Free Radicals and Oxidative Stress (in German)

Essay by EssaySwap ContributorHigh School, 11th grade February 2008

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Freie Radikale Aus der Chemie wissen wir es: Sauerstoff verwandelt sich im Körper zu Wasser und zwar durch gleichzeitige Verbindung mit vier Elektronen. Ein Großteil dieses Wassers wird später über die Harnwege wieder ausgeschieden. Mit anderen Worten: es läuft ein Verbrennungsvorgang ab, der dem Körper Energie zuführt. Trotz ausgiebiger Schutzmechanismen, z.B. in der Atmungskette, ist dieser Prozess in etwa zwei Prozent der Fälle fehlerhaft, dann nämlich, wenn sich zu wenig Elektronen mit Sauerstoff verbinden. Dabei entstehen "freie Radikale", Substanzen, die schon seit Mitte des letzten Jahrhunderts als Schlüsselfaktor für des Alterungsprozesses gesehen wurden, da sie den Körper einem "oxidativen Stress" aussetzen. Freie Radikale, darunter das Superoxid-anion Radikal (1) und das Hydroxidradikal (2), die als Hauptverantwortliche der Schädigungen gesehen werden, öffnen im Körper eine ?Büchse der Pandora", welche eine Kettenreaktion in Gang bringt. Da freie Radikale ein ungepaartes Elektron aufweisen, sind sie hochgradig instabil. Um sich das fehlende Elektron anzueignen, attackieren und verändern sie benachbarte Moleküle - seien es Lipide, Proteine oder DNA.

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Freie Radikale entstehen in den Mitochondrien, den "Kraftwerken" der Zelle, wo in der Atmungskette ständig Nährstoffe mit Sauerstoff verbrannt werden. Zwar verfügt der Körper über Mechanismen, um diese aggressiven Verbindungen abzufangen oder entstandene Schäden zu reparieren, aber mit der Zeit werden diese Abwehrkräfte schwächer, und die Zahl der Schadstellen nimmt zu. Mitochondrien sind schon deshalb so gefährdet, weil sie zwar über eigenes Erbgut, aber nicht über die dazugehörigen Reparatursysteme verfügen, weshalb sie sie im Laufe des Lebens zunehmend zugrunde gehen.

Haben freie Radikale erst einmal die DNA verändert, steigen altersbedingte Krankheiten wie Diabetes, Krebs, Arthritis, Alzheimer und Herzkrankheiten. Zur Armee des Körpers gegen die Angreifer gehören Schutzenzyme (siehe unten) und Antioxidantien [Glutathion, Vitamin C (9, 10), Vitamin E und Beta-Carotin], die den oxidativen Abbau verhindern. Diese Moleküle neutralisieren die freien Radikale, indem sie ?bereitwillig" ein Elektron abgeben.

Biologische Alterungsprozesse Radikale werden somit für das Altern verantwortlich gemacht. Gestützt wird diese "Radikal-Theorie" dadurch, dass langlebige Organismen einen deutlich niedrigeren Energieverbrauch haben als kurzlebige. Am interessantesten sind Vögel. Sie haben vierfach höhere Stoffwechselumsätze als Menschen d.h. sie verbrauchen mehr Energie bei wesentlich kürzerer Lebenserwartung. Meeresschildkröten, die wohl dank ihres geringen Stoffwechselpotentials hunderte von Jahren alt werden können, scheinen die Regel zu bestätigen. Mäuse und Kühe verbrennen während ihres Lebens nahezu gleichviel Energie. Die Maus wird damit allerdings drei Jahre, die Kuh immerhin 30 Jahre alt. Mit anderen Worten: beide Tiere verbrennen Sauerstoff auf völlig unterschiedlichem Niveau.Im Kampf zwischen freien Radikalen und Antioxidantien können wir erhebliche Schäden erleiden. Am Anfang sind sie noch gering und überschaubar, und der Körper kann sie dauerhaft reparieren. Doch irgendwann kann er das Tempo nicht mehr mithalten. In den letzten Lebensjahren setzt dann ein Schneeballeffekt ein, eine regelrechten Flut von oxidativem Stress, in der sich die freie Radikale nahezu ungehindert ausbreiten. Schließlich kann die Reparaturtätigkeit dem nicht mehr standhalten. Dieser Schneeballeffekt bewirkt, dass Menschen in der Blüte ihrer Jahre häufig keine sichtbaren Anzeichen von Alterung zeigen.

