Transcript Biologische Schädlichkeit von

Freie Radikale und
Antioxidantien
Oxidativer Stress ist ein Zustand, in dem ansonsten stabile Moleküle ein Elektron
verlieren und somit instabil werden.
Auf der Suche nach einem zusätzlichen Elektron greifen diese instabilen Moleküle, die
so genannten „freien Radikale“, gesunde Zellen im Körper an.
Die tägliche Einwirkung von
- Umweltverschmutzung
- Rauchen
- physischem Stress, usw.
führt zur Enstehung von freien Radikalen.
Keine Zelle ist vollkommen sicher vor den Auswirkungen
freier Radikalen.
Dieser Prozess spaltet und zerstört die Zellen. Die beschädigten Zellen verstärken
dann den Alterungsprozess.
Ähnlich wie bei der Bildung von Rost auf einem Auto ist diese Oxidation sozusagen
der „Rost“ in unseren Körpern.
Hauptschädigungsquellen durch freie Radikale
Umweltverschmutzung
Rauchen oder Passivrauchen
Stress, einschließlich körperlicher Belastung
( wie Sport )
Strahlung – Röntgenstrahlung,kosmische
Strahlung, Mikrowellenstrahlung
Einige Ursachen für die Entstehung freier Radikale sind jedoch
unvermeidlich:
Atmung
Normaler Nahrungsstoffwechsel zur
Energieproduktion in jeder menschlichen
Zelle (Mitochondrien)
Ultraviolettes Licht der Sonne
Die Rolle der Antioxidantien:
Die einzige Möglichkeit, um freie Radikale zu neutralisieren und so den oxidativen
Prozess zu minimieren, sind Antioxidantien.
Interne (körpereigene) Antioxidantien:
Antioxidantien, die unser Körper selbst herstellt.
-Superoxid-Dismutase
=Kupfer-Zink-Superoxid-Dismutase
=Mangan-Superoxid-Dismutase
-Glutathion-Peroxidase, Glutathion-Transferasen
Glutathion-Reduktasen
-Katalase(n)
-Selen-Glutathion-Peroxidase
Mineralische Kofaktoren unterstützen den Aufbau körpereigener
Antioxidantien. (Selen, Kupfer,Zink)
Die Rolle der Antioxidantien – 2
Die Superoxiddismutase (SOD) ermöglicht die Umwandlung des Superoxidradikals in
das weniger reaktive
- Wasserstoffperoxid (H2O2)
welches durch zwei weitere Enzyme, Glutathionperoxidase (GPX) und Katalase zu
Sauerstoff und Wasser abgebaut wird
Die Selen-abhängige Glutathion-Peroxidase (GPX) ist eines der wichtigsten
antioxidativen Enzyme für die Entgiftung von reaktiven Sauerstoffspezies.
Vor allem Hydroperoxide (zu denen Wasserstoffperoxid und Lipidhydroperoxide aus
biologischen Membranen dazugehören) werden durch die
Glutathion-Peroxidase zu unschädlichen Verbindungen ( Wasser bzw. Alkohol)
abgebaut.
Für die optimale GPX-Aktivität ist eine genügende Bereitstellung von Glutathion
unerlässlich.
Die Aktivität der Glutathion-Peroxidase kann durch eine unzureichende
Selenversorgung reduziert sein.
Lipidperoxidationsprodukte:
Lipidperoxidationsprodukte entstehen, wenn freie Radikale körpereigene
Schutzmechanismen überwinden und mit ungesättigten Fettsäuren der
Zellmembranen reagieren.
Solche Hydroperoxide der Fettsäuren sind chemisch instabil und zerfallen in
- Alkane
- aliphatische Aldehyde
- ungesättigte Aldehyde, darunter das Malondialdehyd
(MDA)
Das die Eigenschaft hat Proteine und Lipide zu vernetzen. MDA ist ein sogenanntes
sekundäres Lipidperioxidationsprodukt und entfaltet seine toxischen Eigenschaften
auf verschiedenen Ebenen der zellulären Mechanismen.
Es kann mit der DNA reagieren
Die Rolle der Antioxidantien – 4
Externe Antioxidantien:
Die 5 wichtigsten Familien der externen Antioxidantien sind:
antioxidative Vitamine
mineralische Kofaktoren
Carotinoide
Flavonoide
andere wie z.B. Alphaliponsäure
Biologische Schädlichkeit von
Mobilfunkstrahlung erneut bewiesen
Oxidativer Stress durch Mikrowellenstrahlung, mögliche Ursache für viele negative
Zellveränderungen und eine Vielzahl von systemischen Störungen im menschlichen Körper
Quelle: Pubmed, Med Pr. 2002,53(4):311-4.Polisch.PMID:12474410
Prof. Dr. Peter Semm „Neuroscience Letters“
Abstrakt der Studie:
Ziel der Studie war es, an Zellkulturen in vitro die Wirkung des von Mobiltelefonen
produzierten elektromagnetischen Feldes auf die Aktivität von Superoxid-Dismutase (SOD-1)
und den Anteil von Malondialdehyd (MDA) in menschlichen Blutplättchen (Thrombozyten) zu
prüfen. Die Blutplättchen-Suspension wurde 1, 3, 5 und 7 Minuten mit Mikrowellen (900 MHz,
heutige GSM-Mobilfunk-Frequenz/D-Netz) bestrahlt. Die Studie bewies, dass die von
Mobiltelefonen ausgehenden Mikrowellen die SOD-1-Aktivität nach 1, 5 und 7 Minuten
Exposition signifikant stark reduziert und nach 3 Minuten erhöhte – im Vergleich zum
Kontrolltest. Nach 1, 5 und 7 Minuten gab es eine signifikante Erhöhung der MDAKonzentration und eine Abnahme nach 3 Minuten im Vergleich zum Kontroll-Test. Die
Wissenschaftler folgerten aus ihren Studienergebnissen, dass oxidativer Stress nach
Mikrowellen-Exposition der Grund für viele negative Zellveränderungen sein könne und eine
Vielzahl von systemischen Störungen im menschlichen Körper verursachen könne.
Die medizinische Zeitschrift Praxis – Wissenschaft – Originalia äußerte in ihrer Ausgabe
7/97 bereits:
„Das antioxidative Potential des Organismus ist vorrangigstes Überlebensprinzip und
entscheidet weitgehend und unmittelbar über Gesundheit oder Krankheit.“
Superoxid-Dismutase:
Ein sehr wichtiges Anti-Oxidanz-Enzym!! Primärer enzymatischer Fänger für freie
Radikale!
Es gibt Mangan-Superoxid-Dismutase in Mitochondrien und cystosolische Kupfer-ZinkDismutase mit extrazellulären Formen in Blut, Lymphen und anderen
Körperflüssigkeiten. Superoxid-Ionen werden durch die mitochondriale Atmung,
aktivierte Leukocyten, Mikrosomen, toxische Chemikalien und Strahlung in den
lebenden Zellen produziert. Superoxid-Dismutase sorgt für den 200fach schnelleren
Spontanzerfall von Superoxid.
Die Bildung von hochaggressivem Singulett-Sauerstoff, Hydroxyl-Radikalen und
anderen reaktiven Sauerstoff-Radikalen wird wirksam vorgebeugt.
Malondialdehyd:
Malondialdehyd – ein Marker für den oxidativen Stress der Zelle
Der menschliche Organismus ist in der modernen Gesellschaft einer Vielzahl
Belastungen aus seiner Umwelt ausgesetzt, die hohe Anforderungen an die antioxidativ
wirkenden Systeme des Körpers stellen. Durch UV-Strahlung und verschiedenste Noxen
werden in den Zellen eine große Menge freier Radikale freigesetzt. Eine
Überproduktion von Sauerstoffradikalen oder unzureichende antioxidative
Abwehrmechanismen führen im Organismus zu einem vermehrten Auftreten von
pathologischen Abbauprodukten, die zu schweren Zellschädigungen führen können.
