Reduktion, Oxidation, Säuren, Basen und Stress

Oxidation, Reduktion. Säure, Base. Energie, Struktur.

So oxidativ wie möglich, so reduktiv wie nötig

Die Notwendigkeit eines Sündenbocks

In vielen Bereichen der Gesundheitsbranche gilt Oxidation als schädlich und wenn man der wissenschaftlichen Literatur folgt, dann wird zuverlässig eine direkte Verbindung zwischen Oxidation und Alterungsprozessen gezogen. Vor Zuständen einer „Übersäuerung“ wird regelmäßig gewarnt und auf vielen Webseiten wird darauf hingewiesen, dass wir uns doch bitte basisch ernähren sollten. Oxidation und Säuren gehen scheinbar Hand in Hand mit entzündlichen Prozessen, der Zerstörung von Gewebe, Unwohlsein und Krankheit, während Antioxidantien konsequent hoch im Kurs bleiben. Dass es jedoch auf der anderen Seite auch etwas wie einen reduktiven Stress geben kann, wird dabei so gut wie nie erwähnt. Dass oxidative Vorgänge einige wichtige Aufgaben in unserem Körper erfüllen und dass manche Säuren in unserem Körper viel mit Gesundheit zu tun haben, wird ebenfalls so gut wie nie erwähnt. Dass Antioxidantien nach getaner Arbeit Oxidantien sein können, wird so gut wie nie erwähnt. Dass viele gefährliche Zustände von Zellen regelmäßig mit einem basischen Milieu in Zusammenhang stehen, ist vielen Menschen gar nicht bewusst und sogar das Gegenteil wird oft postuliert. Was ist nun also schlecht oder gut für uns? Kann man in der Welt von Säuren und Basen, Oxidation und Reduktion überhaupt einen Sündenbock an die Wand malen?

Wenn Muskeln „übersäuern“

Wenn es um Energie und deren Bereitstellung geht, hat unser Körper als ziemlich smarter Zellhaufen einige Möglichkeiten zur Hand. Unter anderem kann dabei Pyruvat, hergestellt aus unterschiedlichen Nährstoffen wie Glukose oder – falls nötig – Aminosäuren, mitsamt oder ohne Sauerstoff in Energie umgewandelt werden. Sauerstoff spielt dabei eine wichtige Rolle und ohne ihn wären unsere Zellen dazu gezwungen, Lactat statt Kohlenstoffdioxid als primäres Stoffwechselendprodukt zu produzieren. Betreiben wir beispielsweise sportliche Höchstleistungen, steigt dadurch ebenso unser Bedarf an Energie und mit ihm der Aufwand von Zellen, diesem Stressor entsprechend entgegenzutreten. Unter gewöhnlichen Umständen ist eine solche Belastung vom Körper gut zu tolerieren. Reicht die Menge an Sauerstoff nicht aus, kommt es vermehrt zu einer anaeroben (sauerstoffarmen) Energiebereitstellung und Lactat häuft sich an. Lactat ist dabei das, was generell mit der „Übersäuerung“ von Muskeln in Verbindung gebracht wird. Irgendwann kam es dazu, dass Lactat und Milchsäure als Synonym verwendet wurden. Schließlich muss doch bei einer Übersäuerung Lactat eine Säure sein, richtig? Lactat ist in Wirklichkeit der basische Bruder von Milchsäure und Milchsäure wäre in Zellen gar nicht dazu in der Lage, zu existieren. Unsere Zellen übersäuern nicht, sie „überbasen“!