Antioxidantien Glutathion (GSH) ist praktisch in allen Zellen vorhanden, oft in hohen Konzentrationen, und kann als eine Art Redoxpuffer angesehen werden. Die Substanz verhindert die Oxidation von Sulfhydrylgruppen in Proteinen und von Eisen (Fe-II) im Häm. Seine Redoxfunktion kann auch zur Entfernung toxischer Peroxide dienen, wie sie sich im Laufe des Wachstums und im Metabolismus unter aeroben Bedingungen bilden. Andere Antioxidantien, die oben genannten Vitamine, werden seit Jahren in Apotheken Drogeriemärkten und Reformhäusern als Anti-Alterungsmittel gehandelt. Allerdings ist ihr Einfluss auf Gesundheit und Lebenserwartung möglicherweise begrenzt, denn ihre optimale Dosierung ist umstritten und sie sind keinesfalls die einzigen körpereigenen Abwehrspieler. Wenn Antioxidantien ein Elektron an freie Radikale abgegeben haben, werden sie selbst zu solchen. Indes: Sie greifen nicht sehr aggressiv an, da sie sich leicht mit unkritischen Molekülen oder untereinander verbinden.

Bemerkenswert in diesem Zusammenhang ist die mögliche Doppelfunktion des Vitamins C. Gedacht zum Abfangen des Hydroxylradikals (10) gibt es weitere Reaktionswege (Kreuzungspunkt 9), die erst zur Bildung freier Radikale führen: zusammen mit zweiwertigem Eisen wird aus Sauerstoff das Superoxidradikal-Anion (Dioxigenasereaktion 3) zusammen mit Wasserstoffperoxid wird die aus der Organischen Chemie bekannte "Fenton-Reaktion" (8) eingeleitet, während der eine Disproportionierung zum Hydroxylradikal (2) und dem Hydroxid-Anion eintritt. Wie im Reagensglas kann das freie Radikal offenbar auch im Menschen zur Schädigung der Nukleinsäuren führen (Trends in Biochem. Sci. 24, 255-259, 1999). Wenn dies virale DNAs betrifft, ist dies sicherlich ein wünschenswerter Effekt (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 87, 7245-7349, 1990). Obgleich es bisher keine harten Daten zur Wirkung der Reaktion (8) im Menschen gibt, mag es angezeigt sein, die Rolle und Dosierung dieses Vitamins neu zu bewerten.

Schutzenzyme Glutathion ist der Cofaktor der Glutathion-Peroxidase(7)2 GSH + R-O-OH ?> GSSG + H2O + R-OH Das Enzym, ist schon deshalb bemerkenswert, weil es ein kovalent gebundenes Selenatom (Se)in Form der Selenocystein (Sec) enthält. Selenoenzyme verdanken dieser sog. "21ten Aminosäure" ihre Aktivität.

Mit der Übertragung des Gens für Superoxid-Dismutase, dem Enzym, welches das gefährliche Superoxid-anion Radikal (1) disproportioniert, hoffen einige Forscher, auch den Menschen zum Methusalem machen zu können. Katalase (6) schließlich entzieht dem Organismus Peroxide und damit die Grundlage einer Fenton Reaktion.

Wenn ein Ungleichgewicht zwischen dem Wasserstoffperoxid-bildenen Enzym Superoxid-Dismutase und dem Wasserstoffperoxid-abbauenden Enzymen Katalase bzw. Glutathionperoxidase besteht, d.h. die Wasserstoffperoxid-bildenen Reaktionen überwiegen, kann jedoch auch oxidativer Stress entstehen. Neuste Erkenntnisse ergaben, dass dieses Ungleichgewicht im antioxidativen Enzymsystem und resultierender oxidativer Stress bei der p53-vermittelten-Apoptose eine Rolle spielt.