Spuren können tödlich sein

Gifte entfalten ihre fatale Wirkung oft schon in Mengen, die mit den Augen kaum sichtbar sind. Dabei blockieren sie lebenswichtige Prozesse in Nervensystem oder Stoffwechsel. Alle bisher bekannten hochpotenten tödlichen Substanzen entstanden außerhalb des Chemielabors – bis auf eine Gruppe.

Mitte Februar erklärten die Außenministerien Deutschlands und vier anderer europäischer Länder: Der Kreml-Kritiker Alexej Nawalny sei mit dem Pfeilgift Epibatidin vergiftet worden.¹⁾ Das hätten Analysen eindeutig nachgewiesen. Schon im August 2020 hatte Russland zu einem Gift gegriffen, um den Regierungskritiker aus dem Weg zu räumen; damals war es Nowitschok, ein Nervengift aus der Gruppe der organischen Phosphorsäureester (Kasten S. 11).²⁾

Um die akute Toxizität eines Stoffes anzugeben, wird die mittlere Letaldosis (LD₅₀) genutzt: Sie gibt die Menge eines Stoffs an, die bei einmaliger Gabe bei 50 % der Versuchstiere zum Tod führt. Bei beiden Substanzen reichen bereits winzige Mengen, um ein Leben auszulöschen. Die LD₅₀ beträgt nur wenige Mikrogramm pro Kilogramm Körpergewicht – gerade mal ein Tausendstel der Menge, die es bei Zyankali braucht. Organische Phosphorsäureester wie Nowitschok, VX und Sarin sind dabei eine traurige Besonderheit: Sie sind die einzigen hochpotenten Gifte, die der Mensch selbst entwickelt hat. Alle anderen sind natürlichen Ursprungs.

Giftküche Natur

„Im Laufe von Jahrmillionen hat die Evolution etliche hochgiftige Substanzen hervorgebracht“, sagt Jan Hengstler, Toxikologe und Arzt am Leibniz-Institut für Arbeitsforschung (Ifado) an der TU Dortmund. Durch ständige zufällige Mutation und Selektion seien extrem potente Gifte entstanden, die ihren Produzenten einen Vorteil gegenüber Konkurrenten oder Fressfeinden verschafften.

Solche hochgiftigen Substanzen zielen auf spezifische Mechanismen im Körper ab, die wie Sollbruchstellen wirken – „diese Mechanismen sind zentral für das Leben und extrem empfindlich gegenüber Störungen“, sagt Hengstler.

Dazu gehört beispielsweise die Erregungsweiterleitung an den Synapsen, bei deren Lahmlegung schließlich die Atmung versagt. Oder das Gift blockiert die mitochondriale Atmungskette – das Opfer erstickt innerlich. Andere Substanzen stören die Proteinbiosynthese, sodass der Körper keine lebenswichtigen Proteine mehr herstellen kann.

Es genügen bereits Spuren solcher Gifte, da schon ein Mikrogramm viele Milliarden oder sogar Billiarden Moleküle umfasst, die lebenswichtige Mechanismen im Körper überfluten. Ein einziges Molekül eines Gifts wie Diphterietoxin kann beispielsweise die Proteinbiosynthese in einer ganzen Zelle dauerhaft lahmlegen. Bei 36 Billionen Zellen pro Mensch genügt also ein Mikrogramm des Toxins, um diesen lebenswichtigen Syntheseapparat in so gut wie allen Zellen auszuschalten.

Oft sind solche hochgiftigen Substanzen Proteine, zum Beispiel Botulinumtoxin, Tetanustoxin oder Rizin (Abbildung unten) mit Molekularmassen von rund 150 kDa (Botulinum- und Tetanustoxin) bzw. 60 bis 65 kDa (Rizin). Epibatidin (Abbildung links) hingegen ist eine niedermolekulare Verbindung, ein chloriertes Alkaloid, mit einer Molekularmasse von lediglich 208,69 g · mol⁻¹. Das marine Gift Maitotoxin liegt von seiner Größe dazwischen: Es ist ein komplexer Polyether mit 32 Ringstrukturen und einer Molekularmasse von 3425,86 g · mol⁻¹.

