Alt er kjemi - men kjemi er ikke alt by Universitetsforlaget

o n a t

ioner

asp

Vi tenker neppe på det hele tiden, men alt er faktisk kjemi. Vi mennesker og alt omkring oss er satt sammen av atomer, og da er det kjemi. Men er kjemi alt? Livet byr på mange verdier som ikke nødvendigvis og alltid må sees i et kjemisk perspektiv. Derfor kan du i denne boken også finne filosofiske betraktninger om den verden vi er del av. Denne boken er basert på en samling av svært populære artikler som, med få unntak, har vært pub lisert i tidsskriftet Kjemi i perioden fra 1998 og frem til 2010. De populærvitenskapelige artiklene gir frodig og fargerik historisk bakgrunnsinformasjon, og gir samtidig en grundig og dypt faglig beskrivelse av de ulike kjemiske forbindelsenes oppbygging og funksjon. De 35 kjemiske stoffene og temaene som beskrives i boken er delt inn i fire kategorier: – Om ting vi putter i oss – Om ting som omgir oss – Fantastisk kjemi – Fra kjemiens historie

irin

diok

syge

Alt er kjemi, men kjemi er ikke alt er en glimrende kilde til oppdatering av basiskunnskap hos den jevne kjemiker, og til å gi nyttig bakgrunnsstoff for kjemilærere i under visningen i ungdomsskolen og den videregående skolen. Boken er også spennende lesning for alle nysgjerrige mennesker som vil lære mer om den kjemiske siden av den verden vi lever i. Samlingen av artiklene i bokform er en del av markeringen av Kjemiåret 2011.

is bn 978-82-15-01882-9

omslag av blæst, s. hole

etanol e ri t e termometeret ghb m m y s l spei n nikoti litium kjær prioner e sin ligh k lo m r k a e v r t ro f esv orm era n i b tr o l h e m o g lo l a d e ol n a o t k me marihu sjo ana en g o itr vann n i d n pah ozo ecstacy karbon er k monok k sid su magnesium kaf karbon dioksid fein sin k io d fosfor f lu o r

maria

arvid mostad alt er kjemi

d n i m a t i v pr

arvid mostad

alt er kjemi – men kjemi er ikke alt

arvid mostad (f. 1929) er cand. real. fra Univer sitetet i Oslo og var ansatt som professor i fysi kalsk kjemi samme sted til han ble pensjonist. Han har brukt røntgenkrystallografiske metoder for å bestemme molekylstrukturen til en rekke forbindelser med biologisk aktivitet. Det omfatter særlig stoffer med aktivitet i nerve systemet, og molekyler med kreftdempende potensial. Arvid Mostad har undervist realister, farmasøyter og medisinere i de fleste områder av kjemien, spesielt om biologiske makromole kylers struktur og aktivitet. Mostad ble pensjonert i 2000, men han har fortsatt å arbeide ved Universitetet i Oslo. Han har i de senere år publisert en rekke arbeider i internasjonale tidsskrifter samt artiklene i denne boken. I 2010 mottok han Thaulowprisen for sin årelange innsats for å gjøre vitenskapen kjent for allmenheten.

Del 1 Alt er kjemi.indd 2

ďťż

28-08-11 13:22:33

Alt er kjemi

Del 1 Alt er kjemi.indd 1

28-08-11 13:22:33

Del 1 Alt er kjemi.indd 2

ďťż

28-08-11 13:22:33

Arvid Mostad

Alt er kjemi – men kjemi er ikke alt

Universitetsforlaget

Del 1 Alt er kjemi.indd 3

28-08-11 13:22:33

© Universitetsforlaget 2011 ISBN 978-82-15-01882-9 Materialet i denne publikasjonen er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med rettighetshaverne er enhver eksemplarfremstilling og tilgjengeliggjøring bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning og kan straffes med bøter eller fengsel.

Henvendelser om denne utgivelsen kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 508 Sentrum 0105 Oslo www.universitetsforlaget.no Billedkreditering: De fleste tegninger og fotografier er ved Arvid Mostad. Unntak: Foto s. 111, 370, 372, 375, 376, 377, 378, 385, 395: Wikipedia Foto s. 396 (fig. 35.4): http://tree-species.blogspot.com for carob tree images. Tegning s. 88, 111, 138, 386: Wikipedia

Omslag: Stian Hole Sats: Rusaanes Bokproduksjon AS Trykk og innbinding: AIT Otta AS Boken er satt med: Stempel Garamond LT Std Papir: 100 g Artic Matt, bulk 1

Del 1 Alt er kjemi.indd 4

28-08-11 13:22:33

Innhold

Innhold Forord fra Kjemiåret. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Forord fra forfatteren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Del I Om ting vi putter i oss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1

Aspirin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Godt for hodet, farlig for magen

Kaffein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Allemannsdopet; stoffet som «driver søvnen på flukt og gir tanken vinger»

Etanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Et meget gammelt og kanskje hyggelig bekjentskap, men ødeleggende og livsfarlig som nær venn

GHB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Partydopet

Kloroform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 En livsfarlig, men likevel velkommen venn i nøden

Litium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Sinnets bølgedemper

Metanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Etanolens livsfarlige slektning

Nikotin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 En populær stimulans med skumle egenskaper og livsfarlige følgesvenner

Del 1 Alt er kjemi.indd 5

28-08-11 13:22:33

Innhold

Resveratrol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Kan «piker, vin og sang» ha noe for seg?

Sjokolade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Et pesticid?

Sukker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 Solenergi i fast form

Marihuana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Fandens lillefinger?

Vitamin D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Solskinnsvitaminet: hjelper til som bare D

XTC (Ecstasy) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Tar døden med på dans?

Del II Om ting vi har omkring oss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Del 1 Alt er kjemi.indd 6

Karbonmonoksid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 «The silent killer»

Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Biokjemiens «blå» eminense

Dioksygen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Fra giftig forurensning til en livsbetingelse

Dioksin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 En ubedt og uønsket, men påtrengende gjest med et utpreget dårlig rykte

Fluor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Kjemiens tiger og djevelens gass

Fosfor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 Et helvetes grunnstoff?

Karbondioksid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Et enkelt og luftig molekyl, men med stor politisk tyngde

28-08-11 13:22:33

Innhold

Magnesium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Grunnstoffet som forandret verden

Nitrogenmonoksid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 Molekyl med et vanskelig indre, men med uimotståelige egenskaper

Ozon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Et molekyl vi ikke kan leve uten, men som vi likevel ikke vil ha i nærheten av oss

PAH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Strukturkjemi, PAH og karsinogen aktivitet

Vann. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Det virkelige «aqua vitae»

Sink. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Et «grått» element?

Del III Fantastisk kjemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 28

Hemoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 Proteinet som oppfyller skriftens ord

Kjærlighet er kjemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 Sex er fysikk

Prioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 Kugalskap, prioner og molekylær konformasjon

Speilsymmetri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354 Er liv mulig bare på den ene siden av speilet?

Del IV Fra kjemiens historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 32

Maria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 Var Jesus gift med en kjemiker?

Termometeret. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 Å måle varme

Del 1 Alt er kjemi.indd 7

28-08-11 13:22:33

Innhold

Varme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 I N R I. Igni Natura Renovatur Integra: «Alt i naturen fornyes av ilden»

Vekten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 Å måle masse

Personer omtalt i boken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 Stikkord. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

Del 1 Alt er kjemi.indd 8

29-08-11 15:07:24

Forord fra Kjemiåret

I dag forklares egenskapene til stoffene, og hvordan de reagerer med hverandre, med modeller av atomer, ioner og molekyler. Dette har tatt lang tid. Det startet tidlig på 1800-tallet, og kjemikerne brukte modellene først. Fysikerne fulgte på 1900-tallet, og fra 1950-årene har biologene fulgt etter. Så i dag er naturfaget molekylenes verden, og fenomener både i den døde og levende natur forklares på grunnlag av molekylmodeller. Imidlertid er det mye som gjenstår. Ennå har ingen greid å gjenskape fotosyntesen uten en levende organisme, og ennå gjenstår å forklare hvordan livet har oppstått fra uorganiske stoffer. Vi anbefaler denne boken til alle nysgjerrige og vitebegjærlige mennesker som er interessert i dagens naturvitenskap, hvor forklaringer fremstår fra molekylære modeller. Bjørn Pedersen Leder NKS’ Faggruppe for kjemiens historie Kenneth Ruud President, Norsk Kjemisk Selskap