Vorzeitiges Altern und Krankheiten (Diabetes mellitus, Krebs) können sich in der Folge
einstellen.
Durch die Oxidation ungesättigter Fettsäuren der Zellmembran werden im Organismus
unterschiedliche Hydroperoxide gebildet. Diese sind chemisch instabil und zerfallen in
Aldehyde. Ein besonderes unter diesen stellt das Malondialdehyd (MDA) dar, da es die
Eigenschaft hat, Proteine und Lipide zu vernetzen.
Malondialdehyd stellt damit einen Marker dar, der anzeigt, inwieweit das antioxidative
System eines Patienten mit der einwirkenden oxidativen Belastung zurechtkommt.
Oxidativer Streß führt zu einer verstärkten Lipidoxidation in der Zelle und damit zum
Ansteigen der Konzentration von MDA.
Malondialdehyd:
Solche erhöhten Werte weisen darauf hin, dass ein oder mehrere Faktoren der
antioxidativen Regulation überlastet sind und ein Eingreifen erforderlich wird. An
dieser Stelle sollte nach Möglichkeiten der Veränderung der Lebensweise (Rauchen,
Ernährung, Wohn-/Arbeitsumfeld) gesucht und eventuelle Schwachstellen in der
antioxidativen Abwehr
- Vitamine, Spurenelemente
diagnostiziert und gegebenenfalls ausgeglichen werden.
Im Anschluss an eine Therapie lässt sich durch die Bestimmung des Malondialdehyd bei
sinkenden Werten ein Erfolg der eingeleiteten Maßnahmen belegen.
Zur Interpretation:
Deutlich erhöhte Werte für MDA werden vor allem bei terminaler Niereninsuffizienz,
- septischem Schock
- Schwangeren
- bei Einnahme von Antikontrazeptiva
- akuter Pankreatitis
- Myokardinfarkt beobachtet.
Allgemein nimmt der MDA-Spiegel mit zunehmendem Alter zu.
Fast alle Risikofaktoren für kardiovaskuläre Erkrankungen
- Rauchen, Adipositas, usw.
Manifestieren sich auch in erhöhten Konzentrationen von Malondialdehyd.
Zuweilen werden geringfügig erniedrigte Konzentrationen
beobachtet.
Hier scheint ein Mangel an ungesättigten freien Fettsäuren zu einem
geringeren Gesamtumsatz zu führen.
In diesen Fällen sollten andere Wege zur Diagnose des
oxidativen Stress
- z.B. die Messung des Antioxidantienstatus
Redox-Serumanalyse
- Raman-Spektroskopie zur Messung von bestimmte
Nährstoffen in lebendem Gewebe
beschritten werden.
Eisen, Mangan und Parkinson
Auf der Suche nach möglichen Ursachen von Morbus Parkinson interessiert sich die
Wissenschaft zunehmend für Ernährungsfaktoren.
In der vorliegenden Fall-Kontroll-Studie wurde der statistische Einfluss von
Mineralstoffen, Spurenelementen sowie Vitaminen aus Lebensmitteln wie
Nahrungsergänzungsmitteln auf die Erkrankung geprüft.
Lediglich zwei Inhaltsstoffe korrelierten mit Parkinson:
- Eisen und Mangan
Dieses Resultat ist biochemisch durchaus plausibel. Schließlich weisen ParkinsonPatienten einen erhöhten Eisengehalt in der geschädigten Substantia nigra auf.
Zudem ist freies Eisen im Körper sehr reaktiv und kann Nervenzellen schädigen.
Eine erhöhte Manganaufnahme hingegen hat sich längst als Ursache von Parkinson
etabliert.
Zu den Lebensmittel, die beide Spurenelemente enthalten, zählen vor allem Spinat,
Limabohnen, Pflaumen, Weizen und Erdnüsse.
Powers KM et al: Pakinson`s disease risks associated with dietary iron, manganese, and other nutrient intakes. Neurology 2003/60/S. 1761-1766
Multiple Sklerose: Hilfe durch Harnsäure
Scott GS et al: Therapeutic intervention in experimental allergic encephalomyelitis by administration of uric acid precursors.
Proceedings of the National Academy of Sciences 2002/99/S.16303-16308
Bei Multipler Sklerose (MS) und anderen neurodegenerativen Erkrankungen spielt das
reaktionsfreudige Stoffwechselprodukte - Peroxynitrit – eine zentrale Rolle.
Die Substanz ist in der Lage, riskante Reaktionsprodukte zu bilden, die allerdings von
Harnsäure abgefangen werden können.
Schon in der Vegangenheit hat man festgestellt, dass ein niedriger Harnsäurespiegel
typisch für MS-Patienten ist, während Menschen mit erhöhtem Harnsäurespiegel, also
Gichtpatienten, äußerst selten an MS erkranken.
Dieser Unterschied ließ sich sogar an eineiigen Zwillingen nachweisen, von denen einer
an MS litt.
Erhöht man den Harnsäurespiegel von MS-Patienten durch die Gabe von zwei
Vorstufen der Harnsäure - Inosin,
- Inosinsäure
besserte sich auch das Krankheitsbild.
Inosin wird derzeit ohne Wirkungsnachweis als Nahrunsergänzungsmittel zur
sportlichen Leistungssteigerung verkauft. Inosinsäure findet als
Geschmacksverstärker(E630) breite Anwendung.
Mineralien:
anorganische Mineralien
organische Mineralien
In Mineralwasser finden sich ausschließlich anorganische Verbindungen. Verbindungen
zwischen Elementen wie - Calcium
- Magnesium
- Natrium
- Salzresten wie
-sulfat, - carbonat, -hydrogencarbonat, -chlorid etc.
In Pflanzen finden sich hauptsächlich organische Verbindungen. Verbindungen
zwischen Elementen und Kohlenstoffresten wie z.B.:
- citrate, -celate, metallorganische Verbindungen
Genetische Faktoren des CholesterinStoffwechsels und der Atherosklerose
• Apolipoprotein B (ApoB)
• Apolipoprotein E (ApoE)
• Methylentetrahydofolat-Reduktase (MTHFR)
(Hyperhomocysteinämie)
• Plasminogen-Aktivator-Inhibitor (PAI-1)
• Zytokine (Interleukin-1, Interleukin-6, TNFa)
• Superoxid-Dismutase 2 (SOD2)
Definition der WHO für Atherosklerose
Atherosklerose ist eine variable Kombination
von Veränderungen der Intima, bestehend aus:
• herdförmigen Ansammlungen von Fettsubstanzen
• komplexen Kohlenhydraten
• Blut und Blutbestandteilen
• Bindegewebe und Kalziumablagerungen
verbunden mit Veränderungen der Arterienmedia
Koronare Herzerkrankungen (KHK)
Manifestation der Atherosklerose an den Herzkranzarterien
• flusslimitierende Koronarstenosen
• Koronarinsuffizienz
daraus folgt:
• Missverhältnis zwischen Sauerstoffbedarf und –angebot
des Herzmuskels




Angina pectoris
Herzinfarkt
Herzrythmusstörungen
plötzlicher Herztod
Risikofaktoren der KHK
1. männliches
Geschlecht
2. hohes Lebensalter
3. familiäre KHKBelastung
4. Hypercholesterinämie
5. niedriger HDLCholesterinwert
Durch die frühzeitige Erkennung
von Stoffwechselstörungen kann
das Risiko durch diätetische
und medikamentöse Therapie
gemindert werden!
