Erforschen von Reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) mit AAT

Was sind ROS?

Reaktive Sauerstoffspezies (engl.: reactive oxygen species, ROS) sind Sauerstoff-enthaltende Moleküle und werden auch oft vereinfacht als „Sauerstoffradikale“ bezeichnet. Dabei kann es sich sowohl um stabile, molekulare Oxidantien als auch um freie Radikale handeln. Da Sauerstoffatome zwei ungepaarte Elektronen in getrennten Bahnen ihrer äußeren Elektronenhülle enthalten, ist es anfällig für die Bildung von Radikalen. Die sequentielle Reduktion von Sauerstoff durch die Addition von Elektronen führt zur Bildung einer Reihe von ROS, darunter das Superoxid-Anion (O₂^-), Wasserstoffperoxid (H₂O₂), Hydroxylradikal (•OH), hypochlorige Säure (HOCl), Peroxynitrit-Anion (ONOO^-) und Stickstoffoxid (NO).

Durch die Zellatmung innerhalb der Mitochondrien entstehen ROS natürlicherweise als Nebenprodukt, aber auch zur Bekämpfung von Viren und Bakterien werden ROS gebildet [1]. ROS entstehen außerdem als Zwischenprodukte von Oxidoreduktase-Enzymen und metallkatalysierter Oxidation. Des Weiteren gelten Zigarettenrauch und andere Umweltgifte wie zum Beispiel Feinstaub allgemein als weitere Quellen für reaktive Sauerstoffspezies.

Antioxidantien bilden die Gegenspieler der ROS. Obwohl ROS mit verschiedenen Pathologien wie z. B. Krebs, Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Zusammenhang gebracht werden und in hohen Konzentrationen zu oxidativem Stress führen können, sind sie gleichzeitig auch wichtige Signalmoleküle (sogenannte „Second Messenger“) für den Organismus. Sie werden durch Liganden-Rezeptor-Interaktionen gebildet und fungieren als spezifische Botenstoffe in Signalkaskaden, die zum Beispiel an der Zellproliferation und -differenzierung beteiligt sind [2].

Die ursächliche Beteiligung von ROS bei den oben genannten Krankheiten wird immer noch diskutiert, aber als erweisen gilt, dass ROS in hohen Konzentrationen eine schädliche Wirkung für einen Organismus haben, jedoch in kleinen Konzentrationen physiologisch sind und gesundheitsfördernde Eigenschaften besitzen. Diese nicht-lineare Wirkbeziehung wird als „Mitohormese“ bezeichnet. Damit ist ein biochemischer Prozess gemeint, bei dem die gezielte Induktion von mitochondrialem Stress die Vermehrung von freien Radikalen in der Zelle zur Folge hat. Dies führt letztendlich jedoch zu einer Aktivierung der zelleigenen Abwehr gegen Sauerstoffradikale und stellt somit einen Vorteil für den Organismus dar. Diese physiologische Wirkbeziehung hat zum Beispiel die Gruppe um Matthias Blüher in einer Studie im Jahr 2009 zum Thema Sport und Antioxidantien aufzeigen können [3]. 

Antioxidantien verhindern gesundheitsfördernde Effekte von körperlicher Bewegung beim Menschen

Sport hat einen gesundheitsfördernden Effekt, diese Tatsache wird wohl niemand bestreiten. Auch Vitamine, zu denen auch Antioxidantien wie Vitamin C und Vitamin E gehören, sind für die Gesundheit eines Menschen relevant. Doch werden Antioxidantien nach dem Sport zum Beispiel in Form von Nahrungsergänzungsmitteln aufgenommen, können diese den positiven Effekt der körperlichen Bewegung zunichtemachen. Im Jahr 2009 wurde eine Originalarbeit von Blüher et al. veröffentlicht, in der dieser Effekt untersucht wurde [3].

