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(Englisch) Erklärung der Entstehung von ROS.

Die wichtigsten intrazellulären Quellen von ROS in Zellen ohne Photosynthese^[1]

Reaktive Sauerstoffkomponenten, oft mit der englischen Abkürzung bezeichnet ROS (Reaktive Sauerstoffspezies) sind eine Gruppe reaktiver chemischer Verbindungen mit Sauerstoff als Hauptbestandteil. Beispiele sind Peroxide, Superoxide, es Hydroxyl-Radikal und Singulett-Sauerstoff.^[2]

In einer biologischen Umgebung sind ROS ein Standardnebenprodukt der Stoffwechsel von Sauerstoff. Einerseits sind niedrigere Konzentrationen von ROS eine notwendige Bedingung für das Funktionieren der Zelle, andererseits gefährden höhere Konzentrationen ihre korrekte Funktion.

• Sie spielen eine wichtige Rolle in interzellulare kommunikation und Homöostase.^[3]
• In Zeiten extremer Bedingungen (z. B. Exposition gegenüber UV oder Wärme), können die ROS-Mengen jedoch deutlich über die für diese Funktionen erforderlichen Konzentrationen ansteigen.^[3] Dies kann zu erheblichen Schäden an verschiedenen Strukturen in der Zelle führen. Die äußeren Bedingungen und die daraus resultierenden Schäden werden zusammenfassend als oxidativen Stress. ROS kann auch durch exogene Faktoren (Faktoren außerhalb der Zelle) entstehen, wie z ionisierende Strahlung.^[4]

Herkunft und Reaktionen

Freie Radikale Mechanismen bei Gewebeverletzungen. Toxizität freier Radikale durch Xenobiotika und anschließende Entgiftung durch zelluläre Enzyme (Termination).

Die Reduktion von molekularem Sauerstoff (O₂) liefert Superoxid^•${displaystyle {ce {O2-}}}$. In wässriger Umgebung wird dies schnell in ^•${displaystyle {ce {HO2}}}$. Dieses Superoxid ist die Quelle für die meisten ROS.^[5]

${displaystyle {ce {O2}}}$${displaystyle {ce {e-}}}$ → ^•${displaystyle {ce {O2-}}}$

Das Disproportionierungsreaktion der Superoxidausbeuten (in wässrigem Medium) Wasserstoffperoxid (H₂Ö₂) und Sauerstoff:^[5]

${displaystyle {ce {2H }}}$${displaystyle {ce {2}}}$^•${displaystyle {ce {O2-}}}$ → ${displaystyle {ce{H2O2}}}$${displaystyle {ce {O2}}}$

Wasserstoffperoxid wiederum kann teilweise zu einem Hydroxylradikal (ebenfalls unter Bildung von Hydroxid) oder vollständig zu Wasser reduziert werden:^[5]

${displaystyle {ce{H2O2}}}$${displaystyle {ce {e-}}}$ → ${displaystyle {ce {OH-}}}$^•${displaystyle {ce {OH}}}$

${displaystyle {ce {2H }}}$${displaystyle {ce{H2O2}}}$${displaystyle {ce {2nd-}}}$ → ${displaystyle {ce{2H2O}}}$

Obwohl ROS zu reaktiv sind, um von außen in eine Zelle einzudringen (und daher streng genommen immer endogen – in der Zelle gebildet – sind), wird zwischen exogenen und endogenen ROS unterschieden:

• Exogene ROS verursacht durch Faktoren, die von außerhalb der Zelle kommen
• Endogene ROS entstehen unter dem Einfluss von Prozessen, die Teil der normalen Aktivitäten der Zelle sind.

Exogene ROS

Exogene ROS können unter dem Einfluss von Schadstoffen, Tabak, Rauch, Drogen, Xenobiotika und Strahlung.

Ionisierende Strahlung bewirkt ihre Wirkung durch ihre Wechselwirkung mit Wasser, sog. Radiolyse. Da lebende Zellen zu 55–60% aus Wasser bestehen, ist eine Radiolyse sehr wahrscheinlich. Während der Wechselwirkung verliert ein Wassermolekül ein Elektron, wodurch ein hochreaktives Teilchen entsteht. Durch mehrere Schritte (^•OH, huh₂Ö₂, ^•Ö₂⁻) entsteht schließlich Ö₂.

