Antioxidative Abwehrsysteme und reaktive Sauerstoffspezies

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind partiell reduzierte oder aktivierte Formen des Sauerstoffs – einschließlich Superoxid, Wasserstoffperoxid und das Hydroxylradikal –, die als Nebenprodukte des aeroben Stoffwechsels und durch spezifische Enzyme entstehen. Antioxidative Abwehrsysteme sind die enzymatischen und niedermolekularen Mechanismen, die ROS begrenzen, die von ihnen verursachten Schäden reparieren und den zellulären Redoxzustand in einem funktionalen Bereich halten.

Definition

Reaktive Sauerstoffspezies sind reaktive, vom Sauerstoff abgeleitete Moleküle und Radikale, die während des Stoffwechsels entstehen; antioxidative Abwehrsysteme sind die koordinierten enzymatischen und nicht-enzymatischen Mechanismen, die diese Spezies neutralisieren oder oxidative Schäden reparieren und so die Redox-Homöostase aufrechterhalten.

Scope

Dieses Thema behandelt die Hauptquellen reaktiver Sauerstoffspezies, die chemischen Eigenschaften, die sie schädigend machen, die enzymatischen Abwehrmechanismen (Superoxiddismutase, Katalase, Glutathion- und Thioredoxin-Systeme) und niedermolekularen Antioxidantien, die ihnen entgegenwirken, sowie das Konzept des oxidativen Stresses als Redox-Ungleichgewicht. Es behandelt diese als biochemische Grundlagen, die die umfassendere Untersuchung von diätetischen Antioxidantien untermauern.

Core questions

• Woher stammen reaktive Sauerstoffspezies in der Zelle?
• Welche enzymatischen und niedermolekularen Systeme entfernen oder entgiften sie?
• Wie hängt das Konzept des oxidativen Stresses mit der Redox-Signalgebung zusammen?
• Warum sind Übergangsmetalle wie Eisen in der Radikalchemie wichtig?

Key concepts

• Superoxid, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikal
• Mitochondrialer Elektronentransport als ROS-Quelle
• Superoxiddismutase, Katalase, Glutathionperoxidase
• Glutathion- und Thioredoxin-Redoxsysteme
• Fenton-Chemie und Übergangsmetallkatalyse
• Oxidative Schäden an Lipiden, Proteinen und DNA

Key theories

Oxidativer Stress als Redox-Ungleichgewicht

Oxidativer Stress ist definiert als eine Störung des Prooxidantien-/Antioxidantien-Gleichgewichts zugunsten der Prooxidantien, die zu potenziellen Schäden führt; die Formulierung betont sowohl den ROS-Spiegel als auch die Kapazität der Abwehrmechanismen.

Redox-Signalgebung

Die kontrollierte, lokalisierte Produktion von Spezies wie Wasserstoffperoxid dient als reversibler Signalmechanismus, sodass ROS sowohl physiologische als auch pathologische Rollen spielen.

Mechanisms

Der mitochondriale Elektronentransport leitet Elektronen an Sauerstoff weiter, wodurch Superoxid entsteht, das durch Superoxiddismutase zu Wasserstoffperoxid dismutiert wird. Wasserstoffperoxid wird durch Katalase sowie durch Glutathion- und Thioredoxin-Peroxidasen entfernt; in Anwesenheit von redoxaktivem Eisen oder Kupfer kann es stattdessen über Fenton-ähnliche Chemie das hochreaktive Hydroxylradikal bilden, das Lipide, Proteine und DNA oxidiert. Über die Entfernung hinaus regenerieren die Glutathion- und Thioredoxin-Systeme reduzierte Antioxidantien und erhalten den Protein-Thiol-Redoxzustand. Da einige ROS als Signalmoleküle wirken, modulieren die Abwehrmechanismen die Redox-Signalgebung, anstatt sie vollständig zu eliminieren.

Clinical relevance

Oxidativer Stress ist mechanistisch an Alterung und vielen chronischen Erkrankungen beteiligt, und Marker für oxidative Schäden werden in der biomedizinischen Forschung häufig gemessen. Dieser Eintrag beschreibt die zugrunde liegende Biochemie zur Unterstützung der Interpretation solcher Forschung; er liefert keine diagnostischen Schwellenwerte oder Behandlungsleitlinien.

Evidence & guidelines

Das Verständnis der ROS-Quellen und antioxidativen Enzyme beruht auf einer umfangreichen mechanistischen und biochemischen Literatur; die Redox-Signalgebungs-Perspektive hat frühere Erwartungen, dass eine einfache Erhöhung der Antioxidantienwerte durchweg schützend wirkt, gemildert. Hier werden keine klinischen Leitlinien gegeben.

History

Die Erkenntnis, dass der Sauerstoffstoffwechsel schädigende Radikale produziert, entwickelte sich aus der Freie-Radikale-Biologie der Mitte des 20. Jahrhunderts und wurde durch Halliwell und Gutteridges Synthese der Freie-Radikale-Biochemie gefestigt. Spätere Arbeiten, einschließlich detaillierter Berichte über die mitochondriale ROS-Produktion und die Redox-Signalgebung, verfeinerten das einfache Schadensmodell zu einem Modell, das schädlichen oxidativen Stress von physiologischer Redox-Kontrolle unterscheidet.

Debates

Sind reaktive Sauerstoffspezies hauptsächlich schädigende Agenzien oder Signalmoleküle?

Einst hauptsächlich als schädliche Nebenprodukte angesehen, werden ROS heute auch als regulierte Second Messenger verstanden, sodass das Feld darüber debattiert, wie physiologische Redox-Signalgebung von pathologischem oxidativem Stress zu trennen ist.

Key figures

• Barry Halliwell
• John Gutteridge
• Wulf Dröge
• Michael P. Murphy

Seminal works

• droge-2002
• valko-2006
• halliwell-gutteridge-2015

Frequently asked questions

Sind reaktive Sauerstoffspezies immer schädlich?

Nein. Bei hohen oder unkontrollierten Konzentrationen schädigen sie Lipide, Proteine und DNA, aber bei niedrigen, regulierten Konzentrationen wirken Spezies wie Wasserstoffperoxid als Signalmoleküle bei normalen Zellfunktionen.

Was sind die wichtigsten enzymatischen antioxidativen Abwehrmechanismen?

Superoxiddismutase wandelt Superoxid in Wasserstoffperoxid um, das dann durch Katalase sowie durch die Glutathion- und Thioredoxin-Peroxidasen abgebaut wird; diese Enzyme arbeiten zusammen, um reaktive Sauerstoffspezies zu begrenzen.