Kinderlezingen

Aan de Universiteit van Amsterdam (UvA) zijn scheikundigen heel erg geïnteresseerd in bloed. Maar waarom eigenlijk? ‘Omdat je door bloed te bekijken kunt leren hoe het lichaam in elkaar zit,’ denkt een jongen. Dat is volgens De Bruin inderdaad een goede reden, maar er is meer. Om de andere redenen te achterhalen, geeft hij eerst een kort lesje scheikunde: ‘Waar is alles van gemaakt?’ ‘Van atomen!’, klinkt het antwoord enthousiast. En dat is helemaal goed: atomen zijn bouwstenen waar je, net als Lego, van alles kunt maken. ‘Met Lego spelen vond ik heel leuk, daarom ben ik scheikundige geworden,’ zegt De Bruin.

De bouwstenen van scheikunde, zijn dus atomen. De Bruin pakt twee ronde bolletjes, dit stellen heel erg vergrote atomen voor. ‘Als ik deze atomen aan elkaar plak, krijg ik het molecuul zuurstof. En als ik een zuurstofatoom neem en ik plak daar nog twee waterstofatomen aan, dan heb ik een watermolecuul.’ Met de atomen als bouwstenen, kan dus echt alles worden gemaakt.

Kata-wat?

Op de universiteit is De Bruin vooral nieuwsgierig naar de katalyse van bloed. Kata-wat? De Bruin pakt een stuk van een automotor en houdt dat omhoog. ‘Dit is een katalysator uit de uitlaat van een auto,’ vertelt hij. ‘Er zitten allemaal kleine schijfjes in, gemaakt van verschillende soorten metaal. Er zit ook heel duur en zeldzaam edelmetaal in. Deze schijfjes zorgen ervoor dat de lucht er schoner uitkomt dan dat het erin ging.’ In een automotor wordt benzine verbrand, waardoor de auto kan rijden. Daarbij wordt ook stikstof verbrand. ‘Dan krijg je het molecuul stikstofoxide (NO), van zuurstof- en stikstofatomen. Stikstofoxide is een heel giftig gas, dat je niet wilt hebben in de auto.’

Bij de verbranding in de motor, komt ook CO2 (koolstofdioxide) vrij: uitlaatgas. ‘Ik heb hier een doos vol bevroren uitlaatgas,’ zegt De Bruin, terwijl hij een piepschuimen doos pakt. Hij doet een paar blokjes uitlaatgas in een kan vol blauw water, dat begint meteen te bubbelen en er ontstaat een dikke, witte mist. ‘De uitlaatgas is heel koud, wel -80 graden Celsius. Het gaat dus meteen koken in het water en daardoor krijg je die bubbels.’ De bubbels van het uitlaatgas zijn te vergelijken met de bubbels in prikwater, vertelt De Bruin. ‘Gas blijft dus niet in water zitten,’ concludeert hij, ‘het bubbelt eruit.’

We gaan weer terug naar de automotor. ‘Bij de verbranding van benzine komt koolstofdioxide en stikstofoxide vrij. De katalysator laat deze stoffen reageren tot onschuldige gassen aan de metalen en daardoor kan het giftige stikstofoxide er niet uit.’ Maar wat heeft een katalysator in een automotor nou te maken met bloedzuigende vampieren? ‘In je lijf zitten ook katalysatoren,’ legt de scheikundige uit. ‘Die heten enzymen. Deze katalysatoren zitten bijvoorbeeld in je speeksel en zorgen ervoor dat je voedsel wordt afgebroken.’

Helpende hand

Een katalysator is een stof die ervoor zorgt dat een reactie sneller wordt en dat een stof kàn reageren, legt De Bruin uit. Een helpende hand. Zo is de rode kleurstof uit bloed, een katalysator. De scheikundige demonstreert dat met een proef. Hij pakt wat rood bloed en waterstofperoxide. ‘Dit maakt je haar blond,’ vertelt De Bruin, terwijl hij een vloeistof omhoog houdt dat eruit ziet als water. ‘Het is ook raketbrandstof. Echt waar. Hier kun je een raket mee naar de maan sturen.’ Hij giet de waterstofperoxide in een glazen buis. ‘Het voelt koud, voel maar,’ zegt hij. Een paar kinderen beamen dat de buis koel aanvoelt. ‘Er is niets mee aan de hand, totdat je de katalysator erbij doet.’ Voorzichtig giet hij wat bloed erbij en… Poef! Wit stoom schiet uit de buis! ‘Woooo!’ klinkt het.

