosphorsäurediester-Bindung (Desoxyribose-Phosphat-Desoxyribose) länger ist als ein Nucleinbasenstapel dick, liegen die Basen schräg gestapelt. Sie haben dann nur geringen Kontakt. c) Um diesen bindenden Kontakt zu vergrößern, gleiten und rollen die Basen umeinander und erzeugen verdrillte Stapel.

Das Vererbungspolymer DNS ähnelt mit seiner nach außen wirkenden Phosphorsäurediester-Peripherie den Oberflächen von Nerven- und Muskelzellmembranen. Dementsprechend kann die Vermehrung und Reparatur des genetischen Materials mit den gängigen Phosphorylierungsreaktionen bewerkstelligt werden, was von großem Nutzen ist, weil ATP überall im menschlichen Körper vorhanden ist und die sehr zerbrechliche DNS-Struktur dauernd repariert werden muss. Die mechanische Unbeständigkeit der DNS zeigt sich zum Beispiel bei Aufnahmen mit dem Rasterkraftmikroskop: Die Doppelhelix ist etwa 2,3 nm dick. Bläst man aber einen zarten Luftstrom darüber, dann streckt sie sich und zerbricht. Die Doppelhelix zerfällt vollständig, die Nucleinbasen liegen flach auf der Unterfläche und die gemessene Dicke beträgt nur noch 0,6–0,8 nm. Die differenzierten und spezialisierten Zellen von Säugetieren enthalten mehr Nucleotide als Zellen weniger entwickelter Organismen. Herz-, Nieren-,

235

236

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Nerven-, Muskel- und Gehirnzellen haben eine lange Evolution durchlaufen. Sie brauchen etwa 2 Milliarden Nucleotide, um ihre Proteinsynthese und Vermehrung zu steuern. Die Länge der 1,8 nm dicken DNS-Stränge summiert sich in einer Säugetierzelle zu etwa 30–40 cm, das Verhältnis Länge zu Dicke, der Aspekt der DNS, ist 2 ´ 108 zu 1. Der Faden ist also extrem lang und dünn. Um in der Zelle untergebracht zu werden und im Strudel des Lebens nicht zu zerreißen, wird der Faden deshalb im Chromosom eng gewickelt. Die einfachste Lagerungsform der DNS ist die einer endlosen Rolle, die Toroid (span. toros, „Stier“; bezieht sich auf den Nasenring der Stiere) heißt. Die Gesamtheit verschieden gewickelter DNS-Moleküle heißt dann Chromosom. Überträgt man den Aspekt (2 ´ 108 : 1) des DNS-Fadens auf einen 1 mm dicken Wollfaden, so wäre der 200 km lang und sein Volumen würde einen 10-L-Eimer füllen (Abb. 5.18).

a)

b)

Abb. 5.18 a) Modell eines vielfach ineinander gewundenen Strangs einer DNS. b) Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Toroids, in dem ein DNS-Strang von wenigen Mikrometern Länge aufgewickelt ist.

Tausende solcher „Über-Windungen“ (engl. superhelical coil) in einem DNS-Toroid führen dazu, dass die entstehenden Superhelices räumlich extrem dicht gepackt und Abstoßungskräfte, die die Doppelhelix destabilisieren, klein gehalten werden. Die Natur benutzt Topoisomeraseproteine (DNS-Gyrasen), um solche extrem kompakten, verzwirbelten Strukturen zu erzwingen und darin eine schnelle Teilung und Replikation der DNS zu ermöglichen. Die Aufwindung der Doppelhelix (9000 Umdrehungen in der Minute!) übernimmt eine Helicase, die Topoisomerasen helfen bei der Aufwindung der Verzwirbelungen, und ein drittes Enzym spreizt die Gabel durch Spaltung von Wasserstoffbrücken. Die chemisch wichtigsten Enzyme der Replikation aber sind die DNS-Polymerasen, die an beiden DNS-Strängen gleichzeitig neue Stränge zusammensetzen. Einer der Stränge ist jeweils identisch mit dem Elternstrang, der zweite wird durch die Phosphorsäurediester neu synthetisierter, komplementärer Nucleotide ersetzt. In mikroskopischen Aufnahmen lassen sich solche Replikationsgabeln beobachten. Der Motor der Replikation an der Gabelstelle ist, wie nicht anders zu erwarten, ATP, das das Phosphat für die Verknüpfung der neuen DNS-Stränge liefert.

5.3 DNS (Desoxyribonucleinsäure)

Abb. 5.19 Modell der DNS-Replikation durch Ausbildung einer Replikationsgabel an einem Replikationsstartpunkt. ATP liefert das Phosphat, die Polymerase führt die Nucleoside (Nucleinbase + Desoxyribose) zu.

Der wichtigste medizinische Aspekt der DNS-Chemie ist der Zelltod von Krebszellen nach der Quervernetzung der beiden Stränge durch Alkylanzien in der Chemotherapie. Auch hier ist wieder eine besondere Art der Phosphatchemie besonders erfolgreich. Stickstofflost oder Methyl-bis-(b-chlorethyl)amin (Mechlorethamin) wurde 1854 erstmals synthetisiert und charakterisiert. 1887 fand man, dass es als blasentreibendes Hautgift Augen und Atemwege zerstört, 1917 wurde es als Giftgas im Ersten Weltkrieg eingesetzt und 1942 in der Krebsbekämpfung erprobt. 1988 wurde dann gezeigt, dass bifunktionelle Alkylanzien wie Stickstofflost vor allem deshalb selektiv als Zellgifte wirken, weil sie benachbarte DNS-Stränge in einer Doppelhelix über N-1 oder N-3 von Adenin, N-3 von

Abb. 5.20 Wachsende und sich vermehrende Zellen werden abgetötet, wenn ihre DNSDoppelhelices quervernetzt werden, weil dieser Schaden biologisch nicht repariert wird. Das wird in der Chemotherapie von wuchernden Krebszellen ausgenutzt. Ein allge-

mein wirksames Zellgift wie das Stickstofflost stört aber auch massiv das Wachstum der roten Blutkörperchen, die laufend abgebaut werden und ersetzt werden müssen (Seite 288 f). Das begrenzt die Zeitdauer und die Intensität der Chemotherapie.

237

238

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Cytosin oder O-6 von Guanin mit dem Phosphatsauerstoff kovalent verbinden. Solche Vernetzungen werden von den allgegenwärtigen DNS-Reparatursystemen nicht gelöst; Zellen mit solchen inaktivierten DNS-Doppelhelices sterben in der Regel bald ab. Schnell wachsende Metastasen verschwinden. Die Menge und Zeitdauer des intravenösen Einspritzens von Mechlorethamin ist allerdings durch die rasche Abnahme der Erythrocyten- und Leukocytenproduktion (Anämie, Leukopenie) im Knochenmark begrenzt. Auch die Hämoglobinsynthese leidet, wenn Nucleinsäuren systematisch quervernetzt werden (Abb. 5.20). Moderne Alkylanzien wie das Cyclophosphamid werden nicht in den Blutkreislauf gespritzt, sondern als Pillen gegessen und sind zunächst ungiftig. Dann wird das Diamid der Phosphorsäure durch Cytochrom P450 an einem Substituenten des Phosphors langsam oxidiert, sodass nach und nach ein wasserempfindliches Derivat entsteht. Dieses wird sofort hydrolysiert, ein offenkettiges Phosphorsäurediamid entsteht, dessen Stickstofflost-Reste merkwürdigerweise sofort als Quervernetzer wirksam werden. Hier ist das wasserlösliche Phosphamid voll reaktiv, während das hydrophobe, cyclische Analogon wohl in Membranen festklebt und an der DNS nicht zur Wirkung kommt (Abb. 5.21).

Abb. 5.21 Das hydrophobe, oral eingenommene Cyclophosphamid ist als Zellgift wenig aktiv. Erst die Oxidation in den Mitochondrien durch Cytochrom P450 und nachfolgende Hydrolyse des Sechsrings aktiviert es

und trägt es in den Blutstrom, wo es wuchernde Krebszellen angreifen kann. Es wird erst nach einer Stunde wirksam und vermindert die Zahl der roten Blutkörperchen kaum.

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

Wir kommen zu der Tätigkeit des ATP, des Adenosintriphosphats, die seine gewaltige Umsatzrate (100 kg täglich) bestimmt. Sie findet im gesamten Körper statt und betrifft die Erzeugung und Steuerung von Nerven- und Muskelströmen. Ein Kilo Säugetiermuskel enthält etwa 4 g Adenosintriphosphat, ATP, die aus wässrigen Extrakten mit Schwermetallen als Phosphatsalze gefällt, mit Schwefelsäure wieder aufgelöst werden und nach Zugabe von organischen Lösungsmitteln als freies ATP auskristallisieren. In dieser Prozedur erweist sich der Phosphatmonoester des Adenosins als ebenso erstaunlich säurestabil wie die beiden Phosphorsäureanhydride –P–O–P– im ATP. cAMP macht man aus ATP

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

mit dem magnesiumhaltigen Enzym Adenylatcyclase. AMP und ADP sind durch schrittweise pH-kontrollierte Hydrolysen des ATP zugänglich (Abb. 5.22).

Abb. 5.22 Die chemischen Gleichgewichte zwischen A, cAMP, AMP, ADP und ATP. Das ATP-ADP-Gleichgewicht wird von Protonen in Richtung ATP verschoben.

Das Adenosin-5'-Monophosphat, AMP, ist in neutralem Wasser stabil. Bei seiner Hydrolyse mit angesäuertem (protonenhaltigem) Wasser werden lediglich 3,2 kcal/mol oder 1 kcal/100 g frei. AMP ist energiearm. Das Diphosphat ADP mit einer Phosphoranhydrid-Einheit, –PO3–O–PO3–, ist erstaunlicherweise ebenso stabil. Erst das ATP mit zwei Anhydridbindungen ist energiereich und setzt bei der Hydrolyse mit Wasser bei pH 7 knapp 8 kcal/mol frei. Nur im ATP ist eine der negativen Ladungen des Phosphats, nämlich die mittlere, teilweise durch Protonen oder Metallionen neutralisiert, weil das saure Proton durch zwei benachbarte negative Ladungen fixiert wird. Wasser kann sich deshalb an dieses elektroneutrale Phosphat addieren und das äußere Phosphat hy-

239

240

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

drolysieren. Beim Dianion ADP ist das schwieriger und findet kaum statt. Das Triphosphat kann deshalb Alkohole kilogrammweise und blitzschnell phosphorylieren, das Diphosphat nicht – Diphosphat kann nur dephosphorylieren und ATP bilden. Auch das kommerziell wichtige Guanosinmonophosphat GMP (Seite 252 f) ist bei pH = 7 in Wasser stabil. Es wird vielen Konserven als Aroma zugegeben. Zwar ist GMP selbst fast geschmacklos, es gibt aber salzigen Speisen, aus denen die Aromen weitgehend herausgekocht wurden, „Fülle, Volumen und Körper“ zurück. Das funktioniert, weil viele Rezeptorproteine in den Membranen der Sinneszellen auf der Zungenoberfläche mit GMP länger und in größerer Zahl geöffnet bleiben als ohne GMP. Ionenströme fließen in Gegenwart von GMP stärker durch die Neuronen zum Hirnstamm, die Geschmackserregung zittert länger im nervösen Zentrum und gibt ihm Zeit zur Komposition eines vollwertigen Aromasignals aus süß-sauer und bitter-salzig. GMP wirkt als Umami (jap. „köstlicher Geschmack“), als Geschmacksverstärker. Das ist natürlich nur dann von Nutzen, wenn wenigstens noch ein magerer Rest des ursprünglichen Aromas vorhanden ist. Das wiederum setzt voraus, dass das Gemüse, Obst oder Fleisch schnell und bei nicht zu hohen Temperaturen in geschlossenen Anlagen eingedampft und das erhaltene Pulver sofort zusammen mit GMP und Glutamat, dem zweiten wichtigen Umami, versiegelt wurde. Das wichtigste Phosphorylierungsmittel ist wie gesagt das Adenosintriphosphat (ATP). Menschen bilden und zersetzen an einem Tag etwa so viel ATP, wie sie selber wiegen, also je nach körperlicher und geistiger Aktivität fünfzig bis hundert Kilogramm in vierundzwanzig Stunden oder zwei bis vier Kilogramm in jeder Stunde oder fünfzig Gramm in jeder Minute oder ein Gramm pro Sekunde. ATP wird aus ADP und anorganischem Natriumphosphat gebildet und sofort wieder zersetzt, indem das ATP die OH-Gruppen von Proteinen und Membranen phosphoryliert. Der tägliche ATP-Umsatz entspricht etwa dem Doppelten der Wassermenge in unserem Körper; ATP ist neben dem Wasser das aktivste Molekül des Menschen. Wasser herrscht durch die überwältigende Anzahl der Moleküle (Seite 19 ff), beim ATP ist es seine rasante Umsatzrate. ADP und ATP sind in Wasser sehr gut löslich. Das Triphosphat hydrolysiert beim einfachen Stehen in wässriger Lösung innerhalb weniger Minuten zum Diphosphat, dann innerhalb von Stunden weiter zum Monophosphat. Andererseits lässt sich ATP mit Säuren unzersetzt ausfällen. Im lebenden Organismus spielt die Autohydrolyse keine Rolle: Die Katalysatoren Kinasen und Phosphatasen sind überall und beschleunigen die Reaktion zehn- bis hunderttausendfach. Das Phosphatgeschehen wird vollständig durch Proteine reguliert. Die Sauerstoffatome des Phosphats binden sehr fest an Metallionen mit zwei positiven Ladungen (siehe Seite 217 ff), in biologischen Organismen insbesondere an Mg2+ und weniger fest an Ca2+. Metallierungen schützen ATP und GTP vor Phosphatasen, die die Hydrolyse der Phosphatester katalysieren. Isst man Magnesiumsalze, laufen Energiestoffwechsel und Nervenimpulse langsamer: Körper und Geist werden gleichermaßen beschwichtigt (Abb. 5.23).

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

Abb. 5.23 Die Molekülstrukturen des ATP und ADP mit einem Magnesium-Ion am zweiten Anhydrid.

Nervenimpulse sind auf extrem schnelle Phosphorylierungen angewiesen. Ein optischer oder sexueller Impuls wird in Millisekunden durch den Körper geleitet und von Millionen Phosphorylierungen und Dephosphorylierungen begleitet. Deshalb sättigen sich die Wasservolumen des Körpers mit Kinasen und Phosphatasen. Die Molmasse des ATP entspricht etwa der von fünfhundert Protonen. Tausend Millionen ATP-Moleküle, die etwa verbraucht werden, um einen flüchtigen Bildwechsel mit Auge und Hirn zu registrieren, entsprechen also 500 ´ 109 : 6 ´ 1023 g oder 10–12 g oder 10–15 kg. Umgesetzt werden aber 100 kg am Tag. Das reicht für 1017 flüchtige Bilder täglich oder 1012 Bilder pro Sekunde. Damit kann man dann nicht nur sehen, sondern auch denken und fühlen und hören und laufen und so weiter. Abbildung 5.23 skizziert die Schlüsselwechselwirkungen der Kinasen und Phosphatasen bei der Beschleunigung des Phosphattransfers. Erstens binden Carbonsäuren der Enzymseitenketten (Asparagin- und Glutaminsäure, Asp, Glu) zweifach positiv geladene Magnesium-Ionen, Mg2+, wodurch aus der negativen Ladung eine positive wird, (COO-Mg2+)+, die leichter mit Alkoholen reagiert und auch schneller vom Wasser angegriffen wird. Zweitens binden auch polare ungeladene Aminosäuren Magnesium, lassen ihm aber beide positive Ladungen, so zum Beispiel im Magnesium-Komplex des Asparaginsäureamids (Asn, –CONH2Mg2+). Auch dieser Komplex aktiviert das Phosphat für Reaktionen mit OH-Gruppen. Schließlich wird die endständige Ladung des Triphosphats von der Ammoniumgruppe eines Lysins neutralisiert und damit für den Angriff durch die OH–-Gruppe aktiviert. Im großen Ganzen wirken Kinasen und Phosphatasen so, dass der Schutz des Phosphoratoms im Zentrum des Phosphats vor dem Angriff von Hydroxylgruppen, OH–, weitgehend aufgehoben wird. Die Enzyme nehmen dem Triphosphat die negative Ladung und aktivieren es so für Veresterungen durch verschiedenartige Säurekatalysen. Danach wandert das positivierte Phosphat oft zuerst zur Carbonsäure eines Aspartats, bildet mit ihm ein gemischtes Anhydrid

241

242

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

und geht von da an die Alkoholgruppe des Serins oder Tyrosins einer Kinase, eines Rezeptorproteins oder einer Ribose, Desoxyribose oder ähnlichem. Genau das Gleiche (mit umgekehrten Vorzeichen) geschieht mit den Phosphatestern und Phosphatasen. Aspartat, Lysin und Magnesium am richtigen Platz steuern wohl die überwältigende Aktivität des Phosphats in unserem Körper (Abb. 5.24).

Abb. 5.24 Die Schlüsselwechselwirkungen des ATP mit Kinasen. Diese Proteine binden das ATP mit den gleichen Gruppen, die es auch zersetzen. Nach dem Abbau des Triphosphats ist die Bindung viel schwächer, ADP wird sofort hinausgeworfen und durch neues ATP ersetzt. Analoges gilt für ADP und Phosphatasen.

Die wichtigsten Erstsubstrate für die Phosphorylierung sind die Kinasen selbst. Das freigesetzte Phosphat ist aktives Metaphosphat ohne Wasser (HPO3) und reagiert sehr gern mit Tyrosin oder anderen funktionellen Gruppen in der Umgebung, also mit denen des Enzyms. Außerdem gibt es meist viel mehr Kinasemoleküle in einer Zelle als andere Substratproteine. So antworten die Zellen sehr schnell auf Anregungen aller Art (Licht, Gefühl, Gedanken, Musik . . . ) mit Phosphorylierungen erst der Kinasen und dann aller möglichen Membranproteine. Diese unendlich vielen und schnellen Phosphorylierungen lassen sich mit der Regulation eines rasant funktionierenden Straßenverkehrs durch Straßenverbreiterung, Asphaltierung und Ampeln in einer Metropole vergleichen. Die Aktivität der Proteine (Muskelarbeit, Rezeptoren und Membranporen, Enzyme, Erythrocyten) entspricht dann dem Arbeitsleben der Stadt, der nervösen Tätigkeit des Geistes- und Kulturlebens. So wie sich ein Stadtbewohner in jeder Wohnung, in jedem Geschäft und in jeder Bibliothek seiner Stadt zurecht-

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

findet, solange er die Sprache der Stadt spricht und versteht, so finden die Ionen auf den Wasserstraßen des Körpers ihren Weg von der Retina über das Gehirn zur Zunge, zu den Mundmuskeln oder zum Penis, und erfüllen dort ihre Aufgaben (mouth feeling, plaisir d’amour oder die Gedanken dazu und die Worte, um es auszudrücken). Menschen optimieren in ihrer Kindheit erst das Nervensystem ihres Gehirns, dann ihre neuronalen Wasserwege, ihre Neuronen und Synapsen. Beim Kleinkind wuchern die neuronalen Verknüpfungen, bei Sechsjährigen erreichen sie die größte Dichte. Während der Pubertät werden dann allerlei Irrwege eliminiert. Vom Schulalter an werden Zahl und Art der neuronalen Verbindungen ständig und lebenslang erst vermindert, dann verändert – der Mensch lernt und lehrt und lernt wieder neu. Nur im nicht geforderten Gehirn dünnen die Wasserwege und der Verkehr auf ihnen stetig aus, bis das Gehirn auf die Umwelt nicht mehr reagiert. Auf gleiche Art verliert der körperlich unbewegliche Mensch die Kraft und Geschmeidigkeit seiner Muskeln, bis das Herz still steht (Abb. 5.25).

Abb. 5.25 Schematische Darstellung der neuronalen Verbindungen (blau) im Gehirn eines Neugeborenen (links), eines Sechsjährigen (Mitte) und eines Erwachsenen (rechts).

ATP wirkt als Energiequelle menschlichen Lebens zuerst im Gehirn. Dessen dominierende Energiequellen sind Glucose und Sauerstoff. Der Sauerstoff oxidiert die Glucose (C6H12O6), bildet daraus Kohlendioxid (CO2), und setzt auf dem langen Weg von der Glucose zum CO2 Protonen (H+) und Elektronen (e–) frei. Die Reaktionsfolgen sind lang, kompliziert und je nach äußeren Bedingungen abwechslungsreich, die Bilanz jedoch ist einfach: C6H12O6 + 3 O2 ? 6 CO2 + 12 H+ + 12e– Zwölf Protonen und zwölf Elektronen vereinen sich zu sechs Wasserstoffmolekülen (12 H+ + 12 e– ? 6 H2) – das heißt, dass das bei der Oxidation der Glucose entstehende Gemisch reduzierende Eigenschaften hat und mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Luft Wasser bilden kann, wobei viel Energie frei wird. Bei der Bildung von einem Molekül Wasser aus Knallgas werden 68,3 kcal frei, also: 3 O2 + 6 H2 ? 6 H2O + 409,8 kcal

243

244

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

So hitzig wie die Knallgasreaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff läuft die Oxidation der Glucose im Gehirn aber nicht ab. Die wichtigste real ablaufende Reaktionsfolge im Gehirn heißt Glycolyse und erzeugt aus Glucose je zwei Moleküle Brenztraubensäure (Pyruvat), die dann zu Kohlendioxid, Essigsäure, ATP und NADH (Seite 72) weiterverarbeitet werden. Zuerst wird die Glucose so zerbrochen, dass der Aldehyd zur Carbonsäure oxidiert, ihr endständiger Alkohol aber gleichzeitig zur Methylgruppe des Pyruvats reduziert wird. Insgesamt ändert sich der Oxidationszustand der Glucose nicht, aber es werden erstens 32 kcal/mol Wärme und zweitens zwei ATP-Moleküle mit einer nutzbaren Energie von 7 kcal/mol freigesetzt. Das ist der Fall, weil die Reduktion wenig Energie braucht (C–H-Bindungen sind nicht sehr fest), während die Oxidation zum Carboxylat viel Energie freisetzt. Das Gehirn wird thermisch nicht belastet, sondern profitiert davon, dass nur exakt so viel Energie und vor allem ATP geliefert wird, wie für die Aufrechterhaltung der Gehirnströme benötigt wird (Abb. 5.26).

Abb. 5.26 Die Glycolyse ermöglicht dem Gehirn die Umwandlung der Glucose zu Kohlendioxid ohne direkte Oxidation. Das vereinfachte Schema zeigt, dass Glucose-6-phosphat zuerst über mehrere nicht gezeigte Zwischenstufen zu zwei Molekülen Brenz-

traubensäure, dann zu Kohlendioxid und Essigsäure abgebaut wird. Dabei wird Reduktionsenergie in Form von NADH und energiereichem ATP gewonnen. Von dieser Energie lebt das Gehirn.

Die reduzierende Kraft des NADH ist nicht essenziell für die Glycolyse; sie könnte durch reduzierende Nahrungsmittel, insbesondere Glucose, ersetzt werden. Die Bildung des ATPs aber ist notwendig, denn ohne Phosphorylierungen läuft nichts im Gehirn. ATP wird letzten Endes über den Aufbau eines Säuregradienten an der Lipidmembran erzeugt, wobei Protonenbildung und Oxidationsreaktionen ähnlich gekoppelt sind wie im Chinon-Hydrochinon-Wechselspiel der Abbildung 4.41. Phenolderivate lösen sich gut in Membranen. Sie transportieren mit ihrer leicht sauren OH-Gruppe Protonen durch Membranen und sorgen so für den in der ATP-Synthese benötigten Protonennachschub. Eine Polarisierung der Membran durch Elektronen- und Protonentransport ist für die ATP-Bildung dann nicht mehr nötig, sodass ATP-Bildung und Sauerstoffreduktion durch die Phenole entkoppelt werden. P450 verbrennt dann noch immer Nahrung mit Sauerstoffatomen (Seite 283), Chinone phosphorylieren immer noch ADP (Seite 208) und ATP phosphoryliert weiter Glucose (oben), aber die drei Reaktionen laufen nun unabhängig voneinander. Dadurch wird Energie verschwendet, mehr Nahrungsmittel wird verbraucht. Auf diese Weise könnten Phenole als Diätpille wirken: Man „verbrennt“ mehr Nahrung, die Fettzellen wachsen nicht

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

und das Körpergewicht nimmt ab. Das ist zunächst Theorie, verlässliche Statistiken gibt es wohl dazu noch nicht. Wie erzeugen nun die im Wasser gelösten Metallionen Na+ und K+ elektrische Nerven- und Muskelpotenziale? Wie entstehen die elektrischen Signale, die uns sehen, hören, riechen, denken und fühlen lassen? Um das experimentell zu klären, braucht man Elektroden, die Natrium- und Kaliumströme unterscheiden können. Diese ionenselektiven Elektroden erhält man, indem man konzentrierte Kalium- oder Natriumlösungen zwischen die zu vermessende Probe und die Metallelektrode bringt. Fremdionen haben es viel schwerer als die identischen Ionen, durch diese Lösungen zu wandern, weil sie dauernd Energie verschlingende und schwierige Umlagerungen der Hydratwasserhüllen erzwingen müssen. Mit ionenselektiven Elektroden, deren Innenraum entweder von Natrium- oder KaliumIonen umspült ist, lassen sich die Natrium- und Kaliumpotenziale einzeln und unabhängig voneinander messen. Die Elektroden selbst bestehen aus dünnen, porösen Natron- oder Kaligläsern (Glasmembranen), die von den eigenen Ionen 105-mal schneller durchflossen werden als von fremden Ionen (Abb. 5.27).

Abb. 5.27 Eine mit Natrium-Ionen gesättigte Glaselektrode (–Si–O–Al–) lässt die „eigenen“ Ionen 10 000-mal schneller passieren als Kalium-Ionen, weil Letztere das Hydratwasser des Natriums kaum nutzen und bewegen können. Diese Elektrode ist natriumselektiv.

