Oxidativer Stress

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Degenerative Prozesse und Krankheitsentstehung – die Rolle von freien Radikalen und anderen aggressiven Sauerstoffverbindungen

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Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Der Begriff oxidativer Stress (von griech.-lat. Oxygenium für Sauerstoff – ursprünglich für «Säurebildner» und lat. stringere für u.a. ziehen, schnüren, zusammendrücken) bezeichnet eine Stoffwechsellage, in der zwischen den so genannten Reaktiven Sauerstoffspezies (engl. reactive oxygen species, ROS), auch Oxidantien genannt, und dem antioxidativen Verteidigungssystem des Körpers ein ständiges Ungleichgewicht besteht zugunsten der Oxidantien.

Abhängig vom Bildungsprozess und der beteiligten ROS kann die Definition spezifiziert werden. Im Zusammenhang mit reaktiven Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen wie dem freien Radikal Stickstoffmonoxid (NO) und Peroxinitrit ist die Bezeichnung nitrosativer Stress gebräuchlich.

ROS können durch Oxidation von Zellmembranen, DNA, Lipiden und Proteinen Funktionseinschränkungen und Schäden hervorrufen, die eine Rolle bei der Entstehung verschiedener Erkrankungen spielen und als Schlüsselprozesse des Alterns angesehen werden. Geringfügige Ungleichgewichte gelten als «physiologischer oxidativer Stress».

Entstehung und Eigenschaften der reaktiven Sauerstoffspezies

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) werden ständig und überall im Organismus bei verschiedenen biologischen Prozessen gebildet. Eine der wichtigsten endogenen (im Körperinneren entstehenden) Quellen für ROS im Organismus sind die Mitochondrien, wo sie als Nebenprodukt der Zellatmung anfallen. Eine wichtige Quelle für die Bildung von ROS im Gehirn ist der Neurotransmitter-Stoffwechsel. Neuere Studien schreiben ROS wichtige Funktionen im Gehirn zu, u.a. bei Signalübertragung, Gedächtnisbildung und GefäŸdilation (Gefäßerweiterung). In Zellen des Immunsystems werden ROS (z.B. NO) gezielt gebildet, da sie sich aufgrund ihrer Reaktivität zur Zerstörung eindringender Mikroorganismen eignen.

Unter physiologischen Bedingungen werden ROS vom antioxidativen Verteidigungssystem des Körpers schnell unschädlich gemacht. Oxidantien und Antioxidantien befinden sich im Gleichgewicht. Erst bei einer Verschiebung dieses Gleichgewichtes zu Gunsten der Oxidantien durch Auslöser zellulären Stresses entsteht oxidativer Stress. Solche Auslöser können endogen sein wie Entzündungen, Infektionen, Bluthochdruck und Diabetes oder exogen (außerhalb des Organismus entstehend) wie z.B.

  • chemische Belastungen durch Umweltgifte, Schwermetalle, Zigarettenrauch, Mykotoxine, bestimmte Medikamente
  • Ozon, UV- und ionisierende Strahlung
  • physischer und psychischer Stress, z.B. Leistungssport

Zu den ROS zählen freie Radikale wie Hyperoxid (veraltet: Superoxid) und NO, aber auch nichtradikalische Verbindungen wie das durch Reaktion von Hyperoxid mit NO entstehende hochtoxische Peroxynitrit. NO und Peroxynitrit werden teilweise in der Literatur als Reaktive Stickstoffspezies (RNS) bezeichnet.

Das antioxidative Verteidigungssystem des Körpers

Der Körper besitzt ein Netzwerk antioxidativer Verteidigungssysteme zur Vorbeugung, Abwehr und Reparatur oxidativer Schäden in Form von Enzymen und Hormonen sowie anderen Substanzklassen, die als Antioxidantien bezeichnet werden.

