Waterhuishouding van ons lichaam is elementaire chemie

Dat water een van de belangrijkste stoffen op aarde is, weet de mensheid al vanaf het allereerste begin. Uiteraard kozen de Grieken water als één van die vier natuurlijke elementen, samen met aarde, lucht en vuur. Pas in de achtiende eeuw ontstaat twijfel. In 1789 verschijnt in Parijs het scheikundeleerboek van Antoine Lavoisier, de Franse natuurwetenschapper die als de grondlegger van de moderne scheikunde geldt. Hij rekent af met het concept van water als element en ontleedt het tot twee gassen: zuurstof en waterstof. Toch is water voor ons mensen van ‘elementair’ belang.

1 januari 2007

Chemisch gezien is water een geweldig oplosmiddel. In geen enkel andere vloeistof lossen zóveel verschillende stoffen op. Allerlei zouten, maar ook polaire moleculaire stoffen zoals suikers en sommige eiwitten. Dat is allemaal van doorslaggevend belang voor het leven zoals we dat kennen.

Soms is dat geweldig oplossend vermogen trouwens wel een probleem. Schipbreukelingen kunnen geen zeewater drinken omdat er erg veel zout in zit. Eén van de weinige manieren om het water schoon te maken en al deze opgeloste stoffen er in één keer uit te halen, is destilleren. Meestal doet de natuur dat voor ons, in de vorm van regenwater. Dat natuurlijke destillatieproces maakt het zeewater uiteindelijk tóch drinkbaar.

Schoon water, schoon bloed

Ook ons lichaam heeft voortdurend de behoefte aan zuivering. Om in leven te blijven moet bloed – dat voor iets meer dan de helft uit water bestaat – schoon zijn. De afvalstoffen moeten eruit, maar alle voor het leven noodzakelijke stoffen moeten er in blijven.

De kleur van chemie

Dit artikel is afkomstig uit het hoofdstuk ‘Water’ uit de VU-uitgave ‘’, een bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren.

Chemisch gezien is dat vrijwel onmogelijk, maar ons lichaam heeft een geniale oplossing voor dit scheidingsprobleem. Het water, met alle gewenste én ongewenste opgeloste stoffen, gaat door een ruwe zeef naar buiten. Alleen bloedlichaampjes, bloedplaatjes en dergelijke worden daarbij tegengehouden. En daarna wordt van elke stof die het lichaam nodig heeft, apart bekeken of die weer terug naar binnen mag. Onbekende stoffen worden niet herkend, en blijven automatisch buiten. Ongewenste stoffen zoals teveel zout, ureum en ander afval ook. Het zijn de nieren die dit chemische kunststukje verzorgen.

Van zeewater droog je uit

Er zit wel een zwak punt in dit proces en dat is het zout. Als er teveel zout weggewerkt moet worden, krijg je erg zoute urine. Dan wordt een proces van belang dat osmose heet. Als je ‘zuiver’ en ‘zout’ water aan twee kanten van een waterdoorlatend vlies hebt, dan zal er ‘zuiver’ water door het vlies naar de ‘zoute’ kant gaan. Dit is in principe tegen te gaan door aan de zoute kant het water onder een hogere druk te zetten (dat wordt de osmotische druk genoemd), maar in de nieren kan dat natuurlijk niet. Dus trekt de zoute urine veel water uit het bloed. Dat is de reden dat schipbreukelingen geen zeewater kunnen drinken: ze drogen letterlijk uit. Hoe meer zeewater ze drinken, hoe meer ze uitdrogen.

De nieren zijn overigens bij lange na niet de enige plaatsen waar de osmose een rol speelt. Overal waar cellen en vloeistoffen bij elkaar komen, treedt osmose op.

Een close-up van iemands arm met transpiratiedruppels. — Wikimedia Commons | Minghong

Sport kan niet zonder water

Iedereen die ooit op een warme dag iets aan sport gedaan heeft kent het verschijnsel: na afloop zweet je als een otter en je vergaat van de dorst. Het leveren van goede sportprestaties is niet mogelijk zonder water.

Sporters verliezen door zweten soms meer dan twee liter vocht per uur. Als dit vochtverlies niet wordt aangevuld door drinken, kan de sporter uitdrogen, oververhit raken en op de lange duur zelfs sterven. Gelukkig zijn de meeste sporters maar korte tijd achtereen bezig, en hebben daarna voldoende pauze om te drinken. Duursporters, die lange tijd achtereen moeten presteren, hebben dat niet. Die moeten hun vochtreserve aanvullen tijdens het sporten.

Trainen is zilver, water is goud.