As we will explain, there is no such entity as lactic acid in any living cell or physiological system. Indeed, it is impossible, based on the fundamental laws of physics that underpin the disciplines of organic chemistry, metabolic biochemistry, acid-base chemistry, and physiology, for lactic acid to be produced or present in living systems where cellular and tissue pH is regulated to be between 6.0 and 7.45. Thus Sun et al. (12) repeatedly errored with every mention of the term “lactic acid” within their manuscript, reinforcing the false knowledge of an outdated construct (non-empirically supported concept assumed to be fact). Such content detracted from the quality content for what their article actually focused on: the roles of lactate in metabolic regulation across multiple tissues and regulatory systems. [Studie]

Zum Ende der erwähnten Studie wiesen die Autoren darauf hin, dass die sog. „lactic acidosis“ (Lactat-Übersäuerung) wohl durch entzündliche Begleiterscheinung entstehen würde. Wie kann es aber sein, dass ein basischer Zustand von Zellen dazu führen kann, dass wir erschöpfen? Im Grunde genommen genauso, wie eine zu starke Oxidation bewirkt, dass Zellen sterben können – wir zerstören ihre Funktion. Mit dem einzigen Unterschied, dass Zellen aufgrund ihrer produzierten Metaboliten generell eine höhere Toleranz für einen sauren, als einen basischen Zustand haben [1].Fügen wir Antioxidantien unserem Körper zu, winken sie nicht zum Abschluss und verschwinden neutral im Urin. Werden Antioxidantien oxidiert, können sie im Anschluss selbst oxidierend wirken. Der Prozess aus Oxidation und Reduktion ist bis heute an sich noch nicht ausreichend geklärt, alleine weil wir bis heute Elektronen und Protonen noch nicht wirklich verstanden haben. Wenn jedoch das Abgeben eines Elektrons ein oxidativer Prozess und die Aufnahme eines Elektrons ein reduktiver Prozess ist, kann man sich gut vorstellen, dass solche Mechanismen, abhängig vom Umfeld, reversibel sein und somit zu „unvorhersehbaren“ Effekte führen können.Oxidation und Reduktion sind ein fließender Prozess von Ladungen und deren Verteilungen. Säure, Base, Oxidation und Reduktion haben alle etwas mit dem Geben oder Nehmen von Protonen oder Elektronen zu tun. Oxidiert etwas oder wird etwas reduziert, verändert das die Art und Weise, wie Moleküle mit ihrem Umfeld interagieren und vor allem womit sie interagieren. Solche Prozesse sind abhängig von vielen weiteren Faktoren und schwer in einem kolossalen Organismus wie dem menschlichen Körper von Wissenschaftlern zu kontrollieren. Verschiebt sich dabei das Gleichgewicht einer Zelle von geladenen Teilchen zu stark in die eine oder andere Richtung, kann es zu eingeschränkter Funktionalität, adaptiven Mechanismen, unkontrollierter Proliferation oder der generellen Auflösung von Strukturen, bis hin zum Zelltod kommen. Kohlenstoffdioxid, als „Abfallprodukt“ der Energieproduktion ist dabei ein exzellentes Beispiel eines Regulators.

Entspannend saure „Abfälle“

Die Bezeichnung „Oxidation“ hat ihren Ursprung in einer Untersuchung aus dem 17ten Jahrhundert. Eine flüssige Substanz schien mit dem in der Luft existierenden Sauerstoff zu interagieren und dabei eine Säure zu produzieren. Vermutlich war es ein Forscher namens Priestley, der diesen Vorgang im späteren Verlauf als Oxidation beschrieb und bis heute vielen Biologie-, Chemie- oder Medizinstudenten auf der Welt Kopfzerbrechen bereitet, wenn es darum geht zu verstehen, was nun wo wirklich Elektronen aufnimmt, oder abgibt [2]. Grundsätzlich schien aber Sauerstoff Säuren zu produzieren und Säuren sind bekanntlich das Gegenteil von Basen. Damit wären wir dann bei dem pH-Wert und der Auf- und Abgabe von Protonen, denn als Säuren werden generell Substanzen bezeichnet, die ein Proton abgeben können. Doch die Säure, über die wir in diesem Abschnitt reden, springt ein wenig aus der Reihe. Sie ist eine Säure, ohne irgendetwas mit Protonen am Hut haben zu wollen.

