Sauerstoff – Lebensspender und Lebensvernichter

«Der Mensch lebt von Luft und Liebe», sagt ein bekanntes Sprichwort. Man kann viele Wochen ohne Essen leben, auch einige Tage ohne Wasser überstehen. Aber ohne Luft stirbt man in ein paar Minuten, weil die Körperzellen Sauerstoff – ein Gas in der Luft – brauchen, um Nahrung in Energie umzuwandeln. An einem Tag atmet ein Mensch durchschnittlich 24000-mal. In 70 Jahren sind das etwa 600 Millionen Atemzüge. Wir brauchen den Sauerstoff also zum Leben, aber zu viel ist ungesund, ja sogar tödlich. Wenn man zu lange reinen Sauerstoff einatmet (fünfmal mehr als in der normalen Atemluft), können sich die Lungen mit Flüssigkeit füllen und es droht der Erstickungstod.

Geschichtliches
Das Element Sauerstoff wurde im Jahre 1771/1772 vom schwedischen Chemiker Carl Wilhelm Scheele erstmals durch Erhitzen von Braunstein mit konzentrierter Schwefelsäure hergestellt. Da das entstandene Gas den Verbrennungsprozess förderte, nannte es Scheele zuerst «Feuerluft». Völlig unabhängig davon entdeckte der englische Chemiker Joseph Priestley, dass sich beim Erhitzen von Quecksilberoxid ein Gas bildete, das er «dephlogistisierte Luft» nannte. Priestley berichtete brieflich Antoine Lavoisier von seiner Entdeckung, welcher dann in entscheidenden Versuchen zeigen konnte, dass Sauerstoff von zentraler Bedeutung bei Verbrennungsprozessen ist. Lavoisier nannte das Element «Oxygène» (lateinisch oxygenium = Säurebildner), da er irrtümlich angenommen hatte, dass Sauerstoff Bestandteil aller Säuren sei.

Abb. 1: Aus "Sandoz-Bulletin"

Vorkommen
Nach Wasserstoff und Helium ist Sauerstoff das dritthäufigste Element in unserem Universum. Bezogen auf die Erde steht es nach Eisen an zweiter Stelle (Abb. 1). Sauerstoff ist in zahlreichen Mineralien und Gesteinstypen enthalten, und in der Atmosphäre rangiert Sauerstoff hinter Stickstoff mit 21 Volumenprozenten an zweiter Stelle.
Ebenso wie Steine, Wasser und Luft besteht der menschliche Körper aus chemischen Elementen. Die wichtigsten, die sich in unserem Körper befinden, sind Sauerstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Sie kommen in fast allen Körperteilen vor, Kalzium und Phosphor zudem vor allem in den Knochen und Zähnen. Im Körper eines 70 kg schweren Erwachsenen befinden sich ca. 43 kg Sauerstoff.

Abb. 2: Flüssiger Sauerstoff. Charakteristisch ist seine hellblaue Farbe.

Eigenschaften
Sauerstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Bei Temperaturen von –183 °C wird es zu einer hellblauen Flüssigkeit (Abb. 2) und bei –218 °C erstarrt es zu bläulichen Kristallen. Die bekannteste Form elementaren Sauerstoffs ist der zweiatomige Sauerstoff (O2). Daneben ist eine zweite Form bekannt, die ein Molekül aus drei Sauerstoffatomen bildet und als Ozon (O3) bekannt ist.

Sauerstoff – Lebensspender
Mit Hilfe von Sauerstoff verbrennt der Körper die Nahrungsbestandteile wie Fett, Kohlenhydrate und Eiweiss zu Kohlendioxid und Wasser. Dadurch erhält der Organismus die lebensnotwendige Energie, um den Stoffwechsel in Gang zu halten.
Von herausragender Bedeutung ist die Versorgung des Gehirns mit Sauerstoff. Gemessen an seinem Gewicht, nimmt das Gehirn einen unverhältnismässig hohen Anteil, nämlich 20% des gesamten Sauerstoffverbrauchs für den Stoffwechsel der Nervenzellen in Anspruch. Den höchsten Bedarf hat dabei die Grosshirnrinde. Eine Unterbrechung des Sauerstofftransportes, also der Blutzirkulation (z.B. durch Herzstillstand oder Strangulation des Halses), löst bereits nach 8 bis 12 Sekunden eine Bewusstlosigkeit aus. Nach weiteren 8 bis 12 Minuten ist das Gehirn bereits irreversibel geschädigt, d.h. der Schaden ist nicht mehr gutzumachen und der Mensch wird, wenn überhaupt, nur noch mit einer schweren geistigen Behinderung überleben können.

Abb. 3: Ausschnitt aus einer Gefässwand. Fettstreifen mit Pfeil markiert.
Abb. 4: Fortschreitende Verengung des Gefässinnendurchmessers durch atherosklerotische Ablagerungen in der Arterienwand.