Von dieser Partikelgruppe ist das Hydroxylradikal äußerst reaktiv. Es reagiert sofort, indem es ein Elektron von jedem Molekül aufnimmt, auf das es zufällig stößt. Dadurch verwandelt sich dieses Molekül selbst in ein Radikal, das eine Kettenreaktion startet. Wasserstoffperoxid ist weniger reaktiv, dafür aber schädlicher für die DNA: da es stabiler ist, hat es genügend Zeit, um die Zytoplasma zum Kern wandern, damit es dort mit DNA reagieren kann (und diese dadurch schädigen kann).

Als eines der Xenobiotika für die meisten Organismen menadion werden genannt. Unter dem Einfluss des leicht von dieser Substanz gebildeten Hemichinons wird auch das Superoxidradikal gebildet.^[6]

Endogene ROS

ROS entstehen in Zellen durch verschiedene Standardprozesse, die für eine normale Zellfunktion notwendig sind. Welcher Prozess den größten Beitrag leistet, hängt vom Zell- und Gewebetyp ab. Den größten Beitrag leisten immer die „professionellen“ Produzenten von ROS: NADPH-Oxidase. Es gibt mehrere dieses Enzyms Isoformen, oft verbunden mit dem Membranen von Mitochondrien, Peroxisomen und der endoplasmatisches Retikulum.^[7][8] Mitochondrien wandeln die im Körper vorhandene chemische Energie um Glucose in eine für die Zelle verwendbare Form, ATP. Dieser Prozess wird oxidative Phosphorylierung erwähnt. Dabei werden beide Wasserstoffionen durch eine der inneren Membranen des Mitochondriums geleitet, während gleichzeitig Elektronen über die Elektronentransportkette Sauerstoff gebracht werden. In dieser Transportkette werden Elektronen immer auf einen Komplex mit einem etwas höheren Redoxpotential. Bei diesen Transfers ist der Energiegewinn an die Bildung von ATP aus ADP gebunden. Unter normalen Umständen wird der benötigte Sauerstoff zu Wasser reduziert. In weniger als 2%^[9] der Fälle wird jedoch das Superoxid-Radikal gebildet ^•${displaystyle {ce {O2-}}}$. Dafür recherchiert man am besten Komplex I und Komplex III.^[10] Superoxid selbst ist nicht besonders reaktiv, kann aber in seiner protonierten Form vorliegen, ^•${displaystyle {ce {HO2}}}$, bestimmte Enzyme deaktivieren und auch de Lipidperoxidation Start. Das Pk_z Hydroperoxyl beträgt jedoch 4,8. Das Ergebnis ist, dass unter physiologischen Bedingungen kaum Hydroperoxyl, sondern hauptsächlich das Superoxid-Anion vorhanden ist.

Wenn die Schädigung der Mitochondrien zu groß wird, erleidet die Zelle, zu der sie gehören, Apoptoseprogrammierter Zelltod.

Hyperventilieren

sehen Hyperventilieren für den Hauptartikel zu diesem Thema.

Superoxiddismutasen (SOD) sind eine Gruppe von Enzymen, die die Reaktion von Superoxid zu Wasserstoffperoxid und Disauerstoff katalysieren:

${displaystyle {ce {2H }}}$^•${displaystyle {ce {O2-}}}$^•${displaystyle {ce {O2-}}}$ → ${displaystyle {ce{H2O2}}}$${displaystyle {ce {O2}}}$

Als solche sind sie ein wichtiger Bestandteil in der antioxidatives System aller Zellen, die Sauerstoff ausgesetzt waren. Im Säugetiere (und die meisten Akkorddaten) gibt es in drei Formen.

• SOD1 kommt hauptsächlich in den Zytoplasma vor dem,
• SOD2 in Mitochondrien und
• SOD3 ist extrazellulär.

