Quiz: Teste dein Chemiewissen!

Die Noanamá- und die Emberá-Indianer im westkolumbianischen Dschungel verwenden Giftpfeile seit Jahrhunderten, möglicherweise seit Jahrtausenden. Die Gifte werden aus den Hautdrüsen verschiedener grell gefärbter Frösche der Gattung Phyllobates (neará und kokoi in der Sprache der Ureinwohner) gewonnen. Ein einziger Frosch enthält genug Gift für bis zu zwanzig Pfeile. Bei der giftigsten Art (Phyllobates terribilis) genügt es, den Pfeil über den Rücken den Frosches zu reiben, um den Pfeil mit ausreichend Gift zu versehen.

Eine nähere Untersuchung dieser Gifte durch Wissenschaftler des National Institute of Health ergab, dass sie auf die zellulären Ionenkanäle wirken und damit von großem Nutzen für die Grundlagenforschung im Hinblick auf den Mechanismus von Ionentransporten sein könnten. Daher wurde eine Feldstation im westlichen Kolumbien errichtet, um die dort relativ häufigen Pfeilgiftfrösche zu sammeln. Aus 5000 Fröschen konnten 11 mg Batrachotoxin und Batrachotoxinin A isoliert werden. Die Namen dieser Substanzen sind von batrachos abgeleitet, dem griechischen Wort für Frosch.

Batrachotoxin und Batrachotoxinin A gehören zu den tödlichsten Giften, die jemals entdeckt wurden.

Man schätzt, dass nur etwa 200 μg Batrachotoxin ausreichen, um beim Menschen einen irreversiblen Herzstillstand hervorzurufen. Die Verbindungen wirken in der Weise, dass sie die spannungsaktivierten Natriumkanäle in Nerven und Muskeln offenhalten, was zu einem starken Einströmen von Natriumionen in die betroffenen Zellen führt.

Die Batrachotoxine sind ein schönes Fallbeispiel dafür, wie es zur Entdeckung neuer Wirkstoffe kommen kann. Erstens erhält man Informationen über bestimmte biologisch aktive Verbindungen und ihre Quellen oft von den Ureinwohnern einer Region. Zweitens sind die tropischen Regenwälder ein Füllhorn von strukturell komplexen, biologisch aktiven Verbindungen. Und drittens ist das gesamte Ökosystem, nicht nur die Pflanzenwelt, eine potentielle Quelle für faszinierende organische Substanzen.

In der Leber entstehen aus Acetyl-CoA, einem Zwischenprodukt im Stoffwechsel der Fettsäuren und einiger Aminosäuren, 3-Oxobutansäure (Acetessigsäure) und ihr Reduktionsprodukt 3-Hydroxybutansäure:

3-Hydroxybutansäure und 3-Oxobutansäure zählt man zu den sogenannten Keto- oder Ketonkörpern.

Die Konzentration der Ketokörper im Blut eines gesunden, normal ernährten Menschen liegt bei etwa 10–5 mol/L. Bei Personen, die an Hunger oder Diabetes mellitus leiden, kann die Konzentration der Ketokörper bis auf das 500-fache dieses Wertes ansteigen. Die Konzentration an Acetessigsäure steigt in solchen Fällen auf ein Niveau, bei dem sie in nennenswertem Ausmaß zu Aceton und Kohlendioxid decarboxyliert wird. Aceton wird vom menschlichen Körper nicht metabolisiert; es wird über die Niere oder die Lunge ausgeschieden und ist für den charakteristischen süßlichen Geruch des Atems von Patienten, die ernsthaft an Diabetes erkrankt sind, verantwortlich.