6. Zigarettenrauchen
7. hoher Blutdruck
8. Diabetes mellitus
9. körperliche Inaktivität
10. Übergewicht
Quelle: Castelli et al., 1986; Framingham-Studie
Besondere Rolle der
Cholesterin-Werte
Inzidenz eines Herzinfarktes innerhalb von 4 Jahren
bei isolierten Risikofaktoren:
•
•
•
•
•
Hypertonie
Diabetes mellitus
Diabetes mellitus + Hypertonie
Hyperlipidämie
Hyperlipidämie + Diabetes mellitus
oder Hypertonie
14/1000 Personen
15/1000 Personen
48/1000 Personen
96/1000 Personen
114/1000 Personen
potenzierender Effekt von Einzelrisiken
Quelle: Assmann et al., 1988;
„Prosektive Cardiovaskuläre Münster-Studie (PROCAM)“
Pathogenese der Atherosklerose
1. Endotheliale Dysfunktion
• oxidative Modifikation der LDL
• Einschwemmung von LDL-Cholesterin in die Intima
• vermehrte Expression von Adhäsionsmolekülen
Einwanderung von Monozyten
2. Umwandlung der Monozyten in Makrophagen
• Aufnahme von LDL-Cholesterin mittels „Scavenger“Rezeptoren in die Makrophagen
• Sezernierung von Cholesterin in Form von ApoE-haltigen
Apolipoproteinen (HDL)
ApoE-abhängige Aufnahme und Abbau durch die Leber
Reverser Cholesterin-Transport
Hyperlipidämie als zentraler
Faktor der Atherosklerose
• Überangebot von Cholesterin
Umwandlung der Makrophagen in Schaumzellen
Schaumzellen:
• Sezernierung von Entzündungsmediatoren
(Interleukine, Tumor-Nekrosefaktor a)
Migration und Proliferation von glatten Muskelzellen
Nekrose und Atherom-Bildung
Aus einer primär reversiblen Läsion
folgt die Bildung fortgeschrittener und komplizierter Plaques!
• Schutz-Mechanismus vor Atherosklerose:
reverser Cholesterin-Transport (HDL!)
Rolle der Thrombozyten in der
Atherosklerose-Entstehung
Adhäsion von Thrombozytenthromben an die Intima
 Thrombozyten und Makrophagen sezernieren
„platelet-derived growth factor“ (PDGF)
Anregung der Proliferation glatter Muskelzellen
bindegewebiger Umbau:
 Bildung von Collagen, Elastin, Proteoglykanen
die somit gebildete Matrix kann sekundär „verkalken“
Lipoproteine
Lipoproteine
Wichtigste
Lipidklasse im
Kern
Wichtige
Apolipoproteine
Mechanismus der
Lipidabgabe
Chylomikronen
Nahrungstriacylglycerine
B-48, C, E
Hydrolyse durch
Lipoproteinlipase
ChylomikronenRemnants
Nahrungscholesterin- B-48, E
ester
Rezeptorvermittelte
Endozytose in der Leber
VLDL
Endogene
Triacylglycerine
B-100, C, E
Hydrolyse durch
Lipoproteinlipase
IDL
Endogene
Cholesterinester
B-100, E
Rezeptorvermittelte
Endozytose in der Leber
und Umwandlung in LDL
LDL
Endogene
Cholesterinester
B-100, (E)
Rezeptorvermittelte
Endozytose in der Leber
und in anderen Geweben
HDL
Endogene
Cholesterinester
A, (E)
Transfer von Cholesterin
in IDL und LDL
Lp(a)
Cholesterinester
B-100, (a)
Apolipoproteine
• Synthese hauptsächlich in Leber und Darm
• Löslichkeit der Fette im Blut
• Mizellenstabilisierende Eigenschaften
• Erkennung der LDL-Rezeptoren
Aufnahme der Lipide in die Leber
und in nichthepatisches Gewebe (Endozytose)
• Aktivator bzw. Inhibitor von Enzymen
Lipoproteinlipase (LPL), Lecithin-CholesterinAcyltransferase (LCAT)
Die wichtigsten
Apolipoproteine
Apolipoprotein
Lipoprotein
Molekül- Funktion
masse
(kDa)
Apo A-I
HDL
28
Aktivator der LCAT
Cholesterinveresterung
Apo B-48
Chylomikronen
265
Strukturprotein
Apo B-100
VLDL, LDL,
Lp(a)
549
Ligand des LDL-Rezeptors
(B-Rezeptor)
Apo C-II
Chylomikronen,
VLDL
8,5
Aktivator der
Lipoproteinlipase
Spaltung von Triglyceriden
Apo E
VLDL, HDL,
(LDL)
39
Ligand des LDL- und
ApoE-Rezeptors
Fettstoffwechsel:
Exogener Weg
• Aus Chylomikronen werden Fettsäuren freigesetzt;
• cholesterinangereicherte Remnants werden ApoEund ApoB-vermittelt in die Leber aufgenommen;
• cholesterinhaltige Nahrung führt auf Dauer zu einer
Herab-Regulierung der LDL-Rezeptoren der Leber
Anstieg der LDL-Cholesterin-Werte im Plasma
Fettstoffwechsel
Abb.: D. Voegt „Biochemie“, Kap. 11-4:
Lipoproteine, VCH Verlagsgesellschaft
mbH Weinheim, 1. Auflage 1992
Endogener Weg
• Endogene cholesterinreiche Lipoproteine (VLDL, LDL) und
ihre Modifikation sind kausal für die Entstehung der
Atherosklerose verantwortlich
• Triglycerid-Anteil der VLDL verringert sich, es entstehen
VLDL-Remnants (IDL)
• Überschuss an Phospholipiden, freies Cholesterin, ApoC und
ApoE werden an HDL übertragen
• Großer Teil der VLDL-Remnants wird direkt über
die Leber aus der Zirkulation entfernt
• Verbleibender Teil wird über die hepatische Lipase (HL)
weiter zu LDL abgebaut
Fettstoffwechsel
Abb.: D. Voegt „Biochemie“, Kap. 11-4:
Lipoproteine, VCH Verlagsgesellschaft
mbH Weinheim, 1. Auflage 1992
LDL-Partikel
• bestehen im Kern überwiegend aus Cholesterinestern
• Hauptapolipoprotein = ApoB, daneben ApoE
• Transport von ca. 80% des gesamten Plasma-Cholesterins
• LDL werden zu ca. 70% über LDL-Rezeptoren aus der
Blutzirkulation entfernt (ApoB- bzw. ApoE-vermittelt)
• LDL-Moleküle lösen ihre eigene Phagozytose durch
Makrophagen aus
Ca. 30% werden über Rezeptor-unabhängigen Weg
eliminiert
(Akkumulation in Makrophagen, „Scavanger“-Rezeptor)
Regulation der LDL-RezeptorSynthese
• negative Feedback-Kontrolle:
• intrazellulärer Cholesterin-Gehalt hoch
geringere Rezeptoren-Produktion
• intrazelluärer Cholesterin-Gehalt niedrig
(z.B. durch Hemmung der 3-Hydroxy-3-Methyl-GlutarylCoA-Reduktase (HMG-CoA-Reduktase))
erhöhte Rezeptor-Aktivität
gesteigerte LDL-Clearance durch die Leber
Abfall der Plasma-Cholesterin-Konzentration
Apolipoprotein B-100
(ApoB)
• Bedeutendste Apolipoprotein des VLDL und des LDL
Transport von Triglyceriden und Cholesterin
zwischen Leber und Peripherie
• Nur ein einziges mal in LDL vorhanden
• Veränderungen in der Proteinstruktur führt zu
teilweise erheblichen Stoffwechseldefekten
z.B. (ApoB3500): FDB (familiar defective
apolipoprotein B)
ApoB erkennt seinen Rezeptor nicht mehr
XbaI-Mutation im
Apolipoprotein B-100
• stille Mutation (ohne AS-Austausch, vermutlich
Kopplungseffekt )
• physiologische Auswirkung:
erhöhter Gesamt-Cholesterin-Spiegel
erhöhter Triglycerid-Spiegel
erhöhter LDL-Cholesterin-Spiegel
erhöhter ApoB-Spiegel
• tritt in der hiesigen Bevölkerung sehr häufig auf
(ca. 40 % XbaI Allel-Träger)
Apolipoprotein E
(ApoE)
• Hauptprotein-Komponente in VLDL und HDL
• Ausschleusung von Cholesterin aus der Peripherie
(reverser Cholesterin-Transport)
• Ligand des LDL-Rezeptors und des LRP1
Regulation des Triglycerid- und CholesterinKatabolismus
• Bildungsorte: Leber, Niere, Nebenniere und Gehirn
• bedeutende Rolle bei Regeneration und Degeneration
von Nerven (Morbus Alzheimer!)
