Reaktive Sauerstoffspezies

Begriff und chemische Formen

Reaktive Sauerstoffspezies (englisch reactive oxygen species, ROS) sind sauerstoffhaltige Moleküle. Vereinfachend werden sie auch „Sauerstoffradikale“ genannt, doch ROS umfassen nicht nur Radikale, sondern auch stabile molekulare Oxidantien und angeregte Sauerstoffmoleküle.

Zu den Radikalen, also Teilchen mit einem freien ungepaarten Elektron, gehören das Hyperoxid-Anion O₂·⁻ (alte Bezeichnung: Superoxid-Anion), das hochreaktive Hydroxyl-Radikal OH·, das Hydroperoxyl-Radikal HOO·, das Peroxylradikal ROO· und das Alkoxylradikal RO·. Peroxylradikale sind Zwischenstufen bei der sensibilisierten Photooxidation; Alkoxylradikale treten bei Lipiden auf.

Stabile molekulare Oxidantien sind Wasserstoffperoxid H₂O₂, Hydroperoxid ROOH, Ozon O₃ und das Hypochlorit-Anion OCl⁻. H₂O₂ ist ein Edukt zur Bildung anderer ROS und ein sekundärer Botenstoff. Singulett-Sauerstoff ¹O₂ ist ein angeregtes Sauerstoffmolekül. Im Nachgang an Oxidationen entstehen reaktive elektrophile Spezies.

Entstehung und Schutz im Organismus

Im Organismus entstehen ROS in Mitochondrien als Nebenprodukt der Zellatmung: durch Monoaminooxidasen sowie in der Atmungskette an Komplex I und Komplex III. Entzündungszellen bilden ROS, um Viren und Bakterien zu schädigen. Bei Pflanzen dienen vor allem Wasserstoffperoxid und Stickstoffmonoxid auch der Abwehr von Pathogenen. Umweltgifte und Zigarettenrauch sind weitere bedeutende ROS-Quellen.

Reagiert das Hyperoxid-Anion O₂·⁻ mit Stickstoffmonoxid NO·, entsteht Peroxinitrit ONOO⁻. Dieses ist mit Stickstoffmonoxid eine reaktive Stickstoffspezies (RNS), hochreaktiv, aber kein freies Radikal. ROS und RNS sind wichtige Oxidantien. Ihnen wirken im Körper Antioxidantien entgegen.

Nützliche Signale und mögliche Schäden

ROS sind wichtige Signalmoleküle. In hoher Konzentration können sie jedoch oxidativen Stress verursachen und schädliche Auswirkungen haben. Sie wurden mit Krebs, Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen assoziiert; ihre ursächliche Beteiligung daran gilt jedoch als diskussionswürdig. Im Widerspruch zu einer ausschließlich schädlichen Wirkung wurde gezeigt, dass ROS die Lebenserwartung von Modellorganismen steigern und damit Altern verhindern. Außerdem können Antioxidantien die Diabetes-vorbeugende Wirkung von Sport beim Menschen abschwächen oder vollständig verhindern, weil sie der ROS-Bildung entgegenwirken.

Nach heutiger Auffassung sind ROS in niedriger, physiologischer Konzentration gesundheitsfördernd. In hoher, pathologischer Konzentration sollen sie zur Krankheitsentstehung beitragen. Diese nicht-lineare Dosis-Wirkungs-Beziehung – niedrigdosiert gesund, hochdosiert krankmachend – heißt „Mitohormesis“.

Hyperoxid und Wasserstoffperoxid haben neben der Erzeugung oxidativen Stresses wichtige Signalfunktionen: im Gehirn bei Signalübertragung, synaptischer Plastizität und Gedächtnisbildung. Sie wirken stark vasodilatierend, also gefäßerweiternd, und scheinen deshalb für die Steigerung des zerebralen Blutflusses und des zerebrovaskulären Tonus wichtig zu sein. Über den Wnt-Signalweg beeinflussen sie außerdem Wachstum und Zellteilung bei der Regeneration abgetrennter Schwänze von Kaulquappen und Echsen.

Bei typischem Raumklima mit mittlerer Luftfeuchte von 50 Prozent und Temperaturen um 20 Grad Celsius entsteht in Anwesenheit von Feinstaub die höchste Konzentration besonders schädlicher ROS. Diese können Lungenzellen schädigen sowie Lungenentzündungen, Asthma und andere Atemwegserkrankungen verursachen. Auch die Desoxyribonukleinsäure (DNA) kann durch ROS geschädigt werden.