Jeder Liebhaber hochwertiger Musik weiß, dass die Qualität jeder Musikanlage in hohem Maß von dem verwendeten Lautsprechersystem abhängt. In Lautsprechern wird der Klang durch Bewegungen der Membran hervorgerufen, die dadurch die Luft in Schwingungen versetzt. Die meisten Lautsprechermembranen sind trichterförmig und wurden ursprünglich aus Papier hergestellt. Diese Papiermembranen sind billig, leicht, starr und weisen keine Eigenresonanz auf. Ein Nachteil ist aber ihre Empfindlichkeit gegenüber dem zerstörerischen Einfluss von Wasser oder Feuchtigkeit. Mit der Zeit werden die Papiermembranen daher geschwächt und die Klangtreue geht verloren. Viele heute hergestellte Lautsprechermembranen werden dagegen aus Polypropylen hergestellt, das ebenfalls billig, leicht, starr und ohne Eigenfrequenz ist. Darüber hinaus sind Polypropylenmembranen unempfindlich gegen Wasser und Feuchtigkeit und ihre Klangeigenschaften werden weniger von Hitze oder Kälte beeinflusst. Wegen ihrer Festigkeit reißen sie auch nicht so leicht wie die Papiermembranen. Sie halten länger, können weiter und schneller ausgelenkt werden und eignen sich deshalb besser für die Wiedergabe tiefer Bässe und hoher Diskanttöne.

Unter den Mono- und Disaccharid-Süßstoffen schmeckt D-Fructose am süßesten – sogar noch süßer als Saccharose. Der süße Geschmack von Honig ist zum großen Teil auf D-Fructose und auf D-Glucose zurückzuführen. Lactose hat nahezu keine Süßkraft und wird Nahrungsmitteln manchmal als Füllstoff zugesetzt. Manche Personen vertragen aber keine Lactose und sollten solche Nahrungsmittel daher meiden. In der folgenden Liste ist die Süßkraft verschiedener Kohlenhydrate und künstlicher Süßstoffe relativ zu der von Saccharose aufgeführt:

Ethen (Ethylen) kommt in der Natur nur in Spurenmengen vor. Untersuchungen haben aber gezeigt, dass dieses kleine Molekül ein natürliches Reifungspheromon für Früchte ist. Dank dieser Erkenntnis können Obstbauern die Früchte ernten, solange sie noch grün und damit weniger stoßempfindlich sind. Wenn die Früchte zum Verschiffen fertig verpackt sind, werden sie mit Ethen begast, um ihre weitere Reifung anzuregen. Alternativ können die Früchte auch mit Ethephon (2-Chlorethylphosphonsäure) behandelt werden, einer Verbindung, die Ethen freisetzt und damit ebenfalls die Reifung anregt.
Wenn Sie das nächste Mal reife Bananen im Supermarkt sehen, sollten Sie darüber nachdenken, wann sie gepflückt wurden und ob ihre Reifung wohl künstlich eingeleitet wurde.