Apolipoprotein E-Polymorphismen
• Epsilon 2: Cystein an Pos. 112
Cystein an Pos. 158
• Epsilon 3: Cystein an Pos. 112
Arginin an Pos.158
• Epsilon 4: Arginin an Pos. 112
Arginin an Pos. 158
kann nicht mehr dimerisieren
Apolipoprotein E-Polymorphismen
Physiologische Auswirkung
Varianz von ca. 10% in der interindividuellen PlasmaCholesterin-Konz. durch ApoE-Polymorphismus verursach
• Epsilon 2: stark herabgesetzte Bindungsfähigkeit an LDL-Rezeptor
(<2% Bindung)
erhöhtes Risiko für Typ-III-Hyperlipidämie
• Epsilon 3: durchschnittliche starke Bindung an LDL-Rezeptor;
bevorzugte Bindung an HDL
• Epsilon 4: erhöhte Bindungsfähigkeit an LDL-Rezeptor,
niedriger ApoE-Plasmaspiegel
Lipoproteine werden schneller aus dem Plasma entfernt
Herabregulation der LDL-Rezeptoren der Leber
Erhöhung der Plasma-Cholesterin-Konzentration
Apolipoprotein E und
Morbus Alzheimer
• E4: erhöht Cholesterinspiegel
erhöhte Aktivität der b- und c-Sekretase
fehlerhafte Prozessierung von APP (Amyloid-Vorläufer-Protein)
extrazelluläre Plaques (Ablagerungen von b-Amyloid)
• E4: geringerer Schutz des Mikrotubuli-stabilisierenden Proteins Tau
vor Phosphorylierung
Bildung neurofibrillärer Bündel aus hyperphosphoryliertem
Tau-Protein
• ApoE ist im Gehirn das alleinige Trägerprotein für Membranlipide
E4 transportiert weniger Cholesterin
Unterversorgung von Neuronen mit Cholesterin
Reparatur von Membranschäden gestört
• Pro E4-Allel setzt der Krankheitsausbruch ca. 7 bis 9 Jahre früherer als bei
E3-Trägern ein
Apolipoprotein E und
weitere neuronale Schädigungen
• Bis zu 50% aller 50 bis 60 jährigen M. AlzheimerPatienten sind E4-Allel-Träger
• Abnorme Proteinablagerungen bei verschiedenen
Amyloidosen des Zentralnervensystems,
ApoE-Beteiligung denkbar bei:
Creutzfeldt-Jakob-Krankheit
Down-Syndrom
Familiäre amyloidotische Polyneuropathie
Apolipoprotein E-Polymorphismen
Allel-Frequenz
Genotyp
Häufigkeit in der deutschen
Bevölkerung in %
e2/e2
0,9
e2/e3
10,7
e3/e3
63,8
e3/e4
21,3
e4/e4
1,3
e2/e4
2,1
Quelle: Schwandt P, Richter WO. Handbuch der Fettstoffwechselstörungen.
Schattauer Verlag, Stuttgard, New York, 1995)
Apolipoprotein -Polymorphismen
Polymorphismus
Genotyp
Phänotyp
ApoB-100 (3500)
Homozygot negativ
Normal
Heterozygot
Schwere Hypercholesterinämie, oft schon in jungen Jahren (FDB
= familiar defective apolipoproteinB)
Homozygot positiv
Äußerst selten
Homozygot negativ
Normal
Heterozygot
Leicht erhöhter Gesamt- und LDL-Cholesterinspiegel,
Triglyceridspiegel und ApoB-Spiegel, leicht verstärkte
Suszeptibilität bezüglich Atherosklerose, insbesondere wenn
weitere Risikofaktoren vorliegen
Homozygot positiv
Deutlich erhöhte Suszeptibilität bezüglich Atherosklerose
e2/e2
Erhöhtes Risiko bezüglich Typ III-Hyperlipidämie, e2 wirkt
protektiv gegenüber M. Alzheimer
e2/e3
Erhöhter Cholesterin- und Triglycerid-Spiegel, protektiv
gegenüber M. Alzheimer
e2/e4
Erhöhter Cholesterin- und Triglycerid-Spiegel
e3/e3
Normal
e3/e4
Plasmacholesterinspiegel leicht erhöht, Risiko bezüglich M.
Alzheimer
e4/e4
Deutlicher Anstieg des Plasmacholesterinspiegels, deutlich
erhöhtes Risiko bezüglich M. Alzheimer
ApoB-100 (XbaIMutation)
ApoE
Homocystein
spielt eine große Rolle bei der
Pathogenese der Atherosklerose
Wirkung auf den Organismus:
• oxidative Prozesse (Endothelschäden)
• Gerinnungs- und Fibrinolysesystem
(Plättchenaktivierung)
• Zellsynthese und –proliferation (glatte Muskelzellen)
• Cholesterinstoffwechsel der Leber (oxidative
Modifikation des LDL)
• Endothel-Leukozyten-Interaktion
Gemeinsamer Mechanismus mit
anderen Riskofaktoren?
Homocystein-Stoffwechsel
Homocystein-Entstehung:
Methionin
(essentielle Aminosäure)
SAM-Synthase
S-Adenosyl-Methionin
(wichtigster Methylgruppen-Donor für
RNA, DNA und Neurotransmitter)
Glycin-Methyltransferase
S-Adenoslyhomocystein (SAH)
Hcy-Synthase
Adenosin + Homocystein
Homocystein-Abbau
(Leber und Niere)
1. Remethylierungsweg:
Homocystein
Cofaktor:
Methionin-Synthase
Vitamin B12
Methylgruppen-Donor:
Methionin
5-Methyltetrahydrofolsäure
(5-Methyl-THF)
MethylentetrahydrofolatReduktase (MTHFR)
Serin
Folsäure
MethylentetraTetrahydroaus der
hydrofolsäure
folsäure
Nahrung
Homocystein-Abbau
(Leber und Niere)
2. Transsulfurierungsweg:
Homocystein
Cystathionin-b-Synthase
Cofaktor:
Vitamin B6
Serin
Cystathionin
Cystathionin-g-Synthase
Einbau in Glutathion
oder
Ausscheidung über die Niere
nach Sulfatisierung
Cystein +
a-Ketobutyrat
Homocystein-Stoffwechsel
• physiologische Stoffwechselbedingungen:
striktes Gleichgewicht zwischen
Aufbau und Abbau des Homocysteins
• ca. 50% des Methionins wird regeneriert
• erhöhte Proteinaufnahme über die Nahrung:
Transsulfurierungsweg gewinnt an Bedeutung
• mehr Hyc gebildet, als verstoffwechselt:
Zelle beginnt Hyc auszuscheiden
Pathomechanismen
des Homocysteins
• Infektionen, Entzündungen, Ischämie, Trauma oder
Medikamente
dosisabhängige Endothelschäden und endotheliale
Dysfunktion
oxidativer Stress:
katalytische Autoxidation von Hyc
Entstehung von Wasserstoffperoxid und Superoxid
• Vermehrtes Auftreten von DNA-Strangbrüchen und
verminderte NAD+-Konzentrationen (spontane Mutationen!)
