Freie Radikale und reaktive Sauerstoffspezies werden während des normalen Stoffwechsels produziert und können Zellschäden verursachen, die durch enzymatische und nicht-enzymatische Antioxidantiensysteme ausgeglichen werden. Das Gleichgewicht zwischen Oxidationsmittelproduktion und antioxidativer Abwehr bestimmt den oxidativen Stresslevel der Zelle.
Freie Radikale und reaktive Sauerstoffspezies
Freie Radikale sind Moleküle mit einem oder mehreren ungepaarten Elektronen, was sie hochreaktiv macht. Das Superoxid-Anion-Radikal entsteht durch die Ein-Elektronen-Reduktion von molekularem Sauerstoff, hauptsächlich durch Leckage der mitochondrialen Atmungskette während der oxidativen Phosphorylierung und durch NADPH-Oxidasen. Superoxid kann Eisen-Schwefel-Cluster-Proteine inaktivieren und freies Eisen freisetzen, das an der Fenton-Chemie zur Erzeugung schädlicherer Spezies teilnimmt.
Wasserstoffperoxid ist kein freies Radikal, sondern ein Zwei-Elektronen-Reduktionsprodukt von Sauerstoff. Es diffundiert frei durch Membranen und kann durch Fenton-Chemie in Gegenwart von zweiwertigem Eisen das Hydroxylradikal erzeugen. Das Hydroxylradikal ist die reaktivste der ROS und reagiert mit diffusionsbegrenzter Geschwindigkeit mit praktisch jedem Biomolekül.
Peroxynitrit entsteht durch die Reaktion von Superoxid mit Stickstoffmonoxid. Es ist ein starkes Oxidationsmittel und Nitrierungsmittel, das Proteine, Lipide und DNA modifiziert. Singulett-Sauerstoff und hypochlorige Säure, produziert durch Myeloperoxidase in Neutrophilen, sind zusätzliche Nicht-Radikal-Oxidationsmittel, die zur Abtötung von Krankheitserregern beitragen, aber auch Gewebeschäden verursachen.
Quellen von ROS
Die mitochondriale Atmungskette ist die primäre endogene ROS-Quelle. Komplex I und Komplex III lassen Elektronen entweichen, die Sauerstoff zu Superoxid reduzieren. Unter normalen Bedingungen werden etwa 1 bis 2 % des verbrauchten Sauerstoffs in Superoxid umgewandelt. Dies erhöht sich, wenn die Atmungskette beschädigt ist oder das mitochondriale Membranpotential hoch ist.
NADPH-Oxidasen sind spezielle ROS-produzierende Enzyme, die Superoxid für die Signalübertragung und Immunabwehr erzeugen. NOX-Familienenzyme werden in Phagozyten, Endothelzellen und anderen Geweben exprimiert. Weitere Quellen sind peroxisomale Oxidasen, Cytochrom-P450-Enzyme und Xanthinoxidase, die während des Purinabbaus Superoxid produziert.
Exogene ROS-Quellen umfassen UV- und ionisierende Strahlung, die durch Wasserradiolyse Hydroxylradikale erzeugt. Luftschadstoffe, Zigarettenrauch sowie bestimmte Medikamente und Toxine erhöhen ebenfalls die ROS-Produktion. Übergangsmetalle wie Eisen und Kupfer katalysieren die Bildung freier Radikale.
Oxidative Schäden
Lipidperoxidation ist eine Kettenreaktion, die durch die Abstraktion eines Wasserstoffatoms aus mehrfach ungesättigten Fettsäuren durch Hydroxylradikale eingeleitet wird. Das resultierende Lipidradikal reagiert mit Sauerstoff zu einem Lipidperoxyl-Radikal, das die Kette fortsetzt. Malondialdehyd und 4-Hydroxynonenal sind toxische Nebenprodukte. Lipidperoxidation schädigt Zellmembranen und erzeugt reaktive Aldehyde, die Proteine und DNA modifizieren.
Proteinoxidation modifiziert Aminosäureseitenketten, insbesondere Cystein, Methionin und aromatische Reste. Disulfidbrückenbildung, Protein-Carbonylierung und Nitrierung von Tyrosinresten verändern die Proteinfunktion und können Proteine für den Abbau markieren.
DNA-Oxidation produziert 8-Oxoguanin als häufigste Läsion, was G-zu-T-Transversionsmutationen verursacht, wenn sie nicht repariert wird. DNA-Schäden durch ROS tragen zur Mutagenese, Alterung und Krebs bei.
Enzymatische antioxidative Abwehr
Die Superoxiddismutase, die Metall-Cofaktoren benötigt, katalysiert die Dismutation von Superoxid zu Wasserstoffperoxid und Sauerstoff. Drei Isoformen existieren: cytosolische CuZn-SOD, mitochondriale Mn-SOD und extrazelluläre SOD. SOD ist für das aerobe Leben essentiell, und Mn-SOD-Knockout-Mäuse sterben kurz nach der Geburt.
Katalase wandelt Wasserstoffperoxid in Wasser und molekularen Sauerstoff um. Sie ist in Peroxisomen konzentriert und hat eine der höchsten Umsatzraten aller Enzyme. Die Glutathionperoxidase reduziert Wasserstoffperoxid und organische Hydroperoxide mit reduziertem Glutathion als Elektronendonor. Sie enthält Selenocystein im aktiven Zentrum. Thioredoxin-Reduktase und Peroxiredoxine bieten zusätzliche Peroxid-Reduktionskapazität.
Nicht-enzymatische Antioxidantien
Glutathion ist das häufigste intrazelluläre Thiol und das wichtigste nicht-enzymatische Antioxidans. Es hält Protein-Thiole im reduzierten Zustand und dient als Elektronendonor für die Glutathionperoxidase. Reduziertes Glutathion wird durch die Glutathion-Reduktase unter Verwendung von NADPH regeneriert.
Vitamin E ist das primäre fettlösliche kettenabbrechende Antioxidans in Membranen. Es gibt ein Wasserstoffatom an Lipidperoxyl-Radikale ab und beendet die Lipidperoxidation. Das resultierende Tocopheroxyl-Radikal wird durch Vitamin C recycelt. Vitamin C ist ein wasserlösliches Antioxidans, das direkt ROS abfängt und Vitamin E regeneriert. Harnsäure, Bilirubin und Ubichinol sind weitere endogene Antioxidantien.
Oxidativer Stress bei Krankheiten
Oxidativer Stress trägt zu vielen Krankheiten bei. Bei Atherosklerose fördert die LDL-Oxidation die Schaumzellbildung und Plaqueentwicklung. Bei Neurodegeneration akkumulieren oxidative Schäden bei Alzheimer, Parkinson und Huntington. Bei Krebs fördern ROS die Mutagenese und Tumorprogression, können aber auch den Zelltod induzieren. Bei Diabetes treibt die Hyperglykämie die ROS-Produktion über mehrere Mechanismen an und trägt zu vaskulären Komplikationen bei. Ischämie-Reperfusionsschäden zeigen einen Ausbruch von ROS bei der Reoxygenierung, der zusätzliche Gewebeschäden über die ischämische Schädigung hinaus verursacht.