1847 entdeckte Ascanio Sobrero (1812–1888), dass 1,2,3-Propantriol – besser bekannt als Glycerin – mit Salpetersäure in Gegenwart von Schwefelsäure eine gelbliche, ölige Flüssigkeit ergibt, die er als Nitroglycerin bezeichnete.
Sobrero entdeckte auch die explosiven Eigenschaften dieser Verbindung: Wird eine kleine Menge dieser Substanz erhitzt, explodiert sie! Schon bald fand Nitroglycerin beim Bau von Kanälen, Tunnels, Straßen und Minen und natürlich auch in der Kriegsführung breite Anwendung als Sprengstoff.
Ein großer Nachteil von Nitroglycerin stelle sich schnell heraus: Es ist kaum sicher handhabbar, da es wegen seiner Stoßempfindlichkeit sehr häufig auch unbeabsichtigt explodiert. Der schwedische Chemiker Alfred Nobel (1833–1896) konnte dieses Problem lösen: Es stellte fest, dass die tonartige, aus fossilen Diatomeen bestehende Substanz Kieselgur in der Lage ist, Nitroglycerin zu absorbieren und dabei soweit zu stabilisieren, dass es ohne Initialzündung nicht mehr explodiert. Die von ihm hergestellte Mischung aus Nitroglycerin, Kieselgur und Natriumcarbonat nannte er Dynamit.
Aus dem Vermögen, das Alfred Nobel (1833–1896) mit der Herstellung von Dynamit verdient hat, werden heute die Nobelpreise finanziert.
Erstaunlicherweise wird Nitroglycerin aber auch in der Medizin zur Behandlung der Angina Pectoris eingesetzt, einer Krankheit, die sich durch einen stechenden Brustschmerz äußert, hervorgerufen durch eine Durchblutungsstörung in den Herzkranzgefäßen. Nitroglycerin, das als Flüssigkeit (als alkoholische Lösung, damit es nicht explosiv ist), in Form von Tabletten oder als Salbe eingesetzt werden kann, entspannt die glatte Muskulatur der Blutgefäße und führt damit zur Aufweitung der Koronararterien. Dadurch wird das Herz wieder besser durchblutet.
Als Nobel an einem Herzleiden erkrankte, rieten ihm seine Ärzte, zur Linderung seiner Brustschmerzen Nitroglycerin zu nehmen. Dies lehnte er ab; er könne nicht einsehen, dass ein Sprengstoff bei Brustschmerzen hilfreich sein könne. Erst mehr als 100 Jahre später fand die Wissenschaft eine Erklärung für diese Wirkung. Heute wissen wir, dass Stickstoffmonoxid (NO), das sich aus den Nitratgruppen des Nitroglycerins bildet, den Schmerz lindert.

Die Blue Ridge Mountains im Osten der USA, der Blue Mountain Peak auf Jamaika und die Blue Mountains in Australien nehmen mit ihren Namen Bezug auf den bläulichen Dunst, der im Sommer oft über den Hügellandschaften liegt. In den 1950er Jahren fand man heraus, dass dieser Dunst reich an Isopren ist und dass Isopren weitaus häufiger in der Atmosphäre vorkommt als vermutet. Der blaue Dunst entsteht durch Lichtstreuung an Aerosolen, die sich bei der Photooxidation von Isopren und anderen Kohlenwasserstoffen bilden. Die globale Emission von Isopren wird auf 3 × 108 Tonnen/Jahr geschätzt und entspricht damit etwa 2 % des gesamten durch Photosynthese fixierten Kohlenstoffs.
Der blaue Dunst über den Great Smoky Mountains im Südosten der USA entsteht durch Lichtstreuung an Aerosolen, die sich bei der Photooxidation von Isopren und anderen Kohlenwasserstoffen bilden.
Eine kürzlich durchgeführte Untersuchung zur Kohlenwasserstoffemission im Bundesstaat Atlanta hat ergeben, dass Pflanzen die mit Abstand größten Emitter von Kohlenwasserstoffen sind, wobei das von Pflanzen emittierte Isopren fast 60 % der Gesamtmenge ausmacht.
Warum emittieren Pflanzen so viel Isopren in die Atmosphäre, anstatt es für die Synthese anderer Naturstoffe zu verwenden? Tom Starkey, ein Pflanzenphysiologe an der Universität Wisconsin, fand heraus, dass die Isoprenemission stark von der Temperatur abhängt. Bei 20 °C emittieren Pflanzen kein Isopren, beginnen aber mit der Emission, sobald die Temperatur ihrer Blätter auf 30 °C steigt. In manchen Pflanzen nimmt die Isoprenemission auf das 10-Fache zu, wenn die Blatttemperatur um 10 °C steigt. Starkey untersuchte den Zusammenhang zwischen den bei hohen Temperaturen auftretenden Schäden an Blättern und der Isoprenkonzentration in den Blättern der Kudzu-Pflanze, einer in Amerika nicht heimischen, invasiven Kletterpflanze. Er stellte fest, dass in Abwesenheit von Isopren schon bei 37.5 °C Verletzungen an den Blättern auftreten (anhand des Chlorophyllabbaus beobachtet), dass es bei Vorhandensein von Isopren aber bis 45 °C keine Verletzungen gibt. Er schloss daraus, dass sich das Isopren in den Blattmembranen löst und auf unbekannte Weise deren Toleranz gegenüber Hitze erhöht. Weil Isopren schnell gebildet und auch schnell wieder abgegeben wird, korreliert seine Konzentration mit dem tageszeitlichen Temperaturverlauf.

