Wissenschaft

Hier finden Sie nun einen kurzen Erklärung, wie die Wirkungsweise des molekularen Wasserstoffs erklärt wird – eigentlich alles sehr einfach und logisch.

Wasserstoff wirkt auf zwei Arten: Einmal neutralisiert er wie ein Antioxidant den oxidativen Stress bwz. die freien Sauerstoffradikale, zum anderen ist er als „Brennstoff der Zelle“ unentbehrlich für die Energieerzeugung in den Mitochondrien der Zellen.

Wasserstoff

Ein Wasserstoffgas-Molekül H2 ist ebenfalls reaktiv

Ein Wasserstoffgas-Molekül H2 ist ebenfalls reaktiv

Wasserstoff ist das einfachste Element auf unserem Planeten. Ein Wasserstoff-Atom (H) besteht nur aus einem positiv geladenen Proton im Kern und einem negativ geladenen Elektron. Um die Elektronenschale mit zwei Elektronen aufzufüllen, verbinden sich zwei Wasserstoff-Atome zu einem Wasserstoffgas-Molekül H2. Diese Verbindung ist stabil und kann nur durch die hohe Energiezufuhr von 435 kJ pro Mol getrennt werden. Trotzdem werden die beiden Kerne durch die gemeinsame Elektronenschale aneinander angenähert und stoßen sich ab, so dass auch Wasserstoffgas sehr reaktiv sein kann wenn diese Energieschwelle übersschritten wird. (Ein Wasserstoffgas-Molekül H2 zu einem Helium-Atom zu verschmelzen, das zwei Protonen und zwei Elektronen besitzt, ist der Traum der Energie-Branche, da diese Verschmelzung sehr viel Bindungsenergie freisetzt). Da Wasserstoff so klein ist und fast keine physikalische Masse besitzt, durchdringt er fast alle Stoffe und verteilt sich auch schnell, z.B. in einem Organismus. Zusammen mit dem Sauerstoff ist er Bestandteil von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen. Wasserstoff löst sich sowohl in Wasser als auch in Öl und kann deshalb auch in Körperzellen eindringen, deren äußere Schicht aus Lipiden (Fett) besteht und die Innen mit Wasser gefüllt sind. Wasserstoff dringt so natürlich auch durch die Blut-Hirn-Schranke, die größere Moleküle zurückweist, und kann so auch im Gehirn Oxidation ausgleichen und freie Radikale neutralisieren.

Gasförmiger Wasserstoff kann sich bei 20° C zu 1,7 mg pro Liter in Wasser lösen (Sauerstoff: 45 mg), dabei ist zu bedenken dass ein Liter Wasserstoffgas nur 0,09 kg wiegt und ein Molekül Wasserstoff nur 3,2 x 10-21 mg, so dass diese geringe Menge etwa 5 x 1021 = 5 Trilliarden (5.000.000.000.000.000.000.000) Wasserstoffmolekülen pro Liter Wasser entspricht.

Wasserstoff als Energielieferant

Die Energieerzeugung in den Zellen funktioniert in etwa so wie bei einem Hybrid-Auto:

Die Energieerzeugung in den Mitochondrien in den Zellen geschieht durch Wasserstoff

Die Energieerzeugung in den Mitochondrien in den Zellen geschieht durch Wasserstoff

Es wird Brennstoff benötigt (Kohlenhydrate und Fette), die in den Mitochondrien in ihre Bestandteile zerlegt werden, um den darin enthaltenen Wasserstoff nutzen zu können. Dieser wird im sog. „Zitronensäurezyklus“ extrahiert und an NAD+-Moleküle angelagert, die zu NADH-Molekülen werden und so den Wasserstoff chemisch speichern können. Dieser Wasserstoff reagiert dann in mehreren Schritten mit Sauerstoff – ähnlich wie in einer Brennstoffzelle – und es werden Elektronen = Energie erzeugt, die dann von den ATP-Molekülen aufgenommen, gespeichert  und transportiert werden können.