Körperliche Betätigung trägt nachweislich zur Diabetes-Typ 2 Prävention bei, denn sie verbessert deutlich den Glukosestoffwechsel im Insulin-resistenten Zustand. Daran sind mehrere Mechanismen beteiligt. Beispielsweise wird die Expression von Glukosetransportern verstärkt sowie die Verlagerung von Glukosetransportern zur Plasmamembran unabhängig von Insulin. Darüber hinaus verbessert körperliche Bewegung den mitochondrialen Stoffwechsel, und ein reduzierter mitochondrialer Stoffwechsel wurde funktionell mit Typ-2-Diabetes in Verbindung gebracht. Als unvermeidliche Nebenprodukte des oxidativen Glukosestoffwechsels entstehen jedoch auch reaktive Sauerstoffspezies.

Es ist außerdem bekannt, dass die Muskulatur insbesondere bei Kontraktion und körperlicher Anstrengung freie Radikale bildet. Die Gruppe um Matthias Blüher zeigte, dass diese bei körperlicher Bewegung physiologisch entstehenden ROS erforderlich sind für die Insulin-sensibilisierende Wirkung von körperlicher Betätigung bei gesunden Menschen und dass Antioxidantien wie Vitamin C und Vitamin E die gesundheitsfördernden Effekte von körperlicher Bewegung und oxidativem Stress beim Menschen aufheben. Dafür wurden Probanden vier Wochen lang nach dem Sport auf die genannten Effekte untersucht. Dabei erhielt die Hälfte der Probanden nach der körperlichen Bewegung eine Supplementierung durch Vitamin C und Vitamin E, die andere Hälfte nicht. Anschließend wurden zum einen die Auswirkungen auf die Insulinempfindlichkeit anhand der Glukoseinfusionsraten (GIR) gemessen. Zum anderen wurde die ROS-Abwehrkapazität anhand der Expression des Peroxisomproliferator-aktivierten Rezeptor Gamma (PPAR) sowie der PPAR-Koaktivatoren PGC1 und PGC1 analysiert.

Die Ergebnisse zeigten, dass eine Supplementierung mit Antioxidantien bei den Probanden zu einer Blockierung der ROS-induzierten Abwehrkapazität führte und auch die Mechanismen zu Verbesserung der Insulinempfindlichkeit wurden durch die Gabe von Vitamin C und Vitamin E blockiert. Diese Befunde stehen im Einklang mit dem Konzept der Mitohormese, bei der physiologische ROS-Konzentrationen förderlich für die Gesundheit sind. Die Arbeitsgruppe kommt zu dem Schluss, dass eine Supplementierung mit Antioxidantien die gesundheitsfördernden Wirkungen von Bewegung beim Menschen ausschließen kann, da durch diese die ROS-aktivierten, förderlichen Prozesse blockiert werden (Abb. 1).

Abbildung 1: Die Supplementierung mit Antioxidantien kann die gesundheitsfördernden Wirkungen von Bewegung verhindern. Die Mitohormese bringt körperliche Bewegung und die anschließende Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies mit der Insulinempfindlichkeit und dem antioxidativen Schutz in Verbindung. Körperliche Betätigung wirkt sich positiv auf die Insulinresistenz sowie die endogene ROS-Abwehr aus. Dieser Effekt wird durch Einnahme von Antioxidantien blockiert (nach Blüher et al. 2009). 

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Quellen:

[1] https://www.chemie.de/lexikon/Reaktive_Sauerstoffspezies.html

[2] Reactive oxygen species as intracellular messengers during cell growth and differentiation, H. Sauer, M. Wartenberg, J. Hescheler, Cell Physiol Biochem. 2001;11(4):173-86. doi: 10.1159/000047804.

[3] Blüher et al., Antioxidants prevent health-promoting effects of physical exercise in humans, 2009

Tabellen von AAT Bioquest: https://www.aatbio.com/catalog/reactive-oxygen-species-ros-indicators-probes-quantification-kits