Sauerstoffstress

Als oxidativen Stress bezeichnet man eine Stoffwechsellage, bei der eine das physiologische Ausmaß überschreitenden Menge reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS - reactive oxygen spezies) gebildet wird, bzw. vorhanden ist. Diese reaktiven Sauerstoffverbindungen entstehen im Rahmen von Stoffwechselvorgängen der mitochondrialen Elektonentransportkette und Zytochrom P₅₀ Oxidasen. Dabei handelt es sich um das Superoxid- Anionenradikal O₂⁻, Wasserstoffperoxid (H₂O₂) und das Hydroxylradikal OH.^[1]

Normale Zellen im Organismus halten ihre Fähigkeit, reduzierende oder oxidierende Stoffe zu neutralisieren, aufrecht, indem sie Vorräte mit oxidierenden bzw. reduzierenden Stoffen bevorraten. Ein Ungleichgewicht zwischen diesen Pools, das die normale Reparatur- und Entgiftungsfunktion einer Zelle überfordert und folglich zu einer Schädigung aller zellulären und extrazellulären Makromoleküle führt, wird als oxidativer Stress bezeichnet.^[2][1]

Auswirkungen

Zu den Folgen des oxidativen Stresses gehören die Lipidperoxidation - die letztlich dazu führt, dass Zellen mehr Energie aufwenden müssen, um ihr Membranpotenzial zu stabilisieren, die oxidative Proteinmodifikation und die Schädigung der DNA. Diese drei Vorgänge werden mitverantwortlich für den Alterungsprozess gemacht.^[1]

Schutzsysteme

Oxidativer Stress, Antioxidantien und Schutzenzyme

Zellen und Geweben stehen verschiedene Schutzmechanismen gegen oxidativen Stress zur Verfügung:

1. Antioxidatives Schutzsystem - enzymatische und nichtenzymatische Radikalfänger und Antioxidantien^[1]
2. Sekundärer Schutz - Reparaturmechanismen der DNA und geregelter Abbau von Proteinen (-turnover)^[1]

Freie Radikale

Durch die Atmungskette werden freie Radikale gebildet, die bevorzugt zu einer Schädigung der mitochondrialen DNA (ursächlich ist die enge räumlich Beziehung) führen.^[1]

Die Nettoreaktion in der Atmungskette der Zellen ist die exergonische Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoffionen zu Wasser. Reaktionen finden immer dann spontan statt, wenn die beteiligten Atome durch die Neuordnung eine Edelgaskonfiguration in ihrer Valenzschale erreichen. Eine solche Konfiguration ist für Sauerstoff mit acht Elektronen und für Wasserstoff mit zwei Elektronen auf der äußeren Elektronenschale gegeben. Sauerstoffatome haben sechs und Wasserstoffatome ein Valenzelektron, gehen beide eine Verbindung zum Wasser miteinander ein, so ist für alle drei Atome die Edelgaskonfigurationen erreicht. Die bei diesem Vorgang, auch als „Knallgasreaktion“ bekannt, freiwerdende Energie ist netto der Energiebetrag, welcher dem Körper aus der Atmungskette heraus für andere Prozesse zur Verfügung steht. Ein Großteil des entstandenen Wassers wird später über die Harnwege ausgeschieden.

Trotz ausgiebiger Schutzmechanismen ist dieser Prozess in etwa zwei Prozent der Fälle fehlerhaft, dann nämlich, wenn sich nur ein Wasserstoffatom mit einem Sauerstoffatom verbindet. Weil das Sauerstoffatom dann mit sieben Elektronen auf der äußeren Schale der Edelgaskonfiguration bereits nahe ist, strebt es als „freies Radikal“ danach, sich mit dem nächstbesten Atom zu verbinden.

Rolle bei der Entstehung von Erkrankungen

In jüngerer Zeit wird der Einfluss reaktiver Sauerstoffspezies auf die Entstehung von oxidativem Stress insbesondere im Hinblick auf neurodegenerative Erkrankungen wie Morbus Parkinson, Morbus Alzheimer, Chorea Huntington oder auch Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) untersucht. In diesem Zusammenhang weisen viele Studien vor allem bei der Parkinson'schen Erkrankung, die durch den Untergang dopaminerger nigrostriataler Neurone in den Basalganglien gekennzeichnet ist, auf ein Überhandnehmen freier Sauerstoffradikale unter Eisenbeteiligung und auf hierdurch generierten oxidativen Stress mit schädigender Umwandlung physiologischerweise in der Substantia nigra vorkommender Proteine (z.B.α-Synuclein) hin. Auch bei der diabetischen Neuropathie sind Zeichen erhöhten oxidativen Stresses nachweisbar.^[3] Diskutiert wird ferner eine Genese oxidativen Stresses nach Bestrahlung oder auch durch Hypoxie bzw. Hyperoxie und die sich hieraus ergebende Begünstigung neurodegenerativer Erkrankungen.^[4][5] Auch bestimmte Herz-Kreislauferkrankungen wie z.B. Arteriosklerose oder Koronare Herzkrankheit könnten durch oxidativen Stress mitbedingt sein^[6], da die Oxidation des LDL im Endothel als eine Vorstufe von Plaquebildung angesehen wird. Derzeit wird allgemein davon ausgegangen, dass krankheitsauslösende oder -begünstigende Faktoren für ein Überwiegen oxidativen Stress generierender Substanzen gegenüber Entgiftungsmechanismen (s.u.) verantwortlich zeichnen.

Therapie

Der Nutzen und die Effekte von Antioxidantien beim Einsatz in der medizinischen Therapie sind umstritten.^[7][8]

Quellen

1. ↑ ^{a b c d e f} Schmidt R. F., e.a.: Physiologie des Menschen, Springer, 2007, S. 957 ff., ISBN 3-540-32908-0, hier online
2. ↑ David Heber, George L. Blackburn, Vay Liang W. Go, John Milner (Hrsg.): Nutritional Oncology. Academic Press, 2006. S. 314. ISBN 0-12-088393-7
3. ↑ Sohr Ch.: Oxidativer Stress bei diabetischer Neuropathie, Medizinische Fakultät » Institute » Deutsches Diabetes-Zentrum DDZ, 2007, hier online
4. ↑ Jellinger, K.A. (2002): Recent developments in the pathology of Parkinson's disease. In: Journal of Neural Transmission. Bd. 62, S. 347–76.
5. ↑ Kienzl, E. et al. (1999): Iron as catalyst for oxidative stress in the pathogenesis of Parkinson's disease? In: Life Science. Bd. 65, S. 1973–1976.
6. ↑ Heinle H.: Oxidativer Stress und Gefäßfunktion: Untersuchungen zum Einfluss von Hydroperoxiden auf Kontraktion und Endothelfunktion in Arterien, Fakultät für Chemie und Pharmazie, 2004, pdf
7. ↑ Goran Bjelakovic G., e.a.: Mortality in Randomized Trials of Antioxidant Supplements for Primary and Secondary Prevention, JAMA. 2007;297:842-857, hier online
8. ↑ Schulz T. J., e.a.: Glucose Restriction Extends Caenorhabditis elegans Life Span by Inducing Mitochondrial Respiration and Increasing Oxidative Stress, Cell Metabolism, 6/4, 2007, S. 280–293, hier online

Siehe auch

• Mitohormesis
• Oxidativer Burst