Schäden durch Oxidativen Stress
Das Problem: Schäden durch oxidativen Stress
Durch freie Radikale verursachte
Zellschäden an Proteinen behindern:
• DNA-Reparatur
• Mitochondrien-Reparatur
• viele Stoffwechselprozesse
• unzählige zelluläre Aktivitäten
Jede Zellaktivität benötigt Energie. Wenn eine Zelle Energie aus Sauerstoff und Glukose gewinnt, entstehen auch immer freie Radikale. Einige dieser freien Radikale befinden sich in einem angeregten, energiereichen Zustand und geben diese elektromagnetische Energie an das umgebende Wasser ab. Unabhängig davon, ob sie sich in einem angeregten Zustand befinden oder nicht, verursachen freie Radikale unweigerlich oxidativen Stress und schädigen so alle Zellbestandteile.
Dies löst einen Teufelskreis aus: Je aktiver eine Zelle ist, desto mehr freie Radikale produziert sie und desto größer ist der erlittene Schaden. Proteine sind besonders anfällig. Schäden durch oxidativen Stress führen zur Entfaltung ihrer komplexen 3D-Strukturen. Einmal entfaltet, verlieren Proteine ihre Fähigkeit wichtige Funktionen und Zellreparaturen zu gewährleisten. Dies beinhaltet Reparaturen an DNA und an Mitochondrien zur Energiegewinnung. Mit zunehmender oxidativer Schädigung nimmt die Zellaktivität ab. Im Laufe der Zeit trägt dieser kumulative Schaden zu Alterungsprozessen, Krankheiten und sowohl körperlichem als auch geistigem Verfall bei.
Auswirkungen von oxidativem Stress
Oxidativer Stress hat tiefgreifende Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Die zellulären Schäden, die sich auf molekularer Ebene (Proteine, DNA, Lipide) abspielen, manifestieren sich im Alltag in Form von:
- Funktionsverlust
- Leistungsverlust
- beschleunigter Alterung
- Entwicklung chronischer Erkrankungen
Hier ist eine detaillierte Aufschlüsselung, wie sich diese Probleme in unserem Leben bemerkbar machen und wie sie verursacht werden:
Funktionsverlust
Wie es sich bemerkbar macht:
- Geistige Leistungsfähigkeit: Konzentrationsschwierigkeiten, Gedächtnisprobleme ("Gehirnnebel"), langsameres Denken. Die Schädigung von Neuronen und Neurotransmittern durch ROS beeinträchtigt die normale Gehirnfunktion.
- Muskuläre Funktion: Verminderte Muskelkraft und Ausdauer, längere Erholungszeiten nach körperlicher Anstrengung, Muskelschmerzen.
- Immunfunktion: Häufigere Infekte, da Immunzellen durch oxidativen Stress geschwächt sind und ihre Fähigkeit, Krankheitserreger abzuwehren, nachlässt.
- Sensorische Funktionen: Beeinträchtigung des Sehvermögens (z.B. Katarakt, Makuladegeneration) oder des Hörvermögens im Alter, oft verursacht durch oxidativen Stress in den empfindlichen Geweben.
Leistungsverlust
Leistungsverlust bezieht sich auf die verminderte Effizienz des gesamten Organismus, Energie zu erzeugen und zu nutzen.
Wie es sich bemerkbar macht:
- Chronische Müdigkeit: Ein anhaltendes Gefühl der Erschöpfung, das durch Schlaf nicht behoben werden kann. Dies geschieht, weil die Mitochondrien (die Energieproduzenten) geschädigt sind und nicht mehr genug ATP (zelluläre Energie) bereitstellen können.
- Geringere Energie und Vitalität: Mangel an Antrieb und Motivation, sowohl körperlich als auch geistig.
- Reduzierte Stressresistenz: Der Körper kann weniger gut auf physischen oder psychischen Stress reagieren, was dazu führt, dass man schneller "ausgebrannt" ist.
- Schlechtere Regeneration: Wunden heilen langsamer, und man benötigt mehr Zeit, um sich von Verletzungen oder Belastungen zu erholen.
Alterung
Oxidativer Stress gilt als eine der Hauptursachen der zellulären Alterungstheorie („Free Radical Theory of Aging“). Er beschleunigt den natürlichen Alterungsprozess auf sichtbare und unsichtbare Weise.
Wie es sich bemerkbar macht:
- Hautalterung: Die häufigste und sichtbarste Folge. ROS schädigen Kollagen und Elastin, die der Haut Festigkeit und Elastizität verleihen. Dies führt zu Faltenbildung, Pigmentflecken, Trockenheit und einem fahlen Teint.
- Biologisches Alter vs. Chronologisches Alter: Menschen, die starkem oxidativem Stress ausgesetzt sind (z.B. durch Rauchen, schlechte Ernährung, Umweltverschmutzung), sehen oft älter aus, als es ihrem tatsächlichen Alter entspricht.
- Zelluläre Seneszenz: Zellen stellen ihre Teilung ein und sterben ab. Die Akkumulation dieser gealterten Zellen trägt zum Funktionsverlust von Geweben und Organen bei.
Chronische Erkrankungen
Leistungsverlust bezieht sich auf die verminderte Effizienz des gesamten Organismus, Energie zu erzeugen und zu nutzen.
Wie es sich bemerkbar macht:
- Chronische Müdigkeit: Ein anhaltendes Gefühl der Erschöpfung, das durch Schlaf nicht behoben werden kann. Dies geschieht, weil die Mitochondrien (die Energieproduzenten) geschädigt sind und nicht mehr genug ATP (zelluläre Energie) bereitstellen können.
