Oxidatieve stress is stress op celniveau
Oxidatieve stress is een natuurlijk biochemisch fenomeen in het lichaam, dat wanneer het overmatig aanwezig is, kan leiden tot een onbalans op cellulair niveau die zich door het hele lichaam verspreidt. Oxidatiestress kan worden bekeken door een redoxreactie (reductie-oxidatie). Het is een chemische reactie waarbij een of meer elektronen volledig of gedeeltelijk van het ene atoom naar het andere worden overgedragen. In een dergelijke reactie wordt het elektron-donerende middel geoxideerd en het elektron-acceptor middel gereduceerd.
In de praktijk betekent oxidatieve stress dat de cellen worden blootgesteld aan te veel van de oxidatiereactie. Deze onbalans wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van te veel oxiderende factoren in het lichaam of door een afname van de antioxidantcapaciteit van het lichaam, dat wil zeggen de reserve van reducerende factoren. Idealiter is er een balans tussen deze die de natuurlijke homeostase ondersteunt.
Onder oxidatieve stress neemt de hoeveelheid reactieve en vrije zuurstofradicalen toe (toegenomen aantal reactieve zuurstofsoorten of ROS). De moleculen die zuurstofatomen bevatten, bezitten een oneven en vrij elektron, wat ze zeer onstabiel en kortlevend maakt. De vorming van vrije zuurstofradicalen in het lichaam is normaal, maar deze worden schadelijk voor de gezondheid in grote hoeveelheden. Langdurige oxidatieve stress iverhoogt celdood, wat in extreme gevallen kan leiden tot necrose in weefsels.
Zuurstofradicalen worden in het lichaam geproduceerd in mitochondriale energiemetabolisme (cellulaire ademhaling), levercytochroom P450-enzymen, en vele andere cellulaire oxidatieve gebeurtenissen. Externe bronnen van zuurstofradicalen zijn luchtvervuiling, straling, rook, veel medicijnen zoals chemotherapie en xenobiotica, of andere stoffen die vreemd zijn voor het lichaam. Oxidatieve stress wordt ook veroorzaakt door cytokinen in verschillende ontstekingscondities en bijvoorbeeld bacteriële infecties. De meest voorkomende reactieve zuurstofsoorten zijn superoxide-anion (O2−), peroxiden zoals waterstofperoxide (H2O2), hydroxylradicaal (OH), alkoxideradicalen (RO), peroxideradicalen (RO) en peroxynitriet (ONOO-) (zie afbeelding hieronder).
Afbeeldingsbron: Herb, M.,& Schramm, M. (2021). Functies van ROS in macrofagen en antimicrobiële immuniteit. Antioxidanten 10 (2): 313.
Overbelasting van vrije zuurstofradicalen is in verband gebracht met veel verschillende ziekten vanwege hun nadelige effecten op cellulair niveau (lipidperoxidatie, d.w.z. vetbederf, eiwitbeschadiging en DNA-schade). Oxidatieve stress speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van coronaire hartziekte, depressie, verschillende auto-immuunziekten, infecties, kanker en vele neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Parkinson ziekte, onder anderen. Langdurige overmatige oxidatieve stress wordt ook geassocieerd met vermoeidheid en aanhoudende vermoeidheid.
Oxidatieve stress en telomeerverkorting
Een telomeer is een DNA-sequentie aan het einde van alle chromosomen. De functie ervan is om het chromosoom en de cellen te beschermen tegen onder andere oxidatieve stress en degeneratie. Elke eukaryote cel heeft 46 chromosomen en in totaal 92 telomeren aan hun uiteinden. Telomeren zorgen voor alle celdelingen en de DNA-informatie wordt gekopieerd naar de nieuwe cel. Het is ook bekend dat de telomeer bij elke deling altijd iets verkort – ze kunnen ongeveer 50–70 keer delen, waarna de cellen niet meer in staat zijn om te delen maar sterven (de zogenaamde Hayflick-limiet).
Elizabeth Blackburn, een Nobelprijswinnaar en Australische arts in de moleculaire biologie die al tientallen jaren telomeren bestudeert, heeft in haar onderzoek ontdekt dat langdurige stress de verkorting van telomeren versnelt. Psychologische stress lijkt oxidatieve stress op cellulair niveau te verhogen. In een uitgebreide studie gepubliceerd in 2010, ontdekte Blackburn dat meditatie de veroudering kan vertragen. Lage niveaus van oxidatieve stress en hogere niveaus van telomerase-enzymactiviteit, die telomeerverkorting voorkomen, zijn waargenomen bij langdurige mediteerders.
Afbeelding: Telomeerverlies, telomeerlengte en telomerase.
Bron: Vaiserman, A.,& Krasnienkov, D. (2021). Telomeerlengte als een marker van biologische leeftijd: de stand van zaken, open kwesties en toekomstige perspectieven. Frontiers in Genetics 11: 1816.
Echter, vrije zuurstofradicalen zijn niet alleen een bedreiging voor de gezondheid. In bepaalde situaties beschermen ze ook tegen verschillende infecties en fungeren ze dus als onderdeel van het immuunsysteem. Korte termijn oxidatieve stress kan ook het lichaam beschermen tegen veroudering doormitohormesis.
