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Reaktive Sauerstoffspezies

Reaktive Sauerstoffspezies (englischreactive oxygen species, ROS) – auch vereinfachend als „Sauerstoffradikale“ bezeichnet – sind Sauerstoff-enthaltende Moleküle.

Zu den ROS gehören zum einen Radikale wie das Hyperoxid-Anion (alte Bezeichnung: Superoxid-Anion) O2·, das hochreaktive Hydroxyl-Radikal OH·, das Peroxylradikal ROO· und das Alkoxylradikal RO· von Lipiden, zum anderen stabile molekulare Oxidantien wie Wasserstoffperoxid H2O2, Hydroperoxid ROOH, Ozon O3 und das Hypochlorit-Anion OCl sowie angeregte Sauerstoffmoleküle (Singulett-Sauerstoff 1O2). In Nachgang an die Oxidation entstehen Reaktive elektrophile Spezies.

Die ROS in einer Übersicht:

Formelzeichen Bezeichnung Anmerkung
O2· Hyperoxid-Anion freies Radikal, sekundärer Botenstoff, alte Bezeichnung: Superoxid-Anion
HO· Hydroxyl-Radikal freies Radikal, hochreaktiv
HOO· Hydroperoxyl-Radikal freies Radikal
ROO· Peroxylradikal freies Radikal, Zwischenstufe bei der sensibilisierten Photooxidation, siehe auch Autoxidation
RO· Alkoxylradikal freies Radikal, bei Lipiden
H2O2 Wasserstoffperoxid Edukt zur Bildung anderer ROS, sekundärer Botenstoff
ROOH Hydroperoxid
O3 Ozon
OCl Hypochlorit-Anion
1O2 Singulett-Sauerstoff angeregtes Sauerstoffmolekül

Im Organismus entstehen reaktive Sauerstoffspezies in den Mitochondrien als Nebenprodukt der Zellatmung (durch Monoaminooxidasen und im Rahmen der Atmungskette an Komplex I und an Komplex III), aber auch durch Entzündungszellen, um so Viren und Bakterien zu schädigen. ROS (vor allem Wasserstoffperoxid und Stickstoffmonoxid) kommen auch bei der pflanzlichen Abwehr von Pathogenen zum Einsatz. Umweltgifte und Zigarettenrauch sind weitere bedeutende Quellen für reaktive Sauerstoffspezies.

Durch die Reaktion des Hyperoxid-Anions O2· mit Stickstoffmonoxid NO· entsteht zudem Peroxinitrit ONOO, das mit Stickstoffmonoxid zusammen als reaktive Stickstoffspezies (RNS) bezeichnet wird und eine ebenfalls hochreaktive Verbindung darstellt (allerdings kein freies Radikal ist). ROS und RNS sind somit wichtige Oxidantien, denen im Körper die Antioxidantien entgegenwirken.

ROS sind im biologischen Kontext für den Organismus wichtige Signalmoleküle, haben aber in hoher Konzentration schädliche Auswirkungen, indem sie zu oxidativem Stress führen können.

Während ROS mit verschiedensten Erkrankungen wie z. B. Krebs, Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, assoziiert worden sind, ist die ursächliche Beteiligung von ROS daran diskussionswürdig: So wurde im Widerspruch zum Vorstehenden gezeigt, dass ROS die Lebenserwartung von Modellorganismen steigern, also Altern verhindern. Weiter ist bekannt, dass Antioxidantien der Diabetes-vorbeugenden Wirkung von Sport im Menschen entgegenwirken bzw. diese vollkommen verhindern, indem Antioxidantien der Bildung von ROS entgegenwirken.

Nach heutiger Auffassung sind ROS in niedriger, d. h. physiologischer Konzentration gesundheitsfördernd, während sie in hoher, d. h. pathologischer Konzentration zur Entstehung von Krankheiten beitragen sollen. Diese nicht-lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung (d. h. niedrigdosiert = gesund, aber hochdosiert = krankmachend) wird als „Mitohormesis“ bezeichnet. Nachfolgende Studien schreiben ROS wie dem Hyperoxid und dem Wasserstoffperoxid neben der Generierung oxidativen Stresses eine wichtige Signalfunktion, z. B. im Gehirn bei der Signalübertragung, der synaptischen Plastizität und der Gedächtnisbildung zu. Sie wirken dort zudem stark vasodilatierend (gefäßerweiternd) und scheinen daher wichtig für die Steigerung des zerebralen Blutflusses und des zerebrovaskulären Tonus zu sein. Des Weiteren beeinflussen sie über den Wnt-Signalweg Wachstum und Teilung von Zellen bei der Regeneration abgetrennter Schwänze von Kaulquappen und Echsen.