Das tödlichste ist …

Botulinumtoxin (Abbildung links unten), auch Botox genannt, ist unbestritten der „Spitzenreiter“ unter den Spurengiften, sagt Jan Hengstler: „Nur ein Nanogramm pro Kilogramm Körpergewicht ist bei Injektion bereits tödlich − unglaublich wenig also.“ Es wird von Bakterien der Spezies Clostridium botulinum − sowie selten C. butyricum oder C. baratii – produziert, die in der Umwelt weit verbreitet sind – etwa im Erdreich, in Meeres- und Flussböden, in Staub, Wasser und in küstennahen Gewässern. Die Bakterien verschaffen sich damit in nährstoffarmen, anaeroben Umgebungen einen Vorteil: Das Gift lähmt oder tötet Konkurrenzorganismen und Wirtstiere. Die Wirtstiere zersetzt das Bakterium anschließend, um Nährstoffe für sich herzustellen.³⁾

Es gibt die Botulinumtoxine A bis H; alle sind neurotoxine Proteinkomplexe. Es handelt sich um Zink-abhängige Endopeptidasen, die Snare-Proteine (soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment receptor) spalten. Diese sitzen an der motorischen Endplatte, einer spezialisierten chemischen Synapse, die elektrische Signale von motorischen Nervenfasern auf Skelettmuskelfasern überträgt. Die Snare-Proteine sorgen dafür, dass Nervenzellen den Neurotransmitter Acetylcholin abgeben können, der das Signal zur Muskelkontraktion gibt. Ohne sie können die Nervenzellen keine Erregung an die Muskelfasern weitergeben; das Opfer ist gelähmt und stirbt letztlich, weil es nicht mehr atmen kann. (Zur Behandlung von Falten wird Botulinumtoxin Typ A gespritzt. Dieser Serotyp ist am besten erforscht und zudem als einziger für ästhetische Anwendungen zugelassen. Bei der Faltenbehandlung werden nur extrem geringe Mengen – etwa ein Nanogramm – in den Muskel gespritzt, das Gift gelangt von dort nicht ins Blut.)

In Deutschland werden in der Regel weniger als zehn Vergiftungen durch Botox − Botulismus-Fälle − pro Jahr gemeldet, die meisten ausgelöst durch kontaminierte Lebensmittel.⁴⁾ Klassische Quellen sind im Privathaushalt hergestellte Gemüse- oder Fleischkonserven, die nicht ausreichend erhitzt wurden. Denn die Sporen von C. botulinum überleben Kochtemperaturen bis 100 °C; sie keimen dann unter Sauerstoffabschluss zu vermehrungsfähigen Zellen, die Neurotoxine bilden. Um auch die Sporen abzutöten, sollten Einmachende bei der Konservenherstellung zur Botulinum-Kochung greifen: 121 °C für 3 Minuten.

Und die Top 10?

Klassische Ranglisten á la „Das sind die zehn giftigsten Substanzen“ sind toxikologisch wenig seriös. Denn die Angabe der LD₅₀ ist in der Toxikologie notorisch schwierig und oft irreführend. Der Wert hängt stark von der Spezies ab sowie von Alter, Geschlecht und Gesundheitszustand der Versuchstiere. So ist die LD₅₀ von Botulinumtoxin A, wenn es in die Bauchhöhle injiziert wird, bei Ratten 2,5-mal so hoch wie bei Mäusen; bei Kaninchen nur halb so hoch.⁵⁾ Angaben für den Menschen sind bei vielen Giften nur Schätzungen. Absolute LD₅₀-Werte bieten daher lediglich eine grobe Orientierung.

Zudem macht die Art der Applikation einen gewaltigen Unterschied, erklärt Jan Hengstler, also ob man ein Gift spritzt, oral oder über die Haut aufnimmt oder inhaliert. „Pfeilgifte wie Epibatidin oder Batrachotoxin sind bei Injektion tödlich, aber wenn man das damit erlegte Wild isst, sind sie weitgehend harmlos.“ Magensäure, Enzyme und die Darmbarriere bauen die Wirkstoffe ab oder blockieren sie. Auch Botulinumtoxin ist sehr viel weniger giftig, wenn es oral aufgenommen wird: Statt im Nanogrammbereich liegt der LD₅₀-Wert dann „nur“ noch bei Mikrogramm.⁶⁾

Viele Bakterien produzieren zusätzlich Hilfsproteine, um ihre Neurotoxine damit gegen die harschen Bedingungen der Magen-Darm-Passage zu schützen. Bei Botulinumtoxin E beispielsweise sind es insgesamt fünf Begleitproteine: NTNH, OrfX1, OrfX2, OrfX3 und P47. Wird OrfX2 durch Verdauungsenzyme gespalten, entsteht ein Proteinkomplex, der die Giftigkeit des Botulinumtoxins steigert⁷⁾ – es ist dann aber immer noch weniger giftig, als wenn es gespritzt wird.