Sauerstoff – Lebensvernichter
In unserem Stoffwechsel werden die Nahrungsbestandteile mit Hilfe von Sauerstoff verbrannt. Dabei entstehen aber nicht nur Kohlendioxid und Wasser, sondern auch hochreaktive Teilchen, sogenannte reaktive Sauerstoffspezies, z.B. Sauerstoffradikale. Auch durch Einflüsse von aussen, wie Umweltgifte, Smog oder Zigarettenrauchen, entstehen diese hochreaktiven Moleküle. Sauerstoffradikale unterstützen den Körper bei der Abwehr von Bakterien, Pilzen und Viren. Sie helfen aber auch bei der Inaktivierung von schädlichen Substanzen, wie z.B. Schwermetallen, Ozon und ultravioletten Strahlen der Sonne. Sauerstoffradikale sind aber auch eine Gefahr für unseren Körper. Durch erhöhte Umweltbelastungen oder durch Erkrankungen kommt es zu einer Überproduktion dieser aggressiven Teilchen, und die körpereigenen Schutzmechanismen geraten aus dem Gleichgewicht. Die Sauerstoffradikale werden nicht mehr abgebaut und entfalten nun ihre schädigende Wirkung, d.h. der Körper ist ununterbrochen einem «oxidativen Stress» ausgeliefert. Die Sauerstoffradikale greifen in ihrer Reaktionswut Körperzellen an und schädigen sie. Mit Vorliebe greifen sie Fette (z.B. das die Arteriosklerose mitverursachende LDL-Cholesterin) an. Diese werden so verändert, dass sie von Abwehrzellen, den sog. Makrophagen, erkannt und gefressen werden. Dabei verändern sich diese Fresszellen zu Schaumzellen, die sich in den Wänden von Blutgefässen ablagern und Fettstreifen bilden (Abb. 3). Diese Fetteinlagerungen reizen die Gefässwand, es kommt zu Zellwucherungen und einer entzündlichen Reaktion. Dies ist der Beginn der Arterienverkalkung (Arteriosklerose oder Atherosklerose, Abb. 4) mit Bildung von Cholesterinplaques. Solche Plaques können schliesslich das Blutgefäss verschliessen, und wenn sich dieser Vorgang in den Herzkranzgefässen abspielt, kann sich ein akuter Herzinfarkt entwickeln.

Zuviel des Guten ist ungesund
Beim Menschen vermutet man, dass übermässige Kalorienzufuhr eine vermehrte Produktion von Sauerstoffradikalen bedingt, was den Alterungsprozess beschleunigt. Umgekehrt kann man bei Ratten oder Mäusen nachweisen, dass sie 35% länger leben, wenn man ihnen nur 60% ihrer üblichen Kalorien anbietet. Fasten kann also die Lebensspanne verlängern, indem die verminderte Nahrungs- und Kalorienzufuhr zu einer Abnahme des Sauerstoffverbrauchs und damit zu einer reduzierten Entstehung von Sauerstoffradikalen führt. Tatsächlich haben Wissenschafter herausgefunden, dass Fliegen ca. 40% länger leben, wenn man experimentell die Radikalproduktion in den Zellen senkt.
Sauerstoffradikale werden auch mit der Entstehung des Diabetes mellitus Typ 2 in Verbindung gebracht. Der Zusammenhang zwischen Adipositas und Zunahme des Diabetes mellitus Typ 2 ist bestens bekannt. Wissenschafter konnten nun in einem Tierexperiment nachweisen, dass die chronische Schädigung durch freie Radikale für den Verlust von Insulin produzierenden Betazellen der Bauchspeicheldrüse verantwortlich ist. Da zuviel Nahrungsaufnahme und jeder Blutzuckeranstieg bei einer diabetischen Stoffwechsellage zu einem weiteren Anstieg von reaktiven Sauerstoffspezies in den Zellen führt, wird dadurch der Betazellenuntergang beschleunigt und Typ-2-Diabetiker werden schneller insulinpflichtig.

Antioxidanzien
Die Natur hat über die Jahrhunderte ausgeklügelte Schutzsysteme entwickelt, die es dem Menschen ermöglichen, trotz der permanenten Bildung aggressiver Sauerstoffradikale lange zu überleben. Diese als Antioxidanzien bezeichneten Retter der Menschheit schützen die Zellen und Organe, indem sie überschüssige freie Radikale abfangen, also antioxidativ wirksam sind. Die wichtigsten Antioxidanzien sind die Vitamine E, C und das Betakarotin, Spurenelemente wie Selen, Zink und Kupfer sowie eine Vielzahl für das Herz besonders wertvolle sekundäre Pflanzenstoffe, wie z.B. Phenole, die in zahlreichen Gemüsesorten, Nüssen, Olivenöl, schwarzer Schokolade oder auch in Rotwein enthalten sind.