Die Rolle des oxidativen Stresses bei Krankheitsentstehung und Alterung

Bei praktisch allen degenerativen Erkrankungen sind oxidative Reaktionen im Rahmen der Zellschädigung zu beobachten. Erkrankungen, die mit erhöhten Konzentrationen an oxidierten Proteinen einhergehen, sind z.B. Atherosklerose, Rheumatoide Arthritis, Diabetes mellitus, Colitis Ulzerosa, ALS, Morbus Alzheimer und Morbus Parkinson. Die Rolle des oxidativen Stresses in der Entstehung und Ausprägung dieser Erkrankungen und die molekularen Mechanismen oxidativer Schädigungen sind mittlerweile Gegenstand interdisziplinärer Forschung. Ein Schwerpunkt ist dabei die Krankheitsvorbeugung. Auch die Verlangsamung von Alterungsprozessen ist ein häufig formuliertes Ziel («Anti-Aging-Medizin»). Die bisherigen Forschungsergebnisse sind widersprüchlich. Eine wichtige Erkenntnis ist, dass ROS zentrale Signalübertragungswege in den Zellen beeinflussen, durch die die Expression zahlreicher Gene (Ausbildung der in einem Gen festgelegten Eigenschaft) gesteuert wird, die eine Rolle bei Proliferation (Vermehrung von Gewebe) und Apoptose («programmierter Zelltod», spielt eine wichtige Rolle z.B. bei der Embryonalentwicklung, der Entsorgung alter Zellen und Rückbildung von Tumoren) spielen.

Wirkung der reaktiven Sauerstoffspezies auf Enzyme

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) bewirken die Freisetzung des Eisens, das Kofaktor einiger wichtiger Enzyme ist. Dadurch verlieren die Enzyme ihre Funktionsfähigkeit. Dies betrifft vor allem Enzyme des Citratzyklus (zentraler Kreislauf biochemischer Reaktionen im Zell-Stoffwechsel, dient v.a. dem oxidativen Abbau organischer Stoffe) und der mitochondrialen Atmungskette (Kette biochemischer Redoxreaktionen, wichtiger Teil des Energiestoffwechsels). Eine wichtige Rolle spielen hierbei NO und Peroxinitrit und damit die Sonderform nitrosativer Stress des oxidativen Stresses. Die Mitochondrien sind besonders gefährdet durch Schädigungen, da ihr Erbgut nicht über Reparatursysteme verfügt. Es kommt langfristig zu einem Rückgang der zellulären Energieproduktion. Die geschädigten Mitochondrien produzieren zudem vermehrt Sauerstoffradikale und können nicht mehr die nötige Energie für die Reparatursysteme der Zelle liefern.

Wirkung der reaktiven Sauerstoffspezies auf Gefäße

Schwankungen des Blutdrucks mit starken Blutdruckanstiegen lösen oszillierende («schaukelnde») Scherkräfte (bestimmte Art der Verformung eines Körpers unter Einwirkung einer Kraft) auf das Gefäßendothel (Zellschicht an der Innenfläche der Blut- und Lymphgefäße) aus. Diese führen zur Synthese von Oxidantien innerhalb der Endothelzellen, die LDL (engl. low-density lipoproteins) und ungesättigte Fettsäurereste oxidieren. Über mehrere Zwischenschritte entstehen entzündlich veränderte, arteriosklerotische Plaques und in der Folge Arteriosklerose.

Wirkung der reaktiven Sauerstoffspezies auf Neuronen

Die Störung der Mitochondrienfunktion und damit der Energiegewinnung innerhalb der Neuronen behindert den Transport von Zellstrukturproteinen. Schäden an Membran- und Proteinstrukturen der Neuronen beeinträchtigen die Erregungsleitung und können schließlich neuro-degenerative Erkrankungen verursachen. Insbesondere der Sonderform nitrosativer Stress wird eine Rolle bei der Entstehung dieser Erkrankungen sowie Depressionen, Schlafstörungen, Erschöpfung und anderen Neurostress-Symptomen zugeschrieben. Bieger beschreibt als eine der Folgen einer Peroxinitritbelastung eine irreversible Blockade des geschwindigkeitsbestimmenden Enzyms der Serotoninsynthese. Der entstehende Serotoninmangel kann ebenfalls zu Neurostress-Symptomen führen.

Diagnostik

Durch Messungen der Schädigung von Proteinen, Lipiden und DNA und des Zustandes der antioxidativen Verteidigungssysteme des Körpers kann das Ausmaß des oxidativen Stresses eingeschätzt werden.

