Oxidativer Stress ist Stress auf Zellebene
Oxidativer Stress ist ein natürliches biochemisches Phänomen im Körper, das bei Überexpression zu einem Ungleichgewicht auf Zellebene führen kann, das sich auf den gesamten Körper auswirkt. Oxidativer Stress kann durch eine Redoxreaktion (Reduktion-Oxidation) wahrgenommen werden. Es handelt sich dabei um eine chemische Reaktion, bei der ein oder mehrere Elektronen ganz oder teilweise von einem Atom auf ein anderes übertragen werden. Bei einer solchen Reaktion wird der Elektronen abgebende Stoff oxidiert und der Elektronen aufnehmende Stoff reduziert.
In der Praxis bedeutet oxidativer Stress, dass die Zellen zu stark der Oxidationsreaktion ausgesetzt sind. Dieses Ungleichgewicht wird durch das Vorhandensein zu vieler oxidierender Faktoren im Körper oder durch eine Abnahme der antioxidativen Kapazität des Körpers, d. h. der Reserve an reduzierenden Faktoren, verursacht. Im Idealfall besteht zwischen diesen ein Gleichgewicht, das die natürliche Homöostase unterstützt.
Unter oxidativem Stress steigt die Menge an reaktiven und freien Sauerstoffradikalen (erhöhte Anzahl reaktiver Sauerstoffspezies oder ROS). Die Moleküle, die Sauerstoffatome enthalten, besitzen ein ungerades und freies Elektron, was sie sehr instabil und kurzlebig macht. Die Bildung von freien Sauerstoffradikalen im Körper ist normal, diese werden jedoch in großen Mengen gesundheitsschädlich. Länger anhaltender oxidativer Stress erhöht den Zelltod , was in extremen Fällen zu Nekrosen im Gewebe führen kann.
Sauerstoffradikale entstehen im Körper im mitochondrialen Energiestoffwechsel (Zellatmung), in hepatischen Cytochrom-P450-Enzymen und bei vielen anderen zellulären oxidativen Vorgängen. Externe Quellen von Sauerstoffradikalen sind Luftverschmutzung, Strahlung, Rauch, viele Medikamente wie Chemotherapeutika und Xenobiotika oder andere körperfremde Substanzen. Oxidativer Stress wird auch durch Zytokine bei verschiedenen entzündlichen Erkrankungen und beispielsweise bakteriellen Infektionen verursacht . Die häufigsten reaktiven Sauerstoffspezies sind Superoxidanion (O2−), Peroxide wie Wasserstoffperoxid (H2O2), Hydroxylradikal (OH), Alkoxidradikale (RO), Peroxidradikale (RO) und Peroxynitrit (ONOO-) (siehe Abbildung unten).
Bildquelle : Herb, M., & Schramm, M. (2021). Funktionen von ROS in Makrophagen und antimikrobielle Immunität. Antioxidants 10 (2): 313.
Eine Überladung mit freien Sauerstoffradikalen steht aufgrund ihrer negativen Auswirkungen auf zellulärer Ebene (Lipidperoxidation, d. h. Fettverfall, Proteinschäden und DNA-Schäden) mit vielen verschiedenen Krankheiten in Verbindung. Oxidativer Stress spielt eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung von koronarer Herzkrankheit , Depression , verschiedenen Autoimmunerkrankungen, Infektionen, Krebs und vielen neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson- Krankheit , um nur einige zu nennen. Länger anhaltender übermäßiger oxidativer Stress wird auch mit Müdigkeit und anhaltender Erschöpfung in Verbindung gebracht.
Oxidativer Stress und Verkürzung der Telomere
Ein Telomer ist eine DNA-Sequenz am Ende aller Chromosomen. Seine Funktion besteht darin, das Chromosom und die Zellen unter anderem vor oxidativem Stress und Degeneration zu schützen. Jede eukaryotische Zelle hat 46 Chromosomen und insgesamt 92 Telomere an ihren Enden. Telomere kümmern sich um alle Zellteilungen und DNA-Informationen werden in die neue Zelle kopiert. Es ist auch bekannt, dass sich die Telomere bei jeder Teilung immer leicht verkürzen – sie können sich etwa 50–70 Mal teilen, danach sind die Zellen nicht mehr in der Lage, sich zu teilen, sondern sterben ab (die sogenannte Hayflick-Grenze ).