Es gibt verschiedenen Präparate, die als Nahrungsergänzungsmittel angeboten werden – z.B. NADH – und deren Ziel es ist die Wasserstoff-Verfügbarkeit im Körper und insbesondere in den Zellen bzw. den Mitochondrien zu erhöhen. Wenn Wasserstoff als reines Gas aufgenommen werden kann, ist es in kürzester Zeit in der Zelle und in den Mitochondrien zur Energieprodution verfügbar – ein Energieschub, der von vielen Menschen schon genutzt wird um ihre körperliche und geistige Leistungsfähigkeit und Ausdauer zu erhöhen. Insbesondere im Leistungssport können hier überzeugende Verbesserungen beobachtet werden.

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Wasserstoff als Antioxidant

Oxidativer Stress

Ursachen und Auswirkungen von oxidativem Stress

Ursachen und Auswirkungen von oxidativem Stress

Als eine der Hauptursachen von „Zivilisations“Erkrankungen wird in vielen ganzheitlichen Sichtweisen auf den Menschen der sog. „Oxidative Stress“ angesehen. Er entstehe, wenn zu viel „Oxidation“ auf den Menschen einwirkt.

Oxidation ist physikalisch nichts anderes als der der Entzug von Elektronen bzw. Energie. Der Stoff, dem die Elektronen „weggenommen“ werden, wird oxidert. Das Gegenteil der Oxidation ist die sog. „Reduktion“. Der Stoff dem Elektronen zugefügt werden, wird reduziert. Oxidation und Reduktion laufen meist parallel ab, deshalb spricht man auch von Reduktions-Oxidations-Reaktionen oder kurz Redox-Reaktionen. Redox-Reaktionen sind die Grundlagen des Lebens.

Oxidation findet sich in der Natur z.B. beim Rosten von Eisen oder beim Ranzig-werden von Öl; aber auch das menschliche Immunsystem bedient sich der Oxidation um schädliche Bakterien oder Viren zu vernichten. Wenn einem Stoff (also z.B. dem Eisen oder dem Öl bzw. den Bakterien oder Viren) Elektronen (= Energie) entzogen werden, verändert sich dieser dementsprechend, er rostet oder wird ranzig, Bakterien oder Viren sterben ab. Eine Verbrennung ist die extremste Form der Oxidation, hier werden alle organischen Stoffe oxidiert und die in ihnen enthaltene Energie wird freigesetzt.

Die ganzheitlich orientierte Sichtweise auf den Menschen geht davon aus, dass alle schädlichen nicht-natürlichen Faktoren – vom tägliche Stress über falsche Atmung, niedrig dosierten Giften aus Pestiziden, Herbiziden, Medikamentenrückständen etc., Spurenelemente- und Vitaminmangel bis zu Elektrosmog und Bewegungsmangel – Fehlreaktionen hervorrufen die zu oxidativem Stress führen und die sog. „freie Radikale“ entstehen lassen, und dass dieser oxidative Stress zumindest verstärkend wirkt bei den verschiedenen Beschwerden und Erkrankungen, die unter dem Oberbegriff „Zivilisationserkrankungen“ zusammengefasst werden.

Freie Radikale

Wasser H2O (oben) ist wenig reaktiv, Sauerstoffgas O2 (unten) ist dagegen eine reaktionsfreudige Verbindung

Wasser H2O (oben) ist wenig reaktiv, Sauerstoffgas O2 (unten) ist dagegen eine reaktionsfreudige Verbindung

Um zu verstehen, wie die sog. „freien Radikale“ entstehen, sind einige Kenntnisse der Gesetze der Chemie erforderlich. Jedes chemische Element besteht aus einer bestimmten Anzahl an „positiv“ geladenen Atomen im Kern und eine entsprechenden Anzahl an „negativ“ geladenen Elektronen, die den Kern in verschiedenen Entfernungen, den sog. „Schalen“, umkreisen. Die innerste Schale ist mit zwei Elektronen, die zweite Schale mit 8 Elektronen vollständig gefüllt. Fehlen Elektronen um die Elektronenschale aufzufüllen, „reagiert“ das Element bzw. Molekül mit anderen Elementen oder Molekülen und versucht, die Elektronenschale aufzufüllen, so dass in der ersten Schale 2 und in der zweiten Schale 8 Elektronen vorhanden sind.