Einar Uggerud Leder, Kjemiåret 2011

Knut Fægri Dekan, MN-fakultetet, UiO

Svein Stølen Leder, Kjemisk institutt, UiO

Anders Isnes Leder, Naturfagsenteret, UiO

Jo Klaveness Leder, Thaulowkomitéen

Del 1 Alt er kjemi.indd 9

28-08-11 13:22:33

Forord fra forfatteren

Tittelen Alt er kjemi kan kanskje provosere noen, men det er et faktum at alle stoffer er kjemiske stoffer, og alle reaksjoner mellom dem er kjemiske reaksjoner. Når undertittelen likevel er men kjemi er ikke alt, så ligger det i dét at ikke alt nødvendigvis må sees i et kjemisk perspektiv til enhver tid. I boken blir en rekke stoffer presentert på en enkel måte. Hvert kapittel er en samling artikler tidligere publisert i tidsskriftet Kjemi. Artiklene er nå gjennomgått på nytt og ajourført. Hvert kapittel er en avsluttet historie, men de er likevel ordnet i grupper i boken; Om ting vi putter i oss, Om ting som omgir oss, Fantastisk kjemi og Fra kjemiens historie. Det er ikke nødvendig med detaljerte kunnskaper i kjemi for å lese boken, men selv kjemikere vil nok finne noe de ikke visste fra før. Kjemi- og naturfaglærere vil kunne finne stoff for sin undervisning, og elever vil kunne finne stoff for prosjektoppgaver. Det grunnleggende motivet for å skrive disse artiklene, og derav denne bok en, ligger nok i en livslang interesse for kjemi og den rolle dette faget spiller både for samfunnsutviklingen og hver enkelt av oss. Dette høres kanskje underlig ut for mange, for generelt i vårt samfunn er nok ikke mangelen på kunnskap i kjemi det mest beklagelige, men mangelen på kunnskap om kjemi og den rollen dette faget har spilt i hundrevis av år. Kanskje skyldes det måten kjemi undervises på i skolen, men det virker som om svært få har noen forståelse for at kjemien angår dem til daglig. Det hadde vært fint om en kunne endre litt på det. Undring er et nøkkelord, og kanskje en naiv tro på at det jeg synes er rart og spennende, det vil også andre fatte interesse for. Kjemi er et spennende fag som, foruten det industrielle aspektet, gir innsikt i det biologer, farmasøyter

Del 1 Alt er kjemi.indd 10

28-08-11 13:22:33

Forord fra forfatteren

og medisinere driver med. Jeg synes det er viktig å formidle at det er nettopp kjemi alt dette dreier seg om. Boken er mitt bidrag til Universitetet i Oslos 200-årsjubileum og Kjemiåret 2011, med særlig takk til universitetet for å ha gitt meg gode og inspirerende arbeidsforhold siden jeg begynte å studere der i 1952. Forfatteren vil takke Christian Rømming for et kritisk blikk som har gjort stoffet mer lesverdig, Bjørn Pedersen for at bokprosjektet ble til, samt Naturfagsenteret og Thaulowlegatet for økonomisk støtte slik at boken kunne bli utgitt. Blindern, august 2011 Arvid Mostad

Del 1 Alt er kjemi.indd 11

28-08-11 13:22:33

Kp. 1 12

ďťż

Om ting vi putter i oss

Del 1 Alt er kjemi.indd 12

28-08-11 13:22:34

Del I Om ting vi putter i oss

Del 1 Alt er kjemi.indd 13

28-08-11 13:22:34

Del 1 Alt er kjemi.indd 14

Del I Om ting vi putter i oss

28-08-11 13:22:34

Aspirin

Kp. 1

Aspirin Godt for hodet, farlig for magen Om ting vi putter i oss

Det er ikke ofte at man feirer jubileer for molekyler. Enkelte forbindelser kan allikevel oppnå en popularitet og en utbredelse som gjør det naturlig med et jubileum dersom de nødvendige datoer kan fastlegges. Acetylsalisylsyre er et slikt molekyl.

I 1999 kunne vi feire et slikt jubileum, for det var da 100 år siden denne popu lære forbindelsen kom på markedet under navnet Aspirin. Likevel må vi lenger tilbake enn til 1899 for å finne begynnelsen på denne historien. Allerede 400 år f.Kr. anbefalte Hippokrates bruk av blader fra piltre mot smerter. Naturligvis visste verken han eller noen andre hva som var det virksomme stoffet, men i dag kan vi slå fast at salicylsyre (og derivater) har vært brukt som legemiddel i mer enn 2500 år. Kanskje var Hippokrates’ kunnskaper ukjent for den engelske presten Edward Stone (i enkelte artikler kalt Edmund), men han kjente til at barken fra cinchoatreet ble brukt som et middel mot feber (kinin). Derfor var det to forhold som vekket Stones interesse for piltreet (Salix alba); barken smakte bittert slik som barken fra cinchoatreet gjorde, og treet vokste ofte på fuktige steder der man var utsatt for å få febersykdommer (malaria). Den gang var nemlig naturmedisinens credo at «many natural maladies carry their cures along with them, or their remedies lie not far from their causes». Stone begynte de første (kjente?) systematiske studier av virkningen av avkok av piltrebark på 50 feberpasienter i 1757. Resultatene etter seks års stu-

Del 1 Alt er kjemi.indd 15

28-08-11 13:22:35

Figur 1.1.

Acetylsalisysyre

Figur 1.2.

Del 1 Alt er kjemi.indd 16

Del I Om ting vi putter i oss

dier styrket hans idé, og han fikk presentere sine studier for Royal Society i London i 1763. Ca. 60 år senere fant en skotsk lege, dr. MacLagan, at barken fra piltrær også hjalp mot akutt revmatisme, og nå begynte kjemikere, særlig franske og tyske, for alvor å interessere seg for virkestoffer i denne barken. Stoffet, som viste seg å være et glykosid, ble først isolert i 1828 og kalt salicin (etter salix), og i 1870 viste professor von Nencki at salicin frigjorde salicylsyre i organismen, se fig. 1.1. Naturligvis forsøkte man nå å benytte ren salisylsyre som medikament, men dette var ingen stor suksess fordi alvorlige bieffekter i form av etseskader på slimhinner i munn, svelg og mage ble påvist. For å unngå disse bieffektene benyttet man en tid natriumsaltet av salicylsyren, og dette hjalp noe mot etseskadene, men de relativt store dosene som ble brukt mot revmatisme førte ofte til diaré og oppkast. I firmaet Bayer i Tyskland var det ansatt en kjemiker ved navn Felix Hoffman som arbeidet under veiledning av dr. Dresser. Hoffman var særlig motivert for å finne en forbindelse med samme virkning som salisylsyre, men med mindre ubehagelige bivirkninger. Hans far led nemlig av artritt og kunne ikke ta salisylsyre uten å kaste opp. Etter fire års arbeid kom Hoffman frem til acetylsalisylsyre som virket utmerket på farens lidelse uten at han kastet opp (fig. 1.2.). I 1898 ble det satt i gang kliniske tester, i 1899 ble forbindelsen markedsført under navnet Aspirin, og vi er fremme ved jubileets utgangspunkt (legg merke til den korte testtiden). Hvordan navnet egentlig ble til, er det noen tvil om. Sannsynligvis er det satt sammen av «a» for acetyl og «spir(ea)» fra plantefamilien Spiraea salicifolia som er en naturlig kilde for salicylaldehyd. Noen mener imidlertid at navnet kan være inspirert av den napolitanske biskop St. Aspirrinus som ble helgen og den man henvendte seg til når man led av hodepine! Siden te og mange grønnsaker inneholder salicylater, kan dette være en av grunnene til at en slik diett ansees som helsebringende. Aspirin ble en enorm suksess. Da det under første verdenskrig (1915) ble vanskelig å få tak i Aspirin i England siden preparatet ble laget av det tyske firmaet Bayer, utlyste den engelske regjeringen en premie på 20 000 pund (!) til den som kunne foreslå en brukbar fremstillingsmåte. Denne prisen ble

28-08-11 13:22:35

Aspirin

vunnet av en farmasøyt fra Melbourne: George Nicholas. I USA blir det laget mer enn 16 tusen tonn Aspirin per år. Med tanke på at en Aspirin-tablett oftest inneholder ca. 300 mg acetylsalisylsyre eller mindre, blir dette ganske mange tabletter. Erfaringene med bruk av Aspirin har vist at forbindelsen virker dempende på smerter av forskjellig slag (analgetisk), er febernedsettende (antipyretisk) og motvirker inflammasjon (antiinflammatorisk). Dessuten synes det som om Aspirin også kan motvirke hjerteattakk ved å hindre at blodplatene kladder seg sammen og tetter igjen blodårer i hjertet. Mange mennesker spiser daglig tab letter med litt acetylsalisylsyre (ca. 75 mg) som beskyttelse mot hjerteanfall. I dette tilfellet kan en si at Aspirin forhindrer sykdom, men ellers er det symptomene som dempes og ikke sykdommen som helbredes ved bruk av medikamentet.