Kohlenstoffdioxid wirkt wie eine Säure, obwohl es keine Protonen abgibt, um diesen Effekt zu erzielen. Seine Eigenschaften bezieht Kohlenstoffdioxid (CO2) durch seine Struktur aus einem Kohlenstoff-Atom und zwei Sauerstoff-Atomen, die durch ihren Aufbau dazu neigen, Elektronen an sich zu binden (siehe: Gilbert Lewis Säure // Gilbert Lewis Acid). Bindet sich CO2 an Proteine, werden dadurch ihre Funktionen verändert bzw. sogar erst ermöglicht, denn CO2 ist als „Abfall“-Produkt der Atmungskette eine grundlegende Substanz mit vielen Eigenschaften, die unser Körper aktiv einbaut [3].

The role of carbon dioxide (CO2) is underestimated in the pathomechanism of neuropsychiatric disorders, though it is an important link between psyche and corpus. The actual spiritual status also influences respiration (we start breathing rarely, frequently, irregularly, etc.) causing pH alteration in the organism; on the other hand the actual cytosolic pH of neurons is one of the main modifiers of Ca2+-conductance, hence breathing directly, quickly, and effectively influences the second messenger system through Ca2+-currents. (Decreasing pCO2 turns pH into alkalic direction, augments psychic arousal, while increasing pCO2 turns pH acidic, diminishes arousal.) One of the most important homeostatic function is to maintain or restore the permanence of H+-concentration, hence the alteration of CO2 level starts cascades of contraregulation. [Studie]

Indem es sich an Wasser bindet (Kohlensäure), transportiert Kohlenstoffdioxid Natrium und Kalzium aus der Zelle, was dazu beiträgt, dass Zellen nach einer Stimulierung (Stress bzw. Energieaufwand) wieder ein Gleichgewicht der vier bekannten Mineralien aufbauen kann: Kalium, Magnesium, Natrium und Kalzium. Dazu wären Sauerstoff oder etwa Lactat niemals in der Lage. Übrigens –  das produzierte CO2 wird im Anschluss unter anderem durch die Atmung wieder aus dem Körper gebracht, während die Mineralien im Körper bestehen bleiben, wodurch das Blut wieder mehr in die basische Richtung verschoben wird. Eine Säure macht hier also unser Blut basisch. CO2 hat noch viele weitere Eigenschaften, doch dafür müsste man noch weiter ausholen und unter anderem sich auf die Arbeiten von Gilbert N. Ling , der Funktion von Kalium in Zellen und die von ihm erstellten Assoziations-Induktions Hypothese beziehen. Das benötigt jedoch weit mehr an Erklärung. Der Name wird an dieser Stelle jedoch vorerst für Neugierige fallen gelassen. Auf Wunsch kann in einem weiteren Artikel darauf genauer eingegangen werden. Das Bild sollte aber schon so zu erkennen sein – Säuren sind nicht immer schlecht, Basen wie Lactat sind nicht immer gut. Was ist aber mit Oxidation und Reduktion?

Reduktion von Struktur und Funktion

Eigentlich ist es ziemlich verzwickt mit dieser Produktion von Energie! Um ATP zu produzieren, müssen Zellen unheimlich viel Radikale produzieren. Superoxid, Hydrogenperoxid und Peroxinitrit sind dabei einige der bekannteren oxidativen Produkte unserer schieren Existenz. Oxidation steht allerdings im festen Zusammenhang mit Alterungsprozessen und Sterblichkeit, wenn man nach der gängigen Meinung gehen möchte. Vielleicht kann man lange leben, indem man konstant antioxidative Mittel schluckt und den Körper konstant irgendwie „reduziert“? Schließlich ist Reduktion doch das Gegenteil von Oxidation und muss aus diesem Grund doch schlichtweg gesund und gut sein, oder? Auch wenn diese Formulierung recht rhetorisch klingen mag, entspricht sie doch gerne mal einigen gängigen Sichtweisen zu einer gesunden Lebensführung.