Door de reactie van de peroxide en de kleurstof uit het bloed, ontstaan zuurstof en water. ‘En nu is het heet,’ zegt De Bruin. ‘Je ziet de stoom er vanaf komen, het is kokend heet water geworden.’ Het leuke is dat deze reactie gewoon in de natuur wordt gebruikt. ‘De grote bombardeerkever doet precies hetzelfde,’ vertelt De Bruin enthousiast. Hij laat een filmpje zien van een grote bombardeerkever die wordt beslopen door een spin. ‘In zijn achterlijf heeft hij twee blaasjes, één met waterstofperoxide en één met bloed. Als er gevaar dreigt, perst hij ze samen en hop! Weg spin! Dat noem ik nog eens een knap staaltje chemische oorlogsvoering in de biologie.’

De kleurstof van het bloed in het achterlijf van de kever, is dus een katalysator. ‘Op de UvA maken wij katalysatoren door te kijk hoe het in de natuur werkt.’ Plastic komt uit aardolie en wordt gemaakt met een katalysator, verbrandingsgassen in een motor worden schoner met een katalysator. De Bruin: ‘De metalen die in de katalysatoren zitten, zoals goud, palladium en rhodium, raken op. Door goed te kijken naar bloed willen wij kijken of we de katalyse ook met ijzer kunnen en hebben we het dure goud niet nodig: ijzer hebben we allemaal in ons bloed zitten.’

Hoe werkt een enzym?

Maar hoe werkt dat nou? Hoe werkt een enzym? Om daar antwoord op te kunnen geven, heeft De Bruin alle kinderen nodig. Eén krijgt een helm op met een groene ballon, dat is de katalysator. Twee krijgen een helm met een witte ballon, zij zijn waterstofperoxide en moeten aan de kant staan. De rest van de kinderen zijn eiwit en vormen een kring om de katalysator. Dan lopen de witte helmen hand in hand naar de katalysator. En terwijl de eiwitkring zich eromheen sluit, maakt de katalysator de verbinding tussen de waterstofperoxide-moleculen los. Dit is de reactie zoals die plaatsvindt bij de grote bombardeerkever: de witte helmen lopen apart van elkaar uit de eiwitkring.

‘Zo werkt een enzym ook in je lichaam,’ zegt De Bruin. ‘De vraag is nu: wat is het actieve centrum? Wat zorgt echt voor de reactie?’ Hij wijst naar een grote wirwar aan bolletjes en verbindingen op de grond: het molecuul heme (spreek uit als heem). ‘Middenin het molecuul zit het atoom ijzer, een heel klein stukje. Daaromheen zit een grote pannenkoek van het molecuul heme en daaromheen zit eiwit,’ legt hij uit. ‘Nu hoor ik jullie bijna denken: wat heeft dit te maken met bloed en vampieren? Nou, meer dan je denkt…’

Veelzijdig molecuul

‘Dit molecuul, heme, is wat bloed rood maakt,’ vervolgt De Bruin. Heme bestaat uit de bouwstenen koolstof, stikstof, waterstof, zuurstof en ijzer. Heme is heel interessant voor ons, omdat het in je lichaam heel veel kan. Het kan bijvoorbeeld zuurstof transplanteren, voedsel omzetten in energie, moeilijke reacties mogelijk maken - katalyse - en schadelijke bacteriën doden. ‘Dit molecuul kan zoveel, door het eiwit dat eromheen zit. Daardoor wordt het steeds anders toegepast in ons lichaam.’

Bloed bestaat uit meer dan alleen heme. Als je het in een centrifuge doet, krijg je alle onderdelen los van elkaar te zien: rode bloedcellen, witte bloedcellen en bloedplasma. ‘Rode bloedcellen zijn ook echt rood: heme zorgt voor de rode kleur door het ijzer in het midden,’ vertelt De Bruin. ‘Groene planten hebben iets dat lijkt op heme. De groene kleur komt doordat het ‘heme’ magnesium in het midden heeft, in plaats van ijzer.’

Dat ijzer is trouwens heel waardevol voor je lichaam. Wanneer je je bijvoorbeeld flink hebt gestoten, verschijnt er een blauwe plek. ‘Die paarsblauwe kleur is een afbraakproduct van heme. De cellen zijn kapot gegaan bij de stoot en je lichaam probeert dan het ijzer terug te krijgen: een open molecuul is paars als hij vers is.’