Hvordan virker Aspirin? Så sent som i begynnelsen av 1970 hadde man fremdeles ingen idé om virkemekanismen for Aspirin, men i 1971 fremsatte John R. Vane en hypotese om at virkningen skyldtes at syntesen av prostaglandin ble hemmet. Ved infeksjon eller annen skade på celler i organismen settes det i gang en rekke kjemiske prosesser. Blant annet frigjøres det forbindelser som tilhører en stoffgruppe som kalles prostaglandiner. En av disse, PGE2, fører til utvidede blodårer på skadestedet og økt blodtilførsel med opphovning, ømhet og smerte som følge. Prostaglandinet sensitiviserer også nerveendene på skadestedet og melder dermed fra om at noe er galt. Når Aspirin virker dempende på smerte som oppstår på denne måten, er det fordi forbindelsen blokkerer et enzym (cyklooksygenase) som er nødvendig for syntesen av prostaglandin fra arakidonsyre, se fig. 1.3. Fig. 1.3.

Arakidonsyre

Del 1 Alt er kjemi.indd 17

28-08-11 13:22:35

Del I Om ting vi putter i oss

Prostaglandiner er en gruppe modifiserte fettsyrer og har en rekke forskjellige virkninger i organismen. Navnet ble gitt av den svenske nobelprisvinneren Ulf von Euler som antok at stoffet kom fra prostatakjertelen, men senere er det vist at prostaglandiner finnes i nær sagt alle kroppsvæsker og vev. Forbindelsene er involvert i mange, om kanskje ikke alle, de symptomer som Aspirin virker på. Det har vist seg at enzymet cyklooksygenase forekommer i minst to former: COX1 og COX2. Den ene er involvert i dannelsen av PGE2 (COX2), mens den andre fører til dannelse av prostacyklin (PGI2) som er viktig for beskyttelse av magens slimhinne mot syreangrep. Aspirin blokkerer begge disse enzymene og blottstiller derfor også magesekkens slimhinner for syreangrep. I og med at prostaglandin også er involvert i blodets koagulasjon, vil blødninger lett kunne vedvare lenger enn normalt. Arakidonsyren, som er utgangspunktet for biosyntesen av prostaglandin og prostacyklin, synes også å være utgangspunkt for dannelsen av tromboksan som er nødvendig for at blodet skal koagulere ved at blodplatene kladder seg sammen. I og med at Aspirin også hemmer det enzymet som danner tromboksan, har medikamentet altså en antikoagulerende virkning. Dette ble forstått først etter 1990. Etter hvert ser det likevel ut til at ikke alle Aspirinets biologiske virkninger blir forklart gjennom hemming av prostaglandinsyntesen, slik at noen av Aspirinets virkninger fortsatt synes å være gåtefulle.

Bieffektene Til tross for sin suksess er acetylsalicylsyre ikke noe ufarlig stoff. En dose på 1,5 g/kg vil ta livet av halvparten av de musene som får en slik mengde (LD50), og før 1970 døde det hvert år i USA ca. 40 barn under fem år av Aspirinforgiftning. Etter innføringen av mer barnesikre pakninger falt dette tallet til ca. 25. Maksimal dose per dag for et voksent menneske er ofte satt til 4 g. En meget alvorlig, om enn sjelden, komplikasjon er Ryes syndrom, som er en livstruende reaksjon på acetylsalisylsyre. Denne reaksjonen kan forekomme hos barn og unge (2 til 18 år) under rekonvalesens fra virussykdommer som vannkopper eller influensa. Resultatet er degenerasjon av lever og en potensielt dødelig opphovning av hjernen. (Først klarlagt i 1963 av den australske patologen R.D.K. Rye etter 12 års forskning.) Symptomene er innledningsvis kvalme, oppkast, søvnighet og uklarhet. Innen få timer kan det inntreffe kramper, respirasjonsstans og koma. Mer enn 70 prosent av

Del 1 Alt er kjemi.indd 18

28-08-11 13:22:35

Aspirin

tilfellene overlever, noen fullstendig, mens andre kan få større eller mindre hjerneskade. Årsaken til denne reaksjonen er lite kjent. I 1980 var det et dramatisk antall tilfeller av Ryes syndrom i USA (555), men dette er siden 1987, på grunn av advarslene, sunket til under 36 per år. Av dem som bruker Aspirin kan to til ti prosent oppleve magetrøbbel. Noe av dette skyldes som nevnt at inhiberingen av prostaglandinsyntesen også hemmer koagulasjon av blodet. Dersom man har blødende sår, bør man altså unngå acetylsalicylsyre. Samtidig finner en her forklaringen på hvorfor acetylsalicylsyre medvirker til å forhindre hjerteattakk.

Videre utvikling Enzymene COX1 og COX2 er kjempemolekyler med mer enn 9000 atomer, og da er hydrogenatomene ikke tatt med i tellingen. Likevel har det vært mulig, ved hjelp av røntgenkrystallografi, å bestemme den romlige plassering av atomene i disse enzymene, også sammen med forskjellige ligander. Dette gjør det mulig, ut fra forskjellene i de to enzymstrukturene, å fremstille ligander som vil blokkere det ene enzymet, men ikke det andre. Et resultat av dette er at det nå kommer på markedet preparater som er analgetiske/antiinflammatoriske uten de uheldige bieffekter på magen. Men det har også funnet sted en utvikling av preparater som på et vis er analoge til salicylsyrederivater, og det på en måte som ikke er ukjent i forskningen. I 1880 ordinerte professor i indremedisin, prof. Kussmaul, direktør ved Strasburg universitet, naftalen som middel mot innvollsmark hos en del pasienter som var innlagt på hans avdeling. Dette hadde liten effekt, men på den andre siden ble en kraftig feber hos enkelte pasienter betydelig redusert. Det viste seg så at flasken med preparatet åpenbart var feilmerket, og at pasientene slett ikke hadde fått naftalen, men noe helt annet! Assistenten, som visstnok hadde en kjemiker i familien, fikk analysert flaskens innhold som viste seg å være acetanilid. Oppdagelsen (fig. 1.4) ble raskt publisert, og forbindelsen ble satt i produksjon! Bivirkninger ble imidlertid påvist også her (destruksjon av hemoglobin), og i jakten på nye forbindelser dukket det opp en rekke preparater som for eksempel Paracetamol (fig. 1.5). Paraaminofenoler har en analgesisk og antipyretisk, men ikke anti inflammatorisk virkning. Noen av de nye preparatene viste seg å gi nyre- og

Del 1 Alt er kjemi.indd 19

Figur 1.4.

28-08-11 13:22:35

Figur 1.5.

Del 1 Alt er kjemi.indd 20

Del I Om ting vi putter i oss

leverskader, særlig ved store doser eller sammen med alkohol (Phenacetin). Paracetamol ble introdusert i 1953 og er mindre farlig enn Aspirin for barn og folk med magesår, men kan gi leverskader (særlig ved høye doser). Det er mange ting det kan være nyttig å reflektere over i denne historien. Blant annet ser vi to viktige sider av forskningsinnsats. Vi har Hoffman som etter fire års planlagt og målrettet forskning en dag kan rope: «Hurra, jeg har funnet svaret» (Aspirin). Og vi har den oppmerksomme, nysgjerrige forsker som mumler: «Dette var pussig, det må jeg undersøke nærmere», og som finner et helt nytt forskningsfelt (paraaminofenoler). Historien er også ett av mange eksempler på hvordan et legemiddel beveger seg fra å være «naturmedisin» til å bli «skolemedisin». Men når skjedde overgangen? Var det etter at Edward Stone med sin kliniske test og rapport til Royal Society hadde dokumentert en medisinsk virkning? Etter at Felix Hoffmann syntetiserte acetylsalisylsyre, eller etter at man avklarte forbindelsenes virkemekanisme i organismen, slik at trygge medikamenter kunne «skreddersys»? Det man kan lære av slike eksempler, er at stadig sikrere og mer spesifikke medikamenter krever innsikt som bare oppnås gjennom stor og møysommelig forskningsinnsats. Som i eksempelet vi har sett på i denne artikkelen, kan det dreie seg om kjemisk forskning over mer enn 100 år. Denne forskningen vil nå gi skreddersydde medikamenter som sannsynligvis vil sende Aspirin over i historien nettopp i jubileumsåret (se Dagbladet, tirsdag 4. mai 1999). Da er overgangen til skolemedisin (innsiktsmedisin?) definitiv.

