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Reaktive Sauerstoffspezies und antioxidatives Schutzsystem

Schema der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies (•OH, O2•−, H2O2) und ihres enzymatischen Abbaus durch Superoxiddismutase, Katalase und Glutathionperoxidase, mit Lipidperoxidation sowie Protein- und DNA-Schäden.
Smith, T.A., Kirkpatrick, D.R., Smith, S. et al. ¡ Generation of reactive oxygen species (ROS) in response to ionizing radiation ¡ CC BY-SA 4.0 ¡ via Wikimedia Commons

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Superoxidanion, Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikal entstehen v. a. als Nebenprodukt der Atmungskette durch unvollständige Reduktion von Sauerstoff. Zellen verfßgen ßber ein enzymatisches Schutzsystem, das ROS entgiftet, bevor sie oxidativen Zellschaden verursachen.

  • ❗ Superoxiddismutase (SOD): wandelt Superoxidanion (O2•-) in Wasserstoffperoxid (H2O2) um
  • ❗ Katalase: zerlegt H2O2 in Wasser und Sauerstoff (v. a. in Peroxisomen)
  • ❗ Glutathionperoxidase: reduziert H2O2 (und Lipidperoxide) unter Verbrauch von Glutathion (GSH → GSSG), regeneriert Ăźber Glutathionreduktase und NADPH
  • Das gefährlichste ROS ist das Hydroxylradikal (OH•), das v. a. Ăźber die Fenton-Reaktion (Fe2+ + H2O2) entsteht und DNA, Lipide und Proteine schädigt
  • NADPH (aus dem Pentosephosphatweg) ist essenziell zur Regeneration von reduziertem Glutathion

Quellen

  1. Löffler/Petrides „Biochemie und Pathobiochemie“ (Springer)
  2. IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
  3. Pizzino et al., „Oxidative Stress: Harms and Benefits for Human Health“, Oxid Med Cell Longev 2017 (Open-Access-Review, PMC)

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Reaktive Sauerstoffspezies und antioxidatives Schutzsystem

Schema der Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies (•OH, O2•−, H2O2) und ihres enzymatischen Abbaus durch Superoxiddismutase, Katalase und Glutathionperoxidase, mit Lipidperoxidation sowie Protein- und DNA-Schäden.
Smith, T.A., Kirkpatrick, D.R., Smith, S. et al. ¡ Generation of reactive oxygen species (ROS) in response to ionizing radiation ¡ CC BY-SA 4.0 ¡ via Wikimedia Commons

Reaktive Sauerstoffspezies entstehen physiologisch als unvermeidbares Nebenprodukt der Atmungskette, da an Komplex I und Komplex III gelegentlich Elektronen vorzeitig auf molekularen Sauerstoff „durchsickern“ und diesen zum Superoxidanion reduzieren, statt ihn vollständig über Komplex IV zu Wasser umzusetzen. Da ROS hochreaktiv sind und Lipide, Proteine und DNA oxidativ schädigen können, hat die Zelle ein mehrstufiges enzymatisches Abwehrsystem entwickelt, das die Kaskade der ROS-Entstehung an mehreren Punkten unterbricht.

Entstehung reaktiver Sauerstoffspezies

Superoxidanion (O2•-) entsteht durch Einelektronenreduktion von molekularem Sauerstoff, hauptsächlich an Komplex I und III der Atmungskette, aber auch durch NADPH-Oxidasen (z. B. in Phagozyten während des respiratorischen Burst) und durch Xanthinoxidase. Superoxid selbst ist mäßig reaktiv, wird aber durch Superoxiddismutase rasch zu Wasserstoffperoxid (H2O2) dismutiert – einer Substanz, die selbst kein Radikal ist, aber Membranen leicht passieren und in Gegenwart von freien Übergangsmetallionen (v. a. Fe2+) über die Fenton-Reaktion zum extrem reaktiven Hydroxylradikal (OH•) umgesetzt werden kann. OH• reagiert praktisch diffusionslimitiert mit fast jedem Biomolekül in seiner Umgebung und ist Hauptursache für ROS-vermittelte Zellschäden (Lipidperoxidation an Membranen, DNA-Strangbrüche, Proteinoxidation).

Enzymatisches Schutzsystem im Detail

Superoxiddismutase existiert in mehreren Isoformen: Cu/Zn-SOD im Zytosol, Mn-SOD in der Mitochondrienmatrix – beide katalysieren O2•- + O2•- + 2 H+ → H2O2 + O2. Das entstehende H2O2 wird über zwei parallele Wege entgiftet: Katalase (v. a. peroxisomal, sehr hohe Umsatzrate, benötigt kein Substrat außer H2O2 selbst) spaltet 2 H2O2 → 2 H2O + O2; Glutathionperoxidase (zytosolisch und mitochondrial, Selenocystein-abhängig) reduziert H2O2 (und organische Hydroperoxide, z. B. Lipidperoxide) unter Oxidation von zwei Glutathion-Molekülen (2 GSH → GSSG). Oxidiertes Glutathion (GSSG) wird durch die NADPH-abhängige Glutathionreduktase wieder zu GSH regeneriert – NADPH stammt hierfür überwiegend aus dem oxidativen Pentosephosphatweg (Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase als Schlüsselenzym).

  • ❗ Kaskade: O2 → (Atmungskette-Leckage) → Superoxid → (SOD) → H2O2 → (Katalase oder Glutathionperoxidase) → H2O
  • ❗ Das Hydroxylradikal (OH•), entstanden Ăźber die eisenkatalysierte Fenton-Reaktion aus H2O2, ist die gefährlichste ROS-Spezies
  • Glutathionperoxidase benĂśtigt Selen als Cofaktor (Selenocystein im aktiven Zentrum) – Selenmangel schwächt die antioxidative Abwehr
  • Glutathionreduktase regeneriert GSH aus GSSG unter NADPH-Verbrauch, NADPH stammt v. a. aus dem Pentosephosphatweg (G6PD)
  • ⚠️ PrĂźfungsfalle: G6PD-Mangel (häufigster Enzymdefekt weltweit) fĂźhrt Ăźber NADPH-Mangel zu unzureichender GSH-Regeneration und damit zu oxidativer Hämolyse (z. B. nach Fava-Bohnen-Verzehr oder bestimmten Medikamenten)
  • ⚠️ Verwechslung: Katalase und Glutathionperoxidase entgiften beide H2O2, aber nur Glutathionperoxidase kann auch komplexere organische Peroxide (Lipidperoxide) reduzieren

Quellen

  1. Löffler/Petrides „Biochemie und Pathobiochemie“ (Springer)
  2. IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
  3. Pizzino et al., „Oxidative Stress: Harms and Benefits for Human Health“, Oxid Med Cell Longev 2017 (Open-Access-Review, PMC)
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