Eine vollständige zweite Schale entsteht z.B. wenn sich ein Sauerstoff (8 Protonen und 2+6 Elektronen) mit zwei Atomen Wasserstoff (je ein Proton und Elektron) verbindet, zusammen haben sie 8 Protonen und Elektronen und eine gemeinsame, mit 8 Elektronen gefüllte Elektronenschale, die „stabil“ ist, d.h. ihr Bestreben, mit anderen Elementen spontan zu reagieren, ist gering.

Das Sauerstoffmolekül O2 ist dagegen eine wenig stabile Verbindung, denn hier gibt es jeweils zwei „Verbindungselektronen“, die nicht in der gemeinsamen äußeren Schale erscheinen, sich aber gegenseitig abstoßen und jeweils nach „Partnern“ außerhalb des Moleküls suchen. Mit etwas Übung lässt sich also schon aus der Strukturformel eines Moleküls herauslesen, ob und wie „aggressiv“ es sich verhält. Dieses Prinzip bleibt auch bei größeren Atomen und komplexeren Molekülen gültig, nur ist es dann natürlich nicht so einfach darzustellen.

Weiterhin treten die Elektronen in der äußeren Schale immer paarweise auf, jedes Elektron benötigt sein „Gegenstück“. Wenn dieses Gegenstück fehlt, entsteht ein starker „Sog“ der versucht, aus den Stoffen der Umgebung ein passendes Elektron herauszureissen um damit die Schale zu vervollständigen.

Unter „freien Radikalen“ versteht man Moleküle, die in ihrer äußeren Schale ein „ungepaartes“ Elektron besitzen, also ein Elektron dem das „Gegenstück“ fehlt, und die deshalb eine sehr hohe Reaktivität besitzen um ein zusätzliches Elektron an sich zu reissen. Ein freies Radikal muss also weder positiv noch negativ geladen sein, es gibt auch nach außen hin neutrale freie Radikale. In der herkömmlichen einfachen Schreibweise, in der chemische Formeln dargestellt werden, lassen sich die ungepaarten Elektronen schlecht darstellen. Um sie zu kennzeichnen wird deshalb oft ein zusätzliche Punkt () verwendet, der das ungepaarte Elektron anzeigen soll.

Freie Radikale sind aber nicht per se „schlecht“ und müssen deshalb differenziert betrachtet und nach ihrer „Radikalität“ bzw. Aggressivität beurteilt werden, d.h. mit welcher Energie sie anderen Stoffen ein Elektron entreißen können.

Eingebettet in große Moleküle sind Freie Radikale Bestandteil von Leukozyten, Makrophagen und anderen „Akteuren“ des Immunsystems, werden gezielt gegen eingedrungene Bakterien und Viren eingesetzt und sind damit überlebenswichtig.

Sauerstoff-Radikale: Das Hydroxyl-Radikal und das Superoxid-Radikal haben je ein ungepaartes Elektron, Wasserstoffperoxid hat 2 ungepaarte Elektronen. Das Superoxid-Radikal hat eine negative Ladung und kann auch reduzierend wirken.

Sauerstoffradikale: Das Hydroxylradikal und das Superoxidradikal haben je ein ungepaartes Elektron, Wasserstoffperoxid hat 2 ungepaarte Elektronen. Das Superoxidradikal hat eine negative Ladung und kann auch reduzierend wirken.

Als aggressive Einzelmoleküle können sie aber unkontrolliert Schaden anrichten, indem sie anderen Molekülen im Körper Elektronen entziehen und sie dadurch schädigen.

Seit 1956 gibt es die „Theorie der freien Radikale“, die in den freien Radikalen die Ursache des Alterns sieht und bis heute nicht widerlegt wurde, sie ist die Grundlage der Theorie des mitochondrialen Alterns, die besagt dass die Mitochondrien, die Kraftwerke in unseren Zellen, an Leistungsfähigkeit verlieren, dass deshalb die Alterserscheinungen auftreten und dass die maximale Lebensdauer eines Menschen von der Leistungsfähigkeit der Mitochondrien bestimmt wird.

Wichtig sind in der Biologie des Menschen vor allem zwei Arten von freien Radialen: Die Sauerstoffradikale, an denen Sauerstoffatome oder -moleküle die aggressive Rolle spielen, und die Stickstoffoxidradikale, bei denen auch Stickstoffatome  beteiligt sind.