Isolierte und aktive Muskeln und Nerven kennt man seit 200 Jahren in Form von Froschschenkeln und heute in großer Auswahl aus anderen Amphibien und Tintenfischen. Diese Muskeln zucken nach elektrischen Impulsen und können unter dem Mikroskop manipuliert werden. Muskeln und Nerven sind wie fast alle biologischen Gewebe an der Oberfläche vom Glutamat und Aspartat der Proteine und vom Phosphat der Lipidmembranen negativ aufgeladen. Jede der negativen Ladungen braucht ein positiv geladenes Gegenion. Das ist an der äußeren Oberfläche der Membran meist Natrium, zuweilen auch Calcium oder Magnesium, innerhalb der Zelle fast immer Kalium. Die aktive Anreicherung des Kaliums innerhalb von Zellen rührt daher, dass das

245

246

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Cytoplasma der Zellen viel mehr negativ aufgeladene Proteine als der Außenraum enthält, und dass diese Proteine Kalium-Ionen weitgehend dehydratisieren und festhalten, hydratisierten Natrium-Ionen ihr Wasser aber nicht entreißen können. Die Kaliumanreicherung an Proteinen gleicht der Anreicherung des Kaliums in den Sedimenten von Flüssen und Meeren (Seite 54). Die Anreicherung des Natriums außen ist hingegen passiver Natur und balanciert den großen Ionenüberschuss innen lediglich aus. Das Kalium-Ruhepotenzial ist –80 mV, das Natrium-Ruhepotenzial +60 mV, das Membranpotenzial ist dann –20 mV. Minus bedeutet hier, dass innen mehr Ionen sind als außen. Das Natriumpotenzial von +60 mV pro 5 nm entspricht 120 000 V/cm. Das ist eine Spannung, mit der sich im Nerven- und Muskelnetz effizient und schnell arbeiten lässt. Ein Nervenimpuls bedeutet eine Depolarisation der Membran: Erst fließt Natrium durch eine kurzzeitig geöffnete Membranpore, dann Kalium durch eine andere Pore, die Natrium-Ionen von außen nach innen, die Kalium-Ionen in umgekehrter Richtung. Dabei stellt sich zuerst ein Depolarisationspotenzial von –40 mV ein, das sich entlang des Axons fortpflanzt. Danach wird ein Aktionspotenzial von +40 mV ausgelöst, weil Kalium-Ionen nach außen fließen. Das Vorzeichen des Membranpotenzials hat sich geändert. Die Natriumkanäle bleiben solange geschlossen. Danach öffnen sich die Natriumkanäle wieder, das Aktionspotenzial bricht zusammen, was eine neue Welle der Depolarisierung mit einem Membranpotenzial von –40 bis +40 mV auslöst. Bei jeder dieser Kanal- oder Porenöffnungen fließen etwa sechstausend Ionen pro Millisekunde. Die Depolarisierungswelle sorgt dafür, dass das Aktionspotenzial weiterspringt. Die zweite Pore öffnet sich, Einzelströme fließen durch die Membran, ein Gesamtstrom entlang der Oberfläche des Axons. Das geht umso schneller, je besser die Membran durch umhüllende Proteine (Myelin) isoliert ist. Leitungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s werden erreicht (Abb. 5.28).

Abb. 5.28 Leitung elektrischer Reize entlang von Nervenfasern (Axonen). Die Öffnung der Natriumporen löst über 10–20 cm eine Welle der Depolarisierung aus, die Öffnung der Poren für die Kalium-Ionen innerhalb des Axons sorgt für positive Aktionspotenziale.

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

Die Glucose sorgt durch die Glycolyse für die Versorgung mit ATP, das Proteine in Doppelschichtmembranen phosphoryliert. Natrium- und Kalium-Ionen werden durch derart aktivierte Poren zu ihren Ausgangsorten zurückgebracht. Als aktives Membrantransportsystem dient die so genannte Natrium-Kalium-ATPase, die drei Natrium-Ionen aktiv von innen nach außen transportiert, dann an einer Aspartat-Seitenkette phosphoryliert wird (von –CH2–COO– zu –CH2–CO–OPO2– 3 ) und schließlich zwei Kalium-Ionen von außen zurück nach innen schafft. Dieser Ablauf heißt Post-Albers-Zyklus und wurde durch elektrische Messungen an Muskelzellmembranen mit ionenselektiven Elektroden (Seite 245) aufgeklärt. ATPase ist demnach das molekulare Elektrizitätswerk des Gehirns, der Nerven und der Muskeln, ATP das Betriebsmittel (die Nahrung) und ihre Veratmung der Energielieferant (Seite 282 ff). In Ruhe herrscht der Standardzustand animalischer Zellen: hohe Natrium-Konzentration im Blut, hohe Kalium-Konzentration im Zellwasser (Cytoplasma). Im Arbeitsprozess elektrisch reizbarer Zellen fließen die Ionen durch Membranproteine und die Faseroberflächen entlang. Das Wissen um die Elektrik dieses Zyklus bedeutet wohlgemerkt nicht, dass sein Ablauf molekular verstanden wäre oder gar künstlich nachgeahmt werden könnte. Es passt da nichts zusammen. Kein organisches Molekül kann drei und nur drei Natrium-Ionen im wässrigen Medium binden, geschweige denn selektiv und reversibel. Ebenso ist unverständlich, wie das gleiche Molekül zwei Kalium-Ionen binden soll, ausgerechnet nachdem die Phosphatgruppe verschwunden ist. Die bekannten Bindungskonstanten für einzelne Natrium- oder KaliumIonen sind um mehrere Zehnerpotenzen zu klein, um solche Selektivitäten zu

Abb. 5.29 Formales Modell der Na,K-ATPase, die zwei Kalium-Ionen in das Zellinnere und drei Natrium-Ionen nach außen transportiert und dabei ATP verbraucht. Für Natrium gibt es außen ein Tor und innen eine Sperre und drei Bindungszentren, für Kalium innen ein Tor und außen eine Sperre und Bindungszentren. Dieses Modell reproduziert nur die elektrochemischen Daten; wie das Ganze (insbesondere die Bindungszentren für Natrium-Ionen) wirklich funktioniert, weiß niemand.

247

248

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

erlauben. Das gilt in noch stärkerem Ausmaß für die selektive Abgabe der Ionen nach Öffnung der Pore. Wahrscheinlich nimmt jedes ATPase-Molekül zu jeder Zeit eine unbestimmte Zahl von Ionen auf, die vielleicht zwischen null und zehn liegt, und gibt eine ebenso unbestimmte Zahl bei Öffnung der Poren wieder ab. Das mittelt sich dann zu den gemessenen Werten aus: drei NatriumIonen raus, zwei Kalium-Ionen rein. Dabei ist plausibel, dass die ATPase im phosphorylierten Zustand mehr Natrium-Kationen aufnehmen kann als ohne Phosphat. Auch die Triebkraft für die Bewegung der Kalium-Ionen hinein in das Cytoplasma ist bekannt. Letztere kann natürlich durch Protonen modifiziert werden, die die Proteine an der inneren Zelloberfläche partiell neutralisieren. In welcher Schrittfolge die ATPaseMaschine aber so schnell und wirksam Na+ und K+ austauscht, bleibt geheim (Abb. 5.29). Relativ gut verstanden ist nur der passive und selektive Transport von KaliumIonen durch Membranporen. Helicale Membranproteine werden hier gegeneinander verschoben, indem man ihre Ladungen durch ATP, Säurezugabe, Addition eines Neurotransmitters oder Variation des Membranpotenzials verändert. Nach dem erfolgten Öffnen des Poreneingangs („gating“) machen mehrere die Membran durchspannende Proteinhelices die Pore so eng, dass das Kalium-Ion zunächst sein Hydratwasser abstreifen muss. Dann ahmen die Wände der Proteinrohre mit ihren Amid-Carbonylsauerstoffatomen das Bindungsmuster der Wassercluster nach, um das Kaliumion zu umhüllen. Das kleinere Natriumion passt nicht in diese Pore, weil es sein Wasser nicht abstreifen kann. Um zu verhindern, dass die positiv geladenen Kalium-Ionen in der Pore hängen bleiben, wandern mehrere Kalium-Ionen gleichzeitig, sodass K+-K+-Abstoßungskräfte den schnellen Durchfluss garantieren (Abb. 5.30).

Abb. 5.30 Modell einer Kaliumpore mit einem engen Kanal, der nur dehydratisierte Kalium-Ionen passieren lässt.

Siebzig Gewichtsprozent der Kohlenstoffverbindungen des menschlichen Körpers sind im Muskelgewebe lokalisiert. Die Mineralstoffe des Fleisches spiegeln die Chemie der Muskeln wider: 0,5% ist Phosphor (gemessen als Phosphat) und 0,4% Kalium, das Metallion des Zell-Innenraums. Auf etwa 20 Ami-

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

nosäuren der Muskelproteine, die 22% der Muskelmasse ausmachen, kommen ein Phosphat- und zwei Kalium-Ionen, der Rest ist Wasser (76%). Diese Zusammensetzung suggeriert schon, dass auch die Muskeln vor allem phosphorylierte Wasserwege darstellen, tatsächlich sind sie wassergefüllte Nanoröhrchen, deren Wände aus Proteinen bestehen. Die Besonderheit des Rohrsystems der Muskeln liegt in der inneren Beweglichkeit der Fasern gegeneinander. Wie werden nun die muskulären Wasserrohre mit Proteinwänden dazu gebracht, sich zu bewegen? Natürlich wieder über Phosphorylierung und Dephosphorylierung. Zwanzig Kilo Muskeln enthalten etwa 60 g eines ATP/ADP/AMPGemischs, das von den Aminosäuren der Proteine kovalent gebunden wird, sowie etwa die gleiche Menge anorganisches Phosphat (Pi von inorganic phosphate). Jedes einzelne Muskelprotein-Faserbündel (Filament) wird am Tag Tausende von Malen phosphoryliert und wieder dephosphoryliert, jedes einzelne ATP-Molekül durchläuft den gleichen Zyklus in etwa gleichem Maße. Am häufigsten natürlich im Herzen. Der Energiequotient eines Muskels (vgl. Abb. 5.22) Eq ist gegeben durch Konzentration …ATP† ‡ Konzentration …ADP=2† Gesamtkonzentration …ATP ‡ ADP ‡ AMP† Wenn nur ATP vorhanden ist wird Eq = 1, was der maximalen Energieaufladung des Muskels entspricht: Er ist „vollgepumpt“. Am Ende eines Marathonlaufs geht Eq gegen null, es gibt weder ATP noch ADP, sondern nur noch AMP. Der Kraftstoff für Muskelbewegungen ist eine 3 ´ 10–3-molare wässrige ATP-Lösung, wobei sich diese Konzentration während einer einzelnen Muskelkontraktion kaum ändert, weil ADP dauernd nachphosphoryliert wird. Wir kommen zu unserer Ausgangsfrage nach dem Ursprung der Muskelbewegung. Die aktiven Hauptkomponenten der Muskelfasern sind die beiden Proteine Actin und Myosin. Beide bilden einen Molekülkomplex namens Actinomyosin und beide verschieben sich bei der Muskelbewegung gegeneinander. Zuerst verkleben sie in Gegenwart von ATP zu einem locker verknüpften Komplex, der sich nach Abgabe anorganischen Phosphats Pi in einen festen Komplex umwandelt. Ein weiteres ATP-Molekül bewirkt dann, dass die Brücke sich in einem „Ruderschlag“ (engl. power stroke) zusammenzieht. Die Muskelkontraktion findet statt, wobei sich viele dünne und dicke „Filamente“ ineinander schieben wie die Segmente eines Fernrohrs. Die Energie für den entscheidenden Ruderschlag, der das äußere über das innere Rohr schiebt, stammt aus der Hydrolyse eines ATP-Moleküls durch das Myosin, das auch eine ATPase-Aktivität besitzt. Bei dieser Hydrolyse werden sehr schnell Protonen freigesetzt, während ADP und Pi am Myosin verbleiben. Dieser Myosin-ADP-Pi-Komplex bindet das Ruder-Actin fester als das ursprüngliche Myosin unter einem Winkel von 458. Dieser aktive Faserzustand lässt sich elektronenmikroskopisch charakterisieren. Außerdem dreht ADP-Pi das Ruder des Myosins von 458 auf 908. Danach lagert sich erneut ATP an das Myosin an, der ADP-Pi-Myosin-Komplex zerfällt

249

250

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

wieder und die ungeordnete, geknäuelte Actin-Form bildet sich zurück. ATP bewirkt also erstens die Actinomyosin-Bildung, zweitens die Actin-Streckung, auf der Muskelkraft und Bewegungen beruhen, und drittens die Actinomyosin-Spaltung. So wandert das Myosinruder an den Actinfilamenten entlang. Elektronenmikroskopisch wird beobachtet, wie die Actin- und Myosinfasern aneinander vorbeigleiten (Abb. 5.31).

Abb. 5.31 Oben: Bei der Muskelkontraktion gleiten zwei Proteine M (Myosin) und A (Actin) aneinander vorbei, wobei es zur reversiblen Bildung eines schwach und eines stark gebundenen MA-Komplexes kommt. Letzterer wandelt sich laufend von einem 458- in einen 908-Komplex um, was das Myosin am Actinfilament entlang gleiten lässt.

Nach jeder Streckung wird der Komplex wieder gespalten. Unten rechts: Ein Computermodell des AM-Dockings und des 458-Komplexes vor dem Ruderschlag. Unten links: Gestreckte und kontrahierte MyosinfilamentModelle, die sich je nach Richtung des Ruderschlags bilden.

Das Myokard des Herzens ist der aktivste aller Muskeln. Membranpotenziale, die Depolarisierung durch die Öffnung von Poren und der die Muskeln entlang fließende Strom ähneln dem Na+, K+-Neuronenstrom (Abb. 5.28). Das ununterbrochen beanspruchte Herz aber schafft sich durch die zusätzliche Verwendung von Ca2+ ein höheres Membranpotenzial. Das hilft, ist aber störanfällig, weil Calcium von Phosphat-Ionen schwer zu trennen ist. Für schnelle Nervenimpulse ist das nicht geeignet, offensichtlich aber für die robuste Maschine Herz mit dem relativ langsamen Rhythmus von durchschnittlich 60 bis 70 Schlägen pro Minute.

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

Jede unserer bewussten Empfindungen beginnt und endet im Gehirn. Die Wandspannung des Herzens zum Beispiel wird vom Hirn registriert und gibt ihm ein Maß für das bei dieser Spannung erforderliche Blutvolumen. Die Salzkonzentration im Blut informiert den Hypothalamus des Gehirns über den Restwasserstand, Durst wird im Zwischenhirn ausgelöst, das ein Zentrum zur Regelung des Wasserhaushalts enthält. Zuviel Wasser trinken ist so gut wie unmöglich, denn das Gehirn sorgt kontinuierlich für die Ausscheidung im Harn und Schweiß. Allerdings kann das Gehirn kein Wasser herbeischaffen, wenn keines getrunken wird. Nutze dein Gehirn und trinke Wasser gewohnheitsmäßig – das sind und bleiben zwei Grundgesetze des differenzierten Lebens. Die cyclischen Phosphatester der Abbildung 5.21/5.22 (Seite 238 f) verwandeln mit Hilfe von Enzymen die Polarität von Membranporen, ohne Ladungen einzuführen. Das erlaubt dort den Transport von zweiwertigen Ionen, zum Beispiel Ca2+. Wir wählen hier das basische Guaninmonophosphat cGMP an Stelle des neutralen Adenosinmonophosphats der Abbildung, weil cGMP nicht nur ein kommerzieller Geschmacksverstärker ist (Seite 240), sondern auch eine interessante Rolle im Zusammenhang mit der sexuellen Erregung spielt (Abb. 5.32).

Abb. 5.32 Die reversible Bildung des cyclischen Guanosin- Monophosphat-Esters cGMP aus dem offenkettigen GMP führt unter anderem zur Dilatation (Erweiterung) und Kontraktion (Verengung) von Arterien und Venen. Die Hinreaktion wird durch eine Cyclase, die Rückreaktion durch eine Esterase bewirkt. Beim Penis zum Beispiel lässt

die Hinreaktion das Blut einströmen und verhindert den Abfluss, die Rückreaktion öffnet die Vene und das Blut fließt ab. Die Esterase V der Rückreaktion wird von Viagra® blockiert (siehe Abb. 5.33). Die Reaktionswärme von 3,5 kcal/mol ist typisch für die Bildung von Phosphorestern und so gering, dass sie kaum zu merklicher Erhitzung führt.

Bekannt geworden ist cGMP dadurch, dass es erotische Empfindungen des Sexualzentrums im Gehirn in Schwellungen des Penis übersetzt. Zuerst setzen sexuell erregende Beobachtungen oder Phantasien im Gehirn Dopamin (Seite 185 f), Stickstoffmonoxid (NO, Seite 264) und Cholinchlorid (Seite 135) frei. Letzteres läuft die fettigen Nervenwege im Rückenmark von Synapse zu Synapse ab und gelangt so zum Penis. Dessen Nerven bringen wiederum Stickstoffmonoxid (NO) und zusätzlich ein „vasoaktives intestinales Protein“ (VIP) ins Blut. NO und VIP aktivieren gemeinsam eine penisspezifische Guano-

251

252

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

sincyclase, die Guanosintriphosphat (GTP) in den cyclischen Diester cGMP verwandelt. Diese Cyclase ist wie Hämoglobin und Cytochrom P450 ein Hämprotein, das wir erst später kennen lernen werden (Seite 283). Ihr Eisenion bindet keinen molekularen Sauerstoff, sondern ausschließlich Stickstoffmonoxid, NO, das sonst nirgendwo reagiert. NO verdrängt einen Histidin-Liganden vom Eisen des Häms, ändert damit die Gestalt des Proteins und aktiviert es für die Cyclisierung des GMP. Wahrscheinlich ist der Imidazolring des freigesetzten Histidins direkt an der Katalyse dieser Kondensationsreaktion beteiligt. Das cGMP öffnet dann Kanäle für den Calciumtransport – der Penis ist hinsichtlich des elektrischen Potenzials dabei ähnlich anspruchsvoll wie der Herzmuskel. Das oben erwähnte VIP-Peptid hilft nun, die glatte Muskulatur des Schwellkörpers zu entspannen („dilatieren“). Ähnliches spielt sich bei der Venenerweiterung durch Nitroglycerin (Glycerintrinitrat) bei der Angina pectoris ab, wobei ebenfalls NO freigesetzt wird (Seite 264). Die entspannten Schwellkörpermuskeln saugen den Blutstrom aus den Hauptarterien in die Arterien des Penis, der füllt sich nach dem Eintreffen des Stickstoffmonoxids mit Blut. Bei den stark muskulösen Venen („Venenpolster“) des Penis hingegen bewirkt der cGMP-gesteuerte Calciumstrom eine Verengung, was zu einer starken Drosselung des Blutabflusses führt. So steigt der Arteriendruck im Penis lokal auf das 10- bis 20fache des Ruhewerts an, drei schwammartige Schwellkörper werden einige Minuten lang mit Blut aus dem Becken vollgepumpt. Der Prozess der Erektion ist ein kombiniert aktiv-passives Phänomen – das Herz pumpt das Blut unentwegt und gleichmäßig in den Penis, Arterien und Venen des Schwellkörpers öffnen und verengen sich. Die Muskeln des Schwellkörpers hingegen bleiben passiv und setzen dem lokal ansteigenden Blutstrom keinen Widerstand entgegen. So steigt der Blutdruck im Schwellkörper von 16 auf 130 Torr. Andererseits geht der Tonus des Muskels, der den Schwellkörper umgibt, steil nach oben, was den Blutdruck weiter auf 500 Torr hochtreibt – der Penis steht. Makroskopische Ursachen der Erektion sind zuerst Reizungen des Gehirns oder Berührungsreize. Das heißt, die existenzielle Erregung des Penis hat natürlich nichts mit Muskeln und Arterien, sondern mit Nerven zu tun (Gottfried Benn: „Existenz ist Nervenexistenz“), an der Oberfläche des Penis bzw. der Vulva der Nervus perinealis superficialis und der Nervus dorsalis penis bzw. clitoris („Kitzlernerv“). Auch die Erregung dieser „Wollustnerven“, insbesondere des Nervus dorsalis, ist phosphatgesteuert. Keine tierische oder humane Regung ohne Phosphat (Abb. 5.33). Eine Reihe von Purinen, unter anderem Neobromin, Sildenafil und Theophyllin, hemmen Diesterasen, die cGMP zu GMP hydrolysieren. Beim Theobromin und Theophyllin (siehe Legende zu Abb. 5.9, Seite 227), Komponenten des Tees, ist das stärker ausgeprägt als beim Coffein. Sie beschleunigen über cAMP den Calcium-Transport in die Zelle und Phosphorylierungen durch Kinasen in der Zelle und regen damit unter anderem die Herztätigkeit an. Das wenig polare Coffein ist eher im zentralen Nervensystem wirksam, weil es erstens die Blut-HirnSchranke am schnellsten überwindet und zweitens weniger fester an Diesterasen bindet – ihm fehlt eben die Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken.

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

Abb. 5.33 Schema der zeitlichen Verlängerung einer Erektion durch Sildenafil. Nervenzellen nehmen sexuelle Reize auf und setzen NO frei, das eine Häm-haltige Zyklase aktiviert, cGMP herzustellen und Calciumporen zu öffnen. Daraufhin relaxiert der glatte Penismuskel, Arterien erweitern und Venen verengen sich, der Blutdruck im Penis steigt an. Erst nachdem der erregte Nerv und das NO gewirkt haben, wird eine Esterase V wirksam, die schließlich den cyclischen Ester wieder öffnet, was zum Abfluss des gestauten Bluts führt. Dieser letzte Prozess wird von Sildenafil oder Viagra® blockiert. Sildenafil ist ein einfaches Molekül aus drei Standardbausteinen: ein leicht modifiziertes Guanin, in dem die 1,3-Stickstoffatome 1,2-ständig an-

einander gerückt wurden, um die Basizität zu erhöhen; ein Phenolsulfonamid, wie man es von vielen Antibiotika als hydrophoben Anker in Enzymspalten kennt und ein cyclisches Diamin als Salz der Citronensäure (Citrat, vgl. Coffein auf Seite 225). Das Produkt enthält, von der billigen Citronensäure abgesehen, kein asymmetrisches Kohlenstoffatom, ist also nicht chiral und leicht herzustellen. Der ursprünglich horrende Preis, der im Zusammenhang mit Zuschüssen der Krankenkassen in allen deutschen Zeitungen und Magazinen diskutiert wurde (ohne die Strukturformel abzubilden), ist mit dem relativ geringfügigen chemischen Entwicklungs- und Syntheseaufwand nicht zu rechtfertigen.

Kann man die Erektion chemisch begünstigen, gibt es ein wirksames Aphrodisiakum? Erektionshelfer sind seit etwa 1980 zuerst unter dem Namen Sildenafil (Handelsname Viagra®) bekannt geworden. Das ist ein synthetisches, coffeinartiges Molekül mit verstärktem Basencharakter (Pyrazin statt Imidazol) – natürlich ein Blockademolekül wie fast alle Pharmaka. Es blockiert einigermaßen spezifisch die Phosphodiesterase V, die im Penis den cyclischen Phosphorester cGMP in offenkettiges GMP verwandelt, nachdem die Erektion stattgefunden hat. Als Folge dieser Desaktivierung ziehen sich die glatten Muskeln in den Penisarterien wieder zusammen, der Blutstrom dorthin wird schwächer, der Penis erschlafft. Sildenafil verstärkt und verlängert also die Erektion einige Minuten lang, indem es eine Esterase blockiert. Selektiv blockieren – das ist fast alles, was Pharmaka können. Eine andere Möglichkeit, den gleichen Effekt zu erreichen, wäre, NO-Lieferanten, zum Bei-

253

254

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

spiel Nitrate, in den Corpus cavernosum zu injizieren. Das aber verbietet sich beim Geschlechtsverkehr von selbst. Man könnte das organische Nitrat auch inhalieren oder essen und so das NO im ganzen Körper verteilen. Aber das wäre äußerst riskant, weil NO nicht nur am Penis, sondern auch an den Herzarterien wirkt, wo es zu einem massiven Abfall des Blutdrucks führt und deshalb äußerst sparsam gegeben werden muss. Penis- und Herzaktivität hängen häufig eng zusammen, weil sie beide vom Blutdruck, das heißt vom Spannungszustand von Blutgefäße abhängen (Abb. 5.34).

Abb. 5.34 Aufbau des Zahnschmelzes. Hydroxylapatit wächst auf anionischen Proteinplättchen, die später zu viel kleineren hydrophoben Nanosphären abgebaut werden und als Abstandshalter zwischen den Hydroxyl-

apatitplättchen stehen bleiben. Der Zahnschmelz (Enamel) besteht aus vielen sehr dünnen Lamellen. In die Lücken dringen Bakterien und ihre Säureausscheidungen ein und lösen das Calciumphosphat auf.

Neben den löslichen organischen Phosphaten spielen anorganische und unlösliche, aber fest in den Körper integrierte Calciumphosphate eine dominierende Rolle in der Architektur des Körpers. Körperwasser wird zum Beispiel von dem Hydroxylapatit der Knochen und Zähne sehr schnell übersättigt. Dann kristallisiert es an allen harten Oberflächen, die erreichbar sind, aus, nicht aber an den weichen biologischen Gelen. Die eignen sich nur für die Anlagerung von Cholesterin und fettigen Aggregaten. Nur zwischen den steifen Collagen- und Keratinfasern der Knorpel und den Zellmembranen existieren turbulenzfreie Wasservolumen, in denen sich auch anorganische Nanokristallite bilden können. Mit Calciumphosphat funktioniert das hervorragend: Die Kristallite reihen sich aneinander, wachsen zu Knochen und Zähnen heran. In solchen Wasserräumen mit negativ geladenen Proteinwänden reichern sich dabei zuerst Calcium-Ionen an, dann sammeln sich dort auch Phospholipide der Membranen als Kristallisationsinhibitoren, werden durch Phosphatasen zersetzt und stellen langsam das zur Kristallbildung nötige Phosphat bereit. So wachsen die Zahnschmelzkristalle aus Apatit langsam heran. Das meiste Protein der Basis wird dann enzymatisch abgebaut, lediglich einige hydrophobe Nanosphären bleiben als Abstandshalter zwischen den Apatitplättchen stehen und bewahren die große Oberfläche. Die raffinierte Multischichtstruktur des Zahnschmelzes macht ihn einerseits elastisch, glänzend und bruchfest, fixiert aber andererseits überall Zucker durch Wasserstoffbrücken von OH zum Phosphat. Dieser Zuckerbelag wird von Bakterien in Essig- und Milchsäure verwandelt (Seite 76), die aus dem Calciumphosphat lösliche Phosphorsäure machen und so Löcher in die Zähne bohren. Die

5.4 Phosphorsäureanhydride und cyclische Ester

Oberfläche einer Schicht Zahnschmelz beträgt ein bis zehn Quadratmeter pro Gramm Apatit. Deswegen sind Zähne immer in Gefahr. Die fünf Calcium-Ionen des Hydroxylapatits Ca5(OH)(PO4)3 bringen zehn positive Ladungen ein, die drei Phosphat-Ionen neun negative Ladungen, das Hydroxylion eine. Hydroxylapatit ist außerdem ein wirksamer Ionenaustauscher für Fluorid. Wird das Hydroxylion OH– durch Fluorid F– ersetzt, wird der Schmelz härter und etwas stabiler gegenüber Säuren. In den Skeletten der europäischen Friedhöfe erscheinen Löcher in den Zähnen erst vom 13. Jahrhundert an, was dem Zeitpunkt der Einführung des Zuckers als Nahrungsmittel entspricht (Seite 99). Bei Lebenden müssen diese Löcher gestopft und verlorene Zähne durch künstliche ersetzt werden, weil Zähne bei erwachsenen Menschen nicht nachwachsen wie bei den Ratten. Als Füllmaterial dienen Keramik, Edelmetalle oder Metalloxide (Abb. 5.35). Die Zuckerkrankheit wurde am Ende des vierten Kapitels mit der Bindung des Insulin-Proteins an einen Membranrezeptor und der Phosphorylierung des Tyrosins dieses Rezeptors in Verbindung gebracht. Sowohl die Freisetzung des

Abb. 5.35 Modell der Freisetzung des Insulins aus den b-Zellen des Pankreas durch Glucose im Blut. Glucose wird durch ein Transportprotein in die Zelle geschleust und dort zu Kohlendioxid verbrannt, wobei ATP frei wird. Gleichzeitig werden Kaliumkanäle geschlossen und Calcium eingeschleust. Bei-

de sorgen für die Fusion von insulinhaltigen Vesikeln, die, relativ hydrophob geworden, an der Zellmembran haften und Insulin freisetzen. Dieses Insulin öffnet dann die kinaseaktiven Rezeptoren auf der Oberfläche von „hungrigen“ Fett- und Muskelzellen (Seite 209).