MITOHORMESIS
Mitohormesis is een term die wordt gebruikt om een biologische reactie te definiëren waarbij mitochondriaal stress leidt tot een toename van gezondheid en levensvatbaarheid binnen een cel, weefsel of heel organisme. De mitochondriale stressrespons die wordt geactiveerd door een potentieel schadelijke stimulus vereist een gecoördineerde dialoog met de cellulaire nucleus (mitonucleaire communicatie). Deze samenwerking die wordt geïnduceerd door de hormetische respons in mitochondriën is afhankelijk van een verscheidenheid aan signalen waarvan de belangrijkste reactieve zuurstofsoorten (ROS) zijn.
Ook mitochondriale metabolieten, proteotoxic signals, de mitochondria–cytosol stressrespons en de afgifte van mitokines spelen een belangrijke rol in dit proces. De activatie van mitohormesis is gevonden om de levensduur in diermodelen te verhogen en het verbetert ook de gezondheidsspanne door de functie van het metabolisme en het immuunsysteem te verbeteren.
Antioxidanten in het balanceren van oxidatieve stress
Volgens de hypothese van oxidatieve stress werd van de jaren vijftig tot ver in de jaren negentig geloofd dat antioxidanten effectief waren in het behandelen van bijna elke ziekte. Oxidatieve stress werd ook gedacht substantieel geassocieerd te zijn met veroudering. Dit wordt de Vrije Radicaal Theorie van Veroudering (FRTA) genoemd. Het is sindsdien beter begrepen dat het gebruik van antioxidanten alleen geen garantie voor gezondheid biedt en dat veel ziekten worden ondersteund door oxidatieve stress evenals andere onderliggende factoren.
Echter, antioxidanten hebben een plaats in ieders dieet, aangezien overmatige oxidatieve stress en een zwakke antioxidantcapaciteit schadelijk zijn voor het lichaam. Antioxidanten worden verkregen uit voedsel, maar het lichaam heeft ook intern geproduceerde antioxidanten, die meestal voldoende zijn om normale oxidatieve stress in balans te houden.
De belangrijkste antioxidanten in voedsel zijn vitamine C, vitamine A (carotenoïden zoals bètacaroteen) en vitamine E. Gezondheidsbevorderende onderzoeksresultaten over dieetantioxidanten omvatten astaxanthine,lycopeen en groene thee (vooral zijn epigallocatechine-3-gallaat, ECGC).
Afbeeldingsbron: Krumova, K. & Gonzalo, C. (2016). Overzicht van Reactieve Zuurstofsoorten. Singlet Zuurstof: Toepassingen in Biosciences en Nanosciences 1: 1–21. Londen: Royal Society of Chemistry.
De belangrijkste interne antioxidanten in het lichaam zijn superoxide dismutase (SOD), glutathione sulfhydryl (GSH), co-enzym Q10, catalase en glutathione peroxidase. Peroxydroxines en sulfiredoxine spelen ook een belangrijke rol. Andere belangrijke endogene antioxidanten zijn onder andere alfa-liponzuur, ferritine, uraat, bilirubine, metallothioneïne, L-carnitine en melatonine.
De relatie tussen oxidatieve stress en de antioxidantcapaciteit van het lichaam kan nauwkeurig worden gemeten met behulp van verschillende laboratoriummethoden (zie later).
ORAC
De zogenaamde ORAC-waarde geeft de antioxidantinhoud van voedsel of een voedingsmiddel aan. De afkorting ORAC komt van de Engelse woorden Oxygen Radical Absorbance Capacity, wat betekent de capaciteit om vrije zuurstofradicalen te reduceren. De waarde wordt verkregen, bijvoorbeeld door een plant of bes in een reageerbuis te onderzoeken (in vitro) en de reactie met een superoxide-anion. De ORAC-waarde is dus een indicatieve waarde die ons niet direct vertelt over het antioxidantpotentieel van voedsel in het lichaam.
Volgens verschillende schattingen heeft het lichaam 3.000 tot 5.000 ORAC-eenheden per dag nodig om cellen te beschermen tegen oxidatieve stress.
In 2012 trok de USDA de ORAC-waarde voor voedingsmiddelen in vanwege onvoldoende gezondheidsbewijzen. Het is daarom onduidelijk of de ORAC-waarde direct kan worden gebruikt om de gezondheidsvoordelen van voedsel te beoordelen.
Dieetantioxidanten hebben ook een schat aan voordelen naast hun effect op vrije zuurstofradicalen. Door de eigenschappen van bessen, groenten, fruit, specerijen en paddenstoelen zoals pompoen te combineren, kan bescherming tegen oxidatieve stress worden bereikt ter ondersteuning van de algemene gezondheid.
Oxidatieve stress meten
Oxidatieve stress is een onbalans tussen de productie van vrije radicalen en de bestaande antioxidantcapaciteit (ook wel bekend als redoxbalans). In het algemeen is de afname van de vorming van vrije radicalen te wijten aan een verhoogde antioxidantcapaciteit, en een overeenkomstige afname van de antioxidantcapaciteit kan worden geassocieerd met een verhoogde productie van vrije zuurstofradicalen. Door deze concentraties te bepalen, kan de balans van oxidatie-reductiereacties, d.w.z. de algemene staat van oxidatieve stress, gedetailleerder worden onderzocht.
Het niveau van oxidatieve stress kan ook worden beoordeeld door andere laboratoriumstudies. De belangrijkste studies die oxidatieve stress meten, worden in de onderstaande tabel gepresenteerd.
Tabel: Laboratoriummarkers die oxidatieve stress beschrijven.
Marker |
Actie |
Referentiewaarde & optimale waarde |
|
|
|
|
|
|
|
||
FRAS-test (Free Radical Analytical System) |
|
|
|
///