28-08-11 13:22:35

Kaffein

Kp. 1

Kaffein Allemannsdopet; stoffet som Om ting vi putter i oss «driver søvnen på flukt og gir tanken vinger» Av alle de sentralstimulerende forbindelser vi mennesker gjerne lar oss påvirke av, er kaffein1 uten tvil den mest utbredte, mest populære og kanskje minst skadelige. Forbindelsen har spilt en vesentlig rolle i medisin, religion, kunst og i sosiale sammenhenger, og er et viktig innslag i dagliglivet til et overveldende flertall av seks milliarder mennesker. Kaffein er også det eneste psykoaktive stoff som gjennom sin popularitet har overvunnet alle forsøk på begrensning og forbud.1

Kaffeekstrakt er sannsynligvis blitt drukket i uminnelige tider. Nomader i det gamle Etiopia spiste kaffebønner som en oppkvikker allerede i år 1000 f.Kr. Likevel forteller legenden at kjennskapet til virkningen av kaffebærene stammer fra en jemenittisk gjeter som het Kaldi, og som levde omkring år 600. Han skal ha lagt merke til at geitene hans, etter at de hadde spist bærene på kaffetreet, ble ekstra livlige, oppførte seg merkelig, og heller ikke la seg til å sove når natten falt på. Dette fortalte han til noen munker i et nærliggende kloster, og munkene fant til sin henrykkelse at det var meget lettere å holde seg våken under nattlige bønner når de hadde spist «kaffebær». I Jemen ble kaffeplanten kalt «bunn», og frukten (bæret) «bunnu». Dette er formodentlig opphavet til vår betegnelse (kaffe)-«bønne». I alle fall har kaffeplanten vært kjent i Arabia som et stimulerende middel siden slutten av 800-tallet, og araberne laget ganske tidlig en drikk ved å knuse bærene fra kaffetreet og la saften gjære. Denne drikken, som nok også inne-

Del 1 Alt er kjemi.indd 21

28-08-11 13:22:36

Del I Om ting vi putter i oss

O kaffe, du som slukker alle sorger De som studerer attrår deg. Drikk den med tillit, og hør ikke på de tåper, som fordømmer deg uten grunn. Abd al-Qadir (1757)

Del 1 Alt er kjemi.indd 22

holdt alkohol etter gjæringen, ble kalt qahwa (den første «kaffedoktor»?). Som vi skal se senere, forlenger alkohol kaffeinets virkning. «Qahwa» skal visstnok bety «å minske behovet for» (søvn?) og er muligens opphavet til ordet kaffe. De fleste skriftlige beretninger om bruk av kaffe kommer først etter år 1500. Omkring 1510 hadde kaffedrikking spredt seg fra klostre i Jemen til kaffehus i Kairo og Mekka. Snart dukket kaffehusene opp overalt innenfor islam, og derfra spredte kjennskapet til kaffe seg videre til Europa. Til å begynne med var kaffen mest populær i intellektuelle kretser, mens konservative katolske prester (og folk i øl- og vinindustrien) så med mistenksomhet på den nye drikken. Saken ble lagt frem for pave Clement VIII i 1600 med anmodning om å fordømme kaffedrikken, men paven ble så betatt av den at han mente det ville være både synd og skam om den utelukkende skulle overlates til de ugudelige. Dermed ga han den sin velsignelse, og det første kaffehus i Italia åpnet i 1683. Til Frankrike kom kaffen muligens før 1600, men Ludvig XIV skal ikke ha smakt kaffe før i 1664. Etter hvert ble kaffehusene mest besøkt av kunstnere, musikere, skuespillere og litterater. Voltaire var en henfallen kaffedrikker, og det samme var Rousseau, d’Alambert og Balzac som skrev at «kaffe er en sterk kraft i mitt liv», fulgt av en sterk beskrivelse av kaffens velsignede virkninger, og hvordan man med tilstrekkelig mange kopper sterk kaffe kunne arbeide også om nettene. Beet hoven var en pasjonert kaffedrikker som var meget nøye med å tilberede sin kaffe selv, og Bach skrev sin «Kaffe-kantate» i 1732. Den venezianske kafeen «Florian» var hyppig besøkt av Goethe som elsket kaffe. Her kom også andre selebriteter som Casanova, Rousseau, Byron, de Musset og George Sand. Tilsvarende var «Caffe Greco» besøkt av blant annet av Schopenhauer, Mendelssohn, Liszt, Wagner, Tyendhal, Gogol, Mark Twain, Bizet og Toscanini. Naturligvis kunne det ikke bli annerledes enn at der hvor den intellektuelle elite møttes, oppsto også et arnested for politiske diskusjoner og revolusjonære tanker. Til tider har nok dette vært en bekymring for all «øvrighet» og en sannsynlig årsak til at kaffehusene enkelte steder periodevis ble forbudt, selv om det ble brukt andre argumenter. For kjemikerne er det interessant å merke seg at det første kaffehuset i Oxford dukket opp i 1650, og en av grunnleggerne av «The Oxford Coffee Club» var den ledende engelske vitenskapsmannen Robert Boyle, ofte kalt den moderne kjemiens far. Denne klubben, som til å begynne med var en uformell samling av studenter og vitenskapsmenn, kom til å spille en viktig rolle da medlemmer av klubben tok med seg kaffen til London, der de i 1662

28-08-11 13:22:36

Kaffein

fikk et kongelig brev fra kong Charles II på at de kunne kalle seg «The Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge». Dermed var en av verdens ledende naturvitenskapelige institusjoner grunnlagt. Det er bemerkelsesverdig at de store gjennombruddene innen kjemi, fysikk og matematikk fant sted straks etter at «kaffegalskapen» var begynt i England. Det faktiske forhold at de fleste vitenskapsmenn, særlig de mest kreative av dem, var kaffedrikkere, peker kanskje på at kaffen kan ha vært et viktig element i denne fremgangen siden kaffein nettopp stimulerer intellektuelle ferdigheter. Det var også vanlig å selge bøker og aviser i kaffehusene, og de amerikanske kaffehusene fortsatte den engelske tradisjonen som gjorde kaffehusene til «billige universiteter». I Amerika ble ofte kaffehusene til og med et sted for offentlig administrasjon, som for eksempel rettslokaler og møterom, der samfunnsforhold ble behandlet. Naturligvis var det også motstand mot utbredelsen av denne nye drikken. I alle land ble det, med varierende motiver, gjort forsøk på å forby kaffe. Også her grep man, etter en idé av Mustafa II i 1698, til skattlegging for å dempe kaffedrikkingen, men tiltakene har hatt like liten virkning for utbredelsen av kaffe som for andre populære stoffer som virker på sentralnervesystemet. Legevitenskapen var splittet i synet på kaffe, og europeiske leger diskuterte ivrig for og imot. En sterk opponent var dr. Simon Pauli (1603–80) som beskrev de skadelige virkninger av kaffe, te og sjokolade. Han hevdet at disse drikkene førte til impotens og en rekke andre helseskader. Myten om kaffens uheldige virkning på potensen stammet egentlig fra en ivrig kaffedrikkende sultans utilfredse hustru. Da hun en gang fikk se kastrasjon av en hest, mente hun at det måtte være lettere å gi den kaffe. Kanskje lå det for mange ensomme kvelder til grunn når denne tanken ble forsterket ved at engelske kvinner, som til å begynne med ikke hadde lov til å besøke kaffehusene, forfattet et skrift der mennene fikk en bredside og ble beskyldt for å bli både likegyldige og impotente av kaffedrikkingen, og ikke lenger var i stand til å føre slektene videre. Noe av denne tankegangen finner vi også i Holbergs formulering i Peder Paars der han hevder at de gamle matskikker med «brumsviger-mumme» i stedet for kaffe og «øllebrød» i stedet for te, resulterte i større evne til «afkoms forplantelse»: «Jeg erindrer udi min barndom at der i min fødeby Bergen var en borger hvilken blev overbevist om at have gjort seks sønner på en natt. Jeg roser ikke gjerningen, men anfører den aleene til Bevis på våre Fedres duelighet. Man skal nuomstunder lete lenge blant våre tiders vanndrikkere førend man finner en sådan mann.»

Del 1 Alt er kjemi.indd 23

28-08-11 13:22:36

«Kaffeelskeren», tegnet av A. Mostad etter en karikatur av H. Daumier.

