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Antioxidatives Schutzsystem

Membranschäden durch oxidativen Stress

Biologische Membranen bestehen überwiegend aus Doppelschichten von Phospholipiden. Membranen trennen beispielsweise das Zellinnere (Cytoplasma) von der Außenwelt ab und unterteilen Reaktionsräume innerhalb der Zelle: Mitochondrien, der Zellkern und die Chloroplasten von Zellen sind durch Membranen getrennt. In die Lipid-Doppelschicht der Zellmembran sind Proteine eingelagert. Diese können die Membran durchdringen (z.B. Ionenkanäle, Rezeptoren, Transportproteine) oder aufgelagert sein.

Abb.1
Zellmembran

Die Lipid-Peroxidation durch Radikale und hochreaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) erzeugt Schänden direkt an den zellulären Membranen. Freie Radikale und ROS lösen an Phospholipidmembranen einen mehrstufigen Prozess aus, der in einer Kettenreaktion mündet. Dieser Prozess verringert die Fluidität der Membran und steigert die Membranpermeabilität. Durch diesen Prozess wird die Funktion von membrangebundenen Enzymen und Rezeptoren beeinträchtigt, was wiederum den Ionentransport stark behindert.

Abb.2
Kettenstart durch Hydroperoxide

Zunächst wird ein Wasserstoff-Atom von einer Seitenketten-Methylen-Gruppe abspalten. Das so entstandene Lipid-Radikal reagiert nun mit Sauerstoff zum Peroxy-Radikal. Dieses kann jetzt in einer Kettenreaktion mehrfach ungesättigte Fettsäuren (freie Fettsäuren und Bestandteile von Lipiden) in Lipid-Hydroperoxide, Lipid-Alkohole und Aldehyd-Nebenprodukte umwandeln.

Membranen und Leinöl

Ein Beispiel aus dem Alltag veranschaulicht den Prozess der radikalischen Membranschädigung. Leinöl besteht zu mehr als der Hälfte aus α-Linolensäure, einer mehrfach ungesättigten Omega-3-Fettsäure. Lässt man eine Flasche Leinöl in der Sonne auf dem Fensterbrett stehen, polymerisiert das Öl unter dem Einfluss der UV-Strahlung und Sauerstoff innerhalb von Tagen und Wochen. Es entsteht eine harte Kunststoff-ähnliche Substanz in der Flasche.

Diesen Effekt macht man sich bei der Verwendung von Leinölfarben zunutze. Als Bindemittel führt die oxidative Polymerisation des Leinöls zum allmählich Aushärten der Farbe. Nach einiger Zeit entstehen durch diesen Prozess allerdings auch die typischen feinen Risse alter Gemälde.

Membranschäden führen zum Zelltod

Die in dieser Kettenreaktion entstehenden Lipid-Peroxide schädigen nicht nur die Membranen und Lipide selbst, sondern greifen auch andere Zellstrukturen wie Proteine, besonders Membranproteine, und die DNA an.

Ein weiterer Faktor bei den durch eine Lipid-Peroxidation verursachten Schäden ist der Verbrauch des Redox-Puffers Glutathion in den Zellen. Glutathion ist am Abbau der Lipid-Oxidationsprodukte beteiligt, steht dann aber für seine eigentlichen Aufgaben, die SH-Gruppen von Proteinen im reduzierten Zustand zu halten, nicht mehr zur Verfügung. Die Folgen sind zusätzliche Schäden an Proteinen, wenn das antioxidative Schutzsystem das oxidierte Glutathion nicht recyceln kann.

Sobald das Membranpotenzial nicht mehr aufrecht erhalten wird, kommt es zu einer Reihe von Reaktionen, an deren Ende die Zelle quasi Selbstmord begeht (dieser Prozess wird als Apoptose oder programmierter Zelltod bezeichnet). Neben dem Verlust des Membranpotenzials sind die Freisetzung von Cytochrom c aus Mitochondrien ins Cytoplasma und der Abbau der mitochondrialen DNA Signale für eine Zelle, dass der oxidative Stress überhand genommen hat und eine Reparatur der Schäden nicht mehr möglich ist. Dieses hat besonders bei sich nicht mehr teilenden Zellen, wie z.B. im Gehirn, erhebliche Auswirkungen auf die Funktionalität des gesamten Organs!

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