Mit Vitaminen gegen oxidativen Stress – ein Werbefeldzug
Ein gutes Marketing verpackt Mut, Ehrgeiz und Erfolg in einen einzigen Vitaminriegel. Am Samstagvormittag, wenn viele Kinder am Fernseher sitzen, ist die Werbung gespickt mit «coolen» Snacks oder Bonbons, die gesunde Vitamine enthalten. Naschen ist salonfähig geworden, denn die Kids bekommen so ihre täglichen Vitamine.
Wenn wir die vielen positiven Eigenschaften, speziell hier die antioxidative Wirkung der Vitamine sehen, wundert es nicht, dass man diese auch vermarkten will. Allerdings muss hier klar gesagt werden, dass es die «Vitamin-Wunderpille» nicht gibt. Über Vitamine gibt es sehr viele Studien. Diese wurden ganz unterschiedlich durchgeführt, was zu kontroversen Ergebnissen geführt hat. Um zu wissen, ob eine Vitaminsupplementierung zusätzlich zur normalen Ernährung etwas bringt, muss man eine kontrollierte, vorausschauende Studie durchführen. Dazu braucht man zwei Gruppen von Leuten, die bezüglich Lebenswandel oder behandelten Krankheiten praktisch identisch sind. Stellen Sie sich vor, Ihre Stadt wird zufällig in zwei Hälften geteilt. Die eine Hälfte erhält täglich zum normalen Essen eine Vitamintablette, die andere Hälfte ein Placebo. Das Placebo sieht gleich aus und schmeckt genau gleich wie die echte Tablette, hat aber keine Vitamine drin. Niemand weiss allerdings, was er bekommen hat. Erst am Ende der Studie wird der Code gebrochen und man sieht, ob in der Vitamingruppe weniger Leute an Herzinfarkt oder Krebs gestorben sind. Dies sind die aussagekräftigsten Studien und solche wurden effektiv durchgeführt. Hier ein Beispiel.
Von 20536 Leuten erhielt die Hälfte täglich 600 mg Vitamin E, 250 mg Vitamin C und 20 mg Betakarotin, die andere Hälfte erhielt das Placebo. In der ersten Gruppe konnte man erhöhte Konzentrationen dieser drei Vitamine im Blut nachweisen. Die Probanden haben also ihre Vitamintabletten tatsächlich eingenommen. Enttäuschend für alle: Die Vitamine zeigten überhaupt keine Wirkung, d.h. in beiden Gruppen starben genau gleich viele Leute an Herzinfarkt oder an Krebs.
Demgegenüber führt eine mediterrane Ernährung reich an Früchten, Salaten und Gemüse zu einer markanten Senkung der Gesamtsterblichkeit, der Herzinfarkt- und Krebssterblichkeit, wenn man diese mit einer typischen westlichen Ernährungsweise vergleicht. Die mediterrane Ernährung versorgt den Körper z.B. reichlich mit schützenden antioxidativen Substanzen. Es ist also besser, auf eine gesunde, ausgewogene Ernährung zu achten, als auf eine Vitaminpille zu vertrauen.
Die mediterrane Ernährung ist durchaus auch für den Diabetiker geeignet. Er muss allerdings darauf achten, nicht zu viel zu essen. So kann man den oxidativen Stress vermindern, was sich für die Erhaltung der Betazellen der Bauchspeicheldrüse positiv auswirken dürfte. Ich will hier auch nicht unerwähnt lassen, dass viele übergewichtige Typ-2-Diabetiker ihre Zuckerkrankheit verlieren, wenn sie es schaffen, ihr Körpergewicht zu reduzieren.

Was können Sie aus dem Gesagten lernen?
Wir Menschen sind von innen und aussen ohne Unterbruch dem oxidativen Stress ausgesetzt. Antioxidative Schutzsysteme sind für uns überlebenswichtig. Obwohl viele Vitamine antioxidativ wirksam sind, kann eine generelle Vitaminsupplementierung nicht empfohlen werden. Eine mediterrane Ernährung garantiert den erforderlichen Bedarf an Vitaminen und Spurenelementen, so dass von einer zusätzlichen Vitamintablette keine weiteren gesundheitlichen Vorteile erwartet werden können. Vitaminsupplemente sind speziellen Umständen vorbehalten, wie Schwangerschaft und Stillzeit, einseitige Ernährung, Vitamin-D-Mangel bei älteren Leuten, vor allem im Winter, und Alkoholüberkonsum. Halten Sie sich an den Rat der Grossmutter: Iss jeden Tag deine Früchte und Gemüse!

Dr. med. Reinhard Imoberdorf Co-Chefarzt
Medizinische Klinik
Kantonsspital Winterthur

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