Das erste ist ein Dimer (es besteht aus zwei Einheiten), die anderen sind Tetramere (vier Untereinheiten). Kommen in SOD1 und SOD3 Kupfer- und ZinkIonen für, SOD2 hat a Mangan-ion ​​in seinem aktives Zentrum. Im Menschen Genom die Gene für diese Enzyme befinden sich auf der Chromosomen 21, 6 und 4 (21q22.1, 6q25.3 und 4p15.3-p15.1).

Die durch SOD katalysierte Reaktion kann in den folgenden zwei beschrieben werden halbe Reaktionen Angezeigt werden:

• ${displaystyle mathrm {M^{({mathit {n}} 1) } SOD O_{2}^{ -}longrightarrow M^{{mathit {n}} } SOD O_{2}} }$
• ${displaystyle mathrm {M^{{mathit {n}} } SOD O_{2}^{ -}longrightarrow M^{({mathit {n}} 1) } SOD H_{2}O_{2}} }$

Wobei M =Stichwort (nein = 1); Mn (nein = 2). In der Gesamtreaktion ändert es sich Oxidationszahl des Metallions zwischen nein und nein   1.

Das entstehende Wasserstoffperoxid wird auf verschiedenen Wegen unschädlich gemacht.

• Katalase, die hauptsächlich in Peroxisomen, die direkt neben den Mitochondrien liegen, katalysiert die Reaktion von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff.

${displaystyle mathrm {2H_{2}O_{2} } }$${displaystyle {ce {->[mathrm {catalase} ]2H2O}}}$${displaystyle mathrm { O_{2}} }$

• Glutathionperoxidase reduziert Wasserstoffperoxid mit Glutathion.

${displaystyle {ce{2GSH}}}$${Anzeigestil}$${displaystyle {ce {H2O2->[mathrm {Glutathionperoxidase} ]GS-GS}}}$${Anzeigestil}$${displaystyle {ce{2H2O}}}$

• Peroxiredoxine setze H₂Ö₂ in Mitochondrien, die Zytosol und der Zellkern.

${displaystyle {ce {H2O2->[mathrm {Peroxiredoxin} ]2H2O}}}$

Singulett-Sauerstoff

Ein ganz anderes ROS ist Singulett-Sauerstoff${displaystyle {ce {^1O2}}}$. Anstatt ein zusätzliches Elektron aufzunehmen, hat Sauerstoff dabei Energie aufgewendet, um seine Elektronen anders zu organisieren. Singulett-Sauerstoff entsteht als Nebenprodukt des Photosynthese. In Anwesenheit von a Photosensibilisator wenn Chlorophyll kann aus gewöhnlichem Triplett-Sauerstoff (³Ö₂) Einzelsauerstoff (¹Ö₂) stammen:^[11]

${displaystyle {ce {^3O2 ->[{ce {light}}][{ce {photosensitizer}}] ^1O2}}}$

Singulett-Sauerstoff ist hochreaktiv, insbesondere gegenüber organische Verbindungen mit Doppelreifen. Der daraus resultierende Schaden verringert die photosynthetische Effizienz von Chloroplasten. Bei Pflanzen, die zu viel Licht ausgesetzt sind, kann die daraus resultierende erhöhte Produktion von Singulett-Sauerstoff zum Zelltod führen.^[11] Verschiedene Stoffgruppen in Chloroplasten, wie z Carotinoide, Tocopherole und Plastochinone, reagieren schnell mit Singulett-Sauerstoff. Auf diese Weise wird der Chloroplast vor den toxischen Wirkungen von ${displaystyle {ce {^1O2}}}$. Singulett-Sauerstoff hat neben seiner direkten Toxizität auch eine Funktion als Signalsubstanz.^[11] Oxidationsprodukte aus β-Carotin (beispielsweise jasmonat) fungieren als sekundäre Signalstoffe die sowohl den Schutz vor den toxischen Reaktionsprodukten als auch die Apoptose aktivieren können. Die Höhe der Jasmonat-Konzentration spielt eine wichtige Rolle bei der Wahl zwischen Anpassung des Zellstoffwechsels an die hohe Konzentration an Umfangssauerstoff oder Zelltod.^[11]