255

256

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

Insulins aus den b-Zellen der Bauchspeicheldrüse in Folge steigender Glucosekonzentrationen im Blut als auch der Glucosetransport vom Blut in Fett- und Muskelzellen wird von ATP ausgelöst. Wie funktioniert das, wie regulieren sich so unterschiedliche Moleküle wie ATP, Glucose und Insulin gegenseitig? Das kann nur mit bio-logischen Techniken funktionieren, die an diesem Beispiel kurz geschildert werden sollen. ATP, Kinasen und Phosphatasen wirken prinzipiell nur innerhalb der Zellen, also hier in den beiden jeweils beteiligten b-Zellen und Muskel- bzw. Fettzellen. Zunächst erscheint Glucose in den b-Zellen, wenn ihre Konzentration 1 g/L Blut wesentlich überschreitet. Transportproteine werden zu diesem Zweck nach jeder Mahlzeit aktiviert. In den b-Zellen wird die Glucose zu Kohlendioxid abgebaut und erzeugt dabei ATP aus ADP. ATP schließt dann Kaliumkanäle nach außen und öffnet Calciumkanäle nach innen. Das ist alles normale Phosphatchemie und hat mit Insulin noch nichts zu tun. Die Calcium-Ionen aber neutralisieren Phosphatladungen auf der Oberfläche von Vesikeln, die Insulin enthalten, und bewirken so deren Fusion untereinander und mit der Zellmembran der b-Zellen. Die Vesikelmembranen lösen sich an diesen Fusionsstellen auf und Insulin wird auf der Außenseite der Plasmamembran ins Blut entlassen. Hier bindet es, wie früher beschrieben (Seite 210 f), an die Rezeptoren der Fettund Muskelzellen, die gleichzeitig als Kinasen wirken. Wenn die Glucosekonzentration im Blutplasma zu gering wird („Hypoglykämie“), greift das Proteinhormon Glucagon ein und induziert die Umwandlung von Fetten und Aminosäuren in Glucose. Doch damit entfernen wir uns viel zu weit von den sieben Molekülen und geraten in das Labyrinth des Stoffwechsels. Schließen wir die Beschreibung des Diabetes mellitus damit ab (Abb. 5.36)!

Abb. 5.36 a) Die gekrümmte Konformation von Glivec, die bei der Anlagerung an eine Tyrosinkinase erzwungen wird. Die Namen der Aminosäuren (Seite 165) der umhüllenden Kinase sind angegeben, wichtig sind vor allem die hydrophoben Aminosäuren Leucin und Valin im Zentrum. b) Der starre, polycyclische Naturstoff Staurosporin wird an

das gleiche Leucin-Valin-Zentrum der Tyrosinkinase gebunden. Die Lage der Stickstoffatome N ist ähnlich wie im Glivec, die molekularen Oberflächen sind etwa gleich groß. Bei der Anlagerung von Molekülen an Oberflächen ist häufig die relative Lage der Bindungszentren wichtiger als die Gestalt der Moleküle.

Fragen zu ATP

Die grundlegenden Aspekte der ATP-Chemie sind damit besprochen: Phosphorylierung von Membranoberflächen und Poren, Aufbau und Reparatur der Zähne und Knochen, Teilung von Körper- und Krebszellen. Die Forschung der Gegenwart kümmert sich darum und um Zukunftsträchtiges. Ein paar willkürlich ausgesuchte Aktualitäten des Jahres 2007 sollen das ATP-Kapitel beschließen. Assoziatives Lernen und die Speicherung des Gelernten im Gedächtnis funktionieren chemisch ähnlich wie die Erregung des Penis. Hier sind es Calciumund GABA-Ströme, die das Signal zur Phosphorylierung von Proteinen an die Synapsenwände geben. Sie locken Proteinkinasen vom Zellinnern an die Zelloberfläche, aktivieren sie da und bahnen das molekulare Gedächtnis. Die ungebremste ATP-Aktivität, die dem Menschen die innere Welt des Denkens und Fühlens erschließt und ihn mit der Außenwelt verbindet, kann auch seine Zerstörung durch Wucherung von Krebszellen bewirken. Das betrifft insbesondere den Blutkrebs, denn auch Hämatopoese, die Bildung der Blutzellen in Knochenmark, Milz und Lymphknoten, wird von Kinasen gesteuert. Ohne Phosphat gibt es keinen Krebs und keine Leukämie, die unkontrollierte Vermehrung weißer Blutkörperchen. Als cancerostatischer (das Krebswachstum eindämmender) Kinasehemmer ist Glivec im Versuchsstadium, ein leicht verformbares Molekül mit fünf Sechsringen und fünf basischen Stickstoffatomen. Es inhibiert erstens die Synthese von Tyrosinkinasen und blockiert zweitens ihre ATP-Bindungsstellen in wuchernden weißen Blutkörperchen, ohne gesunde Zellen zu stören. Letztere werden über viele Signalwege mit den notwendigen Phosphatinformationen versorgt, für Krebszellen aber ist die Blockade einzelner ATP-Bindungsstellen ebenso fatal wie jedwede Produktion nutzloser Proteine. Pathologische Chromosomen werden deshalb von Glivec unterdrückt, das Blutbild normalisiert sich. Es gibt auch einen natürlichen Kinaseblocker namens Staurosporin. Dieses Molekül ist vollkommen starr und weniger spezifisch. Kristallstrukturen der Komplexe von Kinasen mit Glivec und Staurosporin zeigen, dass Glivec von der Kinase in eine gebogene Konformation gezwungen wird, was bei dem zu hemmenden Enzym etwa die gleiche Oberfläche von etwa 5 nm2 Größe unzugänglich macht.

Fragen zu ATP

1. Welche chemische Reaktion findet im 50–100-Kilo-Maßstab täglich in Ihnen statt? 2. Wo nützt Kaffee? 3. Wie lange wirkt Coffein? 4. Wie wirken Barbital-Schlafmittel? Was muss beachtet werden? 5. Wieso inhaliert man bei Angina-pectoris-Schmerzen Nitroglycerin? Wieso explodieren die Flaschen nicht in der Jackentasche oder werden von Terroristen aufgekauft? 6. Wonach stinkt Urin für einige Zeit? 7. Wonach stinkt Kot für einige Zeit?

257

258

5 ATP: Phosphatchemie des Denkens und Fühlens, der Bewegung und der Zellteilung

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Wonach stinken Leichen für einige Zeit? Was unterscheidet die Wirkung von Kaffee, Tee und Kakao? Wieso zerstört Zucker die steinharten Zähne? Was machen wässrige Harnstofflösungen mit Dieselöl im Auto? Was macht Guanosinmonophosphat in Konserven? Wo binden die „Glücksbringer“ unter den Pharmaka? Welche Hoffnung weckt Glivec zur Zeit (Beginn des 21. Jahrhunderts)?

259

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren Mir gefiel der Sauerstoff immer am besten. Im Wasser nur Masse und Abstandshalter für Protonen und Elektronenpaare tut er selbst nichts, seit Milliarden Jahren. Im grünen Blatt aber setzt die Sonne ihn frei, wird er zur AtmoSphäre für Tier und Mensch. Beginnt den Atemzug als doppelt Radikaler, reist harmlos als Passagier in warmem Blut, schrumpft zum Atom, das in der Zelle brennt, zeugt Wasser, Pflanze dann und Mensch.

260

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

Überblick

6.1 Das Sauerstoffmolekül, O2, der Luft enthält zwei ungepaarte Elektronen in energiereichen, antibindenden Orbitalen. Dieser Biradikalcharakter verhindert, dass das einzige natürliche Oxidationsmittel auf der Erde spontan mit reduzierenden biologischen Organismen reagiert. Sein Oxidationspotenzial ist wie beim Chlor 1,3 V, aber Sauerstoff ernährt biologische Zellen, Chlor zerstört sie. 6.2 Pyrrol ist ein fünfgliedriger Heteroaromat, gibt leicht ein Elektron an den Sauerstoff ab und wird dabei zum Kationradikal. Dihydronicotinamid (NADH) ist ein sechsgliedriger Heterocyclus dessen hydrierter Pyridinring leicht ein Elektronenpaar in Form eines Hydridanions, H–, abspaltet. 6.3 Chlorophyll absorbiert im Inneren einer Chloroplastenmembran Sonnenlicht, gibt danach ein Elektron an ein Chinon ab und nimmt ein Elektronen von OH–-Ionen auf. Diese Ladungstrennung ist der Ausgangspunkt der Photosynthese, in der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt und Kohlendioxid in Glucose verwandelt wird. 6.4 Das Oxyhäm des Hämoglobins in Erythrocyten transportiert molekularen Sauerstoff im Blut, im Cytochrom P450 liefert es atomaren Sauerstoff. Beides geschieht bei einem Potenzial von null Volt, das typisch ist für lebende Zellen. Wasser, Glucose, Lecithin, Tyrosin und ATP – Waglule Tyat – sind farblos und kümmern sich nicht um das Licht der Sonne, wenn man von der geringen Rotabsorption des Wassers, dem Polyphenolbraun des Waldbodens und ein paar schmückenden Haar-, Blüten- und Rotweinfarbstoffen absieht. Der Blutfarbstoff Oxyhäm, die Gallenfarbstoffe der Algen, das Chlorophyll und Carotin der Blätter aber leuchten überall und das Rhodopsin sieht sie mit seinem Retinal. Das folgende Kapitel über das Oxyhäm befasst sich zuerst mit den Elementen Schwefel und Eisen (S und Fe aus SCHÖPFeN), mit dem aus dem Wasser freigesetzten Sauerstoffmolekül, O2, sowie mit den biologisch relevanten Oxiden des Kohlenstoffs und Stickstoffs.

6.1 Sauerstoff, Sulfid und Eisen

Wasser wirkt nach außen über die Protonen und Elektronenpaare. Das zentrale Sauerstoffatom bringt lediglich Masse ein; die Chemie des Sauerstoffs spielt im Wasser eine untergeordnete Rolle (Kapitel 1). Mit den Alkoholgruppen der Kohlenhydrate ist das genauso, aber der Raumanspruch der Sauerstoffatome und ihre relative Lage in den Fünf- und Sechsringen aus Kohlenstoff bestimmt zumindest die räumliche Struktur der Zucker und ihrer Polymere. In den Aldehyd- und Carbonylgruppen –C=O der Aldehyde, Ester und Amide schließlich wird der Sauerstoff auch chemisch aktiv, indem er das beteiligte Kohlenstoffatom positiv auflädt und damit eine Reihe wichtiger Additionsreaktionen provoziert (Seite 120 f und 123).

6.1 Sauerstoff, Sulfid und Eisen

Der molekulare Sauerstoff O2 wird von Pflanzen aus Wasser freigesetzt (Seite 276). O2 wurde vorerst nur auf der Erde gefunden; es ist das einzige natürliche Oxidationsmittel auf unserem Planeten und wohl auch im ganzen Universum, wenn man von den elektronenlosen Atomkernen in den Sternen absieht. Die Oxidationskraft des Sauerstoffmoleküls kommt wegen des paramagnetischen Grundzustands (siehe unten) nicht direkt zur Wirkung und kann je nach Bedarf „an- und abgeschaltet“ werden. Das sind entscheidende Faktoren für die Lebensfähigkeit der Menschen und Tiere, die mit Sauerstoff ihre Nahrung „verbrennen“, ohne dabei selbst Schaden zu nehmen. Das Kunstwort SCHÖPFeN (Seite 6) schließt diese Eigenschaft ein, indem es das Elektronenpaar als Symbol für chemische Reaktionen gerade auf dem Sauerstoffsymbol platziert. Die für den Menschen lebenswichtige chemische Reaktion ist die Wärme spendende Oxidation der Glucose zu Kohlendioxid, die in stark abgemilderter Form – als Glycolyse – das Monopol für die Energieversorgung des Gehirns hat. Wenn der Sauerstoff das Gehirn nicht mehr erreicht, endet dessen Tätigkeit innerhalb von Minuten. Mensch und Tier „ersticken“ schnell. Das Sauerstoffatom hat sechs Außenelektronen in vier tetraedrischen Orbitalen; zwei davon sind paarweise besetzt und zwei einfach. Im Sauerstoffmolekül, O2, sollte demnach eine Doppelbindung mit zwei Elektronenpaaren vorliegen, die durch Paarung der vier in den Atomen ungepaarten Elektronen entstehen. Das ist beim Grundzustand des Sauerstoffmoleküls nicht der Fall. Er bildet vielmehr eine Dreifachbindung wie der molekulare Stickstoff, N2, aus, wofür jedes Sauerstoffatom eines seiner beiden Außenelektronenpaare in zwei Einzelelektronen teilen muss. Das Resultat dieses Manövers ist ein „abgeschaltetes“, wenig reaktives Sauerstoffmolekül mit einer Dreifachbindung und zwei ungepaarten Elektronen (ein Biradikal, Seite 15). Da die ungepaarten Spins in gleiche Richtungen zeigen (parallel sind), ist das Molekül paramagnetisch. Magnetische Wechselwirkungen zwischen diesen Spins finden nicht statt, weil die beiden einzelnen Elektronen sich in getrennten, antibindenden Orbitalen befinden. In diesen energiereichen Positionen heben sie die Bindungsenergie einer der drei Bindungen zwischen beiden Sauerstoffatomen auf. Die Länge und die Stabilität der Sauerstoff-Sauerstoff-Bindung entsprechen deswegen nicht der des „inerten“ Stickstoffs, N2, sondern der einer Doppelbindung. Flüssiger Sauerstoff (Siedepunkt: –170 8C) ist schwach blau. Das bedeutet, er absorbiert sichtbares Licht mit einer Wellenlänge von 680 nm und wird dabei in einen angeregten Zustand überführt, in dem die Spins der beiden ungepaarten Elektronen antiparallel ausgerichtet sind. Dieser diamagnetische Sauerstoff heißt in der Fachsprache der Quantenmechanik Singlettsauerstoff und ist viel reaktiver als das Biradikal, das einem quantenmechanischen Triplettzustand entspricht, was hier nicht erklärt werden soll. Beide Formen des Sauerstoffmoleküls wirken als Oxidationsmittel: Sie nehmen Elektronen auf, werden zu Anionen, neutralisieren die negativen Ladungen mit Protonen und werden so schließlich zum Wasser reduziert. Die Sauerstoffmoleküle der Luft sind, wie schon gesagt, das einzige natürliche Oxidationsmittel auf der Erdoberfläche. Der biradikalische Sauerstoff reagiert aber nur

261

262

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

sehr langsam mit organischen Molekülen ohne ungepaarte Elektronen. Er neigt eher zur Verbindung mit den beweglichen Elektronen von Metallen: Metallisches, elementares Eisen rostet, Eisen des Blutfarbstoffs Hämoglobin und des Muskelfarbstoffs Myoglobin binden O2 (Seite 281) und der Zellfarbstoff Cytochrom P450 verwandelt O2 mit der Hilfe von NADH in atomaren Sauerstoff O und Wasser (Seite 283) (Abb. 6.1).

Abb. 6.1 Die beiden Formen des SauerstoffMoleküls. Links: Der relativ stabile Biradikalzustand des Luftsauerstoffs (Triplettsauerstoff) mit drei bindenden und zwei nichtbindenden Elektronenpaaren. Damit hat jedes Sauerstoffatom acht Elektronen in seinen vier energiearmen Orbitalen (siehe Abb. 1.19). Die beiden übrig bleibenden Einzelelektronen finden dort keinen Platz mehr und werden in energiereicheren, antibindenden Orbitalen untergebracht. Ihre negative Bindungsenergie hebt die der dritten Bindung

zwischen den Atomkernen auf. Rechts: Der angeregte, nicht magnetische (Singulett-)Zustand mit zwei bindenden (Doppelbindung) und vier nicht bindenden Elektronenpaaren. Auch hier hat jedes Sauerstoffatom acht Elektronen, wenn man die bindenden Elektronen jedem Atom zuteilt und sechs, wenn man die bindenden Elektronenpaare formal aufteilt. Singlettsauerstoff entsteht in geringer Ausbeute bei der Einstrahlung von sichtbarem Licht auf den biradikalischen Sauerstoff. Zum Sauerstoffatom siehe Seiten 7, 14.

Kohlendioxid ist das gasförmige Endprodukt aller Kohlenstoffverbindungen, die auf der Erde vom Sauerstoff der Luft oxidiert werden. Am schnellsten, bei Temperaturen oberhalb von 1000 8C, läuft diese „Verbrennung“ bei der Explosion von Kohlenwasserstoffgasen in den Verbrennungsmotoren der Autos ab, aber auch das Endprodukt eines brennenden Streichholzes, von Kohle und Öl im brennenden Ofen oder eines Waldbrands ist Kohlendioxid. Die Verbrennung von Nahrungsmitteln zu gasförmigem CO2 im Atemprozess ermöglicht es zudem, die bei jeder Oxidation von Kohlenstoffverbindungen erzeugte Kohlensäure in Form des Anhydrids CO2 mit jedem Atemstoß aus dem Körper zu entfernen. So sammeln sich in unserem Körper nach dem Essen keine Säuren an und der pH-Wert des Körperwassers bleibt konstant bei 7,4. Das entspricht etwa 10–7 mol oder 10–7 g Protonen im Liter Wasser oder höchstens einem hundertstel Milligramm im ganzen Körper außerhalb des Magens! Knochen und Zähne werden so nicht nach jeder Mahlzeit durch einen Säureschwall angeätzt, Proteine verlieren ihre Wasserstoffbrücken und ihre Sekundärstruktur nicht. Der „normale“ pH ist 7,4. Schon pH = 6,8, weniger als ein Milligramm H+ zuviel, führt zum Säuretod. Im Kohlendioxid werden die Elektronen der Doppelbindung nur geringfügig auf den Sauerstoff übertragen. Die beiden benachbarten, senkrecht aufeinander stoßenden Orbitale begünstigen wegen ihrer Symmetrie die Polarisierung der C=O-Doppelbindung nicht in gleicher Weise wie beim schon besprochenen

6.1 Sauerstoff, Sulfid und Eisen

Formaldehyd. Andererseits lagert CO2 leicht Wasser an und bildet Kohlensäure H2CO3, die in Wasser ein oder zwei Protonen abspaltet. Dabei bilden sich Hydrogencarbonat- und Carbonat-Anionen. Allerdings entsteht Kohlensäure nur mit einer Ausbeute von 0,1%, während 99,9% des Kohlendioxids als Gas gelöst bleiben. Das aber kann sehr konzentriert vorliegen; im venösen Blut zum Beispiel finden sich etwa 50 Volumenprozent, das heißt 500 ml gasförmiges Kohlendioxid oder etwa 1 g/L. Ein Erwachsener atmet etwa 700 g oder 350 L Kohlendioxid am Tag über die Lungenbläschen ab (Abb. 6.2). Isoliertes Kohlendioxid hat die interessante Eigenart, bei –79 8C direkt zu ver-

Abb. 6.2 Von links nach rechts: Kohlendioxid, Kohlensäure, Hydrogencarbonat- und Carbonat-Anion.

dampfen, ohne zu schmelzen. „Trockeneis“ ist deshalb ein nützliches Kühlmittel. Erst oberhalb eines Druckes von 5 atm schmilzt das feste Kohlendioxid. In Form einer „überkritischen Flüssigkeit“ verwendet man es als Lösungsmittel, zum Beispiel bei der Herstellung von entkoffeiniertem Kaffee unter Erhaltung der Aromasubstanzen (Seite 226 ff). Polarität und Reaktivität sind ganz anders beim Kohlenmonoxid, CO, das bei der unvollständigen Verbrennung von Kohlenstoffverbindungen oder durch Wasserabspaltung aus Formaldehyd entsteht. Das Sauerstoffatom bildet hier mit dem Kohlenstoff eine feste Dreifachbindung und das Kohlenstoffatom trägt ungewöhnlicherweise ein ungebundenes Elektronenpaar, was eine einzigartige negative Aufladung des Kohlenstoffatoms bewirkt. Deshalb lagert sich Kohlenmonoxid mit seinem negativen Kohlenstoffende an viele positiv geladene Metallionen an und vergiftet auf diese Weise auch das Oxyhäm (siehe Seite 281). CO ist in Wasser etwas löslich, bildet aber kein Hydrat. Bei einer Hydratation müsste der negativ geladene OH-Anteil des Wassers an den positiv geladenen Sauerstoff des CO binden. O–O–Einfachbindungen (Peroxide) entstehen aber nicht spontan, dazu sind sie zu energiereich (Abb. 6.3).

Abb. 6.3 a) Im Kohlenmonoxid ist der Kohlenstoff partiell negativ geladen, weil er in der oberen Formel vorherrscht. Er hat dort fünf Valenzelektronen (das ungebundene Paar und je ein Elektron aus den Elektronenpaaren der Bindungen), neutraler Kohlenstoff hat nur vier Valenzelektronen. Jedes neutrale Sauerstoffatom trägt sechs Valenzelektronen,

im vorliegenden Fall aber nur fünf – es ist also positiv geladen. b) CO lagert sich mit dem Kohlenstoffatom an verschiedene Eisenkomplexe an (siehe Seite 281 ff), aber nicht an Wasser, weil die ungewöhnliche Verteilung der Ladung die Ausbildung einer energiereichen O–O-Einfachbindung (Peroxid) erfordern würde.

263

264

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

Auch das Element Stickstoff bildet Oxide mit Sauerstoff. Stickstoffmonoxid, NON, ist wie der molekulare Sauerstoff ein außergewöhnlich stabiles Radikal, das erstaunlicherweise kaum zur Dimerisierung neigt, wodurch der Radikalcharakter verloren gehen würde. NO reagiert wie das Biradikal des Sauerstoffmoleküls mit dem Blutfarbstoff Häm (siehe Seite 281) und wirkt als Mittel zur Venenerweiterung bei Angina pectoris (Seite 286), sowie, indirekt, zur Venenverengung bei der Penisversteifung (Seite 253). Die Reaktion des NO-Radikals mit dem Sauerstoff-Biradikal, die schließlich zu Stickstoffdioxid NO2 führt, verläuft ebenfalls ungewöhnlich langsam, wenn das NNO nur in geringen Konzentrationen vorliegt, was in biologischen Organismen immer der Fall ist. Schnell und gefährlich ist aber die spontane Bildung des Nitrosyl-Radikals NOONO aus NO und O2, das im Körper schnell zum Peroxynitrit-Anion weiterreagiert. Dieses Peroxynitrit nimmt in Wasser ein Proton auf und zerfällt dann in Gegenwart entsprechender Enzyme (Superoxid-Dismutase, SOD) zu Nitrit- und Hydroxylradikalen, NNO–2 und NOH (Abb. 6.4).

Abb. 6.4 a) NNO ist ein Radikal, weil die Gesamtzahl der Außenelektronen ungerade ist (11, und zwar 5 von N und 6 von O). Die linke Form überwiegt. b) Das ungepaarte Elektron führt beim NNO nicht zur Dimerisierung. c) Das Sauerstoff-Biradikal NO2N bildet mit NO Peroxide, die zu reaktiven Radikalen zerfallen.

Energiereiche Strahlen, elektrische Entladungen und große Hitze verwandeln das Sauerstoffmolekül O2 in Ozon O3. Ozon ist die vorherrschende Form des Sauerstoffs in der Stratosphäre in 17 km Höhe, wo der Sauerstoff als „Ozonschild“ die energiereiche Weltraumstrahlung und das UV-Licht der Sonne ausfiltert. Auch die elektrischen Entladungen eines Gewitters erzeugen Ozon. Trotzdem ist es in tieferen Regionen der Atmosphäre selten, abgesehen von Spurenmengen an heißen Sommertagen in Innenstädten oder in Auspuffgasen. Ozon ist diamagnetisch und extrem aggressiv gegenüber Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen, die schnell zu Oxiden aller Art abgebaut werden. Viele davon bilden in Wasser Säuren. Ozon lagert sich auch nicht an das Eisen des Häms an, sondern bleicht das Protoporphyrin aus und zerstört es vollkommen. Ebenso destruktiv wirkt es in der Schleimschicht der Lunge und im Lungengewebe, die es durchlöchert. Die Lunge altert schnell in ozonhaltiger Luft (Abb. 6.5).

6.1 Sauerstoff, Sulfid und Eisen

Abb. 6.5 Bildung des diamagnetischen Ozonmoleküls aus paramagnetischen, biradikalischen Sauerstoffmolekülen und -atomen.

Im Wasserstoffperoxid, H2O2, sind die Sauerstoffatome schließlich nur durch eine zerbrechliche Einfachbindung (Bindungsenergie 36 kcal/mol) vereint und tragen außerdem je ein Wasserstoffatom. H2O2 zersetzt sich leicht zu HydroxylRadikalen OH oder zu Sauerstoff O2 und Wasser H2O. Auf der Erde kommt H2O2 nicht vor – es muss elektrochemisch hergestellt werden (Abb. 6.6).

Abb. 6.6 Wasserstoffperoxid, H2O2, zerfällt in der Hitze zu Hydroxylradikalen, aber in Gegenwart vieler Metallionen wie Mn2+ zu Wasser und Sauerstoff.

Im Zusammenhang mit dem Oxyhäm spielen neben dem Sauerstoffmolekül auch Eisen und Schwefel lebenswichtige Rollen. Vor sechs Milliarden Jahren ließen Gravitationskräfte zwischen einander begegnenden Meteoriten diese zur Masse der Erde heranwachsen: 6 ´ 1021 t in einem Volumen von 1012 km3. Frei werdende Energien erhitzten und schmolzen diesen großen Brocken zu einem feurigen Ball aus Eisen, Nickel und einigen Oxiden. Die geschmolzene Erdmasse rundete sich zu einer Kugel, dem Körper minimaler Oberfläche bei gegebenem Volumen. Das schwere Eisen setzte sich mit dem Nickel im Zentrum der Kugel ab, leichtes Silicat und Kohle schwammen an die Oberfläche. Das Wasser verdampfte schon in frühen Stadien der Planetenbildung, konnte aber wegen seiner Neigung, im Weltraum Wolken aus Tropfen und Eiskriställchen zu bilden, damals so wenig wie heute der Erdanziehung entkommen. Heute kann nur die Oberfläche der Erde direkt analysiert werden, nur sie ist zugänglich. Das Erdinnere wird indirekt erforscht, vornehmlich durch die seismographische Vermessung der Ausbreitung von Erdbebenwellen durch die Erde hindurch. Primärwellen (P-Wellen) breiten sich in der Luft, in Flüssigkeiten und in Festkörpern schnell aus, wobei die mit 3 g/cm3 locker gepackte Erdkruste mit etwa 10 000 km/h durchquert wird, der Erdmantel und äußere Kern mit 4–12 g/cm3 schon eine Beschleunigung auf 20 000–40 000 km/h, der innere Kern mit 12–15 g/cm3 auf 43 000–54 000 km/h ermöglichen. Die Erddurchquerung (6378,4 km) einer P-Welle dauert etwa 10 min. Die Sekundärwellen (S-Wellen) sind etwa halb so schnell und werden von Flüssigkeiten geschluckt. S-Wellen werden also nur von Seismometern registriert, die ausschließlich durch feste Schichten der Erde mit dem Erdbebenherd verbunden sind. Messungen der Laufzeitdifferenz von P- und S-Wellen an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche, Beobachtungen des Verschwindes der S-Wellen und Com-

265

266

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

putermodellierung erlauben dann Rückschlüsse auf das Material in der Erdmitte: Der äußere Kern ist wahrscheinlich flüssiges Eisen und Nickel mit etwas Oxid, der innere Kern festes Metall mit einer Temperatur von etwa 5000 8C, die wahrscheinlich vom Zerfall radioaktiver Elemente und den Reibungskräften beweglicher flüssiger und fester Metallschichten im rotierenden Erdkörper herrührt. Unregelmäßige Strömungen des flüssigen Metalls auf dem festen Metallkern erzeugen das Magnetfeld der Erde. Ihre wenig vorhersehbaren Veränderungen rufen die bekannten Wanderung der Magnetpole mit der Zeit hervor. Der Südpol verschob sich zum Beispiel von 1831 bis heute um etwa 1000 km nordwestwärts. Außer den Primär- und Sekundärwellen gibt es noch reine Oberflächenwellen, die an fluidem Material reflektiert werden und in reproduzierbaren Zeitabständen von ein und derselben Messstation erfasst werden. Über dem geschmolzenen Eisen des Erdkerns liegt gemäß der seismometrischen Messungen ein Mantel aus Schmelzen von Eisensulfiden und diversen Mischungen aus Eisensilicat und anderen leichteren Materialien, darauf folgt dann schließlich die durchschnittlich 17 km dicke Erdkruste, auf der wir leben. Im Yellowstone Park ist die Erdkruste nur 7 km dick und ihre Vulkanschlote und Geysire stellen eine direkte Verbindung zum Magma des äußeren Mantels her. Das dort einsickernde und wieder verdampfende Wasser enthält vor allem Schwefelwasserstoff, was belegt, dass Schwefel sich in der Umgebung von Schwermetallen in etwa 10 km Tiefe anreichert, auch wenn dort hohe Temperaturen herrschen (Abb. 6.7).