Die aggressiven freien Sauerstoffradikale werden als „reaktive Sauerstoffradikale“ (ROS = reactiv oxygen species) zusammengefasst. Das aggressivste und häufigste freie Sauerstoffradikal ist das Hydroxylradikal OH. Es entsteht als „Abfall“ der Energiegewinnung in den Körperzellen, z.B. auch durch falsche Atmung. In der auch als „Zitratzyklus“ bekannte Reaktion werden Kohlenhydrate (Hauptbestandteile: Kohlenstoff und Wasserstoff) zur Energiegewinnung „verbrannt“, also mit Sauerstoff „oxidiert“. Der Kohlenstoff wird als Kohlensäure-Gas durch die Atmung ausgeschieden, der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff zu Wasser. Dabei wird auch Wärme (Bindungswärme, Enthalpie) frei. Bei dieser Reaktion muss sich ein Sauerstoffatom (O) mit zwei Wasserstoffatomen (H) verbinden, damit ein neutrales Wassermolekül entsteht. Da diese Reaktion aber nicht mit Sauerstoffgas und Wasserstoffgas oder unter Laborbedingungen stattfindet, sondern in einer komplexen Umgebung, in der Sauerstoff und Wasserstoff in gelöster Form vorliegen oder an anderen Molekülen angegliedert sind, verläuft sie in öfters fehlerhaft.

Die Wissenschaft spricht von einer „Fehlerquote“ von 2%.

Die vollständige Reaktion von Sauerstoff und zwei Wasserstoffatomen zu Wasser mit 8 äußeren Elektronen (oben) bzw die Bildung eines Hydroxyl-Radikals mit nur 7 äußeren Elektronen (unten)

Die vollständige Reaktion von Sauerstoff und zwei Wasserstoffatomen zu Wasser mit 8 äußeren Elektronen (oben) bzw die Bildung eines Hydroxylradikals mit nur 7 äußeren Elektronen (unten)

Ein Sauerstoff verbindet sich dann nur mit einem Wasserstoff und es entsteht das Hydroxylradikal, dem in der äußeren Schale ein Elektron fehlt und das mit hoher Aggressivität versucht dieses zu „ersetzen“.

Ein gesunder Organismus hat zum „Handling“ dieser Hydroxylradikale und anderer aggressiver Radikale wirksame Abwehr- und Reparaturmechanismen in Form von Enzymen, Hormonen etc. aufgebaut, die bei moderater, natürlicher Belastung diese Aufgabe auch gut erfüllen können. Ist ein Organismus aber geschwächt, leidet unter Mangel an lebenswichtigen Stoffen, die z.B. für die Bildung von Enzymen und Hormonen benötigt werden, oder ist die Belastung dauerhaft übernatürlich hoch, können diese aggressiven freien Radikale nicht mehr wirksam neutralisiert werden, so dass unkontrollierte Oxidationsprozesse im Körper stattfinden die diesen dauerhaft schädigen können.

Die reaktiven Stickstoffoxidradikale (reactive Nitrogen Oxide Spezies, RNOS) sind durch ihre Affinität zu Proteinen gefährlich, die ja auch viele Stickstoffatome beinhalten, und können so insbesondere die DNA schädigen. Das häufigste und schädlichste Stickstoffoxidradikal entsteht aus dem Peroxynitrit-Anion (ONOO), das sich aus einer Kombination von Stickstoffmonoxid (NO) und Superoxidradikalen (O2•-) bildet. Beide entstehen kontinuierlich bei verschiedenen Stoffwechselprozessen und werden durch eine große Anzahl von Schutzmechanismen, z.B. durch Glutathion, Ascorbinsäure, Tocopherol etc. im Schach gehalten. Nur wenn diese nicht ausreichend vorhanden sind, entstehen neben Hydroxylradikalen auch Peroxynitrit-Anionen. Das Peroxynitrit-Anion reagiert mit der im Körper überall vorhandenen Kohlensäure zu einem Stickstoffdioxidradikal NO2, das in Wasser gelöst Salpetersäure ergibt und hochgiftig ist, sowie Kohlenstoff-Trioxid CO3, das ebenfals ein starkes Radikal ist, da es ein freies Sauerstoffradikal abspaltet.