• beeinträchtige Vasodilatation durch Stickstoffmonoxid
(Gefäßtonus-Regulierung )
Hcy verringert die Bioverfügbarkeit des NO,
indem es dessen oxidativen Abbau fördert!
Pathomechanismen des
Homocysteins
Homocystei
n
oxidativer Stress
freie Radikale
Inhibition der Glutathion-Peroxidase
oxid. Modifikation der LDL (Cholesterin!)
Bioverfügbarkeit des NO
Endothelschäden und endotheliale Dysfunktion
Gerinnungsfaktoren
„tissue factor“
„tissue plasminogen activator“
•Proliferation der
glatten Muskelzellen
•Vasokonstriktion
•Leukozyten- und
ThrombozytenAdhäsion
und Aktivierung
Thrombose-Ereignis
Homocystein-Genetik
Methyltetrahydrofolat-Reduktase-Gen
C677T-Austausch:
• thermolabile Variante des MTHFR
• verminderte Enzym-Aktivität (TT: < 50%)
• um ca. 25% erhöhte Plasma-Hcy-Werte
A1298C-Austausch:
• signifikant erhöhte Hcy-Werte
• synergistischer Effekt mit C677T-Austausch
Homocystein-Werte
in Relation zum MTHFR-Genotyp
(verschiedene Studien)
Genotyp
Homocystein-Werte
CC/AA (WT), ansonsten
normale Stoffwechsellage
CC677/CC1298
< 15 µmol/l
CT677/CC1298
> 15 µmol/l
TT677/AA1298
> 15 µmol/l
37,7 ± 12,0 µmol/l
Nutritive Faktoren
Singuläre Gabe von Folsäure:
Metaanalyse: 500 – 5000 µg/Tag über 6 – 8 Wochen:
Reduzierung von 12,0 µmol/l auf 9,0 µmol/l (gemittelte Werte)
25% Reduktion von Hcy
Gabe von Vitamin B12:
gleiche Studie: 500 µg/Tag
7% Reduktion von Hcy
Empfohlen wird kombinierte Gabe von Vitamin B2, B6 und B12!
Weitere Faktoren, die zu
einem erhöhten Hcy-Spiegel führen können
Nierenfunktion
erhöhte Morbidität und Mortalität bei
kardiovaskulärer Erkrankung
Folsäure- bzw. Vitamin B6 und B12-Mangel
Rauchen
Alkohol- und Kaffeegenuss (> 600 ml/Tag)
bewegungsarme Lebensweise
mitbedingt durch verschiedene andere Krankheitsbilder
( KHK, periphere arterielle Verschlusskrankheit,
Atherothrombose, Psoriasis, M. Parkinson, M. Alzheimer)
Arzneimittel
Endokrine Faktoren (Östrogen, Testosteron, Insulin,
Schilddrüsenhormone)
Interaktionen mit
Medikamenten
Antiepileptika:
Phenytoin, Carbamazepin
Folsäure- und Vitamin B6-Antagonisten:
Methotrexat, Sulfasalazin,
Trimethoprim
Distickstoff
Lipidsenker:
Statine, Niacin, Fibrate,
Cholestyramin
L-Dopa
Zytostatika:
6-Mercaptopurin
Thrombusbildung und
Entzündungsreaktionen
Verschiedene imflammatorische Systeme interagieren mit der
Thrombusbildung
 Aktivierung des Komplement-Systems
 Akt. des lokalen Angiotensins
 Akt. von Matrixmetalloproteinasen
 lokale Akt. von mononukleären Zellen
Interleukin-6 vermittelt Akute-Phase-Reaktion:
• vermehrte Synthese prothrombotischer (z.B. Fibrinogen, Plasminogen
Aktivator Inhibitor-1) und inflammatorischer Mediatoren und Marker
(CRP)
• über Tage bis Wochen wird prokoagulatorischer Zustand
aufrechterhalten!
Interleukin-6
Chronische Inflammation der Gefäßwand:
 zentraler Regulator der Akutphase und somit der Expression
des CRP-Gens bis zu 10fach erhöhter Spiegel in
atherosklerotischen Plaques
 Bildung durch Monozyten, Adipozyten, Endothelzellen, glatte
Muskelzellen und Fibroplasten
 Variation von 35-40% des CRP-Baselinespiegels über
genetische Konstellation des IL-6 bestimmt
 Promotor-Mutation bestimmt Transkriptionsrate und
daher Aktivität des IL-6
Inflammatorische Regulatoren:
Zytokine
Entzündliche Prozesse werden im großen Ausmaß über Zytokine
reguliert; am wichtigsten:
Interleukin-1
Interleukin-6
Tumor-Nekrosefaktor a
Mutationen:
 Störung des „fine tunings“ im regulativen Netzwerk
 Überschießen des Immunsystems
Insbesondere Interleukin-6 wird mit einer Risikoerhöhung
bezüglich KHK und Arteriosklerose in Zusammenhang
gebracht!
Plasminogen-AktivatorInhibitor Typ-1 (PAI-1)
 Serin-Protease-Inhibitor, frei zirkulierend (PAI-2 in Leukozyten)
 nur von wenigen Zellen ausgeschüttet (Hepatozyten, glatte
Muskelzellen, Adipozyten und Thrombozyten)
normalerweise geringe Konzentration von PAI (5 – 20 ng/ml)
 Inflammatorische Prozesse
PAI-Konz
(Sezernierung durch
viele andere Zellen)
Wichtigster Regulator des fibrinolytischen Systems:
Hemmung des „tissue-type-plasminogen-activator“ (t-PA)
und des „urokinase-type-plasminogen-activator“ (u-PA)
Plasminogen-AktivatorInhibitor Typ-1 (PAI-1)
Zusammenhang zwischen PAI-1 Sekretion,
Hemmung der Fibrinolyse
und Auftreten von kardiovaskulären Ereignissen
Quelle: Diss. Tobias Krauß, medizinische Fakultät der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i.Br., 2006
Fazit
Das Gleichgewicht zwischen tPA und PAI-1 entscheidet,
ob ein Thrombus gebildet oder aufgelöst wird!
Erhöhte Plasmakonzentrationen von PAI-1 führen zu einem
prothrombotischen Zustand!
Erhöhung der PAIKonzentration
1.
Insulin und Proinsulin stimulieren PAI-Synthese
2.
Adipositas (Fibrinogenspiegel im Plasma ist direkt
mit BMI korreliert)
3.