Abb. 6.7 Erdbeben erzeugen P- und S-Wellen, die von seismographischen Messstellen leicht unterschieden und zeitlich aufgelöst werden können. P-Wellen laufen durch die Erde, wobei ihre Geschwindigkeit in dichtem Material größer ist als in leichtem Material. Außerdem breiten sich sowohl P- als auch S-Wellen auf der Oberfläche der Erde mit un-

terschiedlicher, aber gleich bleibender Geschwindigkeit aus. Die Analyse der beiden Wellen an den verschiedensten Punkten der Erde erlaubt die Bestimmung der Dichte (in Grenzen auch des Materials) des Erdinneren, von dem es keine Proben gibt. Die Dichten, die sich aus dieser Bebenanalyse ergeben, sind im Bild eingetragen.

6.1 Sauerstoff, Sulfid und Eisen

Eisen, Fe, das häufigste Element und Metall im Erdinneren, tritt auf der Erdkruste vorwiegend als Trikation Fe3+, häufig im Gemisch mit Fe2+ auf. Eisenerz ist oft Magnetit, Fe3O4 (Fe2O3 · FeO). In biologischen Organismen dominiert Oxyhäm (Kapitel 6.4). Seine reaktiven Außenelektronen bewegen sich in ausgedehnten d-Orbitalen, die anders aussehen als die CNOPS-Tetraeder. Ein Eisenatom kann man sich als zehnarmiges Monster vorstellen: Je fünf Arme strecken sich in alle Richtungen und greifen nach allem, was ihnen Elektronen liefert. Im Oxyhäm neutralisieren die Porphyrin-Liganden des Blutfarbstoffs die beiden Ladungen des Fe2+, dazu kommt ein neutrales Sauerstoffatom oder -molekül als Ligand auf der einen Seite und Imidazol oder Schwefel auf der anderen Seite. Das Eisen des Oxyhäms ist nun voll bepackt mit reaktiven Elektronen, aber Kohlenmonoxid, Stickstoffmonoxid und viele andere Moleküle können den Sauerstoff verdrängen und das Oxyhäm damit inaktivieren. Zu lernen ist: Bindungen zum Eisen erstrecken sich in alle Richtungen des Raums, außerdem bilden und lösen sie sich schnell und reversibel (Abb. 6.8).

Abb. 6.8 Links: Modell der Kristallstruktur des Eisen(II)-hexacyanoferrats, [Fe(CN)6]4–. Ein einziges Eisen-Ion bindet sechs CyanidIonen (CN–) oder „Liganden“ zum voluminösen Komplex-Anion. Der Abstand benachbarter Eisenzentren ist etwa 0,8 nm, das Volumen eines Komplex-Anions ist 0,5 nm3, das eines Wassermoleküls 0,003 nm3. Das Anion ist also etwa so groß wie 170 Wassermoleküle. Rechts: Ausgedehnte Ligan-

denfelder sind typisch für das Eisen; sie ermöglichen schnelle Austauschreaktionen mit Reagenzien aus der Umwelt. Ein hervorragendes Beispiel für solche Austauschreaktionen bietet das Oxyhäm: In der roten Ebene liegen zwei Orbitale (x2–y2 und xy), schräg dazu zwei (yz, xz) und senkrecht eines (z2) für axiale Liganden, z. B. O2, NO und CO.

Bäche, die aus Vulkanen und Geisern fließen, verbinden das Erdinnere mit dem Wasserkreislauf an der Oberfläche (Seite 31 ff). Sie sind leicht sauer und enthalten Schwefelwasserstoff H2S aus den Schwermetallsulfiden des Erdinneren. An der Luft wird H2S schnell zu elementarem Schwefel, (Schwefelblüte, (-S-S-)n) oder Schwefeldioxid SO2 oxidiert. Proteine nutzen außerdem die oxida-

267

268

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

tive Dimerisierung von SH–Gruppen des Cysteins zu S–S–Gruppen (Disulfid) des Cystins durch den Luftsauerstoff dazu, wasserlösliche Proteine miteinander zu vernetzen. So entsteht das wasserunlösliche, sogar unquellbare Gewebe der Haut, der Haare und der Fingernägel. Im reduzierenden Innern des Körpers aber findet diese S–S-Dimerisierung nur in der Magenwand statt (Seite 140), weil die stark saure Umgebung das Oxidationspotenzial anhebt. Anderswo sind die SH–Gruppen der Proteine frei; Schwermetalle „vergiften“ das Protein, machen es biologisch unbrauchbar. Vor allem Quecksilber und Cadmium wirken katastrophal, S–Hg- oder S–Cd-Bindungen sind unter physiologischen Bedingungen kaum wieder zu lösen (Abb. 6.9).

2 RSH

O2

H2O2

H2O2

Abb. 6.9 Organische Sulfide heißen auch Mercaptane, das „Quecksilber fällende Prinzip“ (engl. mercury, „Quecksilber“). Das deutet auf die extrem feste Bindung zwischen dem großen Sulfid-Ion S2– und dem ebenso großen Quecksilber-Ion Hg2+ hin. Beides sind weiche Ionen, die zu kovalenten Bindungen neigen: Schwefel und Quecksilber werden durch ausgedehnte, überlappende, mit vielen Elektronen gefüllte Orbitale fest miteinander verbunden. Außerdem ist Schwefel leicht zu oxidieren. An der Haut-

oberfläche im Kontakt mit dem Sauerstoff der Luft bilden die SH-Gruppen der Proteine (Aminosäure Cystein) S–S-Dimere. Die Proteinketten werden durch viele solche S–S-Brücken so oft miteinander vernetzt, dass sie vollkommen wasserunlöslich werden (Haut, Haare, Fingernägel). Im Innern des Körpers, dessen Wasservolumen stark reduzierend wirken, ist das nicht der Fall. Da gibt es nur –SH (Ausnahme: Magenwand). Dementsprechend ist Hg2+ dort sehr störend und ein schweres Nervengift.

Auch Schwefel aktiviert das Eisenion, worauf die Bildung von Sauerstoffatomen am Cytochroms P450 beruht (siehe Seite 283). Eisensulfide treten an vielen Stellen des menschlichen Körpers auf und sind auch in Mikroorganismen allgegenwärtig. Wahrscheinlich waren in der Evolution Eisen-Schwefel-Verbindungen die Vorläufer des Oxyhäms (Abb. 6.10).

Abb. 6.10 Eine typische Eisensulfidstruktur, wie sie zur Elektronenleitung in Bakterien und im menschlichen Körper benutzt wird (siehe Seite 282).

6.2 Pyrrol, Pyridin und ihre p-Elektronen

Wir wissen damit über Eisen und seine anorganischen Liganden Sauerstoff und Sulfid alles, was wir brauchen, um Oxyhäm verstehen zu können. Um das Eisen, den Schwefel und den Sauerstoff herum wurden von der biologischen Evolution grüne und rote Tetrapyrrolfarbstoffe gewickelt; sie haben sich bis heute da gehalten.

6.2 Pyrrol, Pyridin und ihre p-Elektronen

Pyrrol ist eine farblose, leicht nach Chloroform riechende Flüssigkeit, die bei Zugabe eines Tropfens Säure das Pyrrolrot bildet, rote lineare Polymere (griech. pyrros, „feuerrot“; lat. oleum, „Öl“). Pyrrol ist ein typisch aromatisches Molekül wie das Benzol und enthält ebenso wie dieses sechs p-Elektronen – vier in den beiden Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen und ein Paar am protonierten Stickstoffatom. Auf fünf Ringatome kommen so sechs p-Elektronen. Das Pyrrol ist mit beweglichen p-Elektronen überladen, ein Aromat mit einem „Elektronenüberschuss“. Es gleicht darin dem Phenolat-Anion des Tyrosins mit sieben p-Elektronen in einem Ring aus nur sechs Kohlenstoffatomen (siehe Seite 178). Die elektronenreichen Kohlenstoffatome sind auch basischer als das Stickstoffatom: Die Protonierung des Pyrrols durch Salzsäure erfolgt am Kohlenstoffatom, nicht am Stickstoff. Das durch ein Proton positiv aufgeladene Pyrrol reagiert spontan mit elektronenreichen, nicht-protonierten Pyrrolmolekülen und es kommt zur Bildung der erwähnten roten Polymere, die aber noch nicht dem roten Blutarbstoff entsprechen. Das Elektronenpaar des Pyrrolstickstoffs ist optimal geeignet für die schrittweise Reduktion des molekularen Sauerstoffs, weil deren Verteilung auf alle Kohlenstoffatome des Rings dem Stickstoff seine Basizität nimmt. Die Reduktion des Sauerstoffmoleküls kann bei neutralem pH-Wert und in reduzierendem Milieu stattfinden. Wenn das entstandene Pyrrolderivat die positive Ladung aufnimmt und über den ganzen Ring verteilt, wird sie keinen Schaden an Proteinen anrichten (Abb. 6.11). Das Protoporphyrin des Häms hat vier solche Pyrrolringe und ist damit ein extrem elektronenreicher Farbstoff, der leicht ein Elektron an das einzige Oxidationsmittel der Natur, den molekularen Sauerstoff, abgibt und dabei sehr stabile Radikale und Eisenkomplexe bildet. Der Elektronenreichtum der Pyrrole führt zusammen mit dem Polypensystem der Eisenelektronen (Seite 267) zum Oxyhäm der Atmung (siehe Kapitel 6.4), das Sauerstoff bindet und leicht reduziert. Die vielen Elektronen gefährden das Porphyrin aber auch: Innerhalb weniger Tage wird es im Blut vom Sauerstoff oxidativ abgebaut, es entsteht ein grüner Farbstoff aus vier Pyrrolringen mit drei Methinbrücken –CH= der nach seiner Quelle, der Galle (engl. bile), „Biliverdin“ heißt. Dieses Pigment fällt zuerst bei Verletzungen der Gefäße des Blutkreislaufs in Form der „blauen Flecke“ auf. Unter der Haut entsteht durch den langsamen Abbau des Oxyhäms in geplatzten Blutgefäßen zunächst Biliverdin, das dann langsam vom Körper zu gelbem „Bilirubin“, dem Farbstoff des Urins, reduziert wird. Spröde Blutgefäße geben

269

270

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

Abb. 6.11 a) Die mesomeren Grenzformen und die chemische Verschiebung der CH-Protonen des Pyrrols im NMRSpektrum entsprechen etwa denen des Benzols (6,3 und 6,8 ppm). b) Säuren protonieren den a-Kohlenstoff, das gebildete Kation polymerisiert mit anderen Pyrrolmolekülen.

große Flecken, elastische häufig gar keine. Andere Farbstoffe des Porphyrinabbaus sind braun und lagern sich in den Fäkalien (Stercobilin; griech. sterco, „Kot“) ab. Ab dem siebten Monat einer Schwangerschaft wird das „fötale Hämoglobin“ eines Babys abgebaut und durch Erwachsenen-Hämoglobin ersetzt. Dabei entstehen massive Mengen Bilirubin in kurzer Zeit, die ausgeschieden werden müssen. Das setzt sich nach der Geburt fort: Das Bilirubin neugeborener Babys durchläuft in sichtbarem Licht eine cis-trans-Isomerisierung, die es besser wasserlöslich macht. Zum gleichen Zweck wird außerdem enzymatisch ein Glucosemolekül angehängt. Wenn diese beiden Umwandlungen nicht funktionieren, reichert sich gelbes, hydrophobes Bilirubin im Fettgewebe des Babys an, insbesondere in den Neuronen des Gehirns. Es kommt zur „Neugeborenengelbsucht“ die oft katastrophale Folgen hat und schnell beseitigt werden muss. Hier hilft die Beschleunigung einer Photoisomerisierung des wasserunlöslichen all-cis-Isomers am meisten, weil

6.2 Pyrrol, Pyridin und ihre p-Elektronen

nur dieses Isomer im Fettgewebe auskristallisiert und Synapsen blockiert. Das trans-Isomer bricht die cis-Kristallite auf und ist wasserlöslich genug, um auch ohne Glucose im Blutstrom herausgespült zu werden (Abb. 6.12).

Abb. 6.12 Das Protoporphyrin des Hämoglobins im Blut und seine Abbauprodukte Biliverdin (Galle) und Bilirubin (Niere und Harn). Die durchkonjugierten Systeme sind planar wie die Papierebene. Das in der Mitte hy-

drierte Bilirubin findet sich in verschiedenen Konformationen, was zu viel besserer Wasserlöslickeit führt, zum Beispiel im Urin, der vom Bilirubin gelb gefärbt ist.

Eine ähnliche cis-trans-Isomerisierung eines Biliverdins bringt Pflanzensamen im Frühjahr zum Keimen. Hier gibt es das Phytochrom (griech. „Pflanzenfarbstoff“), das im „Fernroten“, bei 730 nm absorbiert, wenn es ruht. Durch 730-nm-Licht wird der lineare Farbstoff in ein cyclisches cis-Stereoisomer umgewandelt, das bei 660 nm absorbiert und sofort als Wachstumshormon aktiv wird. Solch fernrotes Licht dominiert im Licht der untergehenden Sonne an Frühlingstagen und schaltet im Frühling die Proteinsynthese der Pflanzen an. Der Samen wird zum Spross, die lichtinduzierte cis-trans-Isomerisierung zum chemischen Signal des Frühlingserwachens (Abb. 6.13).

271

272

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

Abb. 6.13 Fernrotes (– – –) und rotes (______) Phytochrom; oben die Molekülstruktur des „schlafenden“ gestreckten Isomers.

Die sechs p-Elektronen überladen die vier Kohlenstoff- und das Stickstoffatom des Pyrrolrings mit negativen Ladungen Pyrrol gibt deshalb leicht ein Elektron ab und wird zum Radikal. Das genaue Gegenteil tritt ein, wenn die Zahl der Doppelbindungen in einem stickstoffhaltigen Sechsring von zwei auf drei erhöht wird. Der Sechsring heißt dann Pyridin und ist sofort an seinem fäkalartigen Gestank zu erkennen, deutlich zu unterscheiden vom leicht chloroformig riechenden Pyrrol. Ist der Pyrrolring allerdings mit einem Benzolring verbunden, entsteht Indol, einer der Geruchsstoffe des Kots. Der Gestank wird vollends widerlich, wenn das Pyrrol zusätzlich methyliert ist. 3-Methylindol heißt direkt Skatol (greich. skatos, „Kot“) und entsteht beim Metabolismus der Proteine aus Tryptophan. In Spuren mischt man beide Fäkalienstinker jasminartigen Parfums bei. Geruch und Gestank wirken grundsätzlich psychologisch und haben nichts mit der Giftigkeit von Molekülen zu tun. Fäkalien sind zwar grundsätzlich unberechenbare Bakterienherde, also gefährlich, und Tiere und Menschen haben deshalb ein Warnsystem errichtet. Methylindol und viele andere Stickstoff- und Schwefelverbindungen, die aus dem bakteriellen Abbau toter Proteine stammen, sind aber eigentlich harmlos. Man kann das ruhig einatmen und sich daran gewöhnen (Abb. 6.14).

Abb. 6.14 Drei fäkalartig riechende Heterocyclen.

6.2 Pyrrol, Pyridin und ihre p-Elektronen

273

Das elektronegative Stickstoffatom des Pyridinrings zieht Elektronen von den Kohlenstoffatomen ab, der aromatische Charakter ist beim Pyridin viel weniger ausgeprägt als beim Benzol oder Pyrrol. Im Nicotinamid, NAD+, werden dem Pyridinring außerdem durch eine Elektronen ziehende Amidgruppierung, –CONH2, und eine positive Ladung am Stickstoff weiter Elektronen entzogen. Danach kann der Ring nicht mehr wie das Pyrrol oxidiert, aber dafür leicht reduziert werden, indem zum Beispiel Hydrid an den Sechsring addiert und NADH gebildet wird. Das zerstört zwar das aromatische Konjugationssystem, aber das war wegen der positiven Ladung und des stark elektronenziehenden Amidsubstituenten sowieso nicht viel wert und hatte kaum noch Elektronen. Das leicht zu bildende NADH ist das wichtigste und wirksamste Reduktionsmittel der Biologie, insbesondere der atmenden Tiere und Menschen, aber auch der Pflanzen und unendlich vieler Mikroorganismen. NAD+ und NADH lassen sich leicht durch eine UV-Bande des Letzteren bei 350 nm und durch die Fluoreszenz des NADH unterscheiden. Nur diese reduzierte Form leuchtet unter einer UV-Lampe blau. Diese Fluoreszenz ist der

Abb. 6.15 Oben: Strukturen und Konformationen des Nicotinamids NAD+ und des Dihydronicotinamids NADH. Das ADP (Seite 239) wirkt als Träger- und Fixierungssystem, das die Eigenschaften des NAD je nach Umgebung (hydrophil oder hydrophob; siehe Abb. 6.23) modifiziert. Im Wasser liegen der Adenin- und der Nicotinamidring übereinander, in Lösungsmitteln und Membranen trennen sie sich. Unten: NAD+ absorbiert nur bei 250 nm (linke rote Bande), NADH absorbiert bei 250 und 340 nm und fluoresziert außerdem im sichtbaren Blau (rechte rote Bande, Pfeil). Zeigt eine biologische Zelle diese optischen Erscheinungen, so lebt sie.

274

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

sicherste und einfachste Nachweis für eine lebendige Zelle. Fluoresziert sie blau unter UV, dann kann sie noch reduzieren, ihr Metabolismus funktioniert. Fluoresziert sie nicht, ist sie tot (Abb. 6.15).

6.3 Chlorophyll und Protoporphyrin

Der Elektronenreichtum des Pyrrols bildet die chemische Basis der Nutzung des Sonnenlichts in der Photosynthese der Pflanzen und der Erzeugung des atomaren Sauerstoffs im Atemprozess der Tiere. In der Natur ist in beiden Fällen nicht das farblose Pyrrol wirksam, sondern der grüne Tetrapyrrolfarbstoff Chlorophyll (griech. chloros, „grün“; phyllon, „Blatt“) und der rote Tetrapyrrolfarbstoff Häm (griech. haimos, „Blut“), in denen jeweils vier Pyrrolringe über vier Methinbrücken (=CH–) an den a-Positionen miteinander verbunden sind. Dieser tetrapyrrolische Grundkörper ist ein großer Ring, ein aromatischer Macrocyclus, und heißt wegen seiner roten Farbe „Porphyrin“ (griech. porphyra, „Purpur“) (Abb. 6.16). Die Absorption eines Lichtquants befördert ein Elektron des energiereichsten Elektronenpaars des Chlorophylls in ein Orbital auf einem noch höheren Energieniveau. Dieses Elektron wirkt reduzierend. Das untere, nun auch nur noch halbbesetzte Orbital möchte ein Elektron aufnehmen, es wirkt als starkes Oxidationsmittel. Dieser doppelte, scheinbar widersprüchliche Charakter ist typisch für alle vom Licht erzeugten angeregten Zustände von Farbstoffen: Sie sind gleichzeitig starke Oxidations- und Reduktionsmittel, denn sie geben das angeregte Elektron leicht ab, nehmen aber in das „Elektronenloch“ leicht ein anderes Elektron auf. Pflanzen nutzen in ihrer Photosynthese die im angeregten Zustand des Chlorophylls (griech. chloros, „gelbgrün“ und phyllon, „Blatt“) vorhandene Energie, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Dabei geben vier Chlorophyllmoleküle vier Elektronen an die Protonen des Wassers ab, Wasserstoffmoleküle (2 H2) und Sauerstoffmoleküle (O2) werden freigesetzt. Danach entweicht der Sauerstoff als O2-Molekül in die Atmosphäre, während der Wasserstoff mithilfe von NADH Kohlendioxid, CO2, zu Glucose (CH2O)6 und Wasser reduziert. Tiere und Menschen essen dann den Zucker und die Stärke, verwandeln sie in Glucose, atmen Sauerstoff ein und verbrennen die Glucose wieder zu CO2, um Energie zu gewinnen. Die Ausgangsstoffe Wasser und Kohlendioxid werden dabei zurückgeliefert. Die Umwandlung von Licht in chemische Energie wird dadurch begünstigt, dass das Absorptionsspektrum des Chlorophylls mit seinen intensiven Banden im roten Spektralbereich von 600–700 nm dem Maximum des Emissionsspektrums der Sonne auf der Erde nahe kommt (Abb. 6.17).

6.3 Chlorophyll und Protoporphyrin

Abb. 6.16 a) Fällt weißes Licht auf Häm, so absorbiert dieses daraus den tiefblauen Anteil (nahe 400 nm) und grüne Anteile (nahe 550 nm und 575 nm). Das rote Licht bleibt übrig. Das Hämspektrum ist ein Aromatenspektrum mit intensiven (erlaubten) Banden im kurzwelligen und schwachen (verbotenen) Banden im längerwelligen Bereich (siehe Benzol, Seite 174). Häm dient vor allem dazu, den Sauerstoff der Atmosphäre im Blut zu lösen und in den Mitochondrien zur

Atmung zu nutzen. b) Die Chlorophylle a und b absorbieren im Roten und erscheinen deshalb grün. Die kurz- und langwelligen Banden sind etwa gleich intensiv, was einem Polyen-Spektrum (ähnlich Retinal und b-Carotin, siehe Kapitel 7) entspricht. Die Fotochemie des Chlorophylls ist die wichtigste Energiequelle des Lebens (siehe auch Abb. 6.17). Das rot gestrichelte Spektrum entspricht dem weißen Sonnenlicht, das die Erdoberfläche erreicht.

275

276

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

Abb. 6.17 Links: Im Grundzustand von Farbstoffen liegen nur bindende Elektronenpaare vor. Nach der Anregung mit Licht springt ein Elektron unter Erhaltung seines Spins in ein antibindendes Orbital und wird so zu einem Donorelektron, einem starken Reduktionsmittel. Das zurückbleibende Elektronenloch in einem bindenden Orbital aber ist ein Elektronenakzeptor, ein starkes Oxidationsmittel. Damit hat das Lichtquant ein Oxidationsund ein Reduktionsmittel geschaffen, Lichtenergie ist in chemische Energie umgewandelt worden. Rechts: Die Aromatenspektren des Magnesiumporphyrins (–––) und des 16-Annulen-Dianions (– – –). Beide haben wie das Benzol (Seite 174) intensive Absorp-

tionsbanden im Kurzwelligen und 10-mal weniger intensive Banden im Langwelligen. Ein absorbiertes Lichtquant bewirkt die Ladungstrennung: Das Elektronenloch im unteren Orbital des angeregten Zustands wirkt als Oxidationsmittel oder Elektronenakzeptor, das angehobene, energiereiche Elektron als Reduktionsmittel oder Elektronendonor. Chlorophyll und Licht sind deshalb im Stande, Wasser zu Sauerstoff zu oxidieren und gleichzeitig zu Wasserstoff zu reduzieren. Dieser Prozess heißt Photosynthese. Der Sauerstoff baut die „Atmosphäre“ für die Tiere auf, der Wasserstoff reduziert Kohlendioxid zu Glucose.

Nach der Anregung des Chlorophylls im Zellinneren eines Chloroplasten erfolgt der Sprung des energiereichen Elektrons über eine 4 nm dicke Lipidmembran (Seite 136) zu einem dort fixierten Chinon. Ein positiv geladenes Chlorophyll-Radikal und ein negativ geladenes Chinonradikal entstehen innerhalb einiger Nanosekunden nach Eintreffen des Lichtquants von der Sonne. Das negativ geladene Chinonradikal ist ein Elektronendonor und reduziert die Protonen des Wassers zu elementarem Wasserstoff. Das positiv geladene Chlorophyll-Radikal wirkt als Elektronenakzeptor und oxidiert die vom Wasser übrig bleibenden OH–Gruppen zu molekularem Sauerstoff. Die Photosynthese ist also primär die Wasserspaltung durch Sonnenlicht. Der Wasserstoff wird schließlich benutzt, um Kohlendioxid zu Kohlenhydraten zu reduzieren, der molekulare Sauerstoff direkt in die Atmosphäre entlassen. Damit ist die Photosynthese abgeschlossen. Im photosynthetischen System der Pflanzen, den Chloroplasten, ist das Elektronen gebende Chlorophyll an der inneren Oberfläche einer Zellmembran fixiert, das Elektronen aufnehmende Chinon steht ihm in 4 nm Entfernung an der äußeren Membranoberfläche gegenüber. Membranproteine stellen weitere Elektronenakzeptoren zur Verfügung. So wird es möglich, das kurzzeitig angeregte Elektron des Chlorophylls schnell zu „pflücken“, das heißt zum Chinon zu leiten, bevor es in den Grundzustand zurückfällt. In einer einzigen Chloroplastenzelle gibt es hunderte solcher Molekülpaare mit passendem Abstand, in denen die energiereichen Elektronenlöcher (Chloro-

6.3 Chlorophyll und Protoporphyrin

phyllradikal) und Anionen (Semichinone) erzeugt werden und auf beiden Seiten der Lipidmembran für einige Millisekunden stabil sind. Ein einfaches Modell für so eine lichtinduzierte Ladungstrennung ist ein Yoctobrunnen auf fester Unterlage (Seite 139 f), dessen Boden von einem Elektronendonor-Porphyrin gebildet wird und an dessen oberen Rand, in einem Abstand von einem Nanometer, ein Akzeptorchinon fixiert ist. Die Bestrahlung mit sichtbarem Licht führt hier zur längerfristigen Oxidation des Porphyrins und Reduktion des Chinons (Abb. 6.18).