Das erste breit angewendete Medikament war Aspirin – das auch heute noch am häufigsten genutzte Schmerzmittel. Weltweit werden etwa 100 Milliarden Aspirin-Tabletten pro Jahr konsumiert! Die Geschichte der Entwicklung dieses modernen Schmerzmittels reicht mehr als 2000 Jahre zurück: schon 400 vor Christus empfahl der griechische Arzt Hippokrates, Weidenrinde zu kauen, um den Geburtsschmerz zu mildern oder Augeninfektionen zu behandeln.

Es zeigte sich, dass der wirksame Bestandteil der Weidenrinde Salicin war – eine Verbindung, in der Salicylalkohol an eine β-D-Glucoseeinheit gebunden ist. Bei der wässrig sauren Hydrolyse von Salicin entsteht Salicylalkohol, der anschließend zu Salicylsäure oxidiert werden kann. Salicylsäure erwies sich im Hinblick auf die Schmerzbekämpfung sowie die fiebersenkende und entzündungshemmende Wirkung als noch wirksamer als Salicin. Darüber hinaus hat sie nicht dessen extrem bitteren Geschmack.

Bedauerlicherweise wurden beim Einsatz von Salicylsäure bald auch ihre gravierenden Nebenwirkungen offensichtlich: Sie führt zu schwerwiegenden Reizungen der Magenschleimhaut.

Auf der Suche nach Derivaten der Salicylsäure mit weniger Nebenwirkungen bei vergleichbarer Wirksamkeit stellten Chemiker der Firma Bayer in Deutschland 1897 Acetylsalicylsäure in reiner Form her und gaben ihr den Namen Aspirin, abgeleitet von der Spirsäure (ein anderer Name für Salicylsäure) und dem Buchstaben A für die Acetylgruppe:

Aspirin erwies sich als deutlich weniger magenschädigend als Salicylsäure und darüber hinaus als wirksamer bei der Bekämpfung von Schmerzen und von entzündlichem Gelenkrheumatismus. Ab 1899 wurde Aspirin bei Bayer großtechnisch produziert.

Auf der Suche nach noch potenteren analgetischen und entzündungshemmenden Wirkstoffen mit weniger Nebenwirkungen untersuchte man in den 1960er Jahren in der Boots Pure Drug Company in England Verbindungen, die Salicylsäure strukturell ähnelten. Dabei wurde eine noch wirksamere Verbindung entdeckt, die den Namen Ibuprofen erhielt. Bald darauf wurden von der Syntex Corporation in den Vereinigten Staaten Naproxen und bei Rhone-Poulenc in Frankreich Ketoprofen entwickelt.

In den 1960er Jahren wurde auch entdeckt, dass die Wirkung von Aspirin auf der Inhibition der Cyclooxygenase (COX) beruht, einem Enzym, das eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung der Arachidonsäure in Prostaglandine spielt. Diese Erkenntnis erklärt auch, warum nur ein Enantiomer von Ibuprofen, Naproxen bzw. Ketoprofen aktiv ist: Nur das S-Enantiomer dieser Verbindungen hat eine Händigkeit, die eine Bindung an die COX erlaubt und damit deren Inhibition ermöglicht.

Die Erkenntnis, dass die Wirkung dieser Medikamente auf die Inhibition der COX zurückzuführen ist, eröffnete völlig neue Wege in der Wirkstoffforschung. Es war nun klar, dass ein besseres Verständnis der Struktur und der Wirkung dieses wichtigen Enzyms neue Ansätze für die Entwicklung noch wirksamerer nichtsteroidaler entzündungshemmender Wirkstoffe zur Behandlung von Gelenkrheumatismus und anderer entzündlicher Erkrankungen liefern würde.