Giftküche Labor

Die traurige Geschichte synthetischer Gifte begann mit Senfgas im Ersten Weltkrieg, das erstmals im Juli 1917 deutsche Truppen eingesetzt haben. Es verätzt Haut und Atmungsorgane und verhindert die Zellteilung. Sein LD₅₀-Wert liegt im Milligrammbereich, ist also recht hoch.

Senfgas wirkt eher lokal und verursacht keinen systemischen Kollaps, wie die organischen Phosphorsäureester das tun. „Diese wurden vom Menschen synthetisiert als möglichst giftige Kampfstoffe“, sagt Hengstler. Zu solchen Kampfstoffen gehören die G-Reihe mit Sarin und Tabun (Kasten), die V-Reihe mit VG und VX sowie die vierte Generation, Nowitschok genannt. „Alle diese Gifte setzen ebenfalls bei den Neurotransmittern an: Sie hemmen irreversibel das Enzym Acetylcholinesterase an Nervensynapsen.“ Acetylcholin häuft sich an, was zu einer Übererregung von Muskeln, Drüsen sowie des Zentralnervensystems und einem raschen Tod führt.

Namensgebung: Phosphorsäureester-Gifte

Die G-Reihe der Phosphorsäureester (2. Generation nach Senfgas) wurde während des Zweiten Weltkriegs vom deutschen Chemiker Gerhard Schrader synthetisiert, das G steht für Germany. Zu dieser Reihe gehören Tabun und Sarin.

Die V-Reihe (3. Generation) hatte ihren Ursprung beim Chemiker Ranajit Ghosh, der für das britische Unternehmen Imperial Chemical Industries Pflanzenschutzmittel erforschte. Der Name leitet sich je nach Quelle von „Victory“ („Sieg“), „Venomous“ („giftig“) oder „Viscous“ („viskos“) ab. Die Gifte sind verglichen mit der G-Reihe stabiler, etwa fünfmal giftiger und verbleiben länger auf dem Schlachtfeld, in der Kleidung sowie anderen Gegenständen. Die Konsistenz ist zähflüssig und ölartig („viskos“). Bekanntester Vertreter ist VX (Grafik zeigt beide Enantiomere).

Die Nowitschok-Reihe (4. Generation) bezeichnet sowjetische Nervenkampfstoffe, die zwischen 1970 und 1990 entwickelt wurden. Sie zählen zu den tödlichsten Nervenkampfstoffen, die jemals hergestellt worden sind, noch giftiger als VX. Es gibt über hundert Varianten in dieser Serie.

Schleichende Wirkung

„Wenn wir von den giftigsten Substanzen sprechen, dann implizieren wir automatisch, dass sie akut tödlich sind“, sagt Hengstler. Damit steht eine Gruppe außen vor, obwohl ihretwegen etliche Menschen sterben: die Kanzerogene ohne akute Toxizität. Für viele dieser Verbindungen ist die LD₅₀ recht hoch; DNA-Schäden führen erst nach Jahren zu Krebs und damit sehr häufig zum Tod. Beispiele sind Dioxine, heterocyclische aromatische Amine oder Aflatoxine, deren LD₅₀ im dreistelligen Milligrammbereich pro Kilogramm Körpergewicht liegt.

Dennoch lassen sich bei solchen Verbindungen oft keine sicheren Schwellenwerte angeben, da selbst minimale Dosen DNA-Schäden verursachen können. „Nimmt man nur ein einziges Molekül auf, wird das vermutlich nicht in der Lage sein, Krebs zu erzeugen“, sagt Jan Hengstler. „Aber die Mengen, die das sicher nicht tun, sind so klein, dass man sie bisher experimentell noch nicht greifen kann.“

Details: Zehn Substanzen, die schon in Spuren töten

Botulinumtoxin:⁸⁾ bakteriell; LD₅₀ ca. 0,3 – 5,0 ng · kg^–1

Das tödlichste bekannte Gift. Es wird von Clostridium botulinum und verwandten Bakterienarten gebildet, verhindert die Freisetzung des Neurotransmitters Acetylcholin und hemmt so die Erregungsübertragung bei Nervenzellen. Tod durch Atemlähmung.