Cystein ist einigen Lesern möglicherweise bekannt für seine Funktion als Grundbaustein zur Produktion von Glutathion und seiner Aufgabe zur Bildung von sogenannten Disulfid-Brückenbindungen von Proteinen. Dabei binden sich zwei Cystein durch biochemische Prozesse mitsamt Oxidation (heh…) aneinander und geben so unterschiedlichen Eiweißkonstrukten wie Enzymen in unserem Körper ihre spezifische Struktur und damit ihre Funktion. Gebilde aus Aminosäuren sind sehr pingelig, wenn es um ihren räumlichen Aufbau geht. Eine leichte Veränderung und schon wird ein Enzym inaktiv, oder ein Rezeptor von Zellen kann seine Aufgabe nicht mehr erfüllen [4]. Dementsprechend kann man sich also vorstellen, wie wichtig Cystein auf der einen Seite sein mag, vor allem da Glutathion für viele als eines der mächtigsten körpereigenen Antioxidantien gilt. Antioxidantien sind durchaus für unseren Körper wichtig, um oxidative Prozesse im Körper steuern und regulieren zu können. Was passiert aber, wenn wir dem  Körper große Mengen an Cystein geben, um ihm dabei zu helfen, auf sich selbst Acht zu geben? Erstaunlicherweise löst er sich auf, statt mehr Struktur zu bauen [5,6]. Was ist hier aber los? Cystein hat in höheren Dosierungen reduzierende Eigenschaften und Disulfid-Brücken bestehen aus jeweils zwei oxidierten Cystin-Bausteinen, die durch das „Zu Viel“ an Cysteine reduziert werden können. Was also in normaler Dosierung seine positiven Eigenschaften besitzen kann, zerstört Strukturen durch seine reduktiven Eigenschaften.

In vitro analysis demonstrated that cysteine reduces ferric iron with exceptional speed. This action permits free iron to redox cycle rapidly in the presence of H2O2, thereby augmenting the rate at which hydroxyl radicals are formed. During routine growth, cells maintain small cysteine pools, and cysteine is not a major contributor to DNA damage. Thus, the homeostatic control of cysteine levels is important in conferring resistance to oxidants. More generally, this study provides a new example of a situation in which the vulnerability of cells to oxidative DNA damage is strongly affected by their physiological state.

Die zweite zitierte Studie ging ebenso darauf ein, dass Eisen durch hohe Mengen an Cystein im Körper stark reduziert werden kann, was die Gefahr zu erhöhen schien, Zell-DNA zu schädigen. Gehen wir aber weiter und sehen uns ein altes Zitat zu Krebs an.

Vermessene Messungen: Welchen pH-Wert hat Krebs?

„Keine Krankheit kann in einem basischen Milieu existieren. Nicht einmal Krebs.“ So in etwa wird Otto Warburg zitiert, bekannt für seine Forschungen an Krebszellen und ihrem Stoffwechsel (Warburg-Effekt). Wurden Elektroden an Krebszellen angesetzt, konnte reproduzierbar nachgewiesen werden, dass sie ziemlich sauer waren. Doch waren diese Messungen genau? Für Medikamente und therapeutische Interventionen, aber auch in Bezug auf die generelle Sichtweise zu Krankheiten und deren Behandlung sind solche Aussagen schließlich von hoher Bedeutung.

The development of pH electrodes small enough to be inserted into living tissues led to the apparent confirmation of the prevailing wisdom. Numerous studies (reviewed by WikeHooley et al., 1984 and Vaupel et al., 1989; see also Figure lb) showed significantly more acidic pH (pHpoT) in tumours than that in normal tissues. Microelectrodes that can be used on solid tumours in vivo are usually quite large in comparison to a tumour cell (see Wike-Hooley et al., 1984, Table II), and they mainly measure the pH of the extracellular fluid (pHe) rather than pHi (Vaupel et al., 1989). For most purposes, the parameter of interest is pH1, the pH of the water in the cancer cell itself, but it was generally expected (and then tacitly assumed) that pHi would also be acidic. [Studie]

Da die damals verwendeten Elektroden und Messgeräte zu grob waren, um exakte Messungen durchzuführen, wurde geschätzt. Da der extrazelluläre pH-Wert sauer war, musste wohl auch der intrazelluläre pH-Wert sauer sein und viele medizinisch/therapeutische Ansätze – vermutlich noch heute – basieren auf der Idee, dass Krebszellen im Inneren sauer waren. Schließlich war ja bekannt, dass sie große Mengen an Milchsäure produzierten…ich meine Lactat – das ist doch das Gleiche, oder…? Oh Moment.