PAI-Polymorphismen, die die Synthese des Proteins steigern
Folgen:
Hemmung der fibrinolytischen Aktivität über eine verminderte
endotheliale Freisetzung von Plasminogenaktivatoren (t-PA)
Gesteigerte Thrombozytenaggregation,
gesteigerte Plasmaviskosität
Förderung der arteriosklerotischen Plaquebildung
Rolle der freien
Sauerstoffradikale (ROS)
ROS werden als die molekulare Ursache einer Reihe pathophysiologischer Faktoren bei der Entstehung der endothelialen
Dysfunktion angesehen:
• oxidierte LDL
• Homocystein (verminderte Bioverfügbarkeit von NO)
• Hyperglykämie (verstärkte O-Glykosilierung, Hemmung der NOS)
• Zytokine
• bakterielle Stoffwechselprodukte
• hämodynamische Streßfaktoren
Wirkungen der ROS auf
die Gefäßwand
NO-Inaktivierung
Adhäsionsproteine
Metalloproteinasen
Zytokine
Apoptose
ROS
Lipidperoxidation
Chemokine
Proliferation und Migration
von glatten Muskelzellen
Mutationen in der SuperoxidDismutase 2 (SOD2)
SOD2: Mn-abhängige Superoxid-Dismutase 2;
mitochondriales Enzym, fängt Radikale direkt am
Entstehungsort ab
Mutation in der Leadersequenz: Signalpeptid betroffen
• häufigste Mutation: ca. 30% der hiesigen Bevölkerung ist
homozygot positiv!
• Assoziiert mit Erkrankungen wie chronisch entzündliche
Prozesse, Arteriosklerose, Diabetes mellitus, Parodontitis,
Krebserkrankungen, vorzeitigen Alterungsprozessen uvm.
Mutation im Strukturgen: Aktivitätsverlust
• selten in der hiesigen Bevölkerung
Dyslipidämie
Hypertension
Diabetes
Rauchen
Endotheliale Dysfunktion
Atherothrombotisches Risiko
Was ist die Ursache,
wenn meine Therapie bei meinem Patienten nicht anspricht
(Non-Responder)?
wenn sich die Besserung äußerst schleppend einstellt?
wenn die Therapie schlecht vertragen wird?
Können eventuell vorhandene weitere Symptome mit der Grunderkrankung
assoziiert sein?
Familienanamnese!!
Labordiagnostische Vorgehensweise
Dyslipidämie
Drastische Hypercholesterinämie
Homocysteinämie,
Neigung zu Fehlgeburten
Thrombose-Neigung,
familiäre Dickleibigkeit
Generelle Veranlagung zu chronisch
entzündlichen Erkrankungen,
Vergiftungssymptomatiken,
Verdauungsprobleme,
Erschöpfung
ApoE, ApoBXbaI
ApoB3500
MTHFR
PAI,
Gerinnungsfaktor
II, Faktor V
SOD2Leadersequenz,
GST-Enzyme
ApoB
ApoE
MTHFR
Dyslipidämie
Hyperhomocysteinämie
Cholesterinsenkung
Nahrungsumstellung
Vitamin E (natürliches Tocopherol)
L-Arginin bei endothelialer
Dysfunktion
Homocystein-Spiegel senken
Folsäure, Vitamin B6 und B12
L-Arginin bei endothelialer
Dysfunktion
Risikosenkung
Ernährungsumstellung
L-Carnitin und Pyruvat zur Unterstützung
der Gewichtsreduktion
Antioxidantien
Überprüfung weiterer Gerinnungsfaktoren
Thromboserisiko
PAI-1
Antioxidantien
Cu, Zn, Mn
L-Arginin bei endothelialer
Dysfunktion
Oxidativer Stress
SOD, Zytokine
„The doctor of the future will give no medicine,
but will interest his patients in the care of the human frame,
in diet, and in the cause and prevention of disease.“
Thomas Edison
Vererbung
Doppelter Chromosomensatz, doppelte Anzahl Gene:
Warum?
• Diversität der genetischen Informationen
Potential der Weiterentwicklung
Evolution
• Mutationen betreffen zunächst ein Gen
geringere Wirkung auf den
Organismus
Erbgang
Mutationen - Polymorphismen
• Punktmutationen meist in „hot spots“
• meist ist zunächst nur ein „Allel“ betroffen
oft nur milde Effekte für den Träger
• Weitervererbung: Mutation wird in der Population häufiger
• Polymorphismus: Häufigkeit in der Bevölkerung > 1 %
oder große Relevanz für den Träger
Punktmutationen des
kodierenden Bereichs
Basenaustausch bewirkt Änderung des
genetischen Codes
meistens resultiert Aminosäure-Austausch
des Protein-Produktes
Struktur-Änderungen bzw. Stopp-Signal
•
verkürztes Protein (CYP2C19 m2)
•
Änderungen von RezeptorBindungseigenschaften (ApoE)
•
Änderungen des katalytischen Zentrums
(CYP2A6 *2)
•
Enzymstabilität (mEH)
Deletionen
Fehlende Basenpaare über unterschiedlich
große Bereiche
1. wenige Basenpaare
Promotor-Mutation (PAI-1)
Verschiebung des Leserahmens
bzw. Stopp-Codon
2. große Bereiche
Funktionsverlust des Proteins
(GSTM1)
Ziel genetischer Analysen
• Bewusstseinsförderung,
evtl. Änderung von Lebensgewohnheiten
Meidung weiterer Risiko-Faktoren
Meidung oder Entfernung von Toxinen
• Unterstützung betroffener Protein/EnzymFunktionen (z.B. über Mikronährstoffe)
• Risikopotential innerhalb der Familie
Wie werden die Testungen
ausgewählt?
•
Kriterien für die Übernahme in unser
Testprogramm:
1.
Klinische Studien weisen Assoziation
Genotyp – Phänotyp auf;
2.
Polymorphismus ist hinreichend häufig
in der Bevölkerung vertreten;
3.
Sinnvolle Ergänzung zu bestehenden
Thematiken;
4.
Möglichkeit einer Kompensation des
genetischen Defektes;
Die Genetik hilft:
• grundlegende Schwachstellen zu erkennen
Schadstoffabbau
Fehlfunktionen im Stoffwechsel-Geschehen
Abbau von ROS (reactive oxygen species)
Dysregulation von Signalketten
• die Physiologie der Patienten zu optimieren, damit
die Therapie mehr Chancen auf Erfolg hat!
Alle chemischen Reaktionen in Pflanzen und Tieren, die das Leben
unterstützen, finden mit Hilfe von Wasser statt.
Wasser liefert nicht nur das Medium, in dem die Reaktionen stattfinden,
sondern Wasser ist oft auch ein wichtiger Bestandteil dieser Reaktionen.
Wasser ist ein universelles Lösungsmittel!
Wasser ist ein universelles starkes polares Lösungsmittel. Aufgrund
seiner starken Polarität, ist es in der Lage alle polaren Stoffe zu lösen
und Wasserstoffbrückenbindungen aufzubauen, die insbesondere für
die spezielle Geometrie und damit für die Wirkung von Eiweißstoffen
und Nukleinsäuren verantwortlich sind.
Die Struktur des Wassermoleküls
Um das Phänomen „Wasser“ zu verstehen, müssen wir uns in die Welt der
Atome (von Griechisch a-tomos=unteilbar), der kleinsten Teilchen, begeben.
Diese Atome können Sie sich vorstellen wie unser Sonnensysteme: Um den
Atomkern (bestehend aus Protonen und Neutronen) kreisen Elektronen in
verschiedenen Schichten.
Anders als die Planeten gibt es mehrere „Schalen“, d.h. Abstände vom
Atomkern, auf denen die Elektronen sich bewegen. Die erste Schale besteht
aus maximal 2, die zweite und dritte aus maximal 8 Elektronen. Jedes Atom
hat den „Wunsch“, seine äußerste Schale zu komplettieren, d.h. mit der
maximalen Anzahl von Elektronen zu füllen. Nur die Elektronen der
äußersten Schale – die Valenzelektronen – sind für die chemische Reaktion
wichtig.
Ein Wassermolekül mit der chemischen Formel H2O enthält 2 Atome
Wasserstoff und 1 Atom Sauerstoff.