Del I Om ting vi putter i oss

Sammen med at kong Frederick i 1766 forordnet at all import av kaffe skulle skje via et statsmonopol for på den måten å begrense kaffedrikking mest mulig (hans folk skulle drikke øl!!), holdt denne troen generasjoner av tyskere borte fra kaffe. Det er kanskje best å legge til her at moderne forskning ikke har funnet noen sammenheng mellom kaffedrikking og ufruktbarhet, men tvert imot at ved moderate kaffeinkonsentrasjoner øker spermienes vitalitet. Det synes til og med som om eldre kaffedrikkere er seksuelt mer aktive enn jevnaldrende som ikke drikker kaffe. Som vanlig var debatten omkring kaffe selvfølgelig ikke fri for politiske, økonomiske, sosiale og religiøse overtoner. Debattantenes bakgrunn var heller ikke alltid helt objektiv når de enten var engasjert av vin- og ølindustri, det offentlige eller de var knyttet til importvirksomhet. På den andre siden, en stor fordel med kaffen var at den erstattet andre vanlige drikker som nesten alle var alkoholholdige. I Europa bidro kaffe sannsynligvis til at det ble drukket mindre alkohol, slik at i snitt ble det et adskillig mer edru og effektivt folk. Holberg skriver i Jean France: «Nu kan vore Hustruer og Døtre gjøre ti visitter en Eftermiddag, og komme gandske ædrue tilbage. Dette kunne ikke skee i gamle Dage ...»

Kaffe Den første som, i skriftlig form, beskrev kaffe i Europa, var Leonard Rauwolf we (d. 1596), en lege som var kjent for sine botaniske studier og reiser i Orienten. Han beskriver kaffe som en oppkvikkende og helsebringende drikk. Til å begynne med var kaffedrikking ofte en eksklusiv handling som stort sett var forbeholdt menn. Kaffen ble heller ikke drukket på grunn av sin smak, for den ble laget som en svart og bitter drikk som bare ble drukket pga. den oppkvikkende virkning den ga. I dag er det hovedsakelig bønner fra kaffeplantene Coffea arabica og Coffea robusta som ligger til grunn for kaffekokingen. Det stilles til dels store krav til kaffens smak og kvalitet, og dette er avhengig av hvordan bønnene behandles. Den mest eksklusive kaffen starter med grønne bønner som sorteres ved hjelp av fotoelektriske celler med en hastighet på 400 bønner per sekund og med uovertruffen presisjon. Brenningen er en meget viktig prosess som skjer ved 185–240 °C og kan ta fra 90 sekunder til 40 minutter. Det normale er 12 minutter. Tid og temperatur avgjør aroma og grad av bitterhet. Ved slike temperaturer dannes det forbindelser mellom sukker-

Del 1 Alt er kjemi.indd 24

28-08-11 13:22:37

Kaffein

OH OH arter og aminosyrer (karamellisering), og det dannes bittersøte stoffer somCH CH CH CH C C Cl Cl Cl Cl gir kaffen den dominante smaken. Metylisoborneol og trikloroanisol (TCA) HC HC utgjør den karakteristiske lukten av robusta kaffe (fig. 2.1.). CH CH CH CH OH TCA kan fornemmes av mennesker i så lave konsentrasjoner somCH CHC CC OH C 2 1/6 000 000 000 000 000 av et gram per ml. Aromaen fra grønn kaffe inne- H C H CCH CH Cl Cl holder 250 forskjellige forbindelser og etter brenning cirka 800 nye derivaMetylisoborneol Metylisoborneol Trikloroanisol Trikloroanisol ter. Dette kontrolleres ved hjelp av trenede «luktere», gasskromatografi og 3 massespektrometre for å identifisere de forskjellige «duftene». Den biologisFigur 2.1. Forbindelser som ke virkningen til de fleste stoffene som dannes ved brenningen er ikke kjent. dannes under karamelliseDen aller mest eksklusive kaffen lages fra spesielle bønner. ringsprosessen. Kaffe er fremstilt på mange måter. Koking var en tidlig metode, mens uttrekking med kokende vann først oppsto i det attende århundre. I kokekaffe finnes furanoide diterpener som kafestol og kaveol, og disse synes å føre til en økning i serumkolesterol, men de finnes ikke i filterkaffe som dermed antas å være mindre skadelig.4 I dag synes kaffe å bli stadig mer populært, og kaffedrikkingen går mot nye høyder. Mens de gamle dagers kaffehus er borte, har kaffebarene blomstret opp. Det sies at denne kulturen fikk en voldsom oppblomstring i USA (Seattle i 1980-årene), og den første norske kaffebaren ble åpnet i 1994.5 Det settes nå stadig større krav til kvalitet og type, og man kan velge mellom en lang rekke varianter som cappuccino, cafe au lait, espresso, kaffesjoko osv. Den som lager kaffen på disse stedene kalles en «barrista», og den 14.–16. juni 2002 var det verdensmesterskap i barristakunst i Oslo med deltakelse fra 30 nasjoner. Med kaffebarene kom også espressokaffen for alvor. Espresso er den sublime form for kaffe. I 1933 patenterte Francesco Illy den første automatiske espressomaskinen, og den moderne varianten ble konstruert av Ernestoi Valente i 1961. Ideell ekstraksjonstid for espresso skal være 30 sek. Da finner en den beste blanding av aromastoffene 2,4-decadianal (harsk), etylengujakol (røyk), 2-etyl-3,5-dimetylpyrasin (sjokolade), 2-etyl-3,6-dimetylpyrasin (sjokolade), 2,4-nonadienal (harsk), metylsalisylat (kanel), β-damasenon (te), isovalerialdehyd (søt) (se fig. 2.2). Det drikkes hvert år 400 milliarder kopper kaffe som er verdens mest popu lære brygg. Det handles kaffe for 10,4 milliarder dollar årlig, og det er bare olje som kan vise til større omsetning. Et teknologisk fremskritt når det gjelder å tilberede kaffe, fant sted i 1908 da en kreativ husmor (fru Bentz) som var lei av all gruten i kokekaffe, fant 3

Del 1 Alt er kjemi.indd 25

28-08-11 13:22:37

Del I Om ting vi putter i oss

OH på å lage kaffe ved å helle varmt vann gjennom malt kaffe som lå i et OH filter. 2,4-Dekadienal 2,4-Dekadienal Dermed laget hun verdens første filterkaffe. Ektemannen var henrykt over OH resultatet og fikk laget et bedre utstyrOH for å tilberede kaffe på denne måten. OHOH O 2,4-Dekadienal Firmaet som ble dannet oppkalte han etter sin kone, nemlig CH3 Melitta ...

OHOH OO CHCH 3 3

2,4-Nonadienal 2,4-Nonadienal

OH 2,4-Dekadienal

2,4-Dekadienal

OH 2,4-Nonadienal

2,4-Nonadienal

2,4-Nonadienal 2,4-Nonadienal EtylenguN jakol

N N N N

OH OH OH OH OH OH 2,4-Nonadienal OH OH O O O 2,4-Dekadienal O CH3 2,4-DekadienalCH CH CH3 3 3 ujakol Etyleng N OH OH OH N

O O

N N N N

N N

N 2-etyl-3,6-dimetylpyrazin

Metyl salisylat

OO OHOH

N N

Metyl salisylat Metyl salisylat

O O O O

MetylO salisylat

O O

CHO CHO

b-Damascenon

Isovaleraldehyd Isovaleraldehyd

OH OH

Metyl salisylat Metyl salisylat Metyl salisylatb-Damascenon b-Damascenon

Isovaleraldehyd Isovaleraldehyd

Kaffein, C8H10N4O2

Del 1 Alt er kjemi.indd 26

b-Damascenon b-Damascenon

Isovaleraldehyd

CHO CHO

CHOsom finnes CHO Fig. 2.2. Aromastoffer i kaffe.

Fig.Kaffein. 2.3.1,3,7-Trimetyl-2,4-dioksopurin Kaffein, 1,3,7-trimetyl-2,4-dioksopurin.