Während Hydroxylradikale sehr aggressiv sind und schnell reagieren, ist insbesondere das aus dem Peroxynitrit-Anion entstehende Stickstoffdioxidradikal selektiver und greift gezielt stickstoffhaltige Strukturen wie Enzyme, DNA, Mitochondrien und Membranen an und zerstört sie.

Das Peroxynitrit-Anion reagiert zu hochgefährlichen Stickstoffradikalen

Das Peroxynitrit-Anion reagiert zu hochgefährlichen Stickstoffradikalen

Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass viele moderne Studien zeigen dass eine hochdosierte und langandauernde unspezifische Zufuhr einzelner Antioxidantien als Nahrungsergänzungsmittel – also Stoffen, die einen Elektronenüberschuss besitzen, wie z.B. Vitamin C – nicht zu einer Verminderung der Aktivität von Hydroxyl- oder Stickstoffoxidradikalen führt, sondern eher eine systemische Verschlechterung des Gesamtorganismus und höhere Erkrankungsraten hervorrufen.

 Antioxidative Wirkung

Wie schon dargestellt, streben reaktive Moleküle danach, ihre äußere Elektronenhülle (auf in der zweiten Elektronenschale 8 Elektronen) zu vervollständigen. Gleichzeitig sind sie stabil und reaktionsträge, wenn sie nach außen hin weder eine positive noch eine negative Ladung besitzen, wenn also die Anzahl der Protonen und die Anzahl der Elektronen im Molekül ausgeglichen ist.

Für den reaktiven Sauerstoff sind also zwei Wasserstoffatome der ideale Partner um dieses Ziel zu erreichen. Die meisten Sauerstoffradikale können also dadurch neutralisiert und in Wassermoleküle umgewandelt werden, wenn genügend molekularer Wasserstoff zur Verfügung steht. Insbesondere das Hydroxylradikal, das die häufigste Form der reaktiven Sauerstoffradikale in biologischen Organismen darstellt, kann so sehr einfach neutralisiert werden ohne dass „Nebenprodukte“ übrig bleiben.

Ein Hydroxyl-Radikal wird durch ein Wasserstoff-Atom zu einem Wassermolekül

Ein Hydroxylradikal wird durch ein Wasserstoff-Atom zu einem Wassermolekül

Die Neutralisierung des Peroxynitrit-Anions ist etwas „aufwändiger“ und noch nicht so genau erforscht, aussagekräftige Studien zeigen aber, dass Peroxynitrit-Anionen bzw. die aus ihnen entstehenden Stickstoffdioxidradikale durch das Vorhandensein von molekularem Wasserstoff neutralisiert bzw. in ungefährliche Stoffe umgewandelt werden. Eine theoretische Möglichkeit, wie Peroxynitrit-Anionen mit Hilfe von molekularem Wasserstoff zu einem Stickstoffmonoxid sowie einem basischen Hydroxyl-Anion und einem Wassermolekül abgebaut werden können, zeigt die nebenstehende Zeichnung.

Wie die Studien und die theoretischen Überlegungen zeigen, neutralisiert molekularer Wasserstoff ausschließlich Hydroxylradikale sowie Peroxynitrit-Anionen und dessen Abbauprodukte, und nicht – wie z.B. erhöhte Gaben von Vitaminen – die für die Immunabwehr des Körpers in den Immunstoffen des Körpers enthaltenen Oxidationsmoleküle. Außerdem stärkt er die wichtigen körpereigenen Radikalfänger wie Superoxid-Dismutase, Glutathion und Catalase.

Wasserstoff ist dabei absolut unschädlich, es sind bis jetzt keinerlei Nebenwirkungen oder unerwünschte Wirkungen aufgetreten.
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Hypothese: So könnte der Abbau des Peroxynitrit-Anions mit Hilfe von molekularem Wasserstoff ablaufen

Hypothese: So könnte der Abbau des Peroxynitrit-Anions mit Hilfe von molekularem Wasserstoff ablaufen

Wie weitere Studien vermuten lassen, verbessert molekularer Wasserstoff auch die Signalübertragung im Körper – doch hier herrscht noch weiterer Forschungsbedarf.

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