Abb. 6.18 Oben: Modell eines Yoctobrunnens mit einem „Long-Distance-Redoxpaar“, unten das elektronengebende Porphyrin, zum Beispiel ein Magnesiumporphyrin oder Chlorophyll, darüber in einem 1 nm Abstand ein elektronenaufnehmendes Chinon. Die er-

zwungene weite Entfernung verhindert die sofortige Rekombination des energiereichen Elektrons mit dem energiereichen Elektronenloch. Unten: Ein Chinon nimmt ein Elektron auf und wird zum Semichinon-Anionradikal.

Von wirtschaftlichem Interesse ist eine photochemische Wasserspaltung kaum, weil die künstliche Sauerstoffentwicklung sehr aufwendig ist und außerdem genug Sauerstoff für alle in der Atmosphäre vorhanden ist. Interessant ist aber die Freisetzung molekularen Wasserstoffs aus Wasser mit Sonnenlicht und billigen Reduktionsmitteln wie Glucose. Auch hier helfen, zumindest in erfolgreichen Laborversuchen, Porphyrinsysteme in Lösung. Die leicht zugänglichen Zinn4+-Komplexe der Porphyrine weisen zum Beispiel einen extrem elektronenarmen Porphyrinliganden auf, der sich ähnlich wie NAD+ (Seite 273) verhält. Er lässt sich mit Sonnenlicht und irgendeinem Amin oder Glucose zu einem Hydrid reduzieren, das in Gegenwart von Platinkatalysatoren Wasserstoffgas entwickelt, mit dem man dann Auto fahren oder Elektrizität und Wärme erzeugen könnte (Abb. 6.19).

277

278

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

Abb. 6.19 Die Oxidationspotenziale (x-Achse) und Reduktionspotenziale (y-Achse) der Bildung von positiv und negativ geladenen Radikalen aus Metalloporphyrinen sind extrem variabel, wenn das Metall sich ändert: Magnesiumkomplexe (Mg) lassen sich mit Iod oxidieren (0,5 Volt), aber mit keinem Re-

duktionsmittel in Wasser reduzieren (–1,7 Volt). Zinn(IV)-porphyrine lassen sich leicht photoreduzieren (–1,1 Volt), aber nicht oxidieren (+1,4 Volt). Magnesiumporphyrine sind deshalb besonders gut geeignet, Elektronen abzugeben und Wasser mit Hilfe des Sonnenlichts zu Wasserstoff zu reduzieren.

Einfach substituierte, symmetrische Porphyrine lassen sich leicht kiloweise, bei Bedarf auch tonnenweise herstellen, weil Pyrrol-Polymerisierungen sich beim Tetramer durch intramolekulare Zyklisierung leicht abbrechen lassen. Porphyrine entstehen dann mit 70% Ausbeute. Ähnliche „Vierermotive“, die sich spontan bilden, finden sich in der Stärkehelix der Stärke, wo vier Glucosemoleküle den kleinstmöglichen Schraubengang bilden (Seite 89 f), in der a-Helix der Proteine mit vier Aminosäuren (Seite 194) und in der DNS mit vier Nucleinsäurepaaren (Seite 234).

6.4 Oxyhäm

Elementares, metallisches Eisen spielt weder in der Biologie noch in der Geologie eine Rolle. Es ist ein ausschließlich technisches Produkt der Verhüttung, d. h. der Reduktion von Eisenoxiden mit Kohle. Im Zentrum des Protoporphyrins des Bluts fügt sich Eisen als zweiwertiges Ion mit zwei positiven Ladungen, Fe(II) oder Fe2+, ein und ersetzt die beiden NH-Protonen. Der Eisenkomplex des Protoporphyrins heißt Häm, „Blutfarbstoff“ (griech. haima, Blut). Die tatsächlich gemessene und berechnete Ladung des Eisenions im Häm entspricht aber nur Fe0,3+, also trägt das Protoporphyrin auch nur eine drittel negative Ladung, [Protoporphyrin]0,3–. Das Eisenion des Häms entspricht demnach viel eher einem elektronenreichen Eisenatom ohne Ladung, Fe0, als einem Eisen(II)-Ion, Fe2+. Das Oxidationspotenzial des Fe(II)/Fe(III)–Paars im Häm liegt

6.4 Oxyhäm

nur etwa 170 mV höher als das biologischer Medien, die üblicherweise bei 30 mV liegen und damit dem Wasserstoffpotenzial, H2/2 H+, entsprechen. Auch Häm wirkt stark reduzierend. Wenn das Zwerchfell sich senkt, ziehen sich die Alveolen zusammen und blasen das Kohlendioxid beim Ausatmen ab, das bei der Oxidation der Nahrung durch Sauerstoff entsteht. So wird verhindert, dass sich Protonen der Kohlensäure, H2CO3, im Blut anreichern, dessen pH wird bei 7,2–7,4 gehalten. Wenn das Zwerchfell beim Einatmen den Brustkorb hebt, erweitern sich die Lungenbläschen (Seite 138) und der Sauerstoff der Luft wandert in die roten Blutkörperchen (Erythrocyten) und gleitet mit ihnen in das biologische Wasservolumen Blut. Jetzt sollte eigentlich Katastrophenalarm herrschen, denn Sauerstoff ist ein starkes Oxidationsmittel, hat das gleiche Oxidationspotenzial wie tödlich giftiges Chlorgas, Blut aber ist mit einem Potenzial von dreißig Millivolt so reduzierend wie Wasserstoff. Sauerstoff sollte eigentlich ein tödliches Gift für Lunge und Gehirn sein; schon die durchschnittlich vierzehn Atemzüge einer Minute sollten jeden Menschen töten. Chlor zerfrisst tatsächlich die Lungenbläschen in Minuten, mit dem Biradikal Sauerstoff (Seite 14) aber gedeihen Mensch und Tier viele Jahrzehnte (Abb. 6.20). Wie kann das sein?

Abb. 6.20 Sauerstoff diffundiert über die Membranen der Alveolen in die Erythrocyten und wird dort vom Hämoglobin gebunden. Kohlendioxid verlässt das Blut auf dem entgegengesetzten Weg und landet in einem relativ großen Lungenreservoir an gasförmigem CO2. Im Gleichgewicht ist sehr wenig Kohlensäure H2CO3 im Blut, aber sehr viel Kohlendioxid im Gasraum der Lunge.

Physikalisch in Wasser gelöster Sauerstoff ist relativ harmlos, weil nur wenig gelöst wird und weil sein paramagnetischer Zustand nicht zu dem diamagnetischen Zustand der Baustoffe des Körpers passt, zu denen auch die Erythrocyten und Alveolen gehören. Man erinnere sich daran, dass die Bildung neuer chemischer Bindungen an die Paarung von Elektronen mit antiparallelem Spin geknüpft ist. Der riesige Potenzialunterschied zwischen den Lebewesen und dem eingeatmeten Sauerstoff kommt nur deshalb nicht zum Tragen, weil die energiearmen, schon gepaarten Elektronen des Körpermaterials nicht wissen, wie sie mit den ungepaarten Außenelektronen des Sauerstoffmoleküls reagieren sollen. Kein Orbital passt, und so passiert chemisch zunächst gar nichts. In dieser Phase der Unentschlossenheit greift das reduzierende Eisen des Häms mit seinen Polypenarmen (Seite 267) zu. Das elektronenreiche Fe0,3+

279

280

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

nimmt das Sauerstoffmolekül O–O mit einem Oxidationspotenzial von 1,3 V auf; man erwartet die vollständige Oxidation des Fe(II) zu Fe(III), wobei sich die Farbe des Häms von Rot nach Braun verändern sollte. Diese Reaktion wird in Lösung auch immer beobachtet, nicht aber im fließenden Blut des Körpers mit einem Reduktionspotenzial von 30 mV. Eisen(II) bleibt im sauerstoffbeladenen Blut Eisen(II) und lagert den Sauerstoff mit einem Trick an, ohne oxidiert zu werden: Das Häm-Eisen gibt zwar zuerst ein Elektron ab, holt es sich dann aber zum Aufbau einer Rückbindung wieder zurück – es entsteht das Oxyhäm mit einer Fe=O2-Doppelbindung unter einem 1208-Winkel zwischen der Porphyrinebene und dem Sauerstoffmolekül. Das rote Häm beseitigt im Oxyhäm damit erstens den Biradikalcharakter des Sauerstoffs und zwingt ihm außerdem eine endständige negative Ladung auf. Ein elektronenreiches, nicht oxidierend wirkendes Sauerstoff-Molekül ist entstanden, das im reduzierenden Blut gefahrlos durch den Körper reisen kann. Nach außen ist das Sauerstoffmolekül eher zu einem Reduktionsmittel geworden, nach innen ist es doppelt gebunden. Insgesamt hat es seine Oxidationskraft verloren – es ist entschärft (Abb. 6.21).

Abb. 6.21 Strukturformeln des Häms (Eisen(II)-protoporphyrin) und des Oxyhäm-Eisens. Das Sauerstoffmolekül steht über der Porphyrin-Ebene unter einem Winkel von 1218.

Nun bleibt nur noch, das Oxyhäm in ein wasserlösliches Protein einzubauen, denn von allein löst es sich bei pH = 7 kaum. Um dem Abhilfe zu schaffen und außerdem die Autoxidation des Häms zu Hämatin mit einem Fe(III)OH-Ion oder einem Fe(III)OFe(III)-Dimer in der Mitte zu vermeiden, wurde das Häm von der Natur mit einem schützenden, kugelförmigen Protein (Globin) umgeben, das kompakt ist, den gebundenen Sauerstoff als tetrameres Hämoglobin in den fließenden Blutkreislauf trägt und schließlich als fixiertes Myoglobin-Monomer (griech. myos, „Fleisch“) in den Muskeln endet. Der Blutfarbstoff Häm ist hier eng von fünf gefalteten Proteinschrauben („alpha-Helices“) umhüllt, die eine nach außen offene, hydrophobe Kammer bilden. Die beiden Säuregruppen am unteren Rand des Protoporphyrins ragen in das umgebende Wasservolumen des Bluts, eine der Proteinhelices drückt dem Eisenatom einen Imidazol-Liganden auf, der senkrecht zum Porphyrinring steht und das Eisenatom weiter mit Elektronen belädt. Das Eisenatom steht

6.4 Oxyhäm

55 pm oder 0,055 nm über der Porphyrinebene und bewegt sich um 30 pm hin zum molekularen Sauerstoff, wenn dieser von den Alveolen in die Erythrocyten diffundiert. Das ist der molekulare Beginn der Atmung. Auf der dem Imidazol gegenüberliegenden Seite des Häms beißt sich der Sauerstoff unter einem Winkel von 1218 zur Hämebene fest und verharrt in dieser Stellung im Hämoglobin des Bluts ebenso wie im Myoglobin der Muskeln. Myoglobin ist ein monomeres Protein (Molmasse 15 000 Dalton), Hämoglobin ein Tetramer (60 000 Da). Beide liefern dem Sauerstoff eine hydrophobes Volumen von ein paar Yoctolitern, beide verhindern, dass ein zweites Häm-Molekül das Sauerstoffmolekül zu Wasser reduziert und eine Fe(III)OFe(III)-Brücke bildet. Das mit Sauerstoff beladene Blut hat so ebenso wie der Muskel noch immer ein Potenzial von null Volt, was dem reduzierenden Potenzial des Wasserstoffs gegenüber dem Proton entspricht. Alle biologischen Gewebe, wie die Bakterien zur Verdauung im Dickdarm, die Wände der Lungenbläschen oder die Schwellkörper des Penis, bleiben im engen Kontakt mit Oxyhämoglobin unverändert (Abb. 6.22).

Abb. 6.22 Schema der vier hydrophoben Helices F, G, E, B des Myoglobins um den Häm-Sauerstoff-Komplex herum – ein typischer Yoctobrunnen (Abb. 6.18) der Natur. Die Wand dieses Brunnens ist weitgehend hydrophob und schiebt außerdem einen Imidazolring (grün) auf das Eisen, wodurch dieses noch elektronenreicher wird.

Arterielles Blut mit Oxyhäm ist rot, venöses Häm-Blut mit viel weniger Sauerstoff, aber einem halben Liter gasförmigem Kohlendioxid pro Liter ist blauviolett. Das sieht man den bläulich-violetten Venen und Krampfadern von außen unter roter Haut an. Sauerstoff ist nicht das einzige Gas, das an das Eisen(II) des Hämoglobins bindet, ohne es zu oxidieren. Viel fester binden zum Beispiel Kohlenmonoxid CO und das radikalische Stickstoffmonoxid NO. Alle drei Moleküle liegen über dem Eisenion und der Porphyrinebene, alle drei verändern das sichtbare Spektrum des Porphyrins. Das Hämoglobin mit seinem Imidazol-Liganden auf einer Seite des Eisens (siehe unten) hat nur eine sichtbare Bande mit einem Absorptionsgip-

281

282

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

fel (engl. peak) bei 550 nm. CO und O2 spalten diese Bande auf, es erscheinen zwei Peaks bei 530 und 550 nm. Das Radikal NO verbreitert beide Peaks. Kohlendioxid reagiert nicht mit dem Eisen, sondern bindet locker-kovalent an NH2-Gruppen des Globins. Es gibt im menschlichen Blut auch eine Hämoglobinsorte (HbA10) mit der hydrophoben Aminosäure Valin am Aminoende der Proteinkette. Deren Aminogruppe reagiert im Blut zwar kaum mit Kohlendioxid, wohl aber mit der Aldehyd-Gruppe der Glucose; das kurzlebige Aldimin ergibt dann ein stabiles Hämoglobin-Ketimin mit endständiger Glucose. Die Polarität der Glucose ermöglicht eine einfache Abtrennung vom anderen Hämoglobin ohne Glucose und die Farbe des Hämoglobins erlaubt genaue spektroskopische Messungen des Glucosehäms. Hämoglobin/Glucose/Ketimin-Bestimmungen ermöglichen eine schnelle Diagnose der Zuckerkrankheit (Seite 209). Das Sauerstoffmolekül nimmt in der Atemkette von der Glucose über NADH und einen Komplex von Häm-Zellfarbstoffen (Cytochromoxidase) Elektronen auf und gibt Protonen zur ATP-Synthese ab. Dutzende von biochemischen Zwischenprodukten sind an metabolischen Kreisläufen (Citronensäure, Glycolyse, Fermentierung und andere) beteiligt und werden durch Hunderte von Enzymen kontrolliert. Als Ergebnis liefert ein Glucosemolekül (180 g/mol) 36 ATP-Moleküle (18 252 g/mol), also die hundertfache Masse. Für die maximal etwa 100 kg ATP, die ein Mensch täglich verbraucht, benötigt er also 1 kg Glucose oder 700 g Fett. Wir kümmern uns nicht weiter um das biochemische Geschehen im Netz der Atemkette und ihrer angeschlossenen Kreisläufe und Verzweigungen, sondern versuchen nun zu klären, wie die Oxidation von Nahrungsstoffen im wässrigen und reduktiven biologischen Milieu prinzipiell funktioniert. Besonders klar wird das im Cytochrom P450 der Mitochondrien. Hier sorgt das Häm-Molekül, das im Blut den Sauerstoff entschärft, nach Modifikation des Eisenliganden und der näheren Umgebung des Porphyrins für eine extreme Aktivierung des Sauerstoffs: Das O2-Molekül wird an einem einzigen Häm-Molekül mit NADH zu Wasser reduziert und gleichzeitig ein aggressives O-Atom an Fe(IV) erzeugt. Zuerst erfolgt die geregelte Übergabe der Sauerstoffmoleküle vom Hämoglobin an den Kollegen Cytochrom P450 innerhalb der Zellen der Organe, die mit Blut versorgt werden. Jede von ihnen enthält Tausende von Verbrennungsöfen namens Mitochondrien (griech. mitos, „Faden“; chondros, „Korn“), die das P450 enthalten. P steht für „Porphyrin“, 450 weist auf die intensive kurzwellige Absorptionsande hin, die für alle Porphyrine typisch ist. Der Gipfel dieser Bande liegt fast immer nahe 400 nm, ist aber im Kohlenmonoxidkomplex des P450 durch einen elektronenreichen Sulfid-Liganden am Eisen(II) langwellig nach 450 nm verschoben. Kohlenmonoxid wird in geringer Menge beim Abbau des Oxyhäms zu Biliverdin frei und entsteht bei jeder unvollständigen Verbrennung, zum Beispiel in den Abgasen der Autos und in Feuern jeder Art. Das Sulfid-Anion ist groß und polarisierbar (Seite 268) und stülpt seine Elektronenwolke über das Eisen-Ion hinweg zum Kohlenmonoxid-Molekül, das mit seinem elektronegativen Kohlenstoffatom am Eisen ankert. Die Reduktionskraft dieses Eisen(II)-Schwefel-Systems reicht auch aus, um ein Sauerstoff-Molekül mit Hilfe eines Elektronenpaars vom NADH in ein OH–-Anion und ein extrem

6.4 Oxyhäm

reaktives Sauerstoffatom zu spalten. OH– greift sich ein Proton und verschwindet als Wasser, das Sauerstoffatom bleibt zunächst an das Hämeisen gebunden. Mit nur noch sechs Elektronen zieht es die Elektronen des Fe(II) zu sich herüber. Aus Eisen(II) wird vierfach positiv geladenes Eisen(IV) und das gebundene Sauerstoffatom verbrennt alles, was ihm zugeführt wird. Das betrifft vor allem die gängigen Nahrungsmittel, Zucker, Fette, Proteine – allgemein als RH aufzufassen. RH wird mit O zu ROH; diese wasserlöslichen Produkte verschwinden schnell aus den Mitochondrien und stören weder das Reduktionspotenzial der Zelle, noch lösen sie radikalische Kettenreaktionen aus. Die konstant niedrige Körpertemperatur von 37 8C wird eingehalten (Abb. 6.23).

Abb. 6.23 Reaktionszyklus von Cytochrom P450 mit einem organischen Nahrungsmittel RH, einem Sauerstoffmolekül und der SH-Gruppe eines Cysteins (Cys-S). Letzteres wird mit NADH (e–) zu einem Atom reduziert und schiebt sich dann unter reduzierenden biologischen Bedingungen in eine C–H- Bindung ein.

283

284

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

Das war das wichtigste über Sauerstoff, Gallenfarbstoffe, Chlorophyll und Häm. Ein paar Bemerkungen zum Atemkreislauf führen uns in das tägliche Leben mit diesen Molekülen, also ihre Bio-logie. Das Zentrum der biologischen Verbrennung im Menschen ist das Herz. Die Energiequellen des Herzens sind im Gegensatz zu denen des Gehirns, das nur Glucose verwertet, vielfältig. Glucose ist im Herzmuskel nur zu 10–30% an der Energiezufuhr beteiligt, 35–60% der Energie stammen aus Fetten, die in den Mitochondrien des Myokardmuskels zu Essigsäure abgebaut und dann zu Kohlendioxid verbrannt werden. Das Herz ist ein Hohlmuskel mit zwei Vorhöfen als Zuflussreservoirs und zwei Ventrikeln, Pumpen für Körper- und Lungenkreisläufe, deren Wände sich rhythmisch zusammenziehen („kontrahieren“) oder erschlaffen („dilatieren“). Vier Klappen verhindern als Ventile das Rückströmen des Bluts aus den Ventrikeln in die Vorhöfe und aus den Arterien in die Ventrikel. Die Herzklappen sind taschenförmig (Aortenklappe und Pulmonalklappe) oder segelförmig (Mitralklappe und Tricuspidalklappe). Wenn sich die Segelklappen zwischen Vorhof und Herzkammern öffnen, schließen sich die Taschenklappen und umgekehrt. Die Mitralklappe regelt den Blutfluss zwischen Vorhof und linker Herzkammer, die Aortenklappe den zwischen linker Herzkammer und Aorta, die Tricuspidalklappe trennt den Vorhof von der rechten Herzkammer und die Pulmonalklappe liegt zwischen rechter Herzkammer und Lungenarterie. Hormone, Nerven und Gehirn steuern die Automatik des Herzschlags. Die Systole entspricht der aktiven Anspannungs- und Austreibungszeit beider Ventrikel. Während der Anspannungszeit sind alle vier Klappen geschlossen. Dann öffnen sich Aorta und Pulmonalklappen. Es folgt die passive Diastole. Die Ventrikel erschlaffen, die Vorhofklappen öffnen sich und Blut füllt beide Ventrikel wieder. Dabei hilft eine Kontraktion der Vorhöfe. Der Druck in den Ventrikeln steigt wieder und die nächste Systole folgt. Ein typischer Herzschlag dauert eine Sekunde – wenn die Muskeln viel Blut brauchen, nur eine halbe oder gar drittel Sekunde. Das bei einem Herzschlag ausströmende Blutvolumen liegt bei 60–70 mL, ebenso viel bleibt in den Ventrikeln zurück. Ein höherer Blutdruck zieht ein geringeres Schlagvolumen nach sich. Der mit Manschetten gemessene Blutdruck am linken Oberarm in Höhe des Herzens entspricht der roten Aortakurve in Abbildung 6.24. Sie zeigt, dass Arterien nie vollkommen erschlaffen; der systolische Druck ist kaum höher als der diastolische. In der systolischen Phase hört man das Blut pulsen, wenn es sich trotz Manschettendrucks turbulent durch die verengten Gefäße drängt. Beim Erreichen des diastolischen Drucks setzt der normale, ruhige Fluss ein, das hörbare Pulsieren erlischt (Abb. 6.24).

6.4 Oxyhäm

Abb. 6.24 Phasen des Herzzyklus im linken Ventrikel (blau, oben) und in der Aorta, die das Blut in den Körper führt (rot, oben). Im rechten Ventrikel für den Lungenkreislauf (unten) ist der Zeitverlauf der gleiche, aber der Druck wesentlich kleiner. Die blau-roten Zeitintervalle ganz unten geben den Rhythmus der Öffnung (blau) und Schließung (rot) der vier Herzklappen wieder. Wenn der Druck in den Ventrikeln eben den Druck in

den Arterien übersteigt, öffnen sich die Herzklappen und das Blut strömt heraus. Nach knapp 300 ms sinkt der Ventrikeldruck und die Klappen schließen sich für 700 ms durch einen kurzzeitigen Rückstrom. Die Klappen auf der anderen Seite, der Vorhofseite, schließen sich gegenläufig: Sie lassen Blut aus Körper oder Lunge einlaufen, wenn es gebraucht wird, und schließen sich, wenn herausgepumpt wird.

Das Einatmen, die Ausdehnung der Lunge, besorgt eine sich periodisch anspannende dünne Muskelplatte zwischen Brust und Bauch, das Zwerchfell. Auf ihm ruht die Lunge, getrennt durch ein Wasserpolster und einen Luftspalt. Der Brustraum dehnt sich, die Lunge weitet sich und saugt Luft über Luftröhre und Bronchien an. Die Regulierung des Rhythmus und der Tiefe der Atemzüge erfolgt durch das Atemzentrum im Gehirn, das zuerst den Kohlendioxid-Gehalt im Blut misst und dann die Atmung steuert. Eine Verletzung des Atemzentrums oder fünf Minuten Sauerstoffmangel im Hirn führen zum Tod. Erschöpfung beruht immer auf Sauerstoffmangel. Das Herz kann bei andauernder Anstrengung nicht mehr heftiger und rascher schlagen, um mehr Sauerstoff in den Körper zu pumpen. Es ermüdet. Bei geistiger Arbeit laufen im Gehirn Hunderttausende von Reaktionen in einer Sekunde ab. Sie verbrauchen mindestens ebenso viel Energie wie körperliche Arbeit, Erschöpfung tritt bei beiden gleichermaßen ein. Menschen mit großem Kopf sind im Alter (statistisch gesehen) geistig leistungsfähiger als solche mit einem kleinen Kopf: Das voluminöse Gehirn verschafft dem Gedächtnis und den miteinander verbundenen Wasserwegen eine Reserve. Willentliches Luftanhalten führt bald zu Schwindelgefühlen. Diese schalten dann über das Atemzentrum den Nach-Luft-Schnappen-Reflex ein, ob wir wollen oder nicht.