CHO OH

2-etyl-3,6-dimetylpyrazin 2-etyl-3,6-dimetylpyrazin

O 2-etyl-3,5-dimetylpyrazin 2-etyl-3,5-dimetylpyrazin 2-etyl-3,5-dimetylpyrazin 2-etyl-3,5-dimetylpyrazin 2-etyl-3,6-dimetylpyrazin 2-etyl-3,6-dimetylpyrazin 2-etyl-3,6-dimetylpyrazin 2-etyl-3,6-dimetylpyrazin O

N N

2-etyl-3,5-dimetylpyrazin 2-etyl-3,5-dimetylpyrazin

Etylengujakol Etylengujakol Etylengujakol 2-etyl-3,5-dimetylpyrazin

ujakuoljakol Etyleng Etyleng

N N

Isovaleraldehyd Isovaleraldehyd

Når kaffen ble så populær, var det naturligvis på grunn av at den inneholdt stoffer som virket behagelig og stimulerende. Hvilke stoffer det dreide seg om, ble ikke klart før på begynnelsen av 1800-tallet. Det startet med at kjemikeren Friedlieb Ferdinand Runge ble invitert til Johan Wolfgang Goethe, som jo foruten å være en litterær gigant og kaffedrikker, også var en ivrig amatørnaturforsker. Runge hadde nemlig ved en tilfeldighet oppdaget at et ekstrakt av belladonna førte til en utvidelse av øyets pupill, og dette hadde Goethe hørt om. Han fikk Runge til å demonstrere effekten på en katt og ble så imponert at da Runge skulle gå, fikk han en eske med arabisk mokkakaffe sammen med en anmodning om å analysere kaffebønnene. Innen få måneder, i 1819, hadde Runge isolert og identifisert kaffein som et purinderivat. Likevel, som

28-08-11 13:22:38

Kaffein

så ofte ellers; oppdagelsen ville blitt gjort i alle fall, for bare året etter, i 1820, gjorde Serturner den samme oppdagelsen uten å kjenne til Runges arbeid. O H N

Purin

N H

N CH3

Teofyllin

O H N

H 3C

HN O

N CH3

Teobromin

N H

Paraxantin O

CH3 N

CH3

Xantin

O CH3

O H N

CH3

CH3 N

N N

CH3

Kaffein

Fig. 4.

Fig. 2.4. Kaffeinets kjemiske «slektninger».

Ved romtemperatur er kaffein et hvitt, krystallinsk stoff med en bitter smak. Stoffet er moderat løselig i vann ved 30–40 grader og lett løselig i varmt vann. Det smelter ikke ved oppvarming, men sublimerer ved 458 °C. Det kjemiske navnet på forbindelsen varierer avhengig av hvilken grunnenhet i molekylet en tar utgangspunkt i. Det vanligste navnet er 1,3,7-trimetylxantin, men det navnet som best beskriver molekylet er 1,3,7-trimetyl-2,4dioksopurin. Sammenhengen mellom disse navnene vil fremgå av formlene i fig. 2.4. Vi ser at kaffein kan beskrives både som et xantinderivat og et purinderivat, og forbindelsen hører til en gruppe alkaloider som omfatter teofyllin, teobromin og paraxantin. Alle tre er påvist i forskjellig plantemateriale, men er også primære metabolske produkter av kaffein i vår organisme. Det er vel verd å merke seg at purinenheten kan vi finne igjen i en rekke sentrale biokjemiske molekyler som angår informasjon (arvestoffet: DNA), energiomset ning (adenosintrifosfat: ATP) og cellulær signalisering (cyklisk adenosinmonofosfat: cAMP). Den likheten kaffein har med slike forbindelser, kan langt på vei forklare kaffeinets virkninger. Nå er det ikke bare kaffeplantene som inneholder kaffein. Forbindelsen er

Del 1 Alt er kjemi.indd 27

28-08-11 13:22:38

Del I Om ting vi putter i oss

blitt påvist også i tebusken (Thea sinensia og Camellia assamica), kakaotreet (Theobroma cacao), maté (Ilex paraguariensis), cola (Cola acuminata og Cola nitida), guarana (Paullinia cupana) og yoko (Paullina yoco). Av den grunn har kaffein også gått under forskjellige navn som «thein», «guaranine» og «matein». Både i te og sjokolade finner en også andre xantinderivater, og dette forklarer naturligvis disse drikkenes popularitet. Tedrikking som jo ble særlig populært i India, Kina og Japan, ble ansett som noe mer forfinet, og dette satte et kulturelt preg på omgangsformene der, slik kaffehusene gjorde det i Europa. Om teens opprinnelse forteller legenden at en munk som ble så fortvilet over at han sovnet under bønn (som skal ha vart i syv år), skar av seg øyelokkene. De falt til jorden, slo rot og ble til tebusken. Det fortelles også at det var den legendariske keiser Shen Nung (3000 f.Kr.) som oppdaget teen. Kakaotreet ble tilsvarende dyrket og æret av sydamerikanske stammer fra 1500–1000 år f.Kr. Kakaobønnene sto så høyt i kurs at de i stor utstrekning også ble brukt som penger. Portugisere og spanjoler førte kakaobønner til Europa, og de beskrev kakaodrikken som en drikk for gudene. Derav fikk treet sitt botaniske navn Theobroma cacao (theo: gud, bromma: drikk), og et av de aktive stoffene navnet «teobromin». Som med andre alkaloider dannes kaffein i planten som beskyttelse, kanskje særlig mot insekter, som blir sterile (!) under påvirkning av kaffein, men også mot bakterier og sopp som kan skade planten. At kaffein er skadelig for insekter kan en se av edderkoppnett spunnet av en edderkopp som er påvirket av kaffein. Et slikt nett er uregelmessig og kaotisk og ubrukelig i fangstøyemed. Faktisk kan kaffein brukes som et insekticid, og har stor synergisk (forsterkende) virkning sammen med andre insekticider der virkningen kan økes med en faktor på 10. Det ser også ut til at snegler er følsomme for kaffein. Forsøk har vist at så lave konsentrasjoner som 0,01 prosent kaffein sprøytet på plantene er nok til å holde snegler borte, mens en konsentrasjon på 1–2 prosent dreper dem (en vanlig kopp med pulverkaffe har 0,05 prosent kaffein).6 Siden jordsmonnet omkring kaffeinholdige planter etter hvert får en viss konsentrasjon av kaffein, hindres en del ugress i å gro der. Men det er også slik at kaffeinet i jordsmonnet med tiden vil ta livet av planten selv. En kaffe plantasje vil begynne å gå til grunne etter 10–25 år. Selv om kaffein kan fremstilles fra vanlige organiske kjemikalier eller ved metylering av forbindelser som teofyllin og teobromin, blir mesteparten i dag fremstilt ved dekaffeinering av kaffe eller ved ekstraksjon fra teblader.

Del 1 Alt er kjemi.indd 28

28-08-11 13:22:38

Kaffein

I Norge er kaffein definert som et legemiddel og kan ikke tilsettes i matvarer, men det er tillatt å tilsette inntil 150 mg/liter i leskedrikker. Fordi kaffein er en relativt ufarlig «dop» med behagelig og oppkvikkende virkning, men samtidig også er en smule avhengighetsskapende, ligger det naturligvis stor fortjeneste i å sette kaffein til en rekke forskjellige drikker som for eksempel Coca-Cola, Kick, Nitro, Semtex, Guts, Afri-Cola, Jolt Cola, Solo Pluss (50 mg/liter), Battery, vann (Water Joe) og Gud vet hva. Slike drikker ble meget populære for mange intellektuelle med «skrivebordsarbeid», som for eksempel programmerere og «datafolk». Dessuten er kaffein i forskjellige former som rene kaffeinpiller nyttige for trailersjåfører og andre som må holde seg våkne og aktpågivende. Kaffeinets popularitet er også brukt til å fremme salg av forskjellige produkter, for eksempel hudkrem, der det heter i reklamen at kaffeinet katalyserer dannelsen av lipider som igjen motvirker rynker og holder huden myk og fuktig (?!). Mens det ikke finnes noen restriksjoner for folk i sin alminnelighet på bruk av kaffeinholdige drikkevarer, er kaffein likevel «doping» for idrettsutøvere. Disse må derfor være meget nøye med hva de drikker. Når det gjelder idrett, er det regler for bruk av kaffein som testes gjennom urinprøver (< 12 mikrogram/milliliter). Selv om det finnes store variasjoner, vil de fleste ligge under denne grensen selv med et inntak på 900 mg kaffein. Hvorvidt det er gunstig for en idrettsutøver å ta kaffein synes fortsatt noe uklart. For øvrig ligger Norge på «kaffetoppen» med 3,8 kopper daglig per voksen person (over 18 år).

