De hoge concentratie zuurstof in onze dampkring is ontstaan door het leven zelf. In de loop van de evolutie ontstonden levensvormen die zonne-energie benutten via fotosynthese – één van de beste methoden om energie op te slaan.
Als bijprodukt van de fotosynthese ontstond zuurstof, en alle levensvormen die zich niet zo snel konden verdedigen tegen dit gifgas gingen dood. Maar organismen die het ‘gifgas’ zuurstof afscheidden, moesten er zelf wel tegen bestand zijn. Uiteindelijk leidde dat tot zuurstofafhankelijke organismen zoals wijzelf.
De kleur van chemie
Dit artikel is afkomstig uit het hoofdstuk ‘Zuurstof’ uit de VU-uitgave ‘De kleur van chemie’, een bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren.
Dood door zuurstof
Zuurstof is dus een levensgas, maar tegelijkertijd is het gevaarlijk vanwege de tomeloze energie waarmee het reageert. Biochemici verbazen zich er over hoeveel geraffineerde trucs het leven moet toepassen om de schade door zuurstof binnen de perken te houden.
Iemand die veel weet over de gedragingen – en misdragingen – van zuurstof in ons lichaam, is professor Aalt Bast. We hebben hem gevraagd wat nu eigenlijk het gevaar van zuurstof is. Leven we dankzij zuurstof, zoals we bij biologie hebben geleerd, of leven we ondanks zuurstof?
“Allebei. We leven dankzij de energie die verbranding met zuurstof oplevert, maar we komen er steeds meer achter dat de relatief langzame verbranding bij 37 °C voor het leven een erg gevaarlijk proces kan zijn. Zuurstof reageert ook op allerlei plaatsen in ons lichaam waar dat niet de bedoeling is."
“Dit soort reacties merken we overigens ook in de dagelijkse praktijk om ons heen: boter wordt ranzig, lakverf hardt na het verven uit en rubber wordt bros. De moleculen van de genoemde stoffen bestaan uit lange koolstofketens met dubbele bindingen erin. Celwanden bestaan uit net zulke moleculen, en moeten dan ook voortdurend gerepareerd worden om te voorkomen dat ze uitharden en bros worden.”
“Nog veel ernstiger is de schade aan het erfelijk materiaal, het DNA. Dit materiaal, dat als de centrale computer alle werkzaamheden in de cel bestuurt, wordt onophoudelijk door zuurstof beschadigd. Dat weten we onder andere doordat vervangen onderdelen uit beschadigde DNA-moleculen terug zijn te vinden in urine. Je kunt dan uitrekenen dat het DNA van elke cel in het lichaam ongeveer elke minuut een keer defect raakt. Koortsachtig zijn reparatie-enzymen bezig, om tussen het normale bedrijf van het DNA door, de beschadigingen op te sporen en te herstellen.”
“Het is haast onvoorstelbaar dat dit bijna altijd weer lukt. Ik zeg bijna, want niet alle fouten worden gevonden. Het is een soort vechten tegen de bierkaai en in de loop van de jaren gaat de celreparatie steeds moeizamer. Cellen, processen en zelfs organen vallen uit, en na 80, 100 jaar is het lichaam letterlijk opgebrand. Als er geen ernstige ziekte tussenkomt, overlijdt iemand dan gewoon van ouderdom. Maar je zou ook kunnen zeggen: door chronische, langdurige, zuurstofvergiftiging.”
Reactieve radicalen
Professor Bast doet veel onderzoek naar de manier waarop het lichaam zich tegen zuurstof beschermt. Daarvoor moet precies bekend zijn hoe de schade door zuurstof ontstaat.
Bast legt uit dat zuurstof in het lichaam stapsgewijs wordt omgezet in water. Daarbij is de eerste stap al direct een erg gevaarlijke. Er wordt een zuurstofradicaal gevormd, een zuurstofmolecuul met één extra elektron. Dat is een zeldzaam en bijzonder reactief deeltje. Normaal komen elektronen namelijk alleen in stabiele paren voor.
Het zuurstofradicaal kan DNA en andere belangrijke moleculen beschadigen. Gelukkig beschikt het lichaam over een aantal stoffen die deze zuurstofradicalen onschadelijk kunnen maken, zoals vitamine C en vitamine E.
Maar het lichaam profiteert ook van de gevaren van radicale zuurstofdeeltjes. Fagocyten (een bepaald type witte bloedlichaampjes) sporen bacteriën en andere ongewenste indringers op. Vervolgens maken ze zuurstofradicalen en bestoken daar de celwand mee. Het gevolg is dat de celwand stuk ‘brandt’ en de bacterie doodgaat.
De fagocyten beschikken dus over gevaarlijke wapens. Maar deze kunnen -zoals alle wapens – gemakkelijk op een verkeerde manier gebruikt worden. Soms maken de fagocyten een fatale vergissing. Bijvoorbeeld bij de bestrijding van asbestvezeltjes. Deze vezeltjes zijn eigenlijk ongevaarlijk voor het lichaam. De fagocyten proberen deze deeltjes desondanks op te ruimen met zuurstofradicalen, maar dat helpt niet: asbestvezels zijn daar ongevoelig voor.
De onophoudelijke, grote hoeveelheid radicalen maakt de kans op schade aan cellen in die omgeving veel groter dan elders. Na jaren kan bij sommige cellen uiteindelijk het delingsmechanisme in de war raken. Zo kan een kankergezwel ontstaan. Waarschijnlijk zullen in de toekomst nog wel meer ‘onschuldige’ stoffen worden gevonden die kankerverwekkend zijn omdat de fagocyten ze niet als onschuldig herkennen.
Onderzoek naar andere ontsporingen van fagocyten staat erg in de belangstelling. Bij sommige ernstige ziekten (zoals na een hartinfarct) en bij zware operaties of vergiftigingen kunnen de fagocyten ernstig in de war raken. Ze bestoken dan ook het eigen lichaamsweefsel met zuurstofradicalen. Inmiddels zijn er geneesmiddelen die de schadelijke effecten van de zuurstofradicalen in dit soort situaties kunnen voorkomen.
Zuurstofradicalen zelf zijn vrijwel niet aan te tonen, maar als er veel radicalen zijn, kan ook waterstofperoxide gevormd worden. In sommige ernstige situaties bevat het bloed zoveel waterstofperoxide, dat het zelfs in de uitgeademde lucht is te meten. Dit is dan een teken dat het wankele evenwicht tussen zuurstof als energieleverancier en zuurstof als krachtig afweersysteem op een levensgevaarlijke manier is verstoord.
Vrije Universiteit Amsterdam
Het boek ‘De kleur van chemie’ werd in 2007 uitgegeven door de Faculteit der Exacte Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam (Afdeling Scheikunde en Farmaceutische Wetenschappen). Het is een geactualiseerde bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren. Ze belichten de rol van de scheikunde op tal van gebieden.