Als je het periodiek systeem ziet, wat komt er dan in je op? De stukken op een scrabble-bord? Misschien denk je aan je scheikundeklas op de middelbare school. Misschien denk je aan de kleurrijke tafel die op de muur van een collegezaal op de universiteit is gepleisterd. Misschien herinner je je nog dat je favoriete leraar iets voor in de klas in brand stak. Ik ben assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van Richmond en als ik de uitdrukking ‘het periodiek systeem’ hoor, denk ik aan het leven.
Ik denk aan hoe de moleculen en chemicaliën die ons omringen en ons dagelijks leven dicteren activiteiten bestaan uit de elementen op die tafel – ze ondersteunen ons leven, ze brengen schoonheid in de wereld en zijn essentieel in de geneeskunde.
Elke kolom van het periodiek systeem wordt een groep genoemd. Elk lid van de groep heeft een vergelijkbare rangschikking van elektronen die kunnen resulteren in vergelijkbare chemische eigenschappen. De groep 15 elementen – stikstof, fosfor, arseen, antimoon, bismut en moscovium – zijn interessant voor mij vanwege hun cruciale rol in het leven en in mijn onderzoekslaboratorium. Een element dat we bestuderen is fosfor vanwege zijn integrale rol in het lot van cellen.
Maar voordat we op die details ingaan, laten we eerst een korte blik werpen op elk van de elementen van groep 15. Ze vormen een unieke set in hun geschiedenis, gebruik en eigenschappen.
Groep 15 – leven geven en dood veroorzaken
Stikstof (N) in zijn atmosferische vorm (N₂) vormt ongeveer 78% van de lucht die we inademen. Wanneer bacteriën die in plantenwortels leven het omzetten in een bruikbare vorm via een proces dat stikstoffixatie wordt genoemd, wordt deze elementaire vorm van stikstof opgenomen in veel verbindingen die nodig zijn voor het leven – eiwitten en DNA, bijvoorbeeld. Onderaan de kolom staat Moscovium (Mc), wat interessant is omdat het in de natuur niet echt bestaat. Het is een radioactief element dat alleen in een laboratorium kan worden gegenereerd en minder dan een seconde overleeft.
Arseen (As) komt je misschien bekend voor vanwege de associatie met vergiftigingen. In 1494 werd Pico della Mirandola, een Italiaanse humanistische filosoof tijdens de Renaissance, vergiftigd door arseen, hoewel de details rond zijn vroege dood nog steeds worden besproken. Lange tijd werd aangenomen dat Napoleon Bonaparte stierf aan blootstelling aan arseen in 1821, maar na uitgebreide vergelijkingen van geconserveerde haarmonsters uit verschillende stadia van zijn leven, concludeerden onderzoekers dat de verhoogde niveaus van arseen hoogstwaarschijnlijk te wijten waren aan conserveringstechnieken van die tijd. Meer recentelijk heeft de Wereldgezondheidsorganisatie geschat dat met arseen verontreinigd drinkwater in Bangladesh in 2001 tot meer dan 9.000 doden heeft geleid. Hoe arseenvergiftiging en -doden worden niet volledig begrepen, maar het lijdt geen twijfel dat het element vernietiging van vitale organen in de mens veroorzaakt body.
Wanneer het element antimoon (Sb) wordt gecombineerd met drie zuurstofatomen om antimoontrioxide te vormen, wordt het op grote schaal gebruikt als vlamvertrager voor meubels, tapijten , gordijnen, rubber, kunststoffen en kleefstoffen. De hoeveelheden van dit molecuul in deze huishoudelijke producten zijn over het algemeen erg klein, en deze antimoongehaltes worden als veilig beschouwd.
Bismut (Bi) is een metaal dat in dezelfde rij van het periodiek systeem voorkomt als een aantal giftige metalen; verbindingen die bismut bevatten, zijn echter onschadelijk. Bismutverbindingen zijn te vinden in cosmetica vanwege hun kenmerkende en wenselijke zilverachtige glans. Zelfs als je geen bismuthoudende producten voor persoonlijke verzorging hebt gebruikt, ben je het waarschijnlijk tegengekomen in het bekende antacidum Peptobismol®, dat wordt gebruikt om maagklachten te behandelen, of op 4 juli wanneer je naar vuurwerk kijkt. Het is een bismutverbinding die de knetterende geluiden van het vuurwerk van drakenei veroorzaakt.
Als laatste, maar niet de minste, van de groep 15 is fosfor (P). Het werd in 1669 ontdekt door de alchemist Hennig Brandt en genoemd naar het Griekse woord “phosphoros”, wat lichtbrenger betekent. Dat komt omdat wanneer de elementaire vorm in wisselwerking staat met zuurstof uit de lucht, het een schitterend licht produceert. Chemici ontdekten hoe ze de kracht van deze reactie voor de ontwikkeling van lucifers. De rode punt van een lucifer bevat nog steeds een vorm van fosfor.
Fosfaten – reguleren het lot van kankercellen
Naast vonken die door het element worden gegenereerd wordt fosfor aangetroffen in een verbinding die bekend staat als fosfaat: fosfor gekoppeld aan vier zuurstofatomen.Wanneer in cellen een fosfaatmolecuul aan een eiwit is gehecht, kan het het eiwit aanzetten of activeren, zodat het zijn functie in de cel kan uitoefenen – zoals het stimuleren van groei.
Wanneer het fosfaat niet langer aan het eiwit is gehecht, stoppen de cellen met groeien. Je kunt het bijna zien als de lucifers die hierboven zijn beschreven: als het fosfaat aanwezig is, kan de lucifer ontbranden en kan het bedrijf doorgaan. Wanneer het fosfaat is verwijderd, is de lucifer slechts een stok en wordt er geen licht verschaft; in het donker kan niet zoveel werk gebeuren.
In kankercellen is de fosfaatstatus niet onder controle te houden. Stel je voor dat er veel verlichte lucifers zijn en een zeer lichte kamer die kan resulteren in een golf van activiteit. Deze activiteit kan ernstige gevolgen hebben voor cellen. Ongereguleerde groei en migratie kunnen bijvoorbeeld tot kanker leiden.
In mijn laboratorium aan de Universiteit van Richmond zijn we geïnteresseerd in het begrijpen van deze fosfaten en een eiwit in het bijzonder dat ermee interageert. Dit eiwit, MEMO1 genaamd, wordt in grote hoeveelheden aangetroffen bij borstkankerpatiënten en helpt de fosfaten om altijd gehecht te blijven aan eiwitten. We proberen te begrijpen hoe MEMO1 interageert met deze fosfaten en ontwikkelen strategieën om die interacties te verstoren.
We hopen dat ons werk een manier onthult om de fosfaten te helpen verwijderen om de ongecontroleerde groei van cellen te stoppen – met andere woorden, om de lucifers uit te blazen.
Dus de volgende keer hoor je de woorden ‘periodiek systeem’, denk alsjeblieft aan het leven. Denk aan de moleculen die je elk moment van de dag tegenkomt, denk aan het medicijn dat je gezond houdt en denk aan degenen onder ons die proberen te begrijpen hoe ze je zo kunnen houden .