Bei einem typischen Raumklima, mit einer mittlerer Luftfeuchte von 50 Prozent und Temperaturen um die 20 Grad, wird in Anwesenheit von Feinstaub die höchste Konzentration von dem besonders schädlichen ROS gebildet. ROS kann die Zellen der Lunge schädigen und Lungenentzündungen, Asthma und diverse andere Atemwegserkrankungen verursachen. Selbst die Desoxyribonukleinsäure (DNA) kann durch ROS geschädigt werden.

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  23. Reaktive Sauerstoffspezies
reaktive, sauerstoffspezies, sprache, beobachten, bearbeiten, englisch, reactive, oxygen, species, auch, vereinfachend, sauerstoffradikale, bezeichnet, sind, sauerstoff, enthaltende, moleküle, chemie, bearbeitenzu, gehören, einen, radikale, hyperoxid, anion, a. Reaktive Sauerstoffspezies Sprache Beobachten Bearbeiten Reaktive Sauerstoffspezies englisch reactive oxygen species ROS auch vereinfachend als Sauerstoffradikale bezeichnet sind Sauerstoff enthaltende Molekule Chemie BearbeitenZu den ROS gehoren zum einen Radikale wie das Hyperoxid Anion alte Bezeichnung Superoxid Anion O2 das hochreaktive Hydroxyl Radikal OH das Peroxylradikal ROO und das Alkoxylradikal RO von Lipiden zum anderen stabile molekulare Oxidantien wie Wasserstoffperoxid H2O2 Hydroperoxid ROOH Ozon O3 und das Hypochlorit Anion OCl sowie angeregte Sauerstoffmolekule Singulett Sauerstoff 1O2 In Nachgang an die Oxidation entstehen Reaktive elektrophile Spezies Die ROS in einer Ubersicht Formelzeichen Bezeichnung AnmerkungO2 Hyperoxid Anion freies Radikal sekundarer Botenstoff 1 alte Bezeichnung Superoxid AnionHO Hydroxyl Radikal freies Radikal hochreaktivHOO Hydroperoxyl Radikal freies RadikalROO Peroxylradikal freies Radikal Zwischenstufe bei der sensibilisierten Photooxidation 2 siehe auch AutoxidationRO Alkoxylradikal freies Radikal bei LipidenH2O2 Wasserstoffperoxid Edukt zur Bildung anderer ROS sekundarer Botenstoff 1 ROOH HydroperoxidO3 OzonOCl Hypochlorit Anion1O2 Singulett Sauerstoff angeregtes SauerstoffmolekulBiologie BearbeitenIm Organismus entstehen reaktive Sauerstoffspezies in den Mitochondrien als Nebenprodukt der Zellatmung durch Monoaminooxidasen und im Rahmen der Atmungskette an Komplex I und an Komplex III aber auch durch Entzundungszellen um so Viren und Bakterien zu schadigen 3 4 ROS vor allem Wasserstoffperoxid und Stickstoffmonoxid kommen auch bei der pflanzlichen Abwehr von Pathogenen zum Einsatz Umweltgifte und Zigarettenrauch sind weitere bedeutende Quellen fur reaktive Sauerstoffspezies Durch die Reaktion des Hyperoxid Anions O2 mit Stickstoffmonoxid NO entsteht zudem Peroxinitrit ONOO das mit Stickstoffmonoxid zusammen als reaktive Stickstoffspezies RNS bezeichnet wird und eine ebenfalls hochreaktive Verbindung darstellt allerdings kein freies Radikal ist ROS und RNS sind somit wichtige Oxidantien denen im Korper die Antioxidantien entgegenwirken ROS sind im biologischen Kontext fur den Organismus wichtige Signalmolekule 5 6 7 haben aber in hoher Konzentration schadliche Auswirkungen indem sie zu oxidativem Stress fuhren konnen Wahrend ROS mit verschiedensten Erkrankungen wie z B Krebs Diabetes und Herz Kreislauf Erkrankungen 8 assoziiert worden sind ist die ursachliche Beteiligung von ROS daran diskussionswurdig So wurde im Widerspruch zum Vorstehenden gezeigt dass ROS die Lebenserwartung von Modellorganismen steigern also Altern verhindern 