Waarom geen water?

Waarom hebben we eigenlijk bloed en geen water door onze aderen stromen? Na deze vraag blijft het even stil in de zaal. ‘De belangrijkste reden hiervoor is: zuurstof,’ verklapt De Bruin. Dan weet een jongen het: ‘Bloed zorgt ervoor dat er zuurstof in je lijf komt!’ En dat heeft hij goed. Maar waarom gebeurt dat niet gewoon met water? De Bruin: ‘Zuurstof gaat wel in water zitten, maar als je het schudt,’ hij pakt een flesje met prikwater, ‘dan spuit het eruit. En dat wil je niet in je bloed.’ Je wilt dat de zuurstof die je inademt, blijft zitten. ‘Daar heb je wat extra’s voor nodig en dat zit in bloed.’

Zuurstof gaat via je mond, longen en hart naar je spieren. Je hebt het nodig om je spieren te kunnen gebruiken. ‘Het is dus belangrijk dat het blijft zitten in je lijf en daarom zit er heme in je bloed,’ legt de scheikundige uit. ‘In je longen binden zuurstofatomen zich aan de ijzeratomen en dat ijzeratoom zorgt ervoor dat het er niet uit bubbelt.’ Eenmaal aangekomen in de juiste spieren, laat de zuurstof los en kan het gebruikt worden. In de spieren wordt vervolgens koolstofdioxide gemaakt, wat je uitademt. ‘Net als bij een auto.’

Ademen we uitlaatgassen uit? Om dat aan te tonen, roept De Bruin een jongen en een meisje naar voren. Ze krijgen allebei een bekertje met kalkwater. Het is doorzichtig, maar als ze erin blazen met een rietje, wordt het… troebel! Het ziet er net zo uit als het bekertje kalkwater waar De Bruin een klontje uitlaatgas heeft gedaan. ‘Nu hebben we bewezen dat je CO2 uitstoot uit je lichaam.’ Zuurstof wordt dus in je spieren gebruikt, waardoor het koolstofdioxide wordt. Deze ‘uitlaatgassen’ gaan vervolgens via je bloed naar je longen, waar je het uitademt. ‘In je bloed zit het eiwit hemoglobine, waar heme in zit. Dat bindt de koolstofdioxide, waardoor het niet gaat bubbelen in je aderen. Dit zorgt ervoor dat je het kunt uitademen uit je lijf.’

Belangrijk gifgas

Hemoglobine vervoert meer dan alleen zuurstof en koolstofdioxide, het transporteert ook het giftige stikstofoxide. ‘Als je er teveel van binnenkrijgt is dit giftig, maar we maken het ook zelf. Dit molecuul hebben we namelijk juist nodig - in heel lage concentraties,’ vertelt De Bruin. Hoe zit dat dan? ‘Rode bloedcellen zijn erg groot en in je spieren zitten heel veel kleine bloedvaatjes, de haarvaatjes. Rode bloedcellen staan in de file om bij die kleine haarvaatjes te komen. Stikstofoxide maakt de haarvaatjes wijder, waardoor de bloedcellen makkelijker kunnen doorstromen.’ Dus het giftige gas stikstofoxide is heel belangrijk: het regelt de bloeddruk.

‘En stikstofoxide heeft direct te maken met vampieren,’ vertelt De Bruin. Iedereen in de zaal weet wel een paar vampier-dieren: muggen, vleermuizen, bloedzuigers, luizen en teken. Allemaal dieren die bloed drinken. Maar waarom doen ze dat? ‘Misschien omdat ze zelf geen bloed hebben,’ oppert een meisje. En dat heeft ze bijna goed, zegt De Bruin: ‘Ze hebben zelf niet genoeg heme, dat maken ze zelf niet aan. En het is een heel belangrijk molecuul, omdat je er zoveel mee kunt.’

De scheikundige weet een heel bijzondere vampier: de kussende kever. Dit diertje komt voor in Zuid-Amerika en gaat ongemerkt op de wang van een mens zitten. Daar slurpt hij dan in een kwartier tijd een heleboel bloed naar binnen. ‘Heel interessant is dat hij door chemische oorlogsvoering kan blijven drinken, het bloed vormt geen korstje,’ vertelt De Bruin. ‘In zijn speeksel zit heme, met daarin stikstofoxide gebonden aan het ijzeratoom.’ Dat spuugt de kever een klein beetje naar binnen, voor hij begint te drinken. En we weten wat stikstofoxide doet: ‘Het zorgt dat de haarvaatjes wijder worden,’ roept een jongen. ‘Ja! Zo kan hij bloed blijven drinken,’ beaamt De Bruin.