Belastungsparameter

Marker für Lipidperoxidation

  • Malondialdehyd (MDA) im EDTA- oder Heparinplasma
  • Malondialdehyd-modifiziertes LDL (MDA-LDL) im Serum
  • Oxidiertes LDL (oxLDL) im Serum

Marker für Nukleinsäureoxidation

  • 8-Hydroxy-2-Desoxyguanosin (OHDG) im Urin

Antioxidative Kapazität

Als Globaltest der Funktionsfähigkeit der antioxidativen Verteidigungssysteme bzw. des Reduktionsvermögens kann die Totale Antioxidative Kapazität (AOC) im Serum eingesetzt werden, zusammen mit den Markern für Lipid- und Nukleinsäureoxidation eignet sie sich als Screening auf oxidativen Stress.

Auch einzelne Antioxidantien und Faktoren des antioxidativen Verteidigungssystemes lassen sich messen:

  • Superoxid-Dismutase (SOD) im EDTA-Blut
  • Gluthathion (GSH) im EDTA-Blut
  • Gluthathion-Peroxidase (GPX) im EDTA-Blut
  • Coenzym Q10 im Serum
  • Vitamin C und E im Serum
  • Kupfer, Zink, Eisen, Mangan und Selen (Kofaktoren der Enzyme des antioxidativen Verteidigungssystems)

Untersuchung von organischen Säuren im Urin

Auch über die Untersuchung bestimmter organischer Säuren im Urin ist es möglich, eine Aussage über oxidative Schäden und Antioxidantienstatus zu gewinnen. Diese wird z.B. im Rahmen von umfassenden Stoffwechseluntersuchungen von einigen Laboren in Frankreich, England und den USA angeboten.

Therapie

Die Therapie orientiert sich an den Ergebnissen der Diagnostik und besteht in der Zufuhr von Antioxidantien und ggf. der Kofaktoren von SOD und GPX. Um das Gleichgewicht der Stoffe im Körper zu erhalten, empfiehlt sich eine Kombination mehrerer Substanzen.
Der Therapieerfolg sollte kontrolliert und die Therapie entsprechend angepasst werden.

Quellen

  1. Bieger, Dr. Wilfried P.: Neuroscience Guide – Ein innovatives, diagnostisches und therapeutisches Stufenprogramm bei Neurotransmitter-Störungen, Stand: 11.07.2006 (nicht mehr online, Dokument mit vermutlich teils gleichen Inhalten: Bieger, Neuroscience Guide)
  2. IMD Berlin-Potsdam: Newletter Juli/August 2023 und Fachinformation 259: Malondialdehyd-modifiziertes LDL (MDA-LDL) bei oxidativem Stress
  3. Kuklinski, Doz. Dr. sc. med. Bodo und Dr. Anja Schemionek: Mitochondrientherapie – die Alternative, Aurum-Verlag Bielefeld (2015) (Leseprobe Inhaltsverzeichnis und Seite 9-39; pdf-Datei)
  4. Kuklinski, Doz. Dr. sc. med. Bodo: Praxisrelevanz des nitrosativen Stresses (pdf-Datei)
  5. Laborzentrum Ettlingen, Karlsruhe: Oxidativer Stress und Antioxidanzien – mit Erläuterungen der einzelnen ROS (verwendete Version ist nicht mehr online; eine neue Version gibt es hier)
  6. Laborzentrum Ettlingen, Karlsruhe: Stress und antioxidative Kapazität (nicht mehr online)
  7. Sies, Helmut und Stahl, Wilhelm und Klotz, Lars-Oliver und Brenneisen, Peter (2004) Oxidativer Stress: vom molekularen Mechanismus zur Klinik. In: Jahrbuch der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf 2003. Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Düsseldorf, pp. 101-116.
  8. Wikipedia Freie Radikale, Oxidativer Stress, Reaktive Sauerstoff-Spezies, Stickstoffmonoxid (NO), Atmungskette, Citratzyklus

Siehe auch

Relevante Wiki-Artikel

Relevante Foren-Beiträge

Weblinks

Autor: Kate, letzte Aktualisierung (Links): 07.2023

 

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