Elizabeth Blackburn, Nobelpreisträgerin und australische Doktorin der Molekularbiologie, die seit Jahrzehnten Telomere erforscht, hat in ihren Forschungen festgestellt, dass Langzeitstress die Verkürzung der Telomere beschleunigt. Psychischer Stress scheint den oxidativen Stress auf zellulärer Ebene zu erhöhen . In einer umfangreichen Studie, die 2010 veröffentlicht wurde, stellte Blackburn fest, dass Meditation den Alterungsprozess verlangsamen kann. Bei Langzeitmeditierenden wurden ein niedrigerer Grad an oxidativem Stress und ein höherer Grad an Telomerase-Enzymaktivität beobachtet, die eine Verkürzung der Telomere verhindern .
Bild : Telomerverschleiß, Telomerlänge und Telomerase.
Quelle : Vaiserman, A., & Krasnienkov, D. (2021). Telomerlänge als Marker des biologischen Alters: Stand der Technik, offene Fragen und Zukunftsperspektiven. Frontiers in Genetics 11: 1816.
Freie Sauerstoffradikale sind jedoch nicht nur eine Gefahr für die Gesundheit. In bestimmten Situationen schützen sie auch vor verschiedenen Infektionen und fungieren somit als Teil des Immunsystems . Kurzfristiger oxidativer Stress kann den Körper aufgrund der Mitohormesis auch vor dem Altern schützen .
MITOHORMESSE
Mitohormesis ist ein Begriff, der eine biologische Reaktion definiert, bei der mitochondrialer Stress zu einer Verbesserung der Gesundheit und Lebensfähigkeit einer Zelle, eines Gewebes oder eines ganzen Organismus führt. Die mitochondriale Stressreaktion, die durch einen potenziell schädlichen Reiz aktiviert wird, erfordert einen koordinierten Dialog mit dem Zellkern ( mitonukleäre Kommunikation ). Diese durch die hormetische Reaktion in Mitochondrien ausgelöste Zusammenarbeit beruht auf einer Vielzahl von Signalen, von denen reaktive Sauerstoffspezies (ROS) die wichtigsten sind.
Auch mitochondriale Metaboliten, proteotoxische Signale, die Mitochondrien-Zytosol-Stressreaktion und die Freisetzung von Mitokinen spielen in diesem Prozess eine wichtige Rolle. Die Aktivierung der Mitohormesis hat sich in Tiermodellen als lebensverlängernd erwiesen und erhöht auch die Gesundheitsspanne, indem sie den Funktionsstoffwechsel und das Immunsystem verbessert .
Antioxidantien zum Ausgleich von oxidativem Stress
Gemäß der Hypothese des oxidativen Stresses glaubte man von den 1950er- bis in die 1990er-Jahre, dass Antioxidantien bei der Behandlung fast jeder Krankheit wirksam seien. Man ging auch davon aus, dass oxidativer Stress wesentlich mit dem Altern zusammenhängt. Dies wird als Theorie der freien Radikale des Alterns (Free Radical Theory of Aging, FRTA) bezeichnet . Inzwischen ist man sich darüber im Klaren, dass die Einnahme von Antioxidantien allein keine Gesundheit garantiert und dass viele Krankheiten auf oxidativem Stress sowie anderen zugrunde liegenden Faktoren beruhen.
Antioxidantien sollten jedoch in jeder Ernährung vorhanden sein, da übermäßiger oxidativer Stress und eine schwache antioxidative Kapazität schädlich für den Körper sind. Antioxidantien werden über die Nahrung aufgenommen, der Körper produziert jedoch auch selbst Antioxidantien, die normalerweise ausreichen, um normalen oxidativen Stress auszugleichen.