Nur um das für einen Moment in das richtige Rampenlicht zu rücken. Solche groben Schätzungen und Vermutungen und damit verbundene Fehler können einen gewaltigen Einfluss haben! Eine einzige falsche Annahme über den ph-Wert und darauf aufbauende Dogmen (Milchsäure/Lactat // Krebszellen sind sauer usw.) und Standards können nicht nur gewaltigen Schaden anrichten, sondern eine Vielzahl an weiteren therapeutischen Maßnahmen blockieren. Da ein ph-Wert vergleichbar ist mit Polaritäten (wenige oder viele Protonen), kann vermutet werden, dass Säure und Base sich gegenseitig anziehen. Eine saure extrazelluläre Flüssigkeit kann daher durchaus intrazellulär anders sein und dadurch beispielsweise einen Gradienten aufrecht erhalten.

It should not, in fact, be surprising that tumour cells maintain their pHi near neutrality. Tumours may remain alive for periods of months or even years so it is obvious that in the long run their cells must export H+ at the same rate as they synthesise it – otherwise they would dissolve. […] The relationship between tumour intracellular and extracellular pH is therefore opposite to the conventional wisdom. Instead of tumour cells being acidic they are neutral, or slightly alkaline. It is the pH of the extracellular fluid, as determined by microelectrodes that is acidic. Thus, if one designs a drug with a low pK, intending it to partition preferentially into acidic tumour cells, it is more likely to partition preferentially into the tumour extracellular fluid, where it will probably be useless, unless it interacts with the cell membrane. […]There is a more important general point. For the past half century, one of the few things we thought we knew about tumour metabolism was the opposite of the truth. Now that the correct state of affairs is evident we may be able to target the real abnormalities (enhanced H+ extrusion and lactate retention) rather than the illusory acidic tumour cell. [Studie]

Der Kontext:

In der Überschrift waren neben Oxidation, Reduktion, Base und Säure auch die Wörter Energie und Struktur zu finden. Was hat es damit auf sich? Je mehr man sich mit zellulären Abläufen beschäftigt, desto mehr kann es dazu kommen, dass man beginnt, abstrakter über Energie, Struktur und Lebendigkeit zu denken. Sich von vielen allgemeinen Gedanken und konventionellen Abläufen distanzieren zu wollen, sollte nach diesem Artikel nachvollziehbarer sein. Während auf der einen Seite oxidative Vorgänge ein wenig vergleichbar sein könnten mit der Produktion von Energie, könnte Reduktion vergleichbar sein mit der Bildung von Struktur. Zu viel Oxidation oder Energie sorgt für Zerstörung bzw. Chaos, sollte die notwendige Struktur nicht vorhanden sein. Auf der anderen Seite macht ein Übermaß an Struktur ein System rigide und ein Mangel an Energie kann zu einer Auflösung von Komplexität führen. So oxidativ wie möglich und reduktiv wie nötig also? Wer weiß? Mehr als genug Beispiele für einen solchen Vergleich und Bezug kann man durchaus in der Biochemie finden, während natürlich das gesamte Konstrukt weitaus weitläufiger ist und noch weitere Komponenten wie Adaption oder Resilienz mit sich führen kann. Doch zumindest wäre es ein gedanklicher Verständnis-Anker und Analogismus für viele zelluläre Zustände und kann einem dabei helfen, Vorgänge im Körper leichter zu verstehen. Betrachtet man den Körper als ein „fraktales tensegrity Modell“, ermöglicht das einem eine große Auswahl an Perspektiven für ein besseres Verständnis. Wissenschaften wie die Biochemie, Biophysik etc. sollten in ihrem Kern sehr einfache Muster enthalten, aus denen sich weitere Komplexität bilden, aber auch herleiten lassen sollte. Die Frage stellt sich damit, was die grundlegenden Muster sind und ob wir diese nicht gerne mal durch unsere hoch-selektive Spezialisierung in der Forschung aus den Augen verlieren.

Moritz von der Borch

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Referenzen:

1 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2224984/

2 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14713111

3 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482456/

4 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1379655/

5 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1252171/?page=1

6 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC150142/

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