9 10 Weiter ist bekannt dass Antioxidantien der Diabetes vorbeugenden Wirkung von Sport im Menschen entgegenwirken bzw diese vollkommen verhindern indem Antioxidantien der Bildung von ROS entgegenwirken 11 12 13 14 15 Nach heutiger Auffassung sind ROS in niedriger d h physiologischer Konzentration gesundheitsfordernd wahrend sie in hoher d h pathologischer Konzentration zur Entstehung von Krankheiten beitragen sollen Diese nicht lineare Dosis Wirkungs Beziehung d h niedrigdosiert gesund aber hochdosiert krankmachend wird als Mitohormesis bezeichnet 16 17 18 19 Nachfolgende Studien schreiben ROS wie dem Hyperoxid und dem Wasserstoffperoxid neben der Generierung oxidativen Stresses eine wichtige Signalfunktion z B im Gehirn bei der Signalubertragung der synaptischen Plastizitat und der Gedachtnisbildung zu Sie wirken dort zudem stark vasodilatierend gefasserweiternd und scheinen daher wichtig fur die Steigerung des zerebralen Blutflusses und des zerebrovaskularen Tonus zu sein 20 Des Weiteren beeinflussen sie uber den Wnt Signalweg Wachstum und Teilung von Zellen bei der Regeneration abgetrennter Schwanze von Kaulquappen und Echsen 21 Bei einem typischen Raumklima mit einer mittlerer Luftfeuchte von 50 Prozent und Temperaturen um die 20 Grad wird in Anwesenheit von Feinstaub die hochste Konzentration von dem besonders schadlichen ROS gebildet ROS kann die Zellen der Lunge schadigen und Lungenentzundungen Asthma und diverse andere Atemwegserkrankungen verursachen Selbst die Desoxyribonukleinsaure DNA kann durch ROS geschadigt werden 22 Einzelnachweise Bearbeiten a b S G Rhee Redox signaling hydrogen peroxide as intracellular messenger In Exp Mol Med 31 2 1999 S 53 59 A Gilbert J Baggott Essentials of molecular Photochemistry Blackwell Scientific 1991 ISBN 0 632 02428 3 S 503 Marc Herb Michael Schramm Functions of ROS in Macrophages and Antimicrobial Immunity In Antioxidants Band 10 Nr 2 19 Februar 2021 ISSN 2076 3921 S 313 doi 10 3390 antiox10020313 mdpi com abgerufen am 24 Februar 2021 Alexander Gluschko Marc Herb Katja Wiegmann Oleg Krut Wolfram F Neiss The b2 Integrin Mac 1 Induces Protective LC3 Associated Phagocytosis of Listeria monocytogenes In Cell Host amp Microbe Band 23 Nr 3 Marz 2018 S 324 337 e5 doi 10 1016 j chom 2018 01 018 elsevier com abgerufen am 24 Februar 2021 Marc Herb Alexander Gluschko Katja Wiegmann Alina Farid Anne Wolf Mitochondrial reactive oxygen species enable proinflammatory signaling through disulfide linkage of NEMO In Science Signaling Band 12 Nr 568 12 Februar 2019 ISSN 1945 0877 S eaar5926 doi 10 1126 scisignal aar5926 sciencemag org abgerufen am 24 Februar 2021 M Ristow Unraveling the truth about antioxidants mitohormesis explains ROS induced health benefits In Nature Medicine 20 2014 S 709 711 PMID 24999941 G S Shadel T L Horvath Mitochondrial ROS signaling in organismal homeostasis In Cell 163 2015 S 560 569 PMID 26496603 N Panth K R Paudel K Parajuli Reactive Oxygen Species A Key Hallmark of Cardiovascular Disease In Advances in medicine Band 2016 S 9152732 doi 10 1155 2016 9152732 PMID 27774507 PMC 5059509 freier Volltext T J Schulz u a Glucose restriction extends Caenorhabditis elegans life span by inducing mitochondrial respiration and increasing oxidative stress In Cell Metabolism 6 4 2007 S 280 293 PMID 17908557 A Sanz Mitochondrial 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