Oxidativer Stress

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Als oxidativen Stress bezeichnet man eine Stoffwechsellage, bei der eine das physiologische Ausmaß überschreitende Menge reaktiver Sauerstoffverbindungen (ROS – reactive oxygen species) gebildet wird, bzw. vorhanden ist. Diese reaktiven Sauerstoffverbindungen entstehen im Rahmen von Stoffwechselvorgängen der mitochondrialen Elektronentransportkette und Cytochrom-P450-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 oxidierende bzw. reduzierende Stoffe 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[Bearbeiten]

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 Proteinoxidation und die Schädigung der DNA. Diese drei Vorgänge werden mitverantwortlich für den Alterungsprozess und die Lebenserwartung gemacht.[1]

Schutzsysteme[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Durch die Atmungskette werden freie Radikale gebildet, die bevorzugt zu einer Schädigung der mitochondrialen DNA (ursächlich ist die enge räumliche 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 erreichen. Für eine solche Konfiguration benötigt Sauerstoff acht und Wasserstoff zwei Valenzelektronen. Sauerstoffatome (O) haben sechs und Wasserstoffatome (H) ein Valenzelektron. Gehen beide eine Verbindung zum Wasser (H2O) miteinander ein, so ist für alle drei Atome die Edelgaskonfiguration erreicht. Die bei diesem Vorgang, auch als „Knallgasreaktion“ bekannt, freiwerdende Energie ist netto der Energiebetrag, der 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[Bearbeiten]

Trotz zahlreicher Korrelationen von oxidativem Stress mit verschiedenen Krankheitszuständen konnte noch kein gesicherter Zusammenhang bewiesen werden. Insbesondere existiert keine auf der Behandlung von oxidativem Stress beruhende und evidenz-basierte Therapie. In jüngerer Zeit wird der Einfluss reaktiver Sauerstoffspezies auf die Entstehung von oxidativem Stress insbesondere im Hinblick auf neurodegenerative Erkrankungen wie Schlaganfall,[3] 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.[4] Diskutiert wird ferner eine Genese oxidativen Stresses nach Bestrahlung oder auch durch Hypoxie bzw. Hyperoxie und die sich hieraus ergebende Begünstigung neurodegenerativer Erkrankungen.[5][6] Auch bestimmte Herz-Kreislauferkrankungen wie z.B. Arteriosklerose oder Koronare Herzkrankheit könnten durch oxidativen Stress mitbedingt sein[7], 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[Bearbeiten]

In einer Vielzahl von Studien konnte beim Menschen kein Nutzen von Antioxidantien enthaltenden Nahrungsergänzungen nachgewiesen werden.[8] Im Gegenteil deuten viele Metaanalysen auf die Schädlichkeit einer unbegründeten, breiten Zufuhr von Antioxidantien und Vitaminen hin, einschließlich erhöhter Mortalität. Ein Grund hierfür scheint zu sein, dass reaktive Sauerstoffspezies nicht nur gefährliche Abfallprodukte einer Zelle darstellen, sondern essentielle Signal- und Botenstofffunktionen ausführen. Antioxidantien können aber per definition zwischen beiden Qualitäten von ROS nicht unterscheiden und interferieren sowohl mit möglicherweise schädlichen als auch schützenden ROS. Ausreichende Untersuchungen, ob die in frischen Lebensmitteln wie Obst und Gemüse enthaltenen Antioxidantien eine therapeutische Wirkung haben, liegen noch nicht vor.

Quellen[Bearbeiten]

  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. Kleinschnitz, C. et al. Post-stroke inhibition of induced NADPH oxidase type 4 prevents oxidative stress and neurodegeneration. PLoS Biol. 8, (2010).
  4. Sohr Ch.: Oxidativer Stress bei diabetischer Neuropathie, Medizinische Fakultät » Institute » Deutsches Diabetes-Zentrum DDZ, 2007, hier online
  5. Jellinger, K.A. (2002): Recent developments in the pathology of Parkinson's disease. In: Journal of Neural Transmission. Bd. 62, S. 347–76.
  6. 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.
  7. Heinle H.: Oxidativer Stress und Gefäßfunktion: Untersuchungen zum Einfluss von Hydroperoxiden auf Kontraktion und Endothelfunktion in Arterien, Fakultät für Chemie und Pharmazie, 2004, pdf
  8. Bjelakovic G, Nikolova D, Gluud LL, Simonetti RG, Gluud C: Mortality in randomized trials of antioxidant supplements for primary and secondary prevention: systematic review and meta-analysis. In: JAMA. 297, Nr. 8, Februar 2007, S. 842–57. doi:10.1001/jama.297.8.842. PMID 17327526.

Siehe auch[Bearbeiten]