285

286

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

In großen Höhen wird die Luft sehr trocken, dünn und kalt. Der Körper gibt mit jedem Atemzug Wasser ab und erhält keines zurück. Das bedeutet in extremen Höhen über 6000 m bis zu 6 L Wasserverlust am Tag. Der Bergsteiger muss zu trinken bekommen, sonst dickt das Blut ein, das Herz pumpt nicht mehr richtig. Zunächst erfrieren Hände und Füße, dann geht es zu Ende. Der Luftraum unserer Lunge wird durch allergische Reaktionen oder bakterielle Infektionen kleiner: Die Bronchien verengen sich, die Schleimhaut schwillt und sondert viskoses Sekret ab. Asthmatiker atmen dann schwer. Das Herz muss ein Leben lang gegen Bronchialasthma, exzessives Lauftraining und Bodybuilding anarbeiten. Im Alter ist der Herzmuskel geschwächt, die Muskelfasern sind dick. Der Sauerstoff im Blut wird weniger und das Ausatmen, bei dem die Atemröhren von Muskeln zusammengezogen werden, wird zur Qual. Gewitterböen und jeder Frühlingssturm mit heftigem Pollenflug verschlimmern die Lage. Bei jedem schnellen Gehen meldet sich die Herzgegend mit einem warnenden Schmerzgefühl der Überlastung – Angina pectoris mahnt. Wir gehen nun langsamer, die Warnung hat gewirkt, wir sind älter geworden. Oder wir waren schon immer faul und sind korpulent, um es höflich zu sagen. Die Angina pectoris ist in beiden Fällen dieselbe. Bemerkenswerterweise lässt sich Sauerstoffmangel am Herzen auch durch Stickstoffmonoxid „beheben.“ Bei Angina-pectoris-Patienten meldet sich das Herz im Schmerzzentrum des Gehirns, sobald es Sauerstoffmangel spürt. Dieser Schmerz verschwindet sofort wieder, wenn eine kleine Dosis NitroglycerinLösung in die Mundschleimhäute gesprüht wird. Das reduzierende Medium des Körpers setzt daraus Stickstoffmonoxid frei, das wohl nicht an das massenhaft vorhandene Hämoglobin oder Myoglobin bindet, wo es verloren ginge, sondern zielsicher das Häm der GMP-Cyclasen ansteuert, die offenbar nur milligrammweise vorkommen und deshalb massiv von jeder Spur NO gestört werden. Erst wird dort vermutlich das Histidin des Eisens verdrängt, woraufhin das Enzym als Katalysator für Kondensationen wirksam wird und aus GMP das cGMP erzeugt. Die Venen erweitern sich. Schließlich muss das NO aber desaktiviert werden, um nicht dauerhaft zu wirken. Das könnte durch SH-Gruppen von Proteinen an der Oberfläche der Blutplättchen erfolgen, wo dann zwei SNOH-Gruppen zwei miteinander verklebte Erythrocyten auseinander treiben könnten. Die würde tatsächlich und wunderbarerweise die Zahl der zugänglichen Sauerstoffmoleküle vergrößern. Egal – das Herz reagiert dankbar, ob es nun weiß, weshalb, oder nicht. Auch der „steife Hals“ ist die Folge einer Durchblutungsstörung. Es zieht – der Körper ist warm, der Hals wird kalt. Das Blut fließt dort zu langsam, die Gewebe verändern sich. Abkühlung schwächt die Abwehrkräfte. Viren und Bakterien, die man sonst beherrscht, bekommen die Oberhand zuerst in den oberen Luftwegen. Schnupfen und Husten folgen. – Nach dem Essen folgt die Verdauung. Dazu strömt Blut in Magen, Darm, Leber und Niere. Baden in kaltem Wasser ist jetzt verboten. Das Zittern der Muskeln, das die Zähne klappern lässt und Wärme erzeugt, verbraucht noch mehr Sauerstoff und lässt das Gehirn ver-

6.4 Oxyhäm

hungern. Es wird nicht mehr ausreichend durchblutet, Schwindelgefühle, schlimmstenfalls Ohnmachtsanfälle, folgen. Die Pfortader ist ein mächtiges Blutgefäß, das Nährstoffe vom Darm zur Leber führt, der chemischen Fabrik des Körpers. Eine vernarbte Leber wird der Blutfülle nicht mehr Herr, Blut staut sich zurück, tropft zurück in die Bauchhöhle und treibt den Bauch auf. Die dunklen Ringe unter den Augen zeigen uns am Ende unserer Kräfte. Die dünne Haut der unteren Augenhöhle spannt sich im lang gezogenen Gesicht des Ermüdeten und das dunkle Blut scheint blauschwarz hindurch. Ein harter Boxschlag auf das Sonnengeflecht (Solarplexus) unterhalb des Brustbeins, im Dreieck zwischen den Rippen, erzeugt reflexartig hohen Blutdruck und schnellen Herzschlag. Atemnot und Bewusstlosigkeit folgen, der Getroffene bricht ohnmächtig zusammen. Wundliegen im Bett beruht auf dem Absterben von Zellen, auf denen wir lange gelegen haben und die nun nicht mehr mit Blut und Sauerstoff versorgt werden. Proteinreiche Kost und Entzündungshemmer lassen Zellen unter Druck länger am Leben. Schnelles Atmen nützt nicht bei Sauerstoffmangel, die Luft erreicht die Lunge dann nur zum Teil. Tiefe Atemzüge sind auch kein Mittel, um das Blut zu versorgen. Sie lassen nur das CO2 länger im Blut und jedem tiefen Atemzug folgt Atemnot. Bläst man aufgeregt und intensiv das Kohlendioxid ab, wird das Blut irgendwann alkalisch, der Calciumspiegel sinkt, Nerven und Muskeln verkrampfen. Man hält dann am bestens seine hohle Hand vor Mund und Nase, atmet so das eigene Kohlendioxid wieder ein und der pH des Blutes fällt. Innerhalb einer Nacht atmen wir etwa 130 L Kohlendioxid aus, die in einem kleinen geschlossenen Raum wie ein mildes Narkosemittel wirken. Wenn man beim Singen zu tief einatmet, führt auch das schnell zur Atemnot. Besser ist Abatmen so schnell es geht. Unbewusst zu atmen oder bewusst locker und schnell abzuatmen wird von Chinesen empfohlen, Krämpfe in der Wadenmuskulatur entstehen durch zu wenig Sauerstoff und zuviel Kohlendioxid im Blut. Der angenehme Schlaf bei offenem Fenster beruht nicht auf der Sauerstoffzufuhr, sondern auf dem Kohlendioxid-Abtransport. Eine offene Tür zur Wohnung tut es also auch und die deutsche Winterkälte bleibt draußen. In erster Linie versorgt der Blutkreislauf die Körperzellen mit Sauerstoff und Nährstoffen. In der Aorta strömt das Blut mit einer Geschwindigkeit von etwa 25 cm/s oder 9 km/h. In den Kapillaren ist es 100- bis 500-mal langsamer. Auch die Beschreibung des Blutkreislaufs führt zu einigen auf den ersten Blick absurden Behauptungen. Eine davon ist: 150% des Bluts zirkulieren in Kapillaren. Diese Zahl kommt dadurch zustande, dass sämtliches Blut (100%) am kapillären Blutstrom der Lunge beteiligt sein muss, denn nur dort wird es mit Sauerstoff beladen. Außerdem fließen aber 40% des Blutvolumens durch Niere und Gehirn und mindestens 10% durch kapilläre Bereiche der Leber, Milz und des Magen-Darm-Trakts. 150% bedeutet hier also einfach, dass jedes Blutvolumen

287

288

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

nacheinander mehrere Aufgaben zu erfüllen hat und nicht einfach „nur“ fließt. Fast alle „Arbeit“ des Blutstroms fällt in Kapillaren, im Kontakt mit Zellen, an. Die Kapillarwände sind typischerweise etwa 500 nm dick und für Proteine und Zellen mehr oder weniger undurchlässig, für die selektive Aufnahme und Abgabe kleiner Moleküle aber gut ausgerüstet. Die Absorption aus den Zellen dominiert an venösen Enden, die Abgabe in die Zellen am arteriellen Ende der Kapillaren. Der Blutkreislauf ist eine äußerst effiziente Einheit und übernimmt viele Reparatur- und Abwasserdienste (Seite 43 ff). Erschrecken wir, so verengen sich die Blutgefäße und wir werden blass. Bei Scham und Wut erweitern sich die Arterien und die Haut wird feuerrot. Blut wird fest, wenn es aus einer Wunde strömt. Es bildet einen Schorf. An der „Blutgerinnung“, der Bildung eines harten Netzes aus dem Protein namens Fibrin, sind zehn Faktoren beteiligt. Fehlt nur einer, findet die Fibrinbildung nicht statt. Das komplizierte Kontrollsystem, mit jeder Komponente in strenger räumlicher Abtrennung, erlaubt nicht, dass das Blut innerhalb der Gefäße gerinnt, also eine Thrombose erzeugt. ADP ist ein aktivierender Faktor der Thrombocyten-Aggregation bei der Blutgerinnung. Die Cyclisierungsprodukte cAMP und cGMP wirken dem entgegen. In einer ruhenden Blutprobe sedimentieren die Zellen und Zellaggregate entsprechend dem Hämatokrit-Wert, das ist die Masse der in einem Volumen enthaltenen Zellen. Die „Blutsenkungsgeschwindigkeit (BSG)“ ist bei anämischen Personen hoch, das heißt, die festen Bestandteile setzen sich umso schneller unten ab, je mehr große Aggregate vorliegen, die auf Entzündungen hinweisen, und je weniger Erythrozyten vorhanden sind (Erythrocytenmangel = Anämie). Die Viskosität des Bluts hängt von der Konzentration der Erythrocyten ab, die sehr viel höher ist als die der etwa gleich großen weißen Blutkörperchen (Leukocyten). Beim Erwachsenen liegt ihre Anzahl etwa bei 25 Milliarden, in jedem Kubikmillimeter Blut sind etwa fünf bis sechs Millionen. Etwa 95% des Trockengewichts der roten Blutkörperchen sind Hämoglobin. Die mittlere Lebenszeit liegt bei 120 Tagen. Sie müssen bis zum Tode täglich in riesiger Anzahl produziert werden, was ein Hauptproblem für die Krebstherapie darstellt, die eine Vermehrung von Zellen behindern soll. Auch bei Erwachsenen und Alten kann man nicht einfach jede Zellteilung für längere Zeit unterbinden; dann ginge der Sauerstoff bald zur Neige. Die Erythropoese, die Geburt der Erythrocyten, findet im Knochenmark statt, wo sich normale „Stammzellen“ teilen und erst ihren Kern, dann ihre Mitochondrien und Ribosomen abgeben, bis nur noch ein leicht verformbarer, elastischer Hämoglobinsack übrig bleibt. Ohne Zellteilung gibt es keine Stammzellen und bald keine Erythrocyten mehr. Auch für diese Biosynthese liefert Glucose die nötige Energie durch Glycolyse. Die Elastizität der Erythrocyten in den Kapillaren des Blutkreislaufs ist ebenso wichtig wie die Elastizität der Blutgefäße und ihrer Muskeln. Solange die treibende Kraft des Herzens die Starrheit der Erythrocyten überwiegt, drängeln sich die Blutzellen in enge Kapillaren und verformen sich dabei, wenn nötig. Starre Erythrocyten aber, die die Mikrozirkulation in Milz, Niere, Knochen und Augen

6.4 Oxyhäm

nicht schaffen, verstopfen die Kapillaren und müssen schnell eliminiert werden. Die Erhöhung der Blutviskosität ist eine der wesentlichen Komplikationen bei Diabetes. Sie wird vor allem durch Erythrozytenaggregate und steife Erythrozytenmembranen hervorgerufen. Im Laborversuch wurde gefunden, dass Glucose die Steifheit der Erythrocytenmembran erhöht; Membranproteine bilden wahrscheinlich in ähnlicher Weise Glucoside wie Hämoglobin und werden dabei hydrophil, die Fluidität der Membran schwindet. Besonders kritisch sind die engen Kapillaren und ihre Eingänge – die Strömung der Erythrozyten ist hier langsam, Glucose klebt an den Nanoporen und die Verweilzeit wird lang, wenn die Konzentration im Blut hoch ist und die Zellen Lipide absondern (Abb. 6.25).

Abb. 6.25 Erythrocyten sind eingedellte Scheiben ohne Zellkern mit einem Durchmesser von 7,5 lm. In Kapillaren verformen sie sich.

Wollte man die Körperzellen eines einzigen Erwachsenen künstlich in einem Fermenter züchten, so brauchte man 200 000 L Nährflüssigkeit und 1 000 000 L Luft. Der menschliche Körper mit seinen 50 L Wasser ist offenbar besser geeignet. Zum Schluss ein paar zusammenfassende Worte zu den Oxidationen mit Sauerstoff, die für den zivilisierten Menschen so wichtig sind. Sie heißen Atmung, wenn sie bei Temperaturen unterhalb von 40 8C ablaufen, Feuer, wenn Wälder, Gasherde, Streichhölzer, Zigaretten oder Kerzen bei 400–800 8C brennen und dabei elementaren Kohlenstoff abrußen und Explosionen, wenn sie in technischem Gerät bei 1000 8C in den Verbrennungsöfen der Motoren und Elektrizitätswerke ablaufen. In jedem Fall geht Kohlendioxid in die Atmosphäre über, treibt die Photosynthese der Pflanzen an, erzeugt wieder Glucose (vor allem als Holz) und damit neues Verbrennungsmaterial. Der Mensch lebt seit vielen Jahrtausenden vom warmen Feuer seiner Atmung und genießt den Luxus des Kochens, der Wärme, des künstlichen Lichts und des Reisens. Auch das Papier,

289

290

6 Oxyhäm: Sauerstoff transportieren und aktivieren

auf das er seine Bücher und Zeitungen druckt, ist ihm wichtig und er verbrennt dafür riesige Mengen Lignin. Die Zivilisation des Menschen ist, in materieller Sicht, nicht als eine gigantische Verbrennungsmaschine. Es wird Zeit, diese reversibel zu gestalten: Was verbrannt wird, muss auch wieder erzeugt werden.

Fragen zu Oxyhäm

1. Was bedeutet Erschöpfung? 2. Warum wirkt das NO aus Glycerinnitrat auf Herzschmerzen und Peniserektion? 3. Mit reaktiven Quervernetzern kann man jede Zellteilung und Vermehrung unterbinden. Warum muss man das bei der Krebsbekämpfung (Cytostatika) in Erwachsenen, die doch nicht mehr wachsen, nach ein paar Wochen abbrechen? 4. Was kommt alles im Blut vor? 5. Welches Protein sorgt für die Treue der Präriemäuse? 6. Was macht Insulin, wie muss man es spritzen? 7. Woraus bestehen Knorpel zu 75%? Diskutieren Sie den Befund. 8. Warum lindert das Abatmen Atemnot mehr als tiefes Einatmen? 9. Wo stört Ozon, wo nützt es? 10. Gibt es noch andere Oxidationsmittel auf der Erde außer Sauerstoff? 11. Warum zittern Muskeln in der Kälte? 12. Woher kommen Schwindelgefühle, Erschöpfung, ein steifer Hals und dunkle Ringe unter den Augen?

291

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war (CHOR DER ENGEL) Und der Geist Gottes schwebte auf der Fläche des Wassers; und Gott sprach: es werde Licht, und es ward Licht. (URIEL, Tenor) Und Gott sah das Licht, dass es gut war. . . Verwirrung weicht, und Ordnung keimt hervor. (Joseph Haydn, Die Schöpfung)

Überblick

b-Carotin ist der orangegelbe Farbstoff der Mohrrüben, Orangen und Herbstblätter, ein Kohlenwasserstoff mit zwölf konjugierten C=C-Doppelbindungen. Tier und Mensch spalten die mittlere 15,15'-Doppelbindung mit Sauerstoff und erhalten so zwei Retinalmoleküle mit je fünf konjugierten C=C-Doppelbindungen und einer endständigen Formylgruppe, –CHO. Danach wird die trans-konfigurierte 11,12-Doppelbindung enzymatisch in das 11-cis-Stereoisomere verwandelt. 11-cis-Retinal steht am

292

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war

Anfang des Sehprozesses. Sein Absorptionsmaximum für Licht liegt im UV-Bereich bei 320 nm, wird aber durch Einlagerung in das Protein Opsin ins Sichtbare verschoben, weil dieses einer hydrophoben Matrix mit Punktladungen entspricht, die den polaren, angeregten Zustand stabilisieren. Bei der lichtinduzierten cis-trans-Isomerisierung bewegt sich das proteingebundene Retinalende um 0,7 nm. Das Protein öffnet dabei eine Ionenpore und verwandelt so Lichtimpulse in Ionenströme, aus denen das Synapsensystem des Gehirns bewegte und farbige Bilder zaubert. Pflanzen leben vom Licht. Sie erkennen die Signale der Frühlingssonne mit Phytochrom (Seite 271), sehen aber die eigenen Blätter und Nachbarpflanzen nicht. Jede grüne Pflanze beherrscht die Glucose- und Chlorophyllchemie, Sonne, Kohlendioxid und Wasser reichen ihr als Unterstützung ihres Lebens. Es ist für keine Pflanze nötig, sich anderen Pflanzen ungebührlich zu nähern, ihr das Licht zu nehmen, sie zu erkennen oder gar zu jagen, zu fressen und zu verdauen. Das Leben der Pflanzen ist Jahrmillionen währende Einsamkeit, Sammeln von Wasser und Licht, Reaktion auf Umweltbedingungen. Sinne, Muskeln und Gehirn wurden von pflanzlichen Wasserwegen in Milliarden Jahren nicht entwickelt. Augen und Gehirn zur Verarbeitung wechselnder Schall- und Lichtreize sind offensichtlich nur für Tiere in der Paarung, auf der Jagd und auf der Flucht lebensnotwendig. Gräser, Blätter und Zweige dürfen den Zufallsregeln des Windes folgen, die Bewegung der Tiere aber muss zielgerichtet sein, muss Hindernissen ausweichen können, Ziele finden. Von zentraler Bedeutung für die Evolution der Tiere und Menschen wurde deshalb das schnelle, zeit- und farbaufgelöste Sehen im Hellen und im Halbdunkel auf der Basis eines Farbstoffs, der einfallendes Licht in Ionenströme verwandelt. Hören, Muskeln, Herz und Blutkreislauf der Tiere und Menschen wären in der Evolution fast bedeutungslos geblieben, wenn der Augenschein fehlte. Man wäre nie als „the fittest“ ausgewählt geworden, sondern der Umwelt gegenüber ratlos geblieben; niemand hätte sie „erklärt“. Licht ist die einzige schnelle Quelle für Informationen aus der Umwelt, für dessen Empfang und Primärverarbeitung es ein Molekül gibt, unser siebtes Molekül, das Retinal. Es ist nach dem Wasser das kleinste der sieben Moleküle, ein Aldehyd im Netz der Blutgefäße und Nerven am Grunde des Auges (griech. retina, „Netz“). Das chemische Signal für eintreffende Lichtquanten, der Schalter, der die physikalisch-chemisch-biologische Kettenreaktion des Sehprozesses auslöst, ist wie beim Phytochrom (Seite 271) eine cis-trans-Isomerisierung. Nur sind die Folgeprozesse beim Sehen milliardenfach schneller und komplexer, als es die Einleitung des Keimprozesses durch Phytochrom ist – es geht nicht mehr um die vorsichtige, langsame Abschätzung der nahen Infrarotstrahlung der untergehenden Sonne, sondern um die millisekundengenaue Koordinierung des Gehirns mit Bewegungen, Farb- und Gestaltänderungen.

Überblick

Dafür reichen die fünf C=C- und die eine C=O-Doppelbindung des Retinals aus. Alle Lichtstrahlen mit Wellenlängen zwischen 400 (blau-violett) und 700 nm (rot) werden zu Gehirnströmen verarbeitet, nachdem das Retinal „gewinkt“ hat. Im Dunkeln ist Retinal ein starres Polyen (griech. poly, „viele“; -en steht für Doppelbindung), das erst im Licht extrem beweglich wird. In unserem Auge und in dem der Tiere liegt es als 11-cis-Stereoisomer vor, im Licht streckt es sich innerhalb von Pikosekunden zum all-trans-Isomer (Abb. 7.1).

Abb. 7.1 Molekülstrukturen a) des all-trans-Retinals und b) des 11-cis-Diastereomers. Rechts: UV-Spektren verschiedener Retinal-Imin-Diastereomere. Sie unterscheiden sich nur durch die Intensität der Banden, aber kaum durch die Wellenlänge oder Farbe.

Im Rhodpsin ist die Einfachbindung des 11-cis-Retinals verdrillt, weil die beiden Methylgruppen an C-10 und C-13 die Protonen an C-11 und C-10 berühren. Diese Verdrillung bleibt im trans-Isomer erhalten; sie steht fast senkrecht auf der ersten Dien-Kette. Bei der Aufnahme eines Lichtquants und der nachfolgenden cis-trans-Isomerisierung bewegt sich das proteingebundene Imin um 0,7 nm, was eine Calciumpore im Protein öffnet. Isoliertes Retinal ist farblos. Sowohl das 11-cis-Retinal als auch das all-transIsomer absorbieren nur ultraviolettes Licht (300 nm), während sich der sichtbare Bereich von 400 bis 700 nm erstreckt. Sonnenstrahlung, die auf der Erdoberfläche ankommt, hat kaum 300-nm-Anteile. Um das Licht der Sonne „sehen“ zu können, verbindet sich das Retinal mit einem wandlungsfähigen Protein namens Opsin zum Rhodopsin (Opsin plus Retinal gleich Rhodopsin). Die endständige Aldehydgruppe –CHO des Retinals bildet zu diesem Zweck mit der Aminogruppe einer Lysin-Seitenkette des Membranproteins Opsin ein Imin, –CH=NH, das vom Wasser ein Proton und damit eine positive Ladung aufnehmen kann, –CH=NH+2 . Jetzt hat das elektronenreiche Retinal nicht nur sechs Doppelbindungen mit zwölf beweglichen p-Elektronen, sondern auch ei-

293

294

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war

nen sehr aktiven endständigen Elektronenakzeptor. Es absorbiert jetzt bereits blaues Licht mit einer Wellenlänge von 390 nm (also knapp an der Grenze zur Sichtbarkeit) und sieht deshalb gelb aus (Abb. 7.2).

Abb. 7.2 Die 0,7-nm-Bewegung des 11,12-cis-Retinals bei der Umwandlung in das all-trans-Retinal (hier gedreht um die Einfachbindung 10,11). Diese molekulare Bewegung des Proteins öffnet Ca2+-Poren und leitet den Sehvorgang ein, die Umwandlung von Lichtquanten in Ionenströme im Gehirn.

Der Opsin-Partner des Retinals aber ist weiter wandlungsfähig: Je nach Bedarf bringt er elektronenabstoßende negative Ladungen (Glutamat) am linken Ende und elektronenanziehende positive Ladungen (Ammoniumgruppen des Lysins und Arginins) am rechten Ende des Retinals an. Die p-Elektronen werden so von der Donor- zur Akzeptorseite hinübergezogen und die zur Anregung des Polyens nötige Energie so weit herabgesetzt, dass sichtbares Licht zur Anregung der Außenelektronen des kleinen Chromophors ausreicht. Es gibt also Rhodopsine für blaues, grünes oder rotes Licht; sie sind in den Zapfen der Sehzellen so nebeneinander angeordnet, dass die Kombination einfarbiger Bilder ein farbiges Bild erzeugt. Das Farbsehen übernehmen im Tageslicht die 120 Millionen Zapfen, die im gelb-grünen Bereich besonders empfindlich sind; die sechs Millionen Stäbchen sehen im Dunkeln nur schwarz-weiß und zwar

Überblick

eher im Langwelligen. So erscheint die rote Blume im Dämmerlicht schwarz, die blaue silbrig-hell (Abb. 7.3).

Abb. 7.3 Verwandlung des farblosen Retinals in ein Chromophor, der in allen sichtbaren Bereichen des Sonnenlichts absorbiert, durch Aufladung des Retinalendes mit Protonen und lokale Polarisierung.

Das Retinal wird von Tieren und Menschen aus dem massenhaft vorkommenden Pflanzenfarbstoff b-Carotin hergestellt. Blätter, Gräser und die Mohrrübe („Karotte“) sind voll davon, Letztere enthält sogar Carotinkristalle. Auch Goldfische, Apfelsinenschalen und Eidotter sind b-Carotin-gelb. Der reine Kohlenwasserstoff, ein symmetrisches all-trans-Polyen mit 12 C=C-Doppelbindungen ohne ausgeprägte Donor- oder Akzeptorgruppe, absorbiert blaues Licht. Seine Farbe ist gelborange, seine Absorptionsmaxima liegen zwischen 450 und 500 nm. Blätter und Gräser benutzen das Carotin, um Chlorophyll während der Photosynthese im Sonnenlicht zu schützen (Abb. 7.4). Das gelbe Polyen entschärft vagabundierende Elektronen und Sauerstoffatome, die das grüne Blattpigment

Abb. 7.4 Molekülstruktur und natürliches Vorkommen des b-Carotins. Im Lycopin der Tomaten (etwa 20 mg/ kg) sind die Einfachbindungen des Sechsrings zur Kette neben den beiden Methylgruppen gebrochen und durch eine zusätzliche Doppelbindung ersetzt.

295

296

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war

ausbleichen würden. Am Tag nimmt das b-Carotin Sauerstoff auf, wird fast quantitativ zu Canthaxanthin oxidiert und in der Nacht von der Pflanze wieder zurückreduziert. Ein paar hundert b-Carotinmoleküle sorgen so für den Schutz jedes einzelnen Chlorophyllmoleküls im aktiven Photosynthesezentrum (Seite 275 f). Im Herbst stellen die Laubbäume die Photosynthese ein und lassen ihr Chlorophyll und ihr Carotin verrotten: Der Luftsauerstoff baut beide ohne Gegenwehr der Blätter und Gräser zu braunen Farbstoffen ab. Zuerst aber verschwindet nur das Chlorophyll; b-Carotin und seine Zersetzungsprodukte lassen die fallenden Blätter leuchten wie Goldfische in den Zierteichen und Chicken Nuggets. Das Eigelb der Legehennen wird mit synthetischem Carotinen vom Canthaxanthintyp optisch aufgebessert. Auch das Lycopin der Tomaten ist carotinähnlich. Beide Farbstoffe kürzen die Reaktionsketten von Radikalen ab und schützen deshalb vor Sonnenbrand, wenn sie mit Olivenöl gemischt auf die Haut gegeben werden (Abb. 7.5).

Abb. 7.5 Die Oxidation des b-Carotins durch molekularen Sauerstoff während der Photosynthese. Nachts wird das Canthaxanthin von der Pflanze zurück zu b-Carotin reduziert.

Die gleiche Farbe, die die Melancholie der letzten Sonnentage des Herbstes begleitet, bewirkt ansonsten erstaunlicherweise freundlich-optimistische Emotionen. Auge und Ohr des Menschen reagieren nicht logisch auf die Umwelt, sondern psycho-logisch. Deswegen wirkt das Gelborange des Herbstes optimistisch, obwohl die Tage kürzer werden und der Winter naht. Die Mohrrübe ist eine rätselhafte b-Carotin-Quelle. Sie gedeiht im dunklen Erdreich, denkt kaum an Photosynthese und enthält kein schutzbedürftiges Chlorophyll. Die Rübe besteht zu 88% aus Wasser, zu 5% aus oxidierten Glucose-Polymeren, den Pektinen (griech. pektos, „geronnen“) mit vielen Säuregruppen und einer unlöslichen Blattstruktur und höchstens zu 0,3% aus Fetten, die sich zum Lösen des Kohlenwasserstoffs b-Carotin eignen würden. So fallen die 120 mg b-Carotin pro Mohrrübe (0,012 Gewichtsprozent) in den Wasservolumen der gesunden Mohrrübe oft als kristallines, totes Material aus, das der Rübe nichts nützt. Warum also stellt die Karotte orangefarbene Kristalle mühsam her und sammelt sie in Vakuolen, wo doch die in der Nachbarschaft wachsenden Kartoffel-

Überblick

knollen oder andere Rüben auch farblos überleben? Nun, die Mohrrübe enthält kaum Kalorien; Pektin ist wegen seiner Blattstruktur unverdaulich. Niemand würde die Mohrrübe essen, wenn die 12 mg b-Carotin nicht den Retinalbedarf der Hasen und Menschen decken würden. So aßen beide die Möhre schon immer, auch ohne verwertbare Stärke, spalteten das b-Carotin-Molekül in der Mitte mit molekularem Sauerstoff, machen zwei Retinalmoleküle daraus und lernten damit das Sehen. Die Natur plante groß mit den sieben Molekülen und die Evolution ließ wachsen, was gebraucht wurde (Abb. 7.6).

Abb. 7.6 Der kluge Hase frisst das b-Carotin und spaltet es oxidativ in zwei Moleküle all-trans-Retinal. Dann isomerisiert er die 11,12-trans-Doppelbindung nach cis und bindet das Aldehyd über ein Lysin-Imin an ein Protein namens Opsin, das er vorher schon hergestellt hat. Dann sieht er alles besser – noch besser kann es der Mensch auch nicht.

Im Blut wird das Retinal nicht transportiert – es ist viel zu reaktiv. Dazu muss es zu Retinol mit einer –CH2OH-Endgruppe reduziert werden, erst in den Sehzellen, den Zapfen und Stäbchen, wird wieder Retinal daraus gebildet. Retinol heißt auch Vitamin A. Ein Vitamin ist generell ein Stoff, der in Milligramm-Mengen lebenswichtig ist, aber nicht vom menschlichen Körper produziert werden kann. Retinol wird in der Leber als Fettsäureester gelagert und ist ein zehnmal effektiverer Vorläufer für das Retinal als das nur zu 10% spaltfähige b-Carotin. Zu wenig Retinol führt erst zu Nachtblindheit, dann zu irreversiblen Schäden der Hornhaut des Auges und zu Blindheit. Eine hohe Dosis b-Carotin ist harmlos und führt schlimmstenfalls zu orange gefärbtem Hautfett, ohne Schaden anzurichten. Es schützt sogar vor Hautkrebs durch UV-Strahlung. Eine zu hohe Dosis Retinol aber tut nicht Gutes, sondern zerstört Gehirn, Nerven und Augen von Babys. Wieso landet das Retinol ausgerechnet im Gehirn? Das Gehirngewebe ist, obwohl es zu 80% aus Wasser besteht, der mit Abstand membran- und damit lipidreichste Teil des Körpers, also ein ideales Lösungsmittel für Retinal.