Ein Wasserstoffatom ein Sauerstoffatom
ein Wassermolekül
mit seinem Elektron mit seinen Elektronen
die Geometrie eines Wassermoleküls
Allein betrachtet enthält das Wasserstoffatom ein Proton im Atomkern und
ein Elektron in der Atomhülle. Wasserstoff ionisiert schnell, indem er sein
einziges Elektron verliert und so zu einem alleinstehenden H+ wird, einem
isolierten Proton, denn das Wasserstoffatom hat keine Neutronen.
Sauerstoff enthält 8 Protonen und 8 Neutronen im Kern sowie 8 Elektronen,
von denen sich aber 2 auf der inneren Schale befinden und so für die
chemische Reaktion unwirksam sind. So hat Sauerstoff 6 Valenzelektronen.
Verbindet er sich nun mit 2 Wasserstoffatomen, so kann er sich mit diesen die
beiden Elektronen teilen.
Das so entstehende Wassermolekül hat also insgesamt 8 Valenzelektronen auf
der äußersten Schale – der Sauerstoff hat sein „Ziel“ erreicht – muss sich die
Elektronen aber mit den beiden Wasserstoffmolekülen teilen.
Durch die besondere Lage der Elektronenpaare entsteht ein asymmetrisches
Molekül, bei dem die bindenden Elektronenpaare zum Wasserstoff einen
Winkel von 104,5 Grad (statt rechnerisch 109,5 Grad) bilden.
Die Polarität des Wassermoleküls ist entscheidend!
In einem Wassermolekül sind zwei Wasserstoffatome kovalent mit einem
Sauerstoffatom verbunden. Da das Sauerstoffatom jedoch wesentlich
grösser ist als ein Wasserstoffatom, zieht es die gemeinsamen (bindenden)
Elektronen auch stärker an. Diese Anziehungskraft nennt man die
Elektronegativität eines Atoms.
Mit einem Wert von 3,5 ist die elektronenanziehende Wirkung von
Sauerstoff nahe zu doppelt so groß wie die von Wasserstoff (2,1).
Das hat Konsequenzen für die Lage der bindenden Elektronenpaare. Sie
werden dichter an den Sauerstoff gezogen und verursachen dort eine
negative Teilladung (d-) am entgegengesetzten Ende des Moleküls, bei den
beiden Wasserstoffatomen fehlen die Elektronen und somit tritt dort eine
positive Teilladung auf (d+).
Moleküle, die entgegengesetzt geladene Enden besitzen, bezeichnet man als
Dipole.
Da der Elektronegativitätsunterschied beim Wassermolekül sehr hoch ist,
ist Wasser ein starker Dipol und ein starkes polares Lösungsmittel.
Diese positive und negative Ladung bewirkt, dass Wassermoleküle auch auf
magnetische Einflüsse von außen reagieren – eine Eigenschaft, die z.B. bei
der magnetischen Kalkbehandlung von Bedeutung ist.
Der Dipolcharakter hat entscheidenden Einfluss auf die
Eigenschaften des Wassers!
Wassermoleküle bilden zu benachbarten Molekülen
zwischenmolekulare Bindungen aus, indem zwischen dem negativen
Ende eines Moleküls und dem positiven Ende des benachbarten
Moleküls Anziehungskräfte entstehen. Dies ist vergleichbar mit der
Anziehungskraft eines Magneten auf einen anderen Magneten. Die sog.
Wasserstoffbrückenbindungen sind nicht so stark wie die
Bindungskräfte innerhalb eines Moleküls und lassen sich so relativ
leicht auf- und auch wieder abbauen.
Diese schwachen Verbindungen spielen eine entscheidende Rolle bei der
Stabilisierung vieler großer organischer Moleküle. Da sie schwach sind,
können sie in den physiologischen Reaktionen schnell aufgebrochen und neu
aufgebaut werden.
Diese Auflösung und Neubildung ist die Essenz der Chemie des Lebens.
Die Wasserstoffbrückenbindungen sind auch die Ursache für die
Oberflächenspannung des Wassers (Tropfenbildung, Haut des Wassers) und
den relativ hohen Siedepunkt des Wassers von 100 Grad Celsius.
Schwache Verbindungen lösen feste Kristalle
Wassermoleküle eignen sich hervorragend zur Auflösung von
Ionenverbindungen. Aufgrund der unterschiedlichen Ladung können sich die
Wassermoleküle zwischen die positiv und negativ geladenen Ionen eines
Ionengitters schieben und die geladenen Teilchen mit einer Hydrathülle
umgeben. Die positive Seite des Wasserdipols wendet sich den negativen Ionen
zu, wobei die negativen Ionen so ummantelt werden, dass sich ihnen die
positive Seite des Dipols zuwendet. So lösen sich die harten Kristalle von
Kochsalz mit der starken Ionenbindung sehr leicht im Lösungsmittel Wasser
mit den vielen schwachen Wasserstoffbrückenbindungen auf.
=
+
Kochsalz
Wasser
+
Natrium
Chlorid
Salz ist im trockenen Zustand seine sehr fest Verbindung. Gibt man es in
Wasser, so wird es aufgelöst, indem das positiv geladene Na+ mit den
negativen Polen der H2O-Moleküle und das negativ geladene CI- mit den
positiven Polen H2O-Moleküle eine Verbindung eingeht.
Wie man aus diesem einfachen Beispiel ersehen kann, sind die schwachen
Verbindungen einzelner Wassermoleküle in der Lage, starke Verbindungen
aufzulösen. Dies ist der Grund warum wir Wasser als ein universelles,
natürliches Lösungsmittel bezeichnen, das starke und komplexe
Verbindungen aufbrechen kann. Dies ist die Chemie des Lebens auf der Erde.
Oxidations- und Reduktionsreaktionen
(Redoxreaktionen)
Dieser Vorgang nimmt in den biologischen Systemen eine zentrale Stellung
ein.
In der Chemie definiert man die Oxidation als eine Elektronenabgabe (z.B.
das Rosten von Metall) und die gegenläufige Reduktion als eine
Elektronenaufnahme.
Oxidation = Abgabe von Elektronen
Reduktion = Aufnahme von Elektronen
Die Abgabe eines Elektrons (Oxidation) setzt Energie aus der oxidierten
Verbindung frei, die Aufnahme eines Elektrons (Reduktion) speichert
Energie in der reduzierten Verbindung.
Es findet keine Oxidation statt, ohne dass gleichzeitig eine Reduktion
stattfindet. Dieses Zusammenspiel der Reaktionstypen nennt sich
Redoxreaktion. Sie bezeichnet folgende chemische Reaktion, die wir am
Beispiel von zwei Molekülen, A und B, darstellen:
A eElektronen
Spender
+
B
-
Elektronen
empfänger
A
+
Be-
Oxidiert
Reduziert
(hat ein e- verloren) hat ein egewonnen
Wenn die Moleküle A und B in Kontakt kommen, geschieht folgendes:
Molekül B erhält ein Elektron (e-) vom Molekül A.
Molekül A ist oxidiert, da es ein Elektron verloren hat.
Die Ladung von Molekül B hat sich reduziert, da es ein negatives Elektron hinzugewonnen hat.
In biologischen Systemen finden sehr häufig solche Redoxreaktionen an zentralen Stellen des Stoffwechsels statt.
(Photosynthese, Zitronensäurezyklus
Lebenswichtiger Sauerstoff
Ohne Sauerstoff gibt es kein Überleben für „höhere“ Lebewesen. In der
Luft ist er relativ stabil, da er als Molekül O2 auftritt und zwei
Sauerstoffatome eine gemeinsame Elektronenhülle bilden.
Im Körper wird er durch die Lunge aufgenommen, geht in den
Lungenbläschen in das Blut über und wird durch das Blut in die
Körperzellen transportiert, wo er für eine effektive Energieerzeugung
(Verbrennung, Oxidation) notwendig ist.