Dose Det forbrukes cirka 120 000 tonn kaffein årlig. Mesteparten stammer fra kaffe og te, men noe kommer også fra andre kaffeinholdige planter. I gjennomsnitt finnes det cirka 100 mg kaffein i en kopp kaffe, men dette kan variere fra 40 til 200 mg. Kaffe laget på bønner fra robusta har vanligvis mer kaffein enn kaffe fra arabica. Pulverkaffe inneholder 30–120 mg/kopp, mens det i te finnes cirka 30–70 mg kaffein i en kopp (tepose ~30 mg). I en 360 ml Coca-Colaflaske er det cirka 50 mg kaffein, og cirka 5 mg i en kopp kakao, mens det i sjokolade kan være nesten 90 mg/100 g. Selv om kaffein er mange ganger mer potent enn teobromin, er det også adskillig mer teobromin enn kaffein i sjokolade. En sjokoladeplate, cirka 50 g, kan ha 100–240 mg teobromin. En kopp varm sjokolade eller et glass sjo-

Del 1 Alt er kjemi.indd 29

28-08-11 13:22:38

Del I Om ting vi putter i oss

kolademelk kan inneholde 60 mg teobromin og 5 mg kaffein. En «hold deg våken»-tablett kan inneholde fra 100 til 200 mg kaffein. Det antas at 300 mg kaffein per dag (tre kopper kaffe) er et moderat forbruk, og det er ikke påvist negative helseeffekter ved slike doser. Men kaffein er på ingen måte ufarlig. Her, som ellers, er det dosen som teller. En dødelig dose gjen nom munnen er cirka 5000–10 000 mg (50–100 kopper kaffe eller 5 kg sjoko lade!). Feilaktig dosering av kaffein på sykehus har faktisk forårsaket dødsfall.

Virkning Ved inntak av 50 mg/kg (3,5 g for en person på 70 kg) kan akutte forgiftnings symptomer opptre, men svakere symptomer kan inntreffe ved så lave doser som 3 mg/kg. Etter fem eller flere kopper sterk kaffe kan det opptre symptomer som uro, nervøsitet, opprømthet, søvnløshet, rødme i ansiktet, hyppig vannlating, magetrøbbel, muskelskjelvinger, rotete tale og endring i hjerterytmen. Dette ble beskrevet av to journalister som testet hvor mange kopper espressokaffe de kunne tåle. Etter to til tre kopper følte de seg kvikke, men det begynte å krible i fingrene. Etter fem til seks kopper begynte de å bli ganske høyrøstede og løsslupne. Etter kopp syv og åtte var påvirkningen meget påtakelig og praten litt usammenhengende. Ettervirkningene ble opplevd som «enorme»: kaldsvette, hypertempo, oppspilte øyne osv.7 Medisinsk er kaffein klassifisert som et sentralstimulerende analeptikum8 og nyttig som en hjertestimulant samt som vanndrivende middel. Virkningen kan karakteriseres som mildt euforisk, det vil si; gir en fysisk og psykisk følelse av velvære, økt mental kapasitet og en senkning av barrieren mot fysisk arbeid. Forbindelsen synes å ha den sjeldne egenskap at den ved små doser uten fare kan forbedre en rekke mentale funksjoner som humør, våkenhet, hukommelse og læring samt evnen til å tenke klart. Mange mennesker føler at de ikke kommer i gang om morgenen uten en kaffekopp. Som nevnt innledningsvis er det kanskje ikke helt tilfeldig at det fant sted en intellektuell oppblomstring parallelt med utbredelsen av kaffe, og virkningene er beskrevet både i musikalske (Bach), lyriske og prosaiske, vitenskapelige vendinger. Noe forskning kan tyde på at det skapes en økt kontakt mellom nerveceller under påvirkning av kaffein. Selv om data her er lite fullstendige, kan dette tyde på at denne forbindelsen kan bedre både langtids hukommelsen og evnen til å lære.

Del 1 Alt er kjemi.indd 30

28-08-11 13:22:38

Kaffein

Generelt synes virkningen av kaffein å være slik at blodårene trekker seg sammen, mens hjerterytme og blodtrykk økes. Derfor vil eldre mennesker som ofte kan få senket blodtrykk (hypotensjon) etter et måltid, spesielt etter frokost, kunne ha glede av å drikke en til to kopper kaffe om morgenen. Derimot bør personer som er plaget av kalde hender og føtter, eller lider av grønn stær (glaukom), la kaffen stå. Likevel kan det hende at blodårene utvides og blodtrykket senkes i enkelte tilfeller, og dette er et eksempel på de mange forvirrende resultater som foreligger i kaffeinforskningen. Som vi har sett for en del andre forbindelser (alkohol9, marihuana10), kan virkningen variere både fra individ til individ og med den aktuelle situasjon det enkelte individ befinner seg i. Slik også med kaffein. Eksempelvis synes virkningen å være forskjellig hos ekstroverte og introverte mennesker på den måten at mens mentale oppgaver blir forbedret hos de fleste, er det slik at mer kompliserte oppgaver lettere blir løst av ekstroverte personer etter kaffeininntak, mens det snarere er en forverring hos introverte. Dette at virkningen av det vi putter i oss også kan ha et individuelt aspekt, er en nyttig lærdom å ta med seg. Kaffeinets kanskje mest verdifulle egenskap er at den kan fjerne søvnighet og tretthetsfølelse. Men selv om kaffein kan hjelpe en til å holde seg våken og oppmerksom lenger, så har åtte timers søvn en bedre effekt både på humør, oppmerksomhet og arbeidsevne enn noen kopper kaffe. Kaffeinets virkning på søvnsenteret er slik at selv om man sovner inntrer ikke den dype søvnen som er viktig for rekreasjon, og dette kan føre til nedsliting av organismen over tid. Derfor bør bruk av kaffe for å holde seg våken bare være hjelp i en «nødtilstand» og ikke en vane. Det kan gå «på reservene løs» og føre til utslitthet og irritabilitet. Kaffeinets effekt på helsen har vært diskutert intenst opp gjennom tidene, men få skader eller negative virkninger ved moderat forbruk er påvist. Det er ikke funnet grunn til å tro at kaffein kan fremkalle kreft eller skader på arvestoffet (teratogene effekter). Heller ikke hjerte- og blodåresystem synes å ta skade av kaffein, selv om både hjerterytme og blodtrykk påvirkes. Universitetet i Helsinki har undersøkt 20 000 mennesker angående deres kaffeforbruk og kommet til at kaffe er helt ufarlig for de aller fleste. Koke kaffe kan imidlertid ha en ugunstig effekt på folk med høyt kolesterol. Derimot er filterkaffe ufarlig for alle. I de tusenvis av forskningsprosjekter som angår virkning av kaffein, er det pekt på en rekke mulige effekter som for eksempel gunstig effekt på gallesten,

Del 1 Alt er kjemi.indd 31

28-08-11 13:22:38

Del I Om ting vi putter i oss

på astma siden bronkiene utvides, på utviklingen av «Parkinson» gjennom blokkaden av adenosin, på hodepine osv. Det er også hevdet at kaffein kan motvirke «jetlag» ved at man avstår fra kaffe en til to uker før en lang flyreise, og så drikker noen kopper kaffe i riktig tid for korreksjon av den biologiske klokken når man er kommet frem. På den negative siden har vi at det ved jevnlig bruk av kaffein oppstår toleranse, slik at virkningene avtar og det oppstår abstinenssymptomer ved avbrudd i kaffeininntaket. Det ser ut til at slike symptomer ikke er til å unngå når et jevnt inntak av et stoff som virker på en eller annen form for reseptorer i nervesystemet avbrytes. Når det gjelder kaffein, er imidlertid disse vanligvis relativt svake og forsvinner etter noen dager med hodepine og kanskje en viss depresjon som også forsvinner raskt etter en kopp kaffe. Det har vært spekulert over om barn kan bli født med et abstinenssyndrom dersom deres mødre drikker særdeles mye kaffe under svangerskapet. Det er i alle fall sikkert at kaffedrikking i ammeperioden vil overføre kaffein til barnet fordi kaffeinet hos moren i den situasjonen brytes ned meget langsomt eller ikke i det hele tatt. Likevel er ingen klare tilfeller funnet ved de undersøkelser som er utført.