- Geringere Energie und Vitalität: Mangel an Antrieb und Motivation, sowohl körperlich als auch geistig.
- Reduzierte Stressresistenz: Der Körper kann weniger gut auf physischen oder psychischen Stress reagieren, was dazu führt, dass man schneller "ausgebrannt" ist.
- Schlechtere Regeneration: Wunden heilen langsamer, und man benötigt mehr Zeit, um sich von Verletzungen oder Belastungen zu erholen.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Die unspezifischen Symptome wie Müdigkeit und schnelleres Altern sind oft die ersten Anzeichen. Wenn der oxidative Stress anhält, führt er zu spezifischeren, diagnostizierbaren chronischen Krankheiten, die die Lebensqualität massiv einschränken.
Grundlagenforschung
Die Forschung zeigt, dass oxidativer Stress die Proteine schädigt und deren korrekte Faltung verhindert, was zu Funktionsverlust, Alterung und Krankheiten führt.
Oxidativer Stress ist ein Ungleichgewicht zwischen der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), auch freie Radikale genannt, und der Fähigkeit des Körpers, diese durch Antioxidantien zu neutralisieren. Die überschüssigen ROS greifen verschiedene Zellkomponenten an, was zu weitreichenden Schäden führt.
Schäden an Proteinen
Proteine sind ein Hauptziel von ROS und spielen eine entscheidende Rolle bei den durch oxidativen Stress verursachten Funktionsverlusten, Alterungsprozessen und Krankheiten.
Die Schäden an Proteinen haben weitreichende Konsequenzen:
- Funktionsverlust: Modifizierte Proteine, insbesondere Enzyme, Rezeptoren und Signalmoleküle, verlieren ihre biologische Aktivität, was zelluläre Prozesse und Signalwege stört.
Akkumulation von Abfallprodukten: Wenn die Reparatur- und Abbaukapazität der Zelle (Proteasom-System) überfordert ist, sammeln sich beschädigte Proteine an und tragen zur Zellfunktionsstörung bei.
Sekundärer Stress: Die Ansammlung von geschädigten Proteinen kann einen weiteren Stress auf das Proteinqualitätskontrollsystem der Zelle auslösen.
Mechanismen und Folgen
- Aminosäure-Modifikation: ROS modifizieren spezifische, oxidationsanfällige Aminosäuren wie Cystein, Methionin, Lysin, Arginin und Prolin. Diese Modifikationen verändern die chemische Zusammensetzung und Struktur der Proteine.
- Strukturverlust (Denaturierung): Die native Faltung der Proteine geht verloren.
- Funktionsverlust: Enzyme, die für den Stoffwechsel essenziell sind, verlieren ihre katalytische Aktivität. Rezeptoren können keine Signale mehr empfangen, und Transportproteine arbeiten nicht mehr effizient.
- Aggregation: Geschädige Proteine neigen zur Aggregation und Bildung von unlöslichen Ablagerungen, die nicht effizient abgebaut werden können und sich in der Zelle ansammeln.
Schäden an anderen Zellkomponenten
Neben Proteinen schädigt oxidativer Stress auch Lipide, DNA und Mitochondrien, was die Zellintegrität umfassend gefährdet.
- Lipide (Fette): Die Zellmembranen und Membranen von Organellen bestehen hauptsächlich aus Lipiden. Die Lipidperoxidation ist ein Kettenreaktionsprozess, bei dem ROS ungesättigte Fettsäuren angreifen.
- Zerstörung von Membranen: Die Integrität der Zellmembran wird beeinträchtigt, was zu einer erhöhten Durchlässigkeit und letztendlich zum Zelltod führt.
- Bildung toxischer Aldehyde: Bei der Lipidperoxidation entstehen sekundäre toxische Produkte wie Malondialdehyd (MDA) und 4-Hydroxynonenal (4-HNE), die ihrerseits mit Proteinen und DNA reagieren und weitere Schäden verursachen.
- DNA (Desoxyribonukleinsäure): Oxidativer Stress kann sowohl die nukleäre DNA (im Zellkern) als auch die mitochondriale DNA direkt schädigen.
- Basenmodifikationen: Die häufigste Schädigung ist die Bildung von 8-Oxo-2′-desoxyguanosin (8-OHdG), einem Biomarker für oxidativen DNA-Schaden.
- Einzel- und Doppelstrangbrüche: Diese Brüche können zu Mutationen führen, die DNA-Reparaturmechanismen überfordern und das Risiko für Krankheiten wie Krebs erhöhen.
- Chromosomenaberrationen: Größere strukturelle Veränderungen der Chromosomen können auftreten.
- Mitochondrien: Die Mitochondrien, die „Kraftwerke der Zelle“, sind sowohl Hauptproduktionsort als auch Hauptziel von ROS-Schäden.
- Beeinträchtigung der Energieproduktion: Schäden an der mitochondrialen DNA und Proteinen (wie Atmungskettenkomplexen) reduzieren die Fähigkeit der Zelle, ATP (Energie) zu produzieren.
- Verstärkter ROS-Ausstoß: Geschädigte Mitochondrien produzieren eine noch größere Menge an ROS, was einen Teufelskreis aus oxidativem Stress und mitochondrialer Dysfunktion schafft.
- Apoptose (Zelltod): Wenn die Schäden zu groß werden, leiten die Mitochondrien den programmierten Zelltod ein.