297

298

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war

In frischen Gewebsschnitten des Gehirns unterscheidet sich eine graue Region der Nervenzellen deutlich von einer weißen Region der Nervenzellenfortsätze (Axonen) mit Gliazellen (griech. glia, „Klebstoff“). Gliazellen sorgen einerseits für die Isolierung der Axone vom Wasservolumen, andererseits für den Kontakt mit Blutgefäßen und für die Beseitigung von Zelltrümmern in der Umgebung der großen und empfindlichen Nervenfortsätze. Die graue Hirnsubstanz besteht aus 83% Wasser, 5% Membranlipiden, 7,5% Protein und 1% Phosphat. Die weiße Substanz der Axonen hat 13% weniger Wasser, dafür 15% Membranlipide. Ihre Fettsäuren sind zu 50% mehrfach ungesättigt. Diese beweglichen Fettsäuren sowohl in den isolierenden Mänteln der großen Axone (Myelinscheiden) als auch in den Membranen der Stäbchen und Zapfen sorgen für einen schnellen Transport des Retinals. So wird das Retinal aus dem Blutstrom erst von den fettsäurereichen Membranregionen des Gehirns und der Sehzellen extrahiert, dann von den Aminogruppen des Lysins fixiert und so in den Sehapparat integriert. Für die Absorption von Lichtsignalen braucht das Rhodopsin eine klare Optik. Rote Blutgefäße zwischen Linse und Rhodopsin sind nicht erlaubt. Deshalb wird das Auge von seinem Boden aus, von der Retina, ernährt, die hinter der Linse und dem Glaskörper (Seite 49) liegt. Die Retina selbst ist rot gefärbt von Blut, das Retinal aber, das Pigment für das Sehen, liegt vor der Retina und ist kaum sichtbar. Das mikroskopische Bild des Netzes, das der sehenden Haut den Namen gab, ergibt sich aus der regelmäßigen Anordnung von Stäbchen und Zapfen. Das Licht passiert zuerst eine 0,3 mm dicke Gewebeschicht mit Neuronenschaltungen und trifft dann auf die Rezeptorzellen. In der Sehachse des Auges (Fovea) bildet die Gewebeschicht einen Tunnel, sodass das Licht unter einem Winkel von weniger als 38 die Rezeptoren direkt trifft. Im Bereich des Austritts der Sehnerven aus der Retina befinden sich keine Rezeptorzellen – hier liegt ein blinder Fleck. Der zentrale, foveale Bereich der Retina sieht besonders scharf, periphere Zonen registrieren vor allem Bewegungen. Einerseits ist das Auge ein extrem aktives Organ. Es verbraucht ein Drittel der Energie unseres Körpers im Ruhezustand, muss also gut mit Blut versorgt werden, um cis-Retinal, ATP, Kinasen und andere Hilfsstoffe erzeugen zu können. Andererseits müssen die Innenbereiche des Auges frei von Blut sein. Deshalb erfolgt die Ernährung des Auges indirekt über das sich innerhalb von zwei bis drei Stunden vollständig erneuernde Kammerwasser zwischen der Hornhaut und der Linse. Das große Wasservolumen des Glaskörpers ist hingegen weitgehend ruhendes Wasser. Nur das engmaschige Netzwerk der Retina-Blutgefäße, das individuelle Muster am Grunde des Auges formt, ist direkt im Kontakt mit dem Blutkreislauf. Die Ernährung der klaren Häute der Pupille, des Glaskörpers und der Linse aber werden über das Kammerwasser vor der Linse und aus farblosen Lösungen aus der Retina ernährt. Dabei ist die Linse besonders hungrig; sie verliert ihre Kraft zum Nahsehen, wenn sie ungenügend versorgt wird. Der Ältere kann deshalb oft nicht mehr fokussieren und wird weitsichtig.

Überblick

Die molekulare Bewegung des Rhodopsins bei der cis-trans-Iomerisierung des Retinals nach dem Einfangen von ein paar Lichtquanten beträgt etwa einen Nanometer, entspricht also ungefähr der Retinalbewegung in Abbildung 7.3. Das folgt aus Kernresonanz- und Röntgenstrahlmessungen. Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) der 18Fluor-Glucose aber zeigt, dass dieser primären Lichtreaktion in 15 cm (150 000 000 nm!) Entfernung, in der hinteren Cortex, innerhalb weniger Millisekunden ein massiver Glucoseverbrauch folgt. Dort hinten werden die Bilder geschaffen, die wir sehen. Vergrößert man in Gedanken das Ein-Nanometer-Winken des Rhodopsins auf das Ein-Zentimeter-Winken eines Fingers, dann würde das Rühren mit dem Finger in der Seine in Paris eine riesige Turbine in einem Elektrizitätswerk im tausend Kilometer entfernten Berlin in Rotation versetzen: Das Winken des Fingers wäre als Signal durch ein Netz von Tausenden von Seen, Flüssen und Talsperren übertragen worden. Geologische Systeme können so verschwindend geringe Energien über so große Entfernungen nicht übermitteln, die Biologie unseres Gehirns schafft das mühelos und milliardenfach in der Sekunde. Stäbchen sind zylindrische Zellen mit einer Einschnürung zwischen dem Sehpigment-Teil (1 ´ 10 lm) mit Hunderten von 0,2 nm dicken, membranumhüllten Pigmentsäckchen und dem inneren Segment mit Mitochondrien, Zellkern und Synapse. In jedem Stäbchen gibt es ungefähr 107 Rhodopsinmoleküle in einer Lecithinmembran. Die Retinalstapel liegen etwa senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung des einfallenden Lichts; 10–50% des Lichts werden von ihnen absorbiert. Bei den Zapfen liegen die Rhodopsinmoleküle auf einer gefalteten Membran. Nach einer vollkommenen Dunkeladaption (nach 30 min) dominiert das empfindlichere Stäbchensehen den Schwellenwert. Die Sehzellmembran eines Pfeilschwanzes (Linulus) zeigt im Dunkeln Potenzialsprünge (engl. bumps), die wahr-

Abb. 7.7 Ein Modell des Auges (ca. 3 cm breit) mit Linse, Glaskörper (blau) und der Sehgrube (grau). Daneben befindet sich ein Modell der Retina (ca. 0,3 mm breit) mit Zapfen und Stäbchen, die das Rhodopsin enthalten, und deren Schaltzellen: Ganglienund bipolare Zellen (verbinden die Lichtzellen mit den ableitenden Nervenzellen), Horizontalzellen (kombinieren die Lichtzellen miteinander) und anakrine Zellen (koordinieren

die Ganglienzellen am Sehnerv auf dem Weg des Lichtimpulses zum Gehirn). Scharf gesehen wird nur mit einem etwa 3 mm breiten, von Lutein gelb gefärbten Fleck der Netzhaut. Das Bild, das Sie jetzt sehen, entsteht also auf sehr kleinem Areal in einer dünnen Schicht und wird erst im Gehirn aufgearbeitet. Hinter der Retina liegen die Blutgefäße des Auges, die durch eine dunkelbraune Zellschicht vor dem Licht geschützt sind.

299

300

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war

scheinlich durch die Absorption einzelner Lichtquanten ausgelöst werden. Diese Bumps gelten als das elementare Ereignis des Sehprozesses, sind etwa 30 mV hoch und erscheinen nur, nachdem die Sehzelle an die Dunkelheit gewöhnt wurde. Im Hellen dominieren die Zapfen den Sehprozess. Die Empfindlichkeit sinkt hundertfach, aber Farben werden nun getrennt gesehen (Abb. 7.7). Fünf Neuronentypen bestimmen das Geschehen in der Retina: erstens lichtempfindliche Sehzellen (Rezeptorzellen) mit Retinal, zweitens Ganglienzellen (griech. ganglia, „Geschwür unter der Haut“), die die Retinalsignale ins Gehirn leiten; ein dazwischen liegendes Netzwerk aus drei weiteren verschieden orientierten und spezialisierten Nervenzellen ermöglicht den Ganglienzellen, die Reizungen der verschiedenen Sehzellen und Neuronen zu unterscheiden, zu kombinieren und zu koordinieren. Nach einem Sehprozess überführt der Zapfen oder das Stäbchen in einer enzymatischen Dunkelreaktion das trans-Isomer des Retinals wieder in 11-cis, meist durch Anlagerungs eines Sulfids an die 11,12-Doppelbindung, gesteuerte Rotation um die entstehende Einfachbindung und anschließende stereoselektive Abspaltung des Sulfids. Der konjugierte Aldehyd dient als willkommene Elektronensenke für die 11,12-Doppelbindung als Reaktionszentrum (Abb. 7.8).

Abb. 7.8 Chemische Umwandlung des 11-trans-Retinals in 11-cis-Retinal durch eine reversible Addition von Sulfid.

Für jedes registrierte Bild werden Millionen von Lichtquanten absorbiert, ebenso viele cis-Retinal-Moleküle verbraucht und regeneriert. Das ist energetisch aufwendig: Etwa 30% des menschlichen Energieverbrauchs gehen im Ruhezustand für das Erzeugen von Bildern drauf, aber Material braucht das kaum. Nehmen wir an, dass für die Erzeugung eines einzigen Bildes eine Million Retinalmoleküle

Überblick

isomerisieren müssen, so entspricht das 6 ´ 10–17 mol oder, bei einem Molekulargewicht des Retinals von 284 Dalton, etwa 1,8 ´ 10–14 g. Ein Milligramm Retinal kann also 1,8 ´ 1011 Bilder ins Gehirn werfen. Bei hundert Bildern pro Sekunde dauert das Ganze 1,8 ´ 109 s oder etwa drei Jahre. Der Materialverbrauch ist minimal, die über das Retinal zugängliche Bilderflut unermesslich. Es ist also materiell kein Problem, das inaktive trans-Retinal kontinuierlich durch das aktive cis-Retinal zu ersetzen. Logistisch ist es eine gewaltige Leistung, denn es muss alles sehr schnell gehen und die neu gebildeten Moleküle müssen genau da hin, wo die alten fehlen. Auch die Entstehung eines Bildes in einer Entfernung von über hundert Millionen Moleküllängen des Retinals ist reine Magie. Man kann das heute mit PET in den Gehirnzentren sehen (Seite 51), man kann mit dem Computer Netzwerke entwerfen, die denen des Gehirns ähnlich sind, man kann errechnen, dass die Energie des Lichtreizes bis zu einer Million mal geringer ist als der von diesem Reiz ausgelöste Energieverbrauch der Zelle. Negativ geladene, das heißt phosphorylierte Zentren kontrollieren das Öffnen und Schließen der Membran nach Überschreiten der Reizschwelle (siehe Seite 246). Calcium, Ca2+, diffundiert langsam und schließt solche Kanäle, Natrium, Na+, bewegt sich schnell und öffnet sie. Im Dunkeln bindet das Phosphat fest an Calcium, ein Lichtreiz löst das Calcium heraus und lässt Natrium in die geöffnete Pore einfließen. Das geschieht, wie fast alles in den dynamischen Abläufen des Lebens, nicht direkt. Die Calciumphosphatbildung ist nicht licht-, sondern phosphatabhängig. Trotzdem werden Kinasen und Phosphatasen durch das vom Rhodopsin absorbierte Licht aktiviert und deaktiviert, weil sie durch molekulare Bewegungen in den Calciumporen zu eigenen Strukturumwandlungen veranlasst werden und danach entweder phosphorylierend und dephosphorylierend wirken. Strukturumwandlungen und Phosphorylierungen der Proteine laufen in großem Ausmaß und in kurzer Zeit ab. Die Außensegmente jedes Stäbchens fürs Dunkelsehen lagern etwa tausend Moleküle cGMP an, die bei Belichtung durch ein einziges Phosphodiesterase-Molekül wieder abgebaut werden und Phosphat freisetzen. Calciumfreisetzung und cGMP-Abnahme wirken dabei kooperativ zusammen. Je mehr cGMP-Moleküle vorhanden sind, umso lichtempfindlicher registrieren die Stäbchen – je dunkler es ist, umso stärker wird die Außenwand phosphoryliert. Deshalb kann man im Dunkeln nicht richtig denken oder fühlen: Das Gehirn verbraucht sein Phosphat für die Verarbeitung weniger Lichtquanten. Ein einzelnes Lichtquant, das von einem der zehn Millionen (107) Rhodopsinmoleküle absorbiert wird, erzeugt ein Signal, das anderen Zellen mitgeteilt wird. Völlig dunkeladaptierte Versuchspersonen wurden schwachen Lichtblitzen von einer Millisekunde Dauer ausgesetzt und der Schwellenwert der Erkennung des Blitzes wurde ermittelt. Etwa zehn Quanten reichten aus, eine Region mit 2000 Stäbchen so anzuregen, dass mit 60% Wahrscheinlichkeit ein sichtbares Signal erzeugt wurde. Statistische Analysen ergaben, dass eine Gruppe von 100 Stäbchen innerhalb von 20 ms von etwa fünf Lichtquanten getroffen werden muss,

301

302

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war

damit ein Signal über dem Grundrauschen des Nervensystems entsteht. Menschen werden zu Messinstrumenten, wenn sie sich auf die Dunkelheit konzentrieren. Das Gehirn denkt dann nicht mehr, aber es hört und riecht noch, auch wenn gar kein Lichtquant mehr eintrifft. Die Übertragung der Signale erfolgt wie üblich in Synapsen. Zwischen eng zusammenliegenden Zellen gibt es gap junctions oder Wasserkanäle, entlang deren die Zellen ihre Ionenströme direkt koppeln und synchronisieren. Die benutzten Ionenkanäle, die chemische Signale in elektrische Ströme umwandeln, werden dabei entweder direkt durch Spannung, durch organische Neurotransmitter und ihre Rezeptoren oder durch Phosphorylierungen von Membranproteinen und die Änderung der Calcium-Natrium-Kalium-Ionenkonzentrationen kontrolliert (Abb. 7.9).

Abb. 7.9 Schema der Übertragung eines Neuronensignals in einer adrenergen Synapse, die auf Noradrenalin anspricht. NA wird in der Nervenzelle aus Tyrosin durch zweifache Oxidation und Decarboxylierung (–CO2) gemacht, in den synaptischen Spalt transportiert und reagiert dort am Rezeptor des

nächsten Nerven. cAMP (Seite 239) induziert dann die Phosphorylierung der postsynaptischen Membran; diese wird für Ionen durchlässig, der Reiz wird weitergeleitet und das Noradrenalin abgebaut. Für die Verarbeitung von ein paar Lichtquanten laufen mehrere solcher Reaktionsketten millionenfach ab.

Überblick

Ströme fließen und erzeugen Millionen Aktionspotenziale in den Ganglien, die komplexen Aggregaten solcher Nervenzellen entsprechen. Schließlich entstehen farbige und bewegte Bilder im Bewusstsein. Im Bezug auf das Sehen sind das Kontrastdetektoren für Einzelheiten und Bewegungsdetektoren für Muster in Bewegung. Diese sind nur phänomenologisch charakterisiert. Die Kontrastdetektoren reagieren auf Licht mit „an“ oder „aus“ und die Reaktion ist im inneren Bereich des Detektors stimulierend, im äußeren hemmend. Während einer Dunkeladaption wächst die innere stimulierende Region, im gleißenden Licht die äußere hemmende Region. Bewegungsdetektoren reagieren nur auf Bewegungen in eine bestimmte Richtung. Jedes Licht-Schatten-Muster, das sich über das Sehfeld bewegt, löst eine Salve von Aktionspotenzialen aus, die der dem Detektor angemessenen Richtung folgt. Bewegungen in andere Richtungen folgen anderen Detektoren. Weitere Detektoren sind auf Formen spezialisiert: Es gibt solche für geschlossene Figuren (Kreis, Dreieck) und solche für Geraden (Kanten, Linien). Wir bewegen uns längst im molekularen Schattenreich: Das Retinal ist viele Millionen Moleküllängen entfernt, das Lichtsignal, erst vor Millisekunden eingetroffen, ist schon Teil eines Bildes im Gehirn geworden, das auftaucht und wieder verschwindet. Viele Gehirne haben die Erzeugung und Verarbeitung der vielen Anregungsmuster, die aus der Retina strömen, im Laufe der Generationen optimiert. Gelernte Muster werden vererbt – und doch muss jedes neugeborene Individuum, ob Elefant, Eule oder Mensch, die Bilderzeugung selbst wieder lernen. Erwachsene, die wegen einer Hornhauttrübung als Blinde aufgewachsen sind, lernen nach dem inzwischen möglichen Ersatz durch eine klare Hornhaut das Sehen meist nicht mehr und finden sich entmutigt mit lebenslanger Blindheit ab. Katzen, die die ersten Wochen des Sehens in engen Käfigen verbracht haben, lernen die Koordination des Sehens mit den Muskelreaktionen nicht. Sie tappen als Blinde durch das ungewohnte Leben in Freiheit. Jedes differenzierte Lebewesen durchläuft die Evolution. Es lernt und lernt und weiß so wenig wie Mama und Papa, wie es das schafft (Abb. 7.10). Wenn die letzten Absätze nichts als Ratlosigkeit über das Geschehen im Gehirn bei Ihnen hinterlassen, dann ist das gewollt. Genauso ratlos fühlen sich Chemiker, nachdem sie „alles“ über Moleküle wissen. Sie können nun zwar das molekulare Geschehen deuten und tun das mit viel Liebe zum Detail. Auch lernen sie, mit Stop-and-go-Versuchen und Trial-and-error-Methodik den Verkehr auf den Wasserwegen der Menschen mit Molekülen zu regulieren, Proteine zu blockieren und wieder freizugeben. Das ist die Grundlage der Wirkung der Pharmaka. Biologische Wasserwege zu stören und wieder funktionsfähig zu machen, fällt Chemikern leicht. Sie aber selbst aus Molekülen aufzubauen liegt weit außerhalb der Möglichkeiten der molekularen Chemie.

303

304

7 Retinal: . . . und sah, dass es gut war

Abb. 7.10 Eine fiktive, typische Straßenkreuzung phosphorylierter Wasserwege mit ATP.

Nur Gott sah alles an, was er gemacht hatte, und sah, dass es gut war.

Fragen zu Retinal

Fragen zu Retinal

1. Aus welchen Nahrungsmitteln beziehen Sie Retinal oder dessen Vorläufer? 2. Warum werden Sie schnell schläfrig, wenn Sie die Augen schließen? 3. Unter welchen Umständen ist es gut, von einem Ei nur das Protein zu essen und das Eigelb zu verwerfen und wann sollte man beides essen? 4. Spekulieren Sie marktstrategisch über die appetitanregende Wirkung der Farbe des Orangensafts und des Hähnchenschnitzels und vergleichen Sie den Anreiz mit jenem durch Aromen und Aromaverstärker. 5. Welche Nahrungsmittel kennen Sie, die Sie in kristalliner Form aufnehmen? Vergleichen Sie. 6. Welche Farbstoffe gefährden das Gehirn und warum? 7. Warum sind Mohrrüben kalorienarm? 8. Wie viele Autolängen (4 m) trennen Berlin und Paris (1000 km) und wie viele Retinallängen (12 nm) das Auge vom Sehzentrum (15 cm)? Vergleichen Sie. 9. Wieso ist im tiefem Meerwasser alles blau, aber im Scheinwerferlicht farbig? 10. Was wird aus dem Farbensehen im Dunkeln?

305

307

Epilog: Mit unseren sieben Molekülen erreichen wir viel Ziel dieses Buches ist es, die tägliche Arbeit der eigenen Moleküle, des Materials des eigenen Körpers, kennen und nutzen zu lernen. Unsere Existenz ist Nervenexistenz. Natrium- und Kalium-Ionen laufen, gelöst in Wasser, durch fettige Poren und erzeugen elektrische Potenziale. Ionenströme entlang der Nervenbahnen verbinden die Sinne mit dem Denken, den Gefühlen und der sexuellen Lust. Das Stromnetz des schlagenden Herzen, des strömenden Bluts und der Muskeln ist dem Nervennetz angeschlssen, benutzen die gleiche Stromart. Wir können aus Sauerstoffmolekülen Atome machen, die bei null Volt und 37 8C Glucose, Fette und Proteine verbrennen. Wir öffnen die Augen und bilden die farbige und bewegte Welt mit ein paar Milligramm Retinal ab. Menschen versorgen sich selbst mit Hilfe der Bauern und Wassertechniker. Entweder essen wir die Moleküle, die wir brauchen, mit den Pflanzen, die man uns verkauft, oder unser Körper erzeugt sie selber. Wichtigste Voraussetzung für das Leben der Pflanzen, Tiere und Menschen sind Wasser und Sonne. Das materielle Hauptproblem der Menschheit ist erstens reines Wasser. Ohne Trinkwasser läuft nichts. Wo immer wir uns auch aufhalten, wir sollten wir uns zuerst um reines Wasser kümmern. Im Notfall legen wir Schmutzwasser in einer transparenten Plasikflasche ins Sonnenlicht und warten zwei Tage, bevor wir es trinken. Wir sollten keinen müden Cent für unsinnige Kriege und Klimaschutz ausgeben, wohl aber für Trinkwasser und die daraus resultierende Pflanzennahrung. Für ein bequemes Leben im Luxus brauchen wir außerdem sehr viel Energie. Wenn wir unser Geld und unseren Verstand benutzen und die Sahara bewässern, läßt sich auch dieses Problem weltweit lösen. Wir lassen uns auch den Zucker und die Glucose nicht verteufeln, denn unser Gehirn lebt davon. Völlerei und Faulheit aber sind die molekularen Todsünden, wobei Todsünde vor allem bedeutet, dass man daran stirbt. Dieser Todsünden Tod kostet unsere Kinder viel Geld und ist unnötig schmerzhaft. Unsere Fette seien Lein- und Fischöl. Unser Gehirn, unser Blut, unsere Nerven und Sinne brauchen x-3-Linolensäure. Alles andere Fett kommt von allein aus dem Rest der Nahrung.

308

Epilog: Mit unseren sieben Molekülen erreichen wir viel

Die Völlerei und die Faulheit aber sind die molekularen Todsünden, wobei Todsünde bedeutet, man stirbt daran. Dieser Tod kostet unsere Kinder viel Geld und ist unnötig schmerzhaft. Das beste am Fleisch ist das Phosphat. Es ist dort für unser ATP, schmackhaft und wohl verteilt. Das Gehirn will arbeiten, lesen und neue Musik hören. Unser Körper will sexuell empfinden und Kinder zeugen. Das alles klingt danach, als ob wir unsere Moleküle beschäftigen. Sie werden uns das danken. Das ist es, was wir von den sieben Molekülen gelernt haben.

309

Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben Kapitel 1

1. In den Wolken in 10 km Höhe gibt es keine schweren Festkörper – die fallen runter, bevor sie sich bilden. Hagel bildet sich kurz über der Erdoberfläche. Wenn es hagelt, startet ein Flugzeug nicht. 2. Der rote Anteil des Sonnenlichts wird vom Wasser absorbiert, der blaue viel weniger. Das Scheinwerferlicht reicht nur ein paar Meter weit. 3. Die Algen und Blätter sterben und sinken zum Boden herab, neues Grünzeug kommt erst im Frühling. 4. Eine Tonne. 5. Durch intelligenten Kanalbau und Frieden. 6. Kurze und tiefe Schifffahrtswege, Überschwemmungen, instabile Besiedelung. 7. Brunnen. 8. Nicht mit gesättigten Fetten belasten, Bewegung! 9. Fette. 10. Kunstdünger, vor allem Phosphate und Nitrate. 11. Hart und bewachsen an der engen Innenkurve, weich und kahl an der weiten Außenkurve. 12. Die Alchemie war voller Phantasien und Zaubersprüche und die Alchemisten waren streitsüchtige Sonderlinge – das alles ist publikumswirksam. Die Sprache der molekularen Chemie ist nüchtern, ihre Forschung benutzt in allen Ländern die gleichen Methoden, es gibt keine Kämpfe zwischen Chemikern, nur unterschiedliche Meinungen. Moleküle sind nur dann ein Thema für Dichter, Musiker, Maler und Philosophen, wenn sie das Entstehen neuer Materie und Verfahren als Ursachen der Veränderungen menschlicher Lebensart und Schicksale im zwanzigsten Jahrhundert begreifen und letztere nicht einfach beschreiben. Krieg, Armut, Reichtum, Leistungssport, Fernsehen, Büroarbeit, Industrie, Verlust der Wälder, Energiekosten – das gesamte moderne Leben folgt dem Erscheinen neuer Materie, leistungsfähiger Materialien, die das Thema unseres nächsten Buchs sein werden. Die neuen Stoffe sind die Triebfedern, die Motive menschlichen Handelns in der Moderne. Das betrifft erstens die Entdeckung und Entwicklung durch

310

Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben

Chemiker und Techniker, zweitens die Anwendung durch den wohlhabenden oder armen, friedvollen oder kriegerischen Verbraucher und drittens die Wirkungen auf Alle. Moderne Künstler sollten das erkennen und darstellen. 13. Nur neue Produkte bringen Geld. Diese Tatsache fördert erstens die Syntheseforschung und zweitens die Einsicht in die Chemie der Proteine des Körpers, das Phänomen der „Nebenwirkungen“. Für die Politik ist vor allem die Vielfältigkeit der Anwendung der Chemie interessant, die nicht vorhergesagt werden kann. Wenn man das trotzdem versucht, landet man beim unproduktiven Sozialismus.

Kapitel 2

1. 2. 3. 4.

5. 6.

7. 8.

9. 10. 11. 12. 13. 14.

15.