Echt blauw bloed

‘Lust deze vampier ook blauw bloed,’ vraagt de scheikundige dan. ‘Wat is blauw bloed eigenlijk? Heeft koning Willem-Alexander blauw bloed?’ Nee!’ roepen de kinderen, ‘dat is maar een spreekwoord!’ Natuurlijk hebben de kinderen gelijk, alle mensen hebben rood bloed. Maar blauw bloed bestáát wel. ‘Er zijn spinnen met blauw bloed. En bijna alle octopussen en krabben hebben blauw bloed. Lusten vampieren dat?’

De Bruin doet wat wit poeder in een erlenmeyer. ‘In het bloed van die dieren zit geen heme, maar er moet wel zuurstof worden getransporteerd door het lichaam. In plaats van ijzer, zitten er bij deze dieren twee koperatomen in. Het bloed is kleurloos,’ zegt de Bruin, terwijl hij de erlenmeyer laat zien. ‘Maar als er zuurstof aan het koper gaat zitten…’ Hij schenkt er wat water bij. ‘Kleurt het blauw.’ De vloeistof in de erlenmeyer is veranderd in een babyblauwe kleur, doordat de zuurstofatomen zich aan de koperatomen binden. Dat is precies wat in het bloed van octopussen en krabben gebeurt gebeurt. ‘Maar vampieren willen echt heme hebben, dus ze lusten het bloed van een octopus niet.’

In het lab aan de universiteit kunnen onderzoekers zelf heme maken. ‘We doen wat moleculen bij elkaar, verhitten dat en dan is het klaar. Dan hebben we een klein beetje heme. Maar 90 tot 95 procent ervan is troep,’ vertelt de scheikundige. ‘De natuur kan zich dat niet veroorloven: het moet efficiënt.’ Daarom wordt gebruik gemaakt van een katalysator, een helpende hand: een enzym. Om heme te maken, moet er een kring worden gevormd van twee ketens van koolstof, stikstof, waterstof, zuurstof en ijzer. Met behulp van een katalysator vormt zich dan het molecuul uropor III. En hier gebeurt volgens De Bruin iets heel bijzonders: ‘De helpende hand draait ook twee ketens om. En dat is heel belangrijk. Gebeurt dat niet, dan heb je een erfelijke afwijking: de ziekte van Günther.’

Echte vampieren

Bij mensen met de ziekte van Günther werkt de katalysator niet: de twee ketens die samen heme moeten vormen, worden dan niet omgekeerd aan elkaar geplakt. ‘Dan wordt er wel een kring gemaakt, maar niet de goede kring,’ vertelt De Bruin. ‘De ziekte van Günther doet veel nare dingen in je lijf. Het hoopt zich op.’ En daardoor kun je op een bewolkte dag gewoon verbranden. ‘Je kunt letterlijk het daglicht niet verdragen,’ vervolgt de scheikundige. ‘Het hoopt zich ook op in de tanden en ogen: die worden felrood. En je hebt bloedarmoede. Vroeger dronken deze mensen veel bloed om te overleven. Als je dit alles hebt, lijkt het wel veel op een vampier.’

De Bruin laat tot slot zien welke kleur de ogen van mensen met de ziekte van Günther hebben. Hij pakt een fles, doet er een goedje bij en pakt dan nog een stofje. Het licht gaat uit, hij doet de laatste stof in de fles, schudt en… de vloeistof in de fles geeft geel licht! De Bruin gaat door met schudden en dan geeft de vloeistof ineens blauw licht! Maar we willen rood zien. De Bruin doet weer wat chemische stoffen bij elkaar, een beetje groene thee erbij, even schudden en… Rood!’Gelukt! Zo zien de tanden en ogen van een vampier er dus uit,’ stelt De Bruin.

Tegenwoordig kunnen mensen met deze aandoening gelukkig worden geholpen door een beenmergtransplantatie. ‘Maar de legende van de vampiers komt waarschijnlijk door het verkeerd begrijpen van de ziekte van Günther.’