Auswirkungen von Schäden

Die Auswirkungen von ROS auf den Zellstoffwechsel sind für eine Vielzahl von Arten gut dokumentiert. Nicht nur die Rolle in Apoptose (programmierter Zelltod) beschrieben, aber auch positive Effekte wie die Aktivierung von Gene an der Zellabwehr beteiligt.^[12][13] Dies bedeutet, dass ROS eine Rolle bei der normalen Funktion einer Zelle spielen. Bestimmtes Blutplättchen, die an der Reparatur von Verletzungen beteiligt sind und die Homöostase von Blut setzen ROS frei, das andere Blutplättchen zur Verletzungsstelle leitet. Dies stellt auch eine Beziehung zum adaptiven . her Immunsystem durch anziehen Leukozyten.

Schädliche Wirkungen von ROS lassen sich unter folgenden Punkten zusammenfassen:^[14]

1. Schaden an DNA oder RNA.
2. Oxidation von polyungesättigten Fettsäuren.
3. Oxidation von Aminosäuren in Proteinen.
4. Oxidative Deaktivierung bestimmter Enzyme durch Oxidation der notwendigen Coenzyme.

Reaktion auf Krankheitserreger

Wenn eine Pflanze einen Krankheitserreger erkennt, ist eine der ersten Reaktionen die schnelle Produktion von Superoxid (${displaystyle mathrm {O_{2}^{ -}} }$) oder Wasserstoffperoxid (${displaystyle mathrm {H_{2}O_{2}} }$) zur Stärkung der Zellwand. Dadurch wird eine Ausbreitung des Erregers auf andere Pflanzenteile verhindert.

Auch bei Säugetieren ist die ROS-Produktion eine wichtige antimikrobielle Abwehr. Die Bedeutung dieser Verteidigungslinie wird durch die Tatsache unterstrichen, dass Personen mit chronische granulomatöse Erkrankung (führt zu Problemen bei der Produktion von ROS) sind sehr anfällig für Infektionen mit einem breiten Spektrum von Mikroben, wie z Salmonella enterica, Staphylococcus aureus, Serratia marcescens, und Aspergillus.

Die genaue Art und Weise, wie ROS es dem Wirt ermöglicht, sich besser gegen Mikroben zu verteidigen, ist noch nicht vollständig geklärt. Einer der offensichtlichsten Wege ist die Schädigung der mikrobiellen DNA. Bei Salmonellen wurde gezeigt, dass eine DNA-Reparatur möglich sein muss, um zu verhindern, dass ROS zum Zelltod führt. Es wurde auch gezeigt, dass ROS über Helicase-1 und ein von Mitochodrien produziertes Signalprotein beim Abwehrmechanismus gegen Viren eine Rolle spielt. Erhöhte Konzentrationen von ROS führen über dieses Mitochondrium (IRF-3, IRF-7 und NF-chondrB) zur Interferonaktivität.^[15] Es wurde kürzlich gezeigt, dass respiratorische Epithelzellen mit Mithochondrien-produzierten ROS auf eine Influenza-Infektion reagieren. Das Auftreten von ROS führte zur Produktion von Typ-III-Interferon und ging in einen "Antivirus-Modus", der die Infektion einschränkte.^[16] ROS spielen sicherlich eine Rolle beim Abwehrmechanismus des Wirts gegen Mykobakterien, obwohl ROS selbst für diese Organismen wahrscheinlich nicht tödlich ist. Es wurde früher angenommen, dass es die ROS-abhängige Kommunikation im Mikroorganismus stört.^[17]

ROS spielen auch eine Rolle bei der Aktivierung oder deren Fehlen und der Apotose von T-Zellen.^[18]

Oxidative Schäden

Im aerobe Organismen die Energie, die zur Durchführung von Lebensvorgängen benötigt wird, wird in der Mitochondrien über die Elektronentransportkette. Neben Energie werden aber auch ROS produziert. Der Schaden, der durch ROS verursacht werden kann, kann zu Altern führen.