Tetanustoxin:⁸⁾ bakteriell; LD₅₀ ca. 1 ng · kg^–1

Wird vom Bakterium Clostridium tetani gebildet, das über Wunden in den Körper gelangen kann. Das neurotoxische Protein sorgt dafür, dass Nervenzellen ihre Neurotransmittermoleküle Glycin und γ-Aminobuttersäure (GABA) nicht mehr abgeben können. Eine Vergiftung führt zu qualvollen langanhaltenden Muskelkrämpfen, daher der Name Wundstarrkrampf (Abbildung rechts). Tod durch Atemversagen aufgrund Spasmen der Atemmuskulatur.Schwerer Krampf der Streckmuskulatur des Halses und des Rückens (Opisthotonus) bei einem Tetanus-Infizierten. Gemälde: Sir Charles Bell, 1809

Der Tetanusimpfstoff besteht aus einem veränderten Tetanustoxin, das keine Erkrankung auslöst.

Polonium-210:⁹⁾ natürlich; LD₅₀ geschätzt im Nanogrammbereich

Als Alphastrahler zerstört Polonium Zellen und führt zur Strahlenkrankheit. Oral aufgenommen sind für einen Menschen 10 bis 30 µg tödlich.⁹⁾ Es ist in Spuren weitverbreitet in der Umwelt, da es sich aus Uran in längeren Zerfallsreihen über das flüchtige Radon-222 bildet. Dass Radon in der Atemluft das Risiko für Lungenkrebs erhöht, liegt am Einatmen kurzlebiger Radonzerfallsprodukte, darunter Polonium-210: Diese reichern sich im Gegensatz zu gasförmigem Radon im Atemtrakt an. Auch über Tabakrauch gelangt Polonium in den menschlichen Körper. Tod durch akute Strahlenkrankheit mit Blutungen und Multiorganversagen.

Maitotoxin (Abbildung unten):¹⁰⁾ marin; LD₅₀ ca. 50 ng · kg^–1

Wird von im Meer lebenden Einzellern, den Dinoflagellaten, gebildet, speziell von Gambierdiscus toxicus. Fische nehmen das Gift mit der Nahrung auf; vor allem Raubfische können damit belastet sein. (Vor allem große riffbewohnende wie Barrakudas, Zackenbarsche und Muränen, da sich in ihnen das Gift über die Nahrungskette anreichert.)

Maitotoxin aktiviert calciumdurchlässige Kationenkanäle in der Zellmembran; es kontrahiert die glatte Muskulatur. Symptome sind u.a. Bauchschmerzen, Erbrechen, Taubheitsgefühle, Sehstörungen, Blutdruckabfall. Da keine direkte Atemlähmung auftritt, ist der Tod bei solchen Lebensmittelvergiftungen selten, aber möglich, wenn es zu einem Kreislaufkollaps kommt. (Beim Spritzen der Substanz ist das natürlich anders.)

Dinoflagellaten bilden auch die extrem giftigen Ciguatoxine, Brevetoxine und Saxitoxin.

Diphtherietoxin:⁸⁾ bakteriell; LD₅₀ ca. 0,1 µg · kg^–1

Gebildet vom Bakterium Corynebacterium diphtheriae, dem Erreger der Diphtherie.

Das Polypeptid hemmt die Proteinbiosynthese; essenzielle Proteine werden nicht mehr hergestellt – langfristig kommt es zum Zelluntergang, zu Nekrosen, Organschäden. Tod durch Atemnot, Nierenversagen, Hirninfarkt, Lungenembolie usw.

In Diphtherieimpfstoffen liegt das Toxin in inaktivierter Form vor.

Shiga-Toxin:⁸⁾ bakteriell; LD₅₀ ca. 0,25 µg · kg^–1

Zytotoxisches Protein, produziert von Shigella dysenteriae, dem Erreger der Bakterienruhr. Einige Escherichia-coli-Arten können ähnliche Toxine bilden. Es hemmt die Proteinbiosynthese, führt zu einem Auflösen der roten Blutkörperchen (Erythrozyten), die den Sauerstoff im Körper transportieren, sowie zu Nierenversagen und darüber zum Tod.

Abrin:⁸⁾ pflanzlich; LD₅₀ ca. 0,7 µg · kg^–1

Protein im Samen der Paternostererbse. Es hemmt bei Aufnahme die Proteinbiosynthese. Erste Symptome sind Erbrechen, Bauchkrämpfe und Fieber, gefolgt von Schock und Herzrhythmusstörungen. Der Tod tritt nach Tagen durch Nierenversagen, Herzversagen und/oder Atemlähmung ein.