Virkningsmekanismer For å finne forklaringer på de forskjellige virkningene av kaffein blir denne forbindelsen underkastet en forskning som resulterer i 1500–2000 publikasjoner per år. Likevel står mange spørsmål fremdeles ubesvart selv om en del detaljer begynner å tre frem. Siden kaffein delvis er løselig i vann, blir stoffet hurtig absorbert fra tarmen og brakt over i blodet og dermed rundt i organismen, også til sentralnervesystemet (CNS). Dette skjer relativt raskt siden blod–hjerne-barrieren ikke er effektiv for kaffein. Straks etter at man har drukket kaffe, finnes det kaffein likelig fordelt i praktisk talt alle kroppens celler. Maksimal effekt oppnås som regel en halv til en times tid etter at kaffeinet er kommet inn i organismen. Etter en vanlig kaffekopp (cirka 100 mg kaffein) er konsentrasjonen i kroppen 1–2 mg/kg, avhengig av personvekt. Kaffein brytes ned i leveren, og bare en forsvinnende liten del (1–2 prosent) går uforandret gjennom organismen. Halveringstiden i organismen er relativt kort; bare 4–6 timer, og siden både kaffeinen og metabolittene er vannløselige, forsvinner de forholdsvis fort uten å bli akkumulert i noen deler av krop-

Del 1 Alt er kjemi.indd 32

28-08-11 13:22:38

Kaffein

pen. (Slik det skjer med mange fettløselige forbindelser, som for eksempel tetrahydrokannabinol.) Etter 15–20 timer er mer enn 90 prosent av kaffeinet ute av kroppen. Imidlertid brytes kaffeinet ned med en hastighet som varierer med faktorer som også kan være individuelle. For eksempel er den langsommere hos gravide, asiater og menn og raskere hos kaukasere og kvinner. Nedbrytingen forsinkes av p-piller og alkohol, slik at en «kaffedoktor» vil gi forlenget effekt av kaffeinen. Dermed kan det være en viss fornuft i å bruke kaffe for å «vekke opp» en beruset person, siden kaffeinkonsentrasjonen da holdes høy over lengre tid. På den andre siden fremskyndes nedbrytingen av kaffein av nikotin, slik at røykere må drikke mer kaffe for å få samme effekt som ikke-røykere. Metabolismen av kaffein er ganske komplisert, og den kan variere både innen forskjellige dyrearter og forskjellige menneskeraser, ja til og med blant forskjellige individer. I hovedsak skjer nedbrytingen ved at det trinn for trinn fjernes metylgrupper fra kaffeinmolekylet, slik at det dannes teofyllin og paraxantin, og disse forbindelsene virker imidlertid langt på vei på samme måte som kaffein. Teofyllin er mer urindrivende, og teobromin er en bedre bronkodillator enn kaffein. Kakao er en hovedkilde til teobromin, mens te, foruten kaffein, inneholder både teofyllin og metylxantin. Disse forbindelsene vil i sin tur også forsinke videre nedbryting av kaffein, slik at om man spiser sjokolade (som inneholder teobromin) sammen med kaffe, vil dette gi en lengre effekt av kaffeinet i kaffen. NH2 N

HO O H H

Fig. 2.5. Adenosin.

Del 1 Alt er kjemi.indd 33

H OH

O H

O P

-O

NH2 N N

H OH

Fig. 2.6. cAMP.

28-08-11 13:22:38

Del I Om ting vi putter i oss

Skal vi forstå hvordan kaffein virker i organismen, må vi vite noe om den særdeles spennende kjemien som finner sted der. Svært mange av disse prosessene styres av bestemte signalstoffer (transmittere) som reagerer med bestemte proteinmolekyler som sitter i overflaten på bestemte celler. Slike proteinmolekyler kalles for reseptorer. Når det oppstår en kombinasjon mellom en transmitter og en reseptor, så fører dette til bestemte prosesser i den cellen som reseptoren er knyttet til. Enkelte nerveceller i CNS har reseptorer som reagerer spesielt på adenosin (fig. 5.), og når dette skjer, dempes aktiviteten i de respektive nerveceller slik at det inntrer en følelse av tretthet og søvnighet. Samtidig inntreffer en utvidelse av blodårene og en senket hjerterytme. Resultatet er et senket blodtrykk. Aktivering av disse reseptorene virker også dempende på urinering, hvilket er praktisk dersom man skal sove en hel natt. I løpet av en dag øker vanligvis adenosinkonsentrasjonen i blodet, og når konsentrasjonen er stor nok, vil tilstrekkelig mange adenosinreseptorer aktiviseres til at dempede nervesignaler utløser tretthet og søvn. Sammenligner vi strukturen av kaffeinmolekylet med adenosin, finner vi en ganske stor likhet med, i alle fall en del av, adenosinmolekylet. Derfor kan kaf fein reagere med adenosinreseptoren og eventuelt også fortrenge adenosin fra denne, men uten å utløse noen tilsvarende respons. Reseptoren er med andre ord blokkert og utilgjengelig for adenosin, slik at det naturlige «bremsesystemet» hindres i å tre i virksomhet. Resultatet er sammentrekning av blodårene, økt hjerterytme og blodtrykk og en minsket tretthetsfølelse. Samtidig inntreffer også en vanndrivende effekt. Siden en årsak til hodepine ofte kan være en utvidelse av blodårene i hinnen rundt hjernen, kan kaffeinets sammentrekkende virkning på disse blodårene kanskje forklare at noen former for hodepine kan kureres eller lettes med en kopp kaffe. Kaffein gir en signifikant økning av virkningen av smertestillende midler (analgesia) som Aspirin. Siden kaffein motvirker de dempende effektene fra adenosinreseptoren, øker aktiviteten i nervecellene og det fører til at hypofysen aktiviserer adrenalinkjertelen til å gi ut mer adrenalin som gir mer «energi»: Pupillene utvides, bronkiene utvides slik at pusten går lettere (antiastma), hjertet slår fortere, blodårene i huden trekkes sammen slik at musklene får mer blod, blodtrykket øker og leveren gir ut mer sukker i blodstrømmen. Dette forklarer hvorfor man får kjølige hender, økt puls og økt energi. Kaffein fører også til at dopaminnivået økes, og derved stimuleres også «lykkesenteret» i hjernen. På denne måten gir kaffein samme virkning som heroin, kokain og amfetaminer, om enn langt svakere.

Del 1 Alt er kjemi.indd 34

28-08-11 13:22:38

Kaffein

En annen virkningsmekanisme for kaffein er at kaffein synes å føre til en økt akkumulering av cyklisk adenosinmonofosfat (cAMP) (fig. 6). Denne forbindelsen, som er involvert i frigjøring av glukose fra glykogen, har vi i blodet vårt, men den blir inaktivert av et enzym som heter fosfodiesterase. Imidlertid kan dette enzymet også «ta feil» av cAMP og kaffein, på grunn av likhetene i de to molekylene, slik at det blir mindre aktivt fosfodiesterase igjen til å inaktivere cAMP. Dermed blir det mer cAMP i blodet til å frigjøre glukose, og siden glukose er vårt «brennstoff», føler vi oss straks mer energiske. Men, som nevnt, det er fortsatt mange spørsmål som venter på svar, og ennå mye å gjøre for kjemikerne. Imens kan vi jo spekulere over hva som er «doping» og hva som ikke er det, selv om det viktigste naturligvis er hva vi gjør med oss selv med det vi putter i oss. Noen data om kaffeininnhold i diverse nytelsesmidler: Produkt

Mg. kaffein

Kaffe (6 oz kopp) Filter Perkulert Espresso (1,5–2 oz) Pulverkaffe Dekaffeinert

130–180 75–150 100 50–130 2–6

Te 1 min 3 min 5 min Iste i boks (12 oz)

10–40 20–55 25–100 55–90

Sjokolade Varm sjokoldemiks (6 oz) Melkesjokolade (1 oz) Mørk sjokolade (1 oz) Bakesjokolade (1 oz)

10 4 20 35

Drikkevarer Coca-Cola (12 oz) Pepsi

46 36

Del 1 Alt er kjemi.indd 35

28-08-11 13:22:38

Del I Om ting vi putter i oss

Referanser 1 Bennett Alan Weiberg og Bonnie K. Bealer: The world of caffeine, Routledge (2001) 2 Ivon Flament: Coffee Flavour Chemistry, Wiley (2001) 3 Scientific American, juni 2002 4 Education in Chemistry, 101 5 Aftenposten, 27. mars 2002 6 Scientific American.com., 27. juni 2002 7 Aftenposten, 1. februar 2002 8 Adrien Albert: Xenobiosis, Chapman Hall (1987) 9 Se kapittel 3 i denne boken 10 Se kapittel 12 i denne boken

Note 1 Når jeg konsekvent bruker navnet «kaffein» på denne forbindelsen, er det fordi F.F. Runge, som identifiserte stoffet, var tysk. Han ekstraherte forbindelsen fra «kaffebohne» og kalte stoffet for kaffein. Dette er også fagnavnet på denne forbindelsen. Selv på engelsk heter det «caffeine», til tross for at kaffe på engelsk heter coffee. Hvorfor man på norsk nesten alltid skriver «koffein» vet jeg ikke.

Del 1 Alt er kjemi.indd 36

28-08-11 13:22:38

Del 1 Alt er kjemi.indd 2

ďťż

28-08-11 13:22:33

o n a t

ioner

asp

irin

diok

syge

is bn 978-82-15-01882-9

omslag av blæst, s. hole

maria

arvid mostad alt er kjemi

d n i m a t i v pr

arvid mostad

alt er kjemi – men kjemi er ikke alt