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Antioxidatives Schutzsystem

Die mitochondriale Atmungskette als Quelle für ROS

Wo in der Zelle wird der Sauerstoff benötigt bzw. verstoffwechselt? Der als Atmung bezeichnete Prozess, aus dem Menschen den größten Teil ihrer Energie beziehen, findet in den Mitochondrien statt. Hier wird der Sauerstoff verbraucht.

Abb.1
Redox-Prinzip der Atmungskette

In der Elektronentransport- oder Atmungskette werden vier Elektronen und Wasserstoff-Atome stufenweise über mehrere Proteinkomplexe auf Sauerstoff übertragen. Dabei entsteht Wasser und Energie in Form von ATP. Dieser Prozess läuft an der inneren Mitochondrien-Membran ab und ist die Grundlage für alle Atmungsvorgänge in Gegenwart von Sauerstoff. Der Name Atmungskette veranschaulicht, dass am Elektronentransfer verschiedene Redox-Komplexe beteiligt sind, die wie Glieder einer Kette hintereinander angeordnet sind.

Abb.2
Die Proteinkomplexe der Atmungskette

In der inneren Mitochondrien-Membran ist die Atmungskette lokalisiert, bei der rein summarisch betrachtet zwei Elektronen auf 0,5 O2 übergehen und die freiwerdende Energie für die Synthese von ATP aus ADP genutzt wird.

Die einzelnen Komponenten der Atmungskette werden durch Anklicken mit der Maus erläutert.

Weitere Informationen zur Elektronentransportkette, inklusive Animation.

Die Entstehung reaktiver Sauerstoff-Spezies

Im Idealfall gehen immer vier Elektronen auf Sauerstoff über. Unter bestimmten Umständen werden in der Elektronentransportkette aber nur zwei statt vier Elektronen übertragen. In diesem Fall entsteht H2O2 (Wasserstoffperoxid), das als starkes Zellgift möglichst rasch wieder entfernt werden muss. Auch Ein-Elektronen-Transferreaktionen sind möglich, wobei Hydroxyl-Radikale (HO) oder Superoxid-Radikale (O2-•) entstehen. Ein-Elektronen-Transferreaktionen werden vor allem von Enzymen katalysiert, die Metallionen des Eisens oder Kupfers in ihrem aktiven Zentrum haben. Am Elektronentransfer in der Atmungskette sind etliche solcher Enzyme beteiligt. Das ist vermutlich einer der Gründe, warum so viele der im Organismus produzierten ROS aus den Mitochondrien stammen.

In vivo werden schätzungsweise 1-3 % des in den Mitochondrien anfallenden Sauerstoffes in das Superoxid-Radikal umgewandelt. Hier, am Komplex I und am Komplex IV, entsteht der größte Teil der reaktiven Sauerstoff-Spezies im Organismus, mit einer geschätzten Rate von 0,1 mM Superoxid-Radikalen pro Minute in Abhängigkeit vom jeweiligen Sauerstoff-Partialdruck. Das klingt zunächst wenig, kann aber drastische Auswirkungen haben, wie ein Experiment an Ratten zeigte. Gesunde Ratten sterben in einer Atmosphäre aus 100 % Sauerstoff innerhalb von 72 Stunden - also bei einer Sauerstoff-Konzentration, die nur das Fünffache des normalen Sauerstoff-Partialdrucks beträgt.

Zellen haben verschiedene Enzyme zur Entsorgung der toxischen Sauerstoff-Verbindungen. Zu diesen Enzymen gehören beispielsweise die Katalasen und Peroxidasen für die Eliminierung von Wasserstoffperoxid sowie die Superoxid-Dismutasen (SOD), die das Superoxid-Anionradikal entfernen.

Literatur

Kirkinezos, I. G.; Moraes, C. T. (2001): Reactive oxygen species and mitochondrial diseases. In: Cell & Developmental Biology. 12449–45710.1006/scdb.2001.0282
Titel des Artikels
Reactive oxygen species and mitochondrial diseases
Abstract
A variety of diseases have been associated with excessive reactive oxygen species (ROS), which are produced mostly in the mitochondria as byproducts of normal cell respiration. The interrelationship between ROS and mitochondria suggests shared pathogenic mechanisms in mitochondrial and ROSrelated diseases. Defects in oxidative phosphorylation can increase ROS production, whereas ROS-mediated damage to biomolecules can have direct effects on the components of the electron transport system. Here, we review the molecular mechanisms of ROS production and damage, as well as the existing evidence of mitochondrial ROS involvement in human diseases.
Crapo, J. D. (1975): Superoxide Dismutase and Tolerance to Pulmonary Oxygen Toixicity. In: Chest. 6739-40
Titel des Artikels
Superoxide Dismutase and Tolerance to Pulmonary Oxygen Toixicity
Abstract
Results: These studies have shown that during exposure of rats to sublethal doses of oxygen SOD activity is increased and this increase closely correlates with the development of tolerance to 100 percent oxygen. A significant portion of the increase in SOD has been shown to be due to an increase in the absolute amount of the cytosol form of SOD. Alveolar type 2 cells have been shown to proliferate at the same time that tolerance develops and that SOD is increased, which is consistent with the postulate that this adaptive response to oxygen may be specifically located in the alveolar type 2 cell. The inferred relationship of SOD and the alveolar type 2 cells now requires further experimental elucidation.

Einige Zahlen zu Gewebekonzentrationen verschiedener Sauerstoff-Spezies

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