25.11.2021 - Max-Planck-Institut für Chemie

Körpereigene Abwehr bereits bei geringen Feinstaubkonzentrationen überlastet

Feinstaub überlagert den Abbau von Wasserstoffperoxid, was zu gesundheitlichen Auswirkungen durch oxidativen Stress führen kann

Forschende des Max-Planck-Instituts für Chemie (MPIC) haben zusammen mit Kollegen der University of California in Irvine die chemischen Reaktionen simuliert, die beim Einatmen von Feinstaub, Ozon und Stickstoffdioxid auftreten. Diese drei Luftschadstoffe werden am stärksten mit Krankheiten in Verbindung gebracht und sind die Hauptbestandteile der städtischen Luftverschmutzung. Das internationale Team stellte mit Hilfe von Computermodellen die chemischen Prozesse in der Epithelflüssigkeit nach, einer dünnen wässrigen Schicht, die unsere Lungen schützt.

„Bei Schadstoffbelastungen können die Abwehrmechanismen in unserem Körper überfordert sein, sodass Hydroxyl-Radikale entstehen, die zu oxidativem Stress führen. Für unsere Studie haben wir diese Prozesse in der Lunge nachgestellt“, erklärt Thomas Berkemeier, Leiter der Gruppe „Chemische Kinetik und Reaktionsmechanismen" am MPIC. „Wir haben herausgefunden, dass selbst geringe Feinstaubkonzentrationen dazu führen können, dass die körpereigene Abwehr umgangen wird.“ Für solch lungengängigen Feinstaub, dessen Partikel kleiner als 2,5 Mikrometer sind, fanden sich im Modell laut Berkemeier deutliche Effekte schon bei vergleichsweise geringen Schadstoffbelastungen, wie man sie auch außerhalb belasteter Innenstädte finden kann. Für den Mainzer Forscher sind die aktuellen Empfehlungen der WHO folgerichtig. Die Organisation hatte Ende September den Leitwert für Feinstaub der Größe PM2,5 von zehn Mikrogramm pro Kubikmeter Luft auf fünf gesenkt.

Körpereigene Abwehr bereits bei geringen Feinstaubkonzentrationen überlastet

In der kürzlich veröffentlichten Studie rückt das Molekül Wasserstoffperoxid (H2O2), das auch als Bleichmittel bekannt ist, in das Zentrum des chemischen Mechanismus. Es entsteht unter anderem in der Lunge und reichert sich dort in kleinen Mengen an. Atmen wir nur saubere Luft ein, verwandeln Enzyme den Großteil des Wasserstoffperoxids in harmlose Moleküle wie Wasser. Schadstoffe treten jedoch mit den Enzymen in Konkurrenz und verwandeln das Wasserstoffperoxid in hoch reaktive Hydroxyl-Radikale. Diese schädigen Biomoleküle wie Proteine und Lipide in der Lunge, was oxidativen Stress verursacht. Die Ursache liegt darin, dass Feinstaub – je nach Ursprung – Kupfer- und Eisenionen enthalten kann, die die Umwandlung von Wasserstoffperoxid in Hydroxyl-Radikale begünstigen. Chemiker sprechen von der Fenton-Reaktion.

„Da sie so reaktiv sind, können Hydroxyl-Radikale nicht wirksam durch Antioxidantien abgefangen werden. Der einzige Schutz gegen diese Radikale besteht darin, ihre Bildung in unserem Körper zu verhindern", sagt Steven Lelieveld, Mitglied der Forschungsgruppe und Erstautor der Studie. „Und das gelingt nur, wenn unsere Atemluft möglichst sauber ist.“

„Die Studie ist ein bedeutender Schritt für unser Verständnis der gesundheitlichen Auswirkungen von Luftverschmutzung. Mit dem neuen Modell können wir die Wirkungen und Wechselwirkungen verschiedener Luftschadstoffe quantitativ bewerten", fasst Ulrich Pöschl, Leiter der Abteilung Multiphasenchemie des Mainzer Instituts, zusammen. „Luftverschmutzung ist immer noch eine der häufigsten Todesursachen weltweit. Wir werden die neu gewonnenen Erkenntnisse mit epidemiologischen Daten verknüpfen, um Empfehlungen für effiziente Strategien zur Luftreinhaltung geben zu können."

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Feinstaub
  • Ozon
  • Stickstoffdioxid
  • Luftschadstoffe
  • Luftverschmutzung
  • Lunge
  • Wasserstoffperoxid
Mehr über MPI für Chemie
Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Ferngesteuert: Wie Gifte von Keimen gefährlich werden

    Das Bakterium P. aeruginosa verursacht die häufigste Sekundärinfektion bei Krankenhauspatienten mit Grippe, COVID-19 oder Mukoviszidose und ist resistent gegen Antibiotika. Ein anderer bakterieller Krankheitserreger, Vibrio vulnificus, kommt in rohen Meeresfrüchten und Brackwasser vor und k ... mehr

    Zusammen effizienter

    Mechanisch gekoppelte Enzyme zeigen eine Steigerung ihrer katalytischen Effizienz - das ist das Ergebnis einer Studie der Gruppe von Ramin Golestanian und Jaime Agudo-Canalejo vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass Enzyme von der ... mehr

    Stammzellen würfeln nicht (nur)

    Aus einer befruchteten Eizelle entsteht in nur wenigen Wochen ein komplett neuer Organismus. Das eigentliche Wunder dabei ist, dass aus einem kleinen Haufen vollkommen identischer Stammzellen ganz unterschiedliche, spezialisierte Zelltypen werden. Das Team um Christian Schröter, Gruppenleit ... mehr

  • Videos

    Epigenetics - packaging artists in the cell

    Methyl attachments to histone proteins determine the degree of packing of the DNA molecule. They thereby determine whether a gene can be read or not. In this way, environment can influence the traits of an organism over generations. mehr

    Biomaterials - patent solutions from nature

    Animals and plants can produce amazing materials such as spider webs, wood or bone using only a few raw materials available. How do they achieve this? And what can engineers learn from them? mehr

    Chaperone - Faltungshelfer in der Zelle

    In der Zelle geht es manchmal zu wie beim Brezelbacken: Damit ein Protein richtig funktionieren kann muss seine Aminosäurekette in die richtige Form gebracht werden. Franz-Ulrich Hartl erforscht, wie die sogenannten Chaperone als Faltungshelfer der Proteine wirken. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr

Mehr über UC Irvine