Die wichtigsten Antioxidantien in Lebensmitteln sind Vitamin C, Vitamin A (Carotinoide wie Beta-Carotin) und Vitamin E. Gesundheitsfördernde Forschungsergebnisse zu Antioxidantien in Lebensmitteln umfassen Astaxanthin , Lycopin und grünen Tee (insbesondere sein Epigallocatechin-3-Gallat, ECGC).
Bildquelle : Krumova, K. & Gonzalo, C. (2016). Übersicht über reaktive Sauerstoffspezies. Singulett-Sauerstoff: Anwendungen in Biowissenschaften und Nanowissenschaften 1: 1–21. London: Royal Society of Chemistry.
Zu den wichtigsten körpereigenen Antioxidantien zählen Superoxiddismutase (SOD), Glutathion-Sulfhydryl (GSH), Coenzym Q10, Katalase und Glutathionperoxidase. Auch Peroxydroxine und Sulfidoxin spielen eine wichtige Rolle. Weitere wichtige endogene Antioxidantien sind Alpha-Liponsäure, Ferritin, Urat, Bilirubin, Metallothionein, L-Carnitin und Melatonin.
Die Beziehung zwischen oxidativem Stress und der antioxidativen Kapazität des Körpers kann mithilfe verschiedener Labormethoden genau gemessen werden (siehe weiter unten).
ORAC
Der sogenannte ORAC-Wert gibt den Antioxidantiengehalt eines Lebensmittels oder Nahrungsmittels an. Die Abkürzung ORAC leitet sich von den englischen Wörtern Oxygen Radical Absorbance Capacity ab und bezeichnet die Fähigkeit, freie Sauerstoffradikale zu reduzieren. Der Wert wird beispielsweise durch die Untersuchung einer Pflanze oder Beere im Reagenzglas ( in vitro ) und deren Reaktion mit einem Superoxidanion ermittelt. Der ORAC-Wert ist also ein Richtwert, der uns nicht direkt etwas über das antioxidative Potenzial von Lebensmitteln im Körper verrät.
Verschiedenen Schätzungen zufolge benötigt der Körper 3.000 bis 5.000 ORAC-Einheiten pro Tag, um die Zellen vor oxidativem Stress zu schützen.
Im Jahr 2012 hat das USDA den ORAC-Wert für Lebensmittel aufgrund unzureichender gesundheitlicher Nachweise zurückgezogen. Es ist daher unklar, ob der ORAC-Wert direkt zur Beurteilung der gesundheitlichen Vorteile von Lebensmitteln verwendet werden kann.
Diätetische Antioxidantien haben neben ihrer Wirkung auf freie Sauerstoffradikale auch eine Fülle anderer Vorteile. Durch die Kombination der Eigenschaften von Beeren, Gemüse, Obst, Gewürzen und Pilzen wie Kürbis kann ein Schutz vor oxidativem Stress erreicht und so die allgemeine Gesundheit unterstützt werden.
Messung von oxidativem Stress
Oxidativer Stress ist ein Ungleichgewicht zwischen der Produktion freier Radikale und der vorhandenen antioxidativen Kapazität (auch Redoxgleichgewicht genannt). Im Allgemeinen ist die Abnahme der Bildung freier Radikale auf eine erhöhte antioxidative Kapazität zurückzuführen, und eine entsprechende Abnahme der antioxidativen Kapazität kann mit einer erhöhten Produktion freier Sauerstoffradikale verbunden sein. Durch die Bestimmung dieser Konzentrationen kann das Gleichgewicht der Oxidations-Reduktions-Reaktionen, also der allgemeine oxidative Stresszustand, genauer untersucht werden .
Das Ausmaß des oxidativen Stresses kann auch durch andere Laboruntersuchungen beurteilt werden. Die wichtigsten Studien zur Messung des oxidativen Stresses sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.
Tabelle : Labormarker, die oxidativen Stress beschreiben.
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Marker |
Aktion |
Referenzbereich und optimaler Bereich |
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FRAS-Test (Free Radical Analytical System) |
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