Als oxidativen Stress bezeichnet man eine Stoffwechsellage, bei der eine das physiologische Ausmaß überschreitende Menge reaktiver Sauerstoffverbindungen (ROS – reactive oxygen species) gebildet wird, bzw. vorhanden ist.
Diese reaktiven Sauerstoffverbindungen entstehen im Rahmen von Stoffwechselvorgängen der mitochondralen Elektronentransportkette (Atmungskette).
Dabei handelt es sich um das Superoxid-Anionenradikal O2−, Wasserstoffperoxid (H2O2) und das Hydroxylradikal OH.
Normale Zellen im Organismus halten ihre Fähigkeit, reduzierende oder oxidierende Stoffe zu neutralisieren, indem sie oxidierende bzw. reduzierende Stoffe bevorraten.
Ein Ungleichgewicht zwischen diesen Pools, das die normale Reparatur- und Entgiftungsfunktion einer Zelle überfordert und folglich zu einer Schädigung aller zellulären und extrazellulären Makromoleküle führt, wird als oxidativer Stress bezeichnet.
Zu den Folgen des oxidativen Stresses gehören die Lipidperoxidation – die letztlich dazu führt, dass Zellen mehr Energie aufwenden müssen, um ihr Membranpotenzial zu stabilisieren, die Proteinoxidation und die Schädigung der DNA.
Diese drei Vorgänge werden mitverantwortlich für den Alterungsprozess und die Lebenserwartung gemacht.
Schutzmechanismen:
Zellen und Geweben stehen verschiedene Schutzmechanismen gegen oxidativen Stress zur Verfügung:
Antioxidatives Schutzsystem – enzymatische und nicht enzymatische Radikalfänger und Antioxidantien
Sekundärer Schutz – Reparaturmechanismen der DNA und geregelter Abbau von Proteinen (-turnover)
Die Atmungskette:
Die Atmungskette dient zur Energiegewinnung in unserem Körper. Sie bildet ATP als unsere Energiereserve.
Durch die Atmungskette werden freie Radikale gebildet, die bevorzugt zu einer Schädigung der mitochondrialen DNA (ursächlich ist die enge räumliche Beziehung) führen.
Die Nettoreaktion in der Atmungskette der Zellen ist die Reaktion von Sauerstoff mit Wasserstoffionen zu Wasser.
Reaktionen finden immer dann spontan statt, wenn die beteiligten Atome durch die Neuordnung eine Edelgaskonfiguration in ihrer Valenzschale erreichen.
Eine solche Konfiguration ist für Sauerstoff mit acht Elektronen und für Wasserstoff mit zwei Elektronen auf der äußeren Elektronenschale gegeben. Sauerstoffatome haben sechs und Wasserstoffatome ein Valenzelektron.
Gehen beide eine Verbindung zum Wasser miteinander ein, so ist für alle drei Atome die Edelgaskonfiguration erreicht.
Die bei diesem Vorgang, auch als „Knallgasreaktion“ bekannt, freiwerdende Energie ist netto der Energiebetrag, der dem Körper aus der Atmungskette heraus für andere Prozesse zur Verfügung steht. Ein Großteil des entstandenen Wassers wird später über die Harnwege ausgeschieden.
Trotz ausgiebiger Schutzmechanismen ist dieser Prozess in etwa zwei Prozent der Fälle fehlerhaft, dann nämlich, wenn sich nur ein Wasserstoffatom mit einem Sauerstoffatom verbindet.
Weil das Sauerstoffatom dann mit sieben Elektronen auf der äußeren Schale der Edelgaskonfiguration bereits nahe ist, strebt es als „freies Radikal“ danach, sich mit dem nächstbesten Atom zu verbinden.