Wie bereits beschrieben, sind ROS ein normales Produkt in der zellulären Stoffwechsel. Einer der Hauptbestandteile, die zu oxidativen Niederschlägen beitragen, ist Wasserstoffperoxid (H₂Ö₂), die sich aus . ergibt Superoxid entsteht. Letzteres tritt aus den Mitochondrien aus. Katalase und Hyperventilieren die schädlichen Wirkungen von Wasserstoffperoxid bzw. Superoxid überwinden, indem diese Komponenten in Sauerstoff und Wasserstoffperoxid (das später in Wasser umgewandelt wird), mit dem die Schadstoffe neutralisiert werden. Die Umwandlung in unbedenkliche Stoffe erfolgt jedoch nicht mit einer Effizienz von 100 %. Restperoxide verbleiben in der Zelle und führen so zu oxidativen Schäden.^[19]

Das Gedächtnis lässt mit zunehmendem Alter nach, was insbesondere bei degenerativen Erkrankungen wie z Alzheimer stellt sich heraus. Diese Krankheit ist mit einer Akkumulation von oxidativen Schäden verbunden. Jüngste Studien zeigen, dass die Akkumulation von ROS die Gesamt Bedingung negativer Einfluss. Die Anhäufung von oxidativen Schäden kann zu kognitiven Dysfunktionen führen. Die Verwandtschaft zwischen den beiden wurde bei alten Ratten nachgewiesen. Die Tiere erhielten Metaboliten aus Mitochondrien. Dann wurden sie einem kognitiver Test. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ratten nach Erhalt der Metaboliten bessere Leistungen erbrachten.^[20] Die Anhäufung von oxidativen Schäden kann die Effizienz der Mitochondrien beeinträchtigen und dadurch die Produktion von mehr ROS fördern.^[21] Die Anhäufung und die Wirkung von oxidativen Schäden auf das Altern hängt vom Typ ab Gewebe wo der Schaden auftritt. Weitere Experimente weisen darauf hin, dass oxidative Schäden für den Rückgang kognitiver Funktionen verantwortlich sein können. In älteren Rennmäuse Es wurden höhere Konzentrationen an oxidierten Proteinen gefunden als bei jüngeren Tieren. Behandlung mit a Radikale abfangen Das Medikament führte bei älteren Ratten zu einer Verringerung der oxidierten Proteine, jedoch nicht bei jüngeren Tieren. Darüber hinaus schienen ältere Tiere während der Behandlung kognitiv bessere Leistungen zu erbringen, kehrten jedoch bei Unterbrechung der Behandlung zu ihrem ursprünglichen Niveau zurück, sowohl in Bezug auf die Kognition als auch auf die oxidierten Proteine. Die Schlussfolgerung scheint zu sein, dass es einen Zusammenhang zwischen der Oxidation zellulärer Komponenten und der Gehirnfunktion gibt.^[22]

Mutationen

Die Oxidation der DNA durch ROS ist eine der Hauptursachen für Mutationen. In der DNA können verschiedene Arten von Schäden auftreten. Aufgrund von ROS kann dies bis zu 20.000 Schaden pro Tag und Zelle sein. Dies können Punktschäden (nur eine Base ist beschädigt) oder Schäden sein, die die größere Struktur der DNA betreffen.^[23]

• Punktschäden sind zum Beispiel:
  • Die Formation der 8-Oxoguanin. Dies ist der Haupt-DNA-Schaden, der durch ROS verursacht wird. DNA-Polymerase liest diese Base dann als Adenin. Während der Synthese des komplementären Strangs, a Guanin ersetzt durch a Thymin.
  • die Bildung von Formamidopyrimidinen
• Zu den wichtigsten Bauschäden zählen:
  • Bruch in einer der DNA-Ketten
  • kompletter Verlust einer Base
  • die Bildung von Etheno-Addukten
  • Protein-DNA-Addukte
  • Intra- und Inter-Strang-Crosslinks

Siehe auch

• Melanin
• Hormesis
• Oxidativen Stress
• Sauerstoffvergiftung
• Polyphenol-Antioxidans
• Pro-Oxidationsmittel
• Reaktive Stickstoffkomponenten
• Produktion reaktiver Sauerstoffspezies in marinen Mikroalgen
• Jodid