Batrachotoxin:¹¹⁾ tierisch; LD₅₀: ca. 2 µg · kg^–1

Neurotoxine mit Steroid-Alkaloid-Struktur, kommen in der Haut südamerikanischer Pfeilgiftfrösche der Gattung Blattsteiger vor. Die Frösche nehmen das Gift mit der Nahrung auf, möglicherweise über Käfer. Batrachotoxin verhindert das Schließen der Natriumkanäle; dadurch kommt es zu einer Dauererregung der Zellmembran, schließlich zu Herzrhythmusstörung und Atemlähmung.

Die Hautdrüsen von Baumsteigerfröschen der Gattung Epipedobates enthalten das ebenfalls tödlich giftige Epibatidin (LD₅₀ unterer Milligrammbereich, geschätzt <26,1 µg · kg^–1)¹²⁾, ein chlorhaltiges Alkaloid. Es aktiviert nikotinische Acetylcholinrezeptoren, führt zu Atemlähmung und Krampfanfällen. Tod durch Herzversagen und Ersticken.

Rizin:⁸⁾ pflanzlich; LD₅₀ ca. 2,7 µg · kg^–1

In Struktur und Wirkung ähnlich wie Abrin, wird aber im Samen des Wunderbaums gebildet. Wurde bekannt als „Regenschirmgift“ nach dem Mordanschlag auf den bulgarischen Schriftsteller und Dissidenten Georgi Markow im Jahr 1978 in London – er wurde mit einer Regenschirmspitze verletzt, über die eine Kugel mit dem Gift injiziert wurde.

Tetrodotoxin:⁸⁾ tierisch; LD₅₀ 8 µg · kg^–1

Nervengift mit Alkaloidstruktur. Es kommt in einigen − insbesondere marinen − Gifttieren vor, etwa in Kugelfischen und Blaugeringelten Kraken. Diese produzieren das Gift vermutlich durch Mikroorganismen in Giftdrüsen, der Haut oder Organen. Tetrodotoxin blockiert Natriumkanäle in Nervenzellen; Nervenimpulse werden nicht weitergeleitet. Tod durch Atemlähmung.

VX:¹⁰⁾ synthetisch; LD₅₀ ca. 15 µg · kg^–1

Nervenkampfstoff aus der Gruppe der Phosphorsäureester. VX ist von allen großtechnisch produzierten chemischen Kampfstoffen der giftigste. Er wird überwiegend über die Haut aufgenommen; im Körper blockiert er die Acetylcholinesterase, was zu einer Dauerreizung führt. Tod durch Atemlähmung.

Die LD₅₀ sind Zirka-Werte, da sie stark von Spezies, Geschlecht, Alter und Gesundheitszustand der Versuchstiere sowie vom Applikationsweg abhängen. Für viele extrem toxische Stoffe existieren zudem nur grobe Schätzungen.

Die Autorin

Die promovierte Chemikerin Brigitte Osterath arbeitet als freie Wissenschaftsjournalistin in Lauchringen an der Schweizer Grenze.

osterath@writingscience.de

• ¹ auswaertiges-amt.de/de/newsroom/2756256
• ² D. Steindl, W. Boehmerle, R. Körner et al., Lancet 2021, doi: 10.1016/S0140–6736(20)32644–1
• ³ A. M. Rawson, A. W. Dempster, C. M. Humphreys, N. P. Minton, Virulence 2023, doi: 10.1080/21505594.2023.2205251
• ⁴ Bundesamt für Risikobewertung, t1p.de/r5okh
• ⁵ O. Rossetto, C. Montecucco, Toxins (Basel) 2019, doi: 10.3390/toxins11120686
• ⁶ L. W. Cheng, T. D. Henderson II, Toxicon 2011, doi: 10.1016/j.toxicon.2011.05.003
• ⁷ L. Gao, M. B. Nowakowska, K. Selby et al., Nat. Struct. Mol. Biol. 2025, doi: 10.1038/s41594–024–01479–0
• ⁸ biosafety.utk.edu/biosafety-program/resources/biological-toxins-guidance/
• ⁹ R. D. Jefferson, R. E. Goans, P. G. Blain, S. H. L. Thomas, Clinical Toxicology 2009, doi: 10.1080/15563650902956431
• ¹⁰ www.untersuchungsaemter-bw.de/pdf/biologische_gifte.pdf
• ¹¹ flexikon.doccheck.com/de/Batrachotoxin
• ¹² S. W. Wiener, L. S. Nelson, Chapter 99 – Nicotinic Agent Attack in Disaster Medicine, G. R. Ciottone (Hrsg.), Mosby 2006, 596–599, doi: 10.1016/B978–0–323–03253–7.50106–0

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