Nur im aeroben Stoffwechsel können Kohlenhydrate effektiv in
Kohlendioxid CO2 und Wasser „zerlegt“ werden und dabei Energie
freisetzen.
Bei Sauerstoffmangel kann der Körper auf eine anaerobe (ohne Sauerstoff
ablaufende) Umwandlung der Kohlenhydrate zurückgreifen, die aber nicht
effektiv ist und problematische saure „Schlacken“ zurücklässt (die z.B. bei
übermäßiger Beanspruchung der Muskeln zur Muskelkater führen).
Zuviel des Guten?
Sauerstoffmolekül
aktives Sauerstoffradikal mit einem fehlendem Elektron
Wird aber zu viel Sauerstoff im Körper absorbiert – z. B. beim Sport- , kann
er ein oder mehrere Elektronen verlieren und zu einem aktivem
Sauerstoffradikal werden – dies geschieht mit etwa 2% des Sauerstoffs, den
wir einatmen, bei starker körperlicher Anstrengung mit bis zu 20%
Diese aktiven Sauerstoffradikale mit ungepaarten Elektronen haben ein hohes
Oxidationspotential, d.h. sie können Elektronen von anderen Zellen „stehlen“.
Dieser chemische Mechanismus ist hilfreich für die Desinfektion z.B. durch
Wasserstoffperoxid oder Ozon, und auch im Körper sind freie Radikale
hilfreich, da sie Bakterien und Viren „angreifen“ und eliminieren können.
Aktiver Sauerstoff im Körper
Wir sind im Leben einer ununterbrochenen Begegnung mit verschiedensten
Mikroorganismen ausgesetzt und leben in ständigem Austausch mit ihnen.
Insbesondere im Darm findet sich eine große Anzahl von Bakterien und
anderen Mikroorganismen, die für die Verdauung und Zersetzung der
Nahrung verantwortlich sind.
Um das Wachstum dieser Mikroorganismen in Schach zu halten, bildet das
Abwehrsystem des Körpers Neutrophile, eine Art Leukozyten, weiße
Blutkörperchen.
Diese Neutrophile erzeugen aktive Sauerstoffradikale, die unerwünschte
Mikroorganismen oxidieren können und so eine desinfizierende Wirkung
haben. Diese freien Radikale sind für das Überleben des Menschen
notwendig.
Bilden sich aber zu viele freie Sauerstoffradikale im Körper und wird ihre
Konzentration zu hoch, werden sie schädlich, greifen gesunde Moleküle und
Zellen an und rauben ihnen Elektronen (d.h. oxidieren sie), schädigen das
Zellgewebe und oft auch den genetischen Code und werden zur Ursache von
Erkrankungen.
Wie bei vielem anderen, kommt es also auch bei den aktiven
Sauerstoffradikalen auf die Dosierung an - und zuviel des Guten ist auch hier
schädlich.
Diese Oxidation ist insofern besonders gefährlich, als dass sie eine
Kettenreaktion auslöst:
Das freie Sauerstoffradikal oxidiert Molekül A (d.h. es raubt ihm ein
Elektron), dieses oxidiert Molekül B, dieses wieder Molekül C …. und so
weiter.
Die Auswirkungen der Oxidation lebenswichtiger Organe
Oxidiertes Organ
-Leber
-Pankreas
-Nieren
Führt zu:
- Hepatitis, Leberzirrhose ,Krebs
- Pankreatitis, Diabetes, Krebs
- Nierenentzündung, Nierenkrebs
Entstehung und Wirkung freier Sauerstoffradikale im Körper:
Mikroorganismen arbeiten in Symbiose im Körper und vermehren sich.
Um das Wachstum der Mikroorganismen zu kontrollieren und schädlichen
Mikroorganismen zu oxidieren, erzeugen Leukozyten freie Sauerstoffradikale
Es werden überschüssige freie Sauerstoffradikale erzeugt.
Der überschüssige freie Sauerstoff oxidiert gesunde Zellen und setzt eine
Kettenreaktion der Oxidation in Gang.
Antioxidantien verhindern die gefährliche Oxidation!!
Eine Möglichkeit um gesundes Gewebe vor der Oxidation durch aktive
Sauerstoffradikale zu schützen ist, ihnen freie Elektronen zur Verfügung zu stellen,
die ihr hohes Oxidationspotential neutralisieren.
Die Erforschung der Zusammenhänge zwischen Ernährung und Krebs sind noch
lange nicht abgeschlossen, aber es gibt ernst zu nehmende Anzeichen, dass unsere
Nahrung die Anfälligkeit für eine Krebserkrankung beeinflusst. Es gibt anscheinend
Nahrungsmittel, die die Widerstandskräfte gegen Krebs stärken, und andere, die das
Krebswachstum begünstigen.
Viele Schäden durch krebserregende Stoffe werden wahrscheinlich durch eine
Oxidationsreaktion in den Zellen hervorgerufen, indem ein freies Radikal oder
aktiver Sauerstoff den genetischen Code der Zelle beschädigt.
Viele Forscher sind der Meinung, dass Stoffe, die eine
Oxidation verhindern – sogenannte Antioxidantien – die
Schädigung verhindern können.
Dies führt zu der Auffassung, dass die Einnahme von
natürlichen Antioxidantien einen wichtigen Beitrag zur
Prävention gegen Krebs leisten kann – so z.B. von Vitamin C,
Vitamin E, Beta-Carotin, Selen etc..
Diese Stoffe wirken reduzierend. Sie versorgen freie Radikale
und aktiven Sauerstoff mit Elektronen und verhindern ihre
Einwirkung auf gesundes Gewebe.
Sauer und alkalisch (basisch): der pH-Wert!
Ein weiterer wichtiger Reaktionstyp ist die „Säure-Basen-Reaktion“. Auch in
hochreinem Wasser findet man Ionen.
Sie verursachen eine geringe elektrische Leitfähigkeit des Wassers. Die Ionen
entstehen aus einer Reaktion zwischen 2 Wassermolekülen.
Diese Reaktion nennt sich Dissoziation des Wassers:
Das eine Wassermolekül gibt dabei ein Wasserstoffion (Proton oder H+-Ion)
ab. Das andere Wassermolekül nimmt dieses Proton auf.
In der Chemie definiert man nun:
Alle Stoffe, die Protonen abgeben können, bezeichnet man als Säuren.
Alle Stoffe, die Protonen aufnehmen können, bezeichnet man als Basen.
Schema der Dissoziation des Wassers:
H2O Wasser
+
H2O Wasser
=
H2OH+Säure
+
OH - Base
Was bedeutet der pH-Wert?
Wenn man in normalem Wasser die Konzentration der H3O+ - Ionen
bestimmt, so erhält man eine Konzentration von 10 hoch minus 7 mol.
Diesen Wert kann man beeinflussen, indem man entweder Säuren dazu
gibt und die Konzentration an H3O+ - Ionen bzw. der H+ - Ionen erhöht
(z.B. 10 hoch minus 3 mol/l), oder aber indem man Basen dazu gibt und die
Konzentration an H+ - Ionen senkt (z.B. 10 hoch minus 9 mol/l). In der
Chemie kennzeichnet man die Wasserstoff-Ionen-Konzentration mit dem
pH-Wert. Der pH-Wert der ist der negative dekadische Logarithmus der
Wasserstoff-Ionen-Konzentration.
pH=1/log[H+] = -log[H+]
Bei einer pH-Wertskala ergibt sich daraus folgende Einteilung: Da die
Konzentrationsangaben logarithmisch erfolgen bedeutet der Sprung von
pH 3 auf pH 2 eine Verzehnfachung der Säurekonzentration.