Traubenzucker, also Glucose. Der bewegliche Fünfring (Pseudorotation) behindert die Kristallisation. Glucose und Sauerstoff. Ab 1300. Madeira, Kolumbus. Mittelamerika. 300 Jahre Sklavenhandel aus Afrika. Englands Seeblockade durch Napoleon. Kein Zucker aus Mittelamerika/England. Zuckerrübe. Erste Armutsquartiere in Europa. Gegensatz Luxusgegenstand-schwieriger Anbau. Erste Landwirtschaftsindustrie. Heute in Europa künstlich aufrecht erhalten. Wenig essen, viel Sport treiben, denken, hören und sehen. Die Protonen verdrängen das Calcium. Phosphorsäure ist wasserlöslich. Besonders kritisch der Lamellenaufbau der Zähne und das Kleben des Zuckers auf dem Phosphat (H-Brücken). Sie saugen den Zucker raus. Gras hat mehrfach ungesättigte Fettsäuren, auch x-3. Es muss mit der Nachtkälte fertig werden und seine Membranen auch bei Frost fluide halten. Die Kuh ist ein Warmblütler und hat das nicht nötig; sie hydriert alle C=C-Doppelbindungen (Milch, Butter, Fleisch). Lignin klumpt in Wasser. Wasserstoffbrücken zur Cellulose fixieren die Druckerfarbe schlagartig. Kein Auslaufen. Bruch der Fasern durch deren seitliche Quervernetzungen, eine andere Art des normalen Alterns. Papier wird nicht hart und steif, sondern zerbröselt. Trockenheit, Wind, sauer, Erosion, kleines Porenvolumen des Bodens, UV, wenig Humus, wenig Nährstoffe. Einschließen in Cyclodextrine. Nein, er muss sich auch schnell wieder ablösen. Sonst schlägt der süße Geschmack sofort in bitter um. Ein beliebter Trick sind Methylester, die schnell enzymatisch hydrolysiert werden und dann nicht mehr binden (Aspartam). 17 F-Glucose in PET. Sich schnell vermehrende Zellen brauchen besonders viel Energie

Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben

Kapitel 3

1. Sie sondert wasserlösliche Substanzen im Blutstrom aus. Glucose wird gezielt transportiert und tritt im Alter zögerlicher über die starrer werdende Schranke. 2. Die BLM macht die kleinstmögliche Oberfläche, die Kugel. In Zellaggregaten flachen die Kugeln ab, ohne echte Ecken zu bekommen. 3. Linolensäure in Leinöl. 4. Leinöl. Olivenöl polymerisiert nicht, das mono-allylische CH2 ist mit Sauerstoff nicht reaktiv genug. Ohne Radikale kein Firnis. 5. Die Oberflächenspannung fehlt, die das Zerreißen der hohen Wellen verhindert. 6. Die Kohlenwasserstoffketten der Seife lösen sich im Fett, die Carboxylatgruppen laden es negativ auf. Die negativ geladenen Gruppen stoßen sich ab, zwingen den Fettfleck, sich zu krümmen. Ein wasserlöslicher Fetttropfen bildet sich, löst sich vom Pullover ab und geht ins Volumenwasser. 7. Bilden hydrophobe, ölige Monoschicht, die keine Salz- oder Wasserstoffbrücken zwischen den Haarsträhnen baut. Das Haar wird glänzend und klebt nicht. 8. Zellmembranen in Pflanzen heißer Länder oder im Blutstrom von Warmblütlern sind auch ohne ungesättigte Fettsäuren fluide, Gras und Fische aber müssen Kälte überstehen, was sie nur mit mehrfach ungesättigten Fettsäuren in der Zellmembran können. 9. Die hydrolytischen Enzyme kommen an die räumlich dicht gepackten Esterbindungen auf der Zuckeroberfläche nicht heran. 10. Ein warm-fettiger Zungenbelag, der Aromen hervorragend löst. 11. Glühbirne: 100 · 3600 · 24 J/Tag = 8600 kJ/Tag. Der Mann braucht 15% mehr, die Frau 8% weniger. Das Paar gemeinsam entspricht ziemlich genau zwei 100-Watt- Glühbirnen. 12. Osmose treibt das Körperwasser in den Magen und leert ihn mittels „Durchfall“. Zweifach negativ geladenes Sulfat ist besser als einfach geladenes Chlorid, weil es Magen und Darmwände überhaupt nicht überwinden kann. 13. Beim Essen von Obst und Gemüse, das noch lebende Mikroorganismen enthalten kann. Diese werden durch verdünnte Magensäure unter Umständen nicht getötet. Gärung oder Übelkeit kann dann auftreten. 14. Lunge, Niere, Herz. 15. Reflexion und Interferenz an Helixebenen. Zerstört man diese durch elektrische Felder, verschwindet die Farbe reversibel. Kein Ausbleichen. 16. Dehydroepiandrosteron, DHEA. 17. Addition von Phytosterolen (Pflanzensteroiden) und trans-Isomerisierung der Fettsäuren. Man fügt so biologisch wertloses Zeug hinzu, überdies mit einer undurchsichtigen Chemie. Nützen tun beide Stoffe auf keinen Fall, schaden tun sie wahrscheinlich. Was passiert mit dem verdrängten Cholesterin? Wieso sollten die Phytosterine keine Ablagerungen in den Herzkranz-

311

312

Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben

arterien bilden? Wiese belastet man den Kreislauf mit wertlosen allylischen Kohlenstoffen?

Kapitel 4

1. Proteinmangel, Wasser hat nichts zum Hydratisieren. 2. Proteine blockieren (Enzyme, Membranporen). 3. Werden zu Aminosäuren hydrolysiert (Proteinasen) und dann zum Aufbau eigener Proteine verwendet, vor allem Erythrocyten, auch Muskeln und Hautzellen. 4. Vorwiegend aus abgestorbenen Hautzellen. 5. Proteine (Keratin). 6. Lysin, Phenylalanin, Leucin, Quellen: Eiweiß, Fisch, Quark, Linsen. 7. Gehirn und Magen. 8. Serotonin kaschiert Erschöpfungszustände (Sauerstoffmangel), Melatonin reguliert den Schlaf, macht ihn unabhängig von Gehirnströmen. 9. Hydrohob, flach, Elektronenwolke, OH-Wasserstoffbrücke am hydrophoben Ende. 10. Huminsäuren, die vielfach quervernetzten Oxidationsprodukte der Cellulose, des Lignins und des b-Carotins. 11. Helical: Gelatine; Blatt: Seide 12. Quervernetzt und blattartig; nicht löslich genug für enzymatischen Abbau. Viele Gerbstoffe wirken auch als Zellgifte (z. B. Chrom). 13. Oft nicht kettenartig, exotische Aminosäuren, ungewöhnliche Quervernetzungen. 14. Sie dürfen keine Medikamente verschreiben, weil sie nicht Medizin studiert haben. 15. Kleben an hydrophoben Proteinoberflächen fest und bilden reversibel Radikale.

Kapitel 5

1. 2. 3. 4.

Knüpfung und Zersetzung des Triphosphats im ATP. Geistige Routinearbeiten. Sechs Stunden Zerstören Protein Sekundärstrukturen reversibel. Pillen nicht neben das Bett stellen, Gefahr der unbewussten Überdosierung in der Nacht. 5. Bildet NO zur raschen Venenerweiterung. Nitroglycerin explodiert nur in reinem Zustand. Das 50-mg-Tröpfchen in einer Flasche würde kaum hörbar verpuffen. 6. Ammoniak. 7. Unreines Indol und Methylindol (Skatol). Reines Indol riecht blumig, verdünntes Skatol angenehm.

Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben

8. Amine, Sulfid. Bakterielle Zersetzung der Körperproteine. 9. Kaffee enthält viel mehr Feststoffe, die vom Wasser extrahiert werden, als Tee oder Kakao. Kakao enthält Fett, das in heiße Milch übergeht. Im Tee sind auch stärker polare, nicht methylierte Anteile des Coffeins vorhanden. Geringere Membrangängigkeit und Wirksamkeit. 10. Zucker klebt mit H-Brücken an der Phosphatoberfläche, Bakterien bauen den Zucker zu Säuren ab, deren Protonen verdrängen das Calcium und erzeugen wasserlösliche Phosphorsäure. Wegen der Lamellenstruktur der Zähne werden die Löcher schnell sehr tief. 11. Setzt Ammoniak frei, der in der Hitze mit N-Oxiden elementaren Stickstoff, N2, bildet. Die Säurebildner (saurer Regen) verschwinden aus den Abgasen von Dieselfahrzeugen. 12. Geschmacksverstärker. Sensibilisiert Rezeptoren für Restmengen von Aromen. 13. Neutralisieren Signalsysteme für Erschöpfungszustände. 14. Stört Kinasen schnell wachsender Zellen. Möglicherweise selektiv für Krebszellen.

Kapitel 6

1. Sauerstoffmangel. 2. NO lagert sich an das Häm einer Phosphodiestercyclase an. 3. Man blockiert die Erythropoese, die Bildung neuer Erythrocyten (Lebenszeit: 120 Tage) und damit den Sauerstofftransport. 4. Erythrocyten mit Hämoglobin, Sauerstoff, Kohlendioxid und einer fluiden BLM-Membran; Blutplättchen (Thrombocyten); Neurotransmitter; Immunsystem, mit Prostaglandin, Thromboxin, Leukotrien. 5. Oxytocin, ein Protein. 6. Insulin öffnet Poren in verschiedenen Zellmembranen und ermöglicht so den Transport von Glucose in Zellen, die Glycogen, Fett und anderes aus ihr machen. Man spritzt Insulinlösungen in die Fettzellen unter der Haut schräg ein und richtet die Nadel auf, bevor man sie herauszieht. Das verhindert ein Rückfließen der Lösung aus dem Fett in die Spritze. 7. Keratin. Das quervernetzte Protein ist stark hydratisiert, was Verformungen des Knorpels ohne Zerstörungen begünstigt („reversibles Aufquellen“). 8. Es ist fast immer genug Sauerstoff im Blut, aber das Kohlendioxid wird oft nur langsam entfernt. 9. Auf der Erde zerstört es Lunge, Herz und Gehirn; in der Stratosphäre filtert es die zerstörerische UV-Strahlung der Sonne heraus. 10. Nein. 11. Muskelzittern erzeugt Wärme, die Warmblütler brauchen. 12. Sauerstoffmangel im Gehirn, im Nacken, in den Adern unter der Haut.

313

314

Anhang: Stichworte zur Lösung der Aufgaben

Kapitel 7

1. Aus Vitaminpillen oder Gemüse, insbesondere Mohrrüben (b-Carotin). 2. Dunkelheit schaltet die Hauptaktivität des Gehirns, das Sehen, ab. Inaktives legt sich leicht zur Ruhe. Die Evolution hat berücksichtigt, dass nachts an Land nicht gejagt wird. 3. Das hängt von Ihren Essgewohnheiten ab. Essen Sie zu viel, dann stören die gesättigten Fettsäuren und das Cholesterin des Eigelbs nur. Essen Sie eher zu wenig, dann sind das billige Kalorien und das Cholesterin brauchen Sie, um vernünftig dichte Zellmembranen aufzubauen – sozusagen „für die Nerven“. 4. Die orange Farbe könnte mit der Anmutung „Sonnenlicht und Wärme“ positiv besetzt sein, außerdem kann man mit dem Radikalfänger Reklame machen. Aromen gehen über die Nase, Geschmacksrezeptoren und das Mundgefühl. Das hat fast immer mit Fett oder Alkohol zu tun, kann also verteufelt werden. 5. Salz und Zucker. Beide sehr gut wasserlöslich. Salz ist immer ein Gemisch, Zucker analysenrein. NaCl kristallisiert so gut, weil Na+ und Cl– sehr viel häufiger im Meerwasser vorkommen als andere Verbindungen, Zucker deshalb, weil er viele Wasserstoffbrücken stereoselektiv ausbildet und keine anderen Stereoisomeren stören. 6. Bilirubin und Protoporphyrin (Gelbsucht und Porphyrie). Beide bilden im Licht sehr reaktive angeregte Zustände und reichern sich in den Nervenzellen an. 7. Ihre Stärke ist quervernetzt und schwer verdaulich (Pektin), der Rest ist Wasser. 8. 2,5 ´ 105 Autolängen und 1,25 ´ 107 Retinallängen. Der Strom im Gehirn hat es also 50-mal weiter, aber das Retinal bewegt sich zunächst nur um eine knappe Moleküllänge (cis-trans-Umlagerung) und dann ein paar Nanometer zur Rekonstitution. Der wesentliche Unterschied aber liegt in der Zahl. Um ein Bild zu erzeugen, werden Millionen Retinalmoleküle aktiv, verlassen ihr Rhodopsin und besetzen es neu. Das kommt für jedes Bild einer Entvölkerung von Paris gleich. 9. Nur das blaue Licht dringt in die Tiefe, Rot erscheint als schwarze Schattierung von Blau. Der Scheinwerfer bringt weißes Licht. 10. In der Dunkelheit: Aus Rot wird Schwarz (falls überhaupt noch sichtbar), aus Grün wird Silberhell.

315

Register a Abwasser 43 ff, 46, 288 Acetal 68 f, 230 Acetessigsäure 209 f Aceton 64, 105, 209 ff Adenin 225 Adenosin 227, 229 f Adenosintriphosphat, siehe ATP Adipocyten (Fettkörperchen) 130, 114 Adrenalin 185 f Adstringenzien 184 AGE 77 Aktualismus 6 Alchemie 31 Aldehyd 64 ff Alkan = gesättigter Kohlenwasserstoff 110 Alkanketten Fluidität 110 ff Alken = C = C Kohlenwasserstoff 112, 118 Alkylanzien 237 f Allylradikale 108, 118 ff, 120 f Altern 77, 87 Alveolen 108, 138 Amid Wasserstoffbrücken 194 Amidasen 169, 183, 201 Amide 169 f Aminosäuren, Molekülstrukturen 165 Ammoniak 162 f Ammonium 162 f Anabolika 103 Angina pectoris 286 Anilinschwarz 191 f anti 111 Aralsee 47 Arbeit, geistig und körperlich 285 Arterielles Blut 281 Arzneimittel Bestseller 202 Aspartam 98 Aspirin 180 Atemquotient 131 f

Atmen 285 ff ATP 217 ff, 238 ff, 241 ff. ATP-Glucose 282 ATP Strukturformel 217 Aufrechter Gang und Cholesterin 150 f Auge 296 ff Augenlinse 298

b Babygelbsucht 270 f Bakelit 191 f Barbital 224 Barbitursäure 223 f Baumblatt, Wasserrohrsystem 81, 94 Baumwolle 86 f Benzol Kristallstruktur 176 Benzol Spektrum 174 Benzol 71 ff, 159, 173 ff beta-Carotin 134, 295 f beta-Sitosterol 150 Bibergeil 180 Bilayer lipid membrane, siehe BLM Bilirubin 270 f Biliverdin 269 f Bindungswinkel 169 biologische Zelle 143 Biomaschine 108 Biradikal 15 Bismarck 39 Blasenstein 223, 225 Blausäure 167 BLM 108, 116, 302 Blut-Hirn Schranke 103, 147, 223 Blut, Oxidationspotenzial 76, 279 Blut, arteriell 281 Blutdruck 253 Blutfarbstoff 278 Blutgruppen 103 Blutkreislauf, Glucose 104

316

Register Blutkreislauf 53 Blutversorgung der Organe 145 Blutzucker 104 f Body Mass Index 108, 132 Borsäure 63 Brandblasen 29 Brenztraubensäure (Pyruvat) 76 Butter 125 ff, 128 f

c Calcium Ionen 114, 294, 300 f Calciumphosphat 254 f, 300 cAMP 239, 302 Canthaxanthin 296 Casein 160 f Catechol 182 f, 226 Cellobiose 103 Cellobiose in Yoctobrunnen 140 Cellulose 79 ff, 187 ff Cellulosestruktur 60 f Chemie in der Schule 2 Chemie und direkte Beobachtung 31 ff, 90 f Chemie und französische Revolution 90 chiraler Doppelschichteffekt 73, 198 Chiralität 71 ff Chlor 15 chlorierte Kohlenstoffverbindungen 204 Chlorophyll 260, 274 ff Cholesterin 108, 134, 148 f, 150 Cholesterin Flüssigkristalle 149 Cholesterin Strukturformel 149 f Cholesterin und aufrechter Gang 150 f Cholesterin und Proteinintegration 151 Cholesterin, hohe Werte 151 f Cholesterinhemmer 153 Chromgerbung 200 Chylomikronen 151 cis-trans Isomerisierung 112, 270 f, 292 ff, 300 Cluster 18, 24 ff CNO Fusionszyklus 7f Coffein 225 ff, 253 Collagen 195 f, 81 Contergan 223 f Corilagin 184 Cortison 154 f Cumarine 181 f Cyanid 167, 267 Cyclodextrin 93 Cyclohexan-Cyclopentan 71, 95 f, 148, 229, 234, 237 Cystein 141

Cystin 141, 164 Cytochrom P450 282 f

d Davidstern 31 f Desoxyribonucleinsäure, siehe DNS Desoxyribose 230, 232 ff Deuteron 7, 12 DHEA 154 Diabetes 105, 209 ff Diamant 68 Diasteromer 71 Diätmargarine 122 DNS 231 ff, 234 ff DNS Replikation 236 f DNS, Aufwindung 236 ff Dopamin 185 f, 302 Doppelbindungen 112, 173 Dreifachbindung 178 Druckverfahren 84 ff

e Eicosansäure Strukturformel 123 Eidotter 107 Eigelb 150 Einatmen 285 Eis 26 Eisen 8, 266 ff, 269, 278 f Eisen(III)-gluconat 74 Elaidinsäure Strukturformel 113 Elektronen 9 ff Elemententstehung 7 ff Enamel 254 Enantiomer 71 Energiebarrieren Rotation 110 Energiequellen 36 Enkephalin 203 Enzyme 169, 201 Erdbeben 27, 266 Erdbebenwellen 265 f Erdgas, Erdöl 62 Erdgeschichte 29 ff, 167 Erdkern 265 f Erschöpfung 289 Erythrocyten 120, 122, 123, 288 ff essenzielle Aminosäuren 166 essenzielle Nahrungskomponenten 166 Ester 125 Estradiol 153 f

Register

f

h

Fäkaliengeruch 164, 272 FDG 102 Femtometer 7 Fett Strukturformel (Beispiel) 126 Fettkörperchen, siehe Adipocyten Fettproblem 129 Fettsäuren 109 ff Fieber 25 Firnis 121, 200 Flachs 88 Fluidität Alkanketten 110 Fluoreszenz lebendiger Zellen 273 Fluoreszenz 175 Flüssigkristalle 149 Flussverlauf 39 f Formaldehyd 63 ff, 77 f Friedrich, C. D. 34 f Fructose 98

Haare glätten 117 Haarvolumen vergrößern 117 Halbacetal 60, 69 Häm 253, 274 f, 280 Hämoglobin 281 Händigkeit 71 f Harnsäure 222 f, 225 Harnstoff 221 f Hausstaub 199 Hautpickel 132 Helices 160 Hepararnsulfat 146 Herz 284 Herzinfarkt 52 f, 153 Herzmuskel 250 Herzschlag 284 f High density lipoprotein (HDL) 151 Hindustan 47 Hirnhautentzündung 204 Hitzepickel 29 Hormone Oxytocin-Vasopressin 205 f Howard, L. 32 ff

g Geigensaite 81 Gelber Fluss 47 Gelbsucht 270 Glaskörper Auge 49, 73, 298 f Glivec 256 f Glückshormone 185 Gluconamid Helix 73, 75 Glucose-ATP 282 Glucose-18F PET 102 Glucose Dehydratisierung 178 Glucose im Blut 104 Glucose Oxidationszahlen 75 f Glucose, hydrophobe Kante 139, 171 f Glucose, offenkettig 74 Glucosechiralität 71 f Glucosehelices 72 f Glucosestruktur 59 f, 62 f Glutaminsäure-Arginin Paar 197 Glycämischer Index 105 Glycogenspeicher 88 f Glycolyse 76, 244 Glycoproteine 103 Goethe, J. W. 34 f Gott 168 Graphit 86, 173 Gräser 82 Gravitationskräfte der Erde 265 f Grundwasser 42 ff, 46 Guanin 225 Guanosinmonophosphat 251

i Imidazol 201 Indol 272 Infrarotspektren 15 Insulin 210 ff Insulin-Glucose 255 Insulin Strukturformel 212 Insulinspritzen 133 Interferenzfarben 149 Invertseife 117 Ionenströme 246

k Kaffee 226 ff, 263 Kakao 227 Kalium Ionen 55 f , 109, 111, 218, 245 f Kalium-Natrium ATPase 247 Kaliumpore 248 Kältezittern 29 Kapillarwasser 25, 48 ff Kartoffeln-Fett 131 Kernresonanz 69 ff Kinasehemmer 257 Kinasen 242 Knorpelgel des Knies 147 f Kochsalz 53 Kohle 173 Kohlendioxid 65, 78, 226, 262 f, 274 Kohlendioxid-Sauerstoff Austausch 279

317

318

Register Kohlenmonoxid 66, 78, 263 ff, 281 ff Kohlensäure 65, 263 Kohlenstoff 168 Kohlenstofforbitale 61 f Kompressibilität Wasser 27 ff Konformationen Alkane 110 ff konformere Cyclohexansessel 67 konjugierte Doppelbindungen 173 Körpertemperatur 24 f Körperwasser Volumen 114 Kuhmagen 127 ff Kuhmilch 127

Monoaminooxidase (MAO) 181 Monogamie 205 Monoschicht 115 Morphin 203 Muschel-Stahl Verbindung 197 Muskelbewegung 249 f Muskelfasern 163 Muttermilch 127 Myoglobin 280 f Myos = Fleisch 280 Myosin 249 f

n l Lactame 169 f Ladungstrennung 277 f Laserdruck 84 f Lecithin 107 ff, 134 ff Lecithinmembranen 134 ff Lecithinmonoschichten 135, 138 Lecithinvesikel 137 Ledergerbung 200 f Leinöl 84, 119 ff Lernen, neuronal 243 Lernprotein 214 Leuchtgas 175 ff Lignin 82, 187 ff Linolensäure 118, 120 f Linolsäure 118 Lipidmembran 136 Lungenbläschen 138

NAD+ 273 NADH 273, 282 f Natrium Ionen 53 ff, 109, 111, 218, 245 Natrium selektive Elektrode 245 Natriumporen 246 Nervenexistenz 252 Nervenströme 246 Netz der Nephronen 146 Neuronale Verbindungen 243 Neuronen 163, 305 Neurotransmitter 163 Neutron 7 ff Nicotinamid 273 Niere 146 Nitrat 162 Nitrogen 162 f NMR Spektren 69 ff Noradrenalin 302 Nucleinbasen 217, 231 ff

m Mäander 40, 214 Magensäure 140 ff Magenschleimhaut 140 ff magnetisches Moment 11 Maltose 92 Massenspektren 12 ff Melanin 190 Melatonin 185 f Meningitis 204 Mercerisieren 87 Mesomerie 175 Methan 62 Methanol 63 Micellen 114 Milch – Fetttröpfchen 129, 152 Mitochondrien 282 mobiles Wassermolekül 25, 38 Mohrrübe 296 f Molekülabmessungen 19 ff molekulare Bürste 115

o Oberflächenspannung Wasser 25 ff, 28 Ökosystem eines Feldes 93 Olestra 130 f Oleuropein 182 f Ölgemälde „trocknen“ 121 Olivenöl 118 Ölsäure Strukturformel 118 omega-6 Säuren 122 ff omega-3 Säuren 119, 122 ff Orbitale 22 f Ordnungszahl 7 f, 10 Osmose 56, 137 f Östradiol 153 f Östradiol Strukturformel 154 Oxidation beta-Carotin 296 f Oxidation von Aldehyden 74 Oxidationsmittel 15 f Oxidationspotenzial Magen 141 Oxidationspotenzial, biolog. Zellen 76, 279

Register Oxidationspotenzial, FeII/FeIII 278 ff Oxidationszahl 75 f Oxyhäm 259 ff, 278 ff Oxyhäm Strukturformel 259 Ozon 264 f

Pseudorotation eines Cyclopentans 96 PUFA, siehe polyunsaturated fatty acid Pyrazin 253 Pyridin 163 f Pyrrol 186 f, 260, 269 ff

p

q

Papier 82 ff, 188 ff Paprika 183 Paramagnetismus 15 Penicillin 169 f Peniserektion 251 ff PET, siehe Positronen Emissions Tomographie Pflanzenmaterial 60 Pflanzensteroide 150 Phenol 170 f, 178, 269 Phenolreaktionen 179 Phenylalanin 171 Phloem 94, 188 Phosphat 163, 217 ff, 240 Phosphatasen 242 Phosphatester, cyclische 251 ff Phosphor 218 f Phosphorsäureanhydride 238 ff Phosphorsäurediester 232 Phosporylierung, oxidativ 208 Photosynthese beta-Carotin 296 Photosynthese Chlorophyll 275 f Photosynthese Tyrosin–Mangan 206 Phytochrom 271 f Plaques 96 Polyacetal 79 f Polyamide 160 Polyen 293 polymere Aromaten 160 Polyphenole 186 ff, 193 polyunsaturated fatty acid, PUFA 107 f, 118 ff Positronen 7, 51 f, 102, 301 Positronen Emission Tomographie (PET) 51 f, 102, 301 präbiotische Synthese 78 f Preise von Nahrungsstoffen 166 Lysin 164, 166 Prolin 164 Prostaglandin 123, 167 ff, 181 Protein Raumbedarf 199 Proteine 160, 193 Proteinhelix 194 Proteinintegration und Cholesterin 151 Proton 7 ff, 243, 262 Protoporphyrin 274 f, 278

Quecksilber 268 Quervernetzung 77, 183, 190, 193, 195, 198, 200, 237 f quintenreine Geigensaite 198 f

r Racemat 72 racemische Doppelschichten 73, 198 Radikale 160 Regenwasser 35 f, 41 f Reizschwelle 246 Retina 298 f Retinal 291 ff Retinal Spektren 293 Retinal Strukturformel 291 Rhodopsin 293 ff

s Saharabewässerung 41 Salicylsäure 180 f Salzsäure im Magen 140 ff Sättigungsgefühl 125 f Sauerstoff 7, 14 f, 260 ff, 274 Säure 15, 57 f Schizophrenie 214 Schlafzustand 223 f Schmutzwasser 47 SCHÖPFeN 1, 6 ff, 261 Schwefel 267 f Schwellkörper 252 f schweres Wasser 12 Sehen 292 ff, 295, 298 ff, 301 ff Seife 114 Seifenblase 116 Sepia 190 Serotonin 185 f Sigmasterol 150 Sinn der hohen Zahlen 21 Skatol 272 skin peeling 181 Sonne 8, 36 Sonnenlicht im Wasser 37 f S-S-Brücken 141 Stärke und Jod-Jodidketten 91 f Stärke 89 ff Stearinsäure 113

319

320

Register Sterne 6 ff Steroid 108 Steroidhormone 153 ff Stickstoff 162 f, 261 Stickstoffmonoxid 251, 253, 264, 281 f, 286 Styrol 187 süßer Geschmack 96 ff Synapsen 218, 302 ff

t Tee 226 f Testosteron 154 Thromboxan 123, 147 Tomographie 49 ff, 51 f, 102 Toner 86 Tonerde 17, 42 Toroid DNS 236 trans-Fette 122 Trinkwasser 36, 41 f Tripelhelix 195 f Tryptophan 184 f Tsunami 27 ff Tyrosin 159 ff, 302 Tyrosin-Mangan in der Photosynthese 206 f Tyrosinphosphat 206 ff

Wasser 5 ff Wasserentsalzung 56 f Wasserklärwerke 45 ff Wasserkraftwerke 40 f Wasserkreislauf 16 f, 22 ff., 31 ff., 36 ff, 41 ff, 45 f, 49 ff, 267 Wassermäander 39 f Wassermenge der Erde 37 Wasserpumpen 42 ff Wasserrohrnetz 43 ff Wasserrohrsystem Baumblatt 94 Wasserstoffbrücken 24 ff, 162, 177 f, 222 Wasserstoffperoxid 265 Wasserstruktur 14 Wasserverbrauch 46 Wasserzirkulation 38 f Weinbukett 191 Wertigkeit 162 Wetterschicht 31 Wolken 31 ff Wolle 201

x Xylit 97 Xylophon 81

y u Urin 221, 269 UV-Spektren 174

Yin-Yang 9, 11, 15, 31, 167 f, 201, 220 Yoctobrunnen 139 f, 277

z v Vancomycin 204 Vanillin 93, 182 f Verbrennung 289 f Vesikel 137 Viagra® 253 Vierfarbdruck 84

w Waglule Tyatohre 1 Wasser im Knorpelgel des Knies 147

Zahnschmelz 254 Zellmembran 108 Zellstoff 82 Zucker-Phosphat Wechselwirkung 96 f Zucker (Sucrose, Saccharose) 94 ff Zucker Strukturformel 95 Zucker und Sklavenhandel 99 f Zucker, löcherige Zähne 96 f Zuckerhandel in Europa 100 f Zuckerkrankheit 105, 209 ff Zustandsdiagramm Wasser 25 f