Het vervelende is alleen, dat je tijdens het sporten doorgaans geen dorstgevoel hebt. Je gaat wel minder zweten en je hebt het warm. Maar je wil nog even doorzetten…

Voor je het weet, heb je in plaats van de finish het ziekenhuis bereikt. Misschien wel de beroemdste sporter die dit overkwam was de Italiaanse marathonloper Pietri, bij de Olympische Spelen van Londen in 1908. De 24ste juli was een warme dag, en Pietri had het parcours van Windsor Castle tot het Olympisch Stadion in een vlot tempo afgelegd. Zonder veel tijd te besteden aan drinken onderweg.

Pietri kwam als eerste het stadion binnen, maar zakte toen in elkaar. Hij kwam weer overeind, liep enkele meters en viel weer, en dit herhaalde zich tot twee officials hem ondersteunden. Daardoor gediskwalificeerd moest hij vlak voor de finish toezien hoe de Amerikaan John Hayes – die onderweg wel voldoende water had gedronken – het goud voor zijn neus weg kaapte.

Tegenwoordig drinken sporters meestal geen gewoon water, maar speciale sportdranken met een beetje zouten en suikers (en een ruime hoeveelheid suggestie). De zoektocht naar het simpele recept van die drank verliep nogal merkwaardig.

Uitgedroogde baby’s

Net als duursporters lopen ook baby’s die niet veel drinken, bijvoorbeeld op warme zomerdagen, gevaar van uitdroging. Vooral als ze een beetje ziek zijn, spugen en/of diarree hebben. De snelste manier om de waterbalans te herstellen is het drinken van een isotone zoutoplossing. Isotoon wil zeggen dat de osmotische waarde van de oplossing gelijk is aan die van het bloed. Het gaat dan om een natriumchloride-oplossing van ongeveer 0,9%.

Helaas vertikken veel baby’s met uitdrogingsverschijnselen dat brakke water te drinken. Een kinderarts in de tropen probeerde daarom de vervelende smaak te verdoezelen door een beetje suiker toe te voegen. Hij merkte vervolgens dat deze oplossing niet alleen veel beter gedronken werd, maar op raadselachtige wijze ook nog eens veel beter werkte. Hij gaf de aanzet tot wat nu ORS heet: Oral Rehydration Salts. Het is een mengsel van zouten en glucose dat niet alleen veel baby’s gered heeft maar ook vele anderen.

Toen het effect van het zout/zoet water-mengsel bij baby’s met uitdrogingsverschijnselen bekend werd, ging men deze vloeistof ook bij cholerapatiënten toepassen. En met opzienbarend succes! Cholera wordt veroorzaakt door de bacterie Vibrio cholerae, een bacterie die in zoet en zout water kan leven. De bacterie nestelt zich in de slijmvliezen van de dunne darm en veroorzaakt daar overmatige uitscheiding van vocht en elektrolyten.

Een normaal lichaam scheidt ongeveer 1,4 liter vocht per dag uit, bij een cholerapatiënt kan dit oplopen tot 10 liter per dag. Als het slachtoffer niet snel en genoeg water kan opnemen, volgt binnen enkele dagen de dood door uitdroging. Na enig experimenteren ontstond de huidige samenstelling van ORS: een oplossing met per liter water 3,5 g NaCl, 2,9 gram natriumcitraat, 1,5 gram KCl en 20,0 gram glucose. Nog nooit was een zo ernstige ziekte met zo’n eenvoudig middel te genezen.

Waarom ORS werkt

De dunne darm bevat vingervormige uitsteeksels (de villi), die natrium-ionen, chloride-ionen en water uit het bloed naar de darm transporteren om bij de vertering te helpen. De villuscellen hebben twee biochemische kanalen om natriumionen en glucosemoleculen (en daarmee water en chloride-ionen) terug naar de bloedbaan te krijgen.

De cholerabacterie blokkeert het ene kanaal en vermindert zo de heropname van water door het bloed. Het tweede kanaal werkt alleen als er voor elk natriumion een glucosemolecuul aanwezig is – en dat is bij een verzwakt persoon die niet meer kan eten of drinken onwaarschijnlijk.

Een ORS-oplossing levert gelijke molariteiten natriumionen en glucose en stimuleert daardoor het tweede opnamekanaal. Met natrium en glucose worden ook water en chloride opnieuw opgenomen door de dunne darm en de uitgedroogde patiënt wordt gered.

Alle Kennislinkartikelen uit het hoofdstuk ‘Water’:

Het boek ‘De kleur van chemie’ werd in 2007 uitgegeven door de Faculteit der Exacte Wetenschappen van de Vrije Universiteit Amsterdam (Afdeling Scheikunde en Farmaceutische Wetenschappen). Het is een geactualiseerde bundeling van informatieve brochures voor havo/vwo scholieren. Ze belichten de rol van de scheikunde op tal van gebieden.