zum Directory-modus

Antioxidatives Schutzsystem

Evolutionsbiologische Aspekte der Sauerstoff-Schutzsysteme

Das Leben auf der Erde begann in einer reduzierenden Atmosphäre ohne freien Sauerstoff. Vor mehr als vier Milliarden Jahren bestand die Atmosphäre noch vorwiegend aus Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff. Erst mit dem Erscheinen der ersten photosynthetisch aktiven Algen vor etwa 3,5 Milliarden Jahren wurden in den folgenden zwei Milliarden Jahren genügende Mengen Sauerstoff in die Atmosphäre entlassen, dass sich Sauerstoff-atmende (aerobe) Lebewesen entwickeln konnten.

Die ältesten Lebewesen mit Zellkern (Eukaryonten) und die Mitochondrien wie wir sie heute kennen, entstanden vermutlich vor etwa 1,5 Milliarden Jahren, als die Atmosphäre eine hinreichend hohe Sauerstoff-Konzentration besaß.

Abb.1
Die Zeitskala der Evolution

Der Stoffwechsel von Menschen und Tieren ist (im Gegensatz zu vielen Bakterien und einigen niederen Eukaryonten) komplett auf die Anwesenheit von Sauerstoff angewiesen. Auf diesem Hintergrund ist es eigentlich überraschend, dass es im Organismus nur so wenige Enzyme gibt, die mit Sauerstoff umgehen können.

Etwa 98 % des Sauerstoffs im menschlichen Stoffwechsel werden von nur einem einzigen Enzym umgesetzt, der mitochondrialen Cytochrom-Oxidase. In sehr ähnlicher Form findet man das gleiche Enzym auch in Bakterien mit aerobem Stoffwechsel - die Cytochrom-Oxidase ist also eine sehr alte Erfindung. Schon die ersten aeroben Zellen mussten ein riesiges Problem lösen: Wie können toxische Nebenprodukte des Sauerstoff-Stoffwechsels vermieden oder entsorgt werden, die andernfalls Zellstrukturen schädigen würden? Zumindest für diesen ersten Punkt ist die Cytochrom-Oxidase eine (fast) perfekte Lösung, die in der Evolution praktisch aller aeroben Lebewesen beibehalten wurde.

Die Cytochrom-Oxidase überträgt Elektronen kontrolliert auf Sauerstoff

Nur durch eine Übertragung von mehreren Elektronen gleichzeitig ist sichergestellt, dass keine reaktiven Sauerstoff-Spezies in der Zelle entstehen. Die Cytochrom-Oxidase ist ein Enzym mit vier Redoxzentren und kann in einer Reaktion vier Elektronen auf molekularen Sauerstoff zu übertragen, so dass zwei Moleküle Wasser gebildet werden. Dieser kontrollierte Elektronentransfer (der auch oxidative Phosphorylierung genannt wird) geschieht in der Atmungskette der Mitochondrienmembran.

Abb.2
Redox-Prinzip der Atmungskette
Abb.3
3D-Modell der Cytochrom c-Oxidase

Dieser Prozess der kontrollierten Sauerstoff-Übertragung läuft aber nicht vollständig ab - etwa 1-3 % des Sauerstoffs geht andere Wege. Man nimmt an, dass an mindestens zwei Stellen der Atmungskette als unerwünschtes Nebenprodukt auch O2-• und Peroxide, so genannte Superoxide, entstehen. In der Evolution der aeroben Lebewesen bedeutet das nun, dass nicht nur Strategien gefunden werden mussten, wie möglichst wenig reaktive Sauerstoff-Spezies entstehen, sondern auch antioxidative Moleküle zu entwickeln, die diese reaktiven Sauerstoff-Spezies unschädlich machen können.

Animiertes 3D-Modell der Cytochrom c-Oxidase

Die Evolution antioxidativer Systeme

Besonders Pflanzen haben im Laufe der Evolution zahlreiche Antioxidanzien entwickelt, die wasserlöslich sein können wie beispielsweise Ascorbinsäure (Vitamin C) oder fettlöslich wie das α-Tocopherol (Vitamin E). Am effizientesten lassen sich reaktive Sauerstoff-Spezies durch Enzyme entsorgen.

Auch diese Enzyme entstanden schon sehr früh in der Evolution atmender Lebewesen, praktisch parallel mit der Atmungskette und dem Auftreten von reaktiven Sauerstoffen in den Zellen. Superoxid-Dismutasen, die beim Menschen zelluläre Superoxide abbauen, lassen sich in ähnlicher Form auch in den einfachsten atmenden Bakterien nachweisen. Durch den Vergleich der Aminosäureabfolge in Superoxid-Dismutasen ist diese Verwandtschaft belegt.

Der Schutz vor Sauerstoff als Taktgeber der inneren Uhr

Peroxiredoxine gehören ebenfalls zu den evolutionsbiologisch sehr alten Bestandteilen des antioxidativen Schutzes. Der letzte gemeinsame Vorfahre aller Peroxiredoxine in heutigen Spezies ist 2,5 Milliarden Jahre alt. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich erstmals genug toxischer Sauerstoff für eine echte Sauerstoff-Atmosphäre angesammelt. Erstaunlicherweise unterliegt die Produktion von Peroxiredoxinen in allen untersuchten Spezies selbst dann einer tageszeitlichen Schwankung, wenn man alle genetischen Steuermechanismen für die so genannten inneren Uhren ausschaltet. Der Theorie zufolge entwickelte sich der Schutz vor den schwankenden Sauerstoff-Konzentrationen der Atmosphäre unabhängig von anderen tageszeitlichen Rhythmen und könnte sogar eine der Grundlagen für die circadiane Steuerung zellulärer Prozesse sein.

News "Universeller Taktgeber" (2012); Quelle: doi:10.1038/nature11088

Kein Schaden ohne Nutzen

Als die reaktiven Sauerstoff-Spezies und besonders auch Superoxide ins Interesse der Wissenschaftler gerieten, wurden sie lediglich als zellschädigende Nebenprodukte des Stoffwechsels angesehen, die möglichst komplett entsorgt werden müssen. Aber im Laufe der Evolution haben Lebewesen auch Strategien entwickelt, diese toxischen Moleküle nutzbringend einzusetzen.

Superoxide spielen nämlich eine wichtige Rolle bei der Abwehr eindringender Mikroorganismen. Bestimmte Zellen im Immunsystem von Mensch und Tier wie z.B. die Phagocyten können über das Enzym NADPH-Oxidase auch selbst Superoxide produzieren und die in ihre Zelle aufgenommenen Mikroorganismen damit töten.

Seite 3 von 57