Hydroxyl-Radikale in Lebensmitteln

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Arten von freien Radikalen
1.1.1. Triplett-Sauerstoff und Singulett-Sauerstoff
1.1.2. Superoxid Radikal
1.1.3. Hydroperoxyl Radikal
1.1.4. Wasserstoffperoxid
1.1.5. Hydroxylradikal
1.1.6. organische freie Radikale
1.2. Biologische Konsequenzen von freien Radikalen
1.2.1. Lipidperoxidation
1.2.2. Krankheiten
1.2.2.1. Immunantwort
1.2.2.2. Atherosklerose
1.2.2.3. Rheumatische Arthritis
1.2.2.4. Krebs
1.2.3. Alterungsprozess
1.2.4. Zigarettenrauch
1.2.5. Freie Radikale und Strahlenkonservierung
1.2.6. Antioxidantien

2. Problemstellung

3. Methodik
3.1. Methansulfinsäureassay
3.2. Elektronen Spin Resonanzspektroskopie
3.3. Weiter Methoden
3.3.1. Aromatische Hydroxylierung
3.3.2. Chemilumineszenz
3.4. Peroxidzahl

4. Material und Reagentien

5. Durchführung
5.1. Methansulfinsäureassay
5.1.1. Prinzipielle Durchführung
5.1.1.1. Erstellung der Eichgeraden
5.1.2. Bestimmung von •OH-Radikalen in einer wäßrigen Wasserstoffperoxidlösung
5.1.3. Untersuchung von Bier
5.1.3.1. Wiederfindungsversuch
5.1.3.2. Interne Standardreihe
5.1.4. Untersuchung von Wein
5.1.5. Untersuchung von Speiseöl
5.1.6. Untersuchung von Kürbiskernen
5.1.7. Untersuchung von Popcorn
5.1.8. Untersuchung von Kartoffelchips
5.1.9. Untersuchung von Erdnüssen
5.1.10. Untersuchung von Kaffee
5.1.11. Untersuchung von Milch
5.1.12. Untersuchung von Schmelzkäse
5.1.13. Untersuchung von Corn Flakes
5.1.14. Untersuchung von Champignons
5.1.15. Untersuchung von Gewürzen
5.1.16. Untersuchung von geröstetem Seetang
5.1.17. Untersuchung eines Döner Kebab
5.1.18. Untersuchung eines Grillhuhnes
5.1.18.1. Untersuchung von rohem Hühnerfleisch
5.1.19. Untersuchung von Leberkäse
5.1.20. Untersuchung eines Kümmelbratens
5.1.21. Untersuchung von Fleischkonserven
5.1.22. Untersuchung eines Apfels
5.1.23. Untersuchung eines Häuptelsalates
5.2. ESR-Spektroskopie

6. Ergebnisse
6.1.1. Wasserstoffperoxid
6.1.2. Bier
6.1.2.1. Wiederfindungsversuch
6.1.2.2. Interne Standardreihe
6.1.3. Wein
6.1.4. Speiseöl
6.1.5. Kürbiskerne
6.1.6. Popcorn
6.1.7. Kartoffelchips
6.1.8. Erdnüsse
6.1.9. Kaffee
6.1.10. Milch
6.1.11. Schmelzkäse
6.1.12. Corn Flakes
6.1.13. Champignons
6.1.14. Gewürze
6.1.15. Gerösteter Seetang
6.1.16. Döner Kebab
6.1.17. Grillhuhn
6.1.17.1. rohes Hühnerfleisch
6.1.18. Leberkäse
6.1.19. Kümmelbraten
6.1.20. Fleischkonserven
6.1.21. Apfel
6.1.22. Häuptelsalat
6.2. ESR-Spektroskopie
6.3. Übersichtstabelle

7. Diskussion

8. Zusammenfassung

9. Literatur

10. Abbildungsverzeichnis

11. Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

Als freies Radikal kann jede chemische Spezies definiert werden, die über ein oder mehrere ungepaarte Elektronen in den äußeren Orbitalen verfügt. Eine solch weite Definition umfasst auch das Wasserstoffatom und die Übergangsmetallionen.

Eine Verbindung kann zu einem Radikal werden, indem ein Elektron aufgenommen wird, wie in Gleichung (1), oder indem ein Elektron abgegeben wird, wie in Gleichung (2).

(1) O2 + e- ® O2-•

(2) AH2 ® AH• + H+ + e-

Weiters können Radikale durch die homolytische Spaltung einer Bindung gebildet werden.

Tabelle 1 zeigt einen Überblick über potentielle cytotoxische Sauerstoffverbindungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1 zeigt die bei der sequentiellen Reduktion von molekularem Sauerstoff auftretenden Sauerstoffverbindungen:

1.1. Arten von freien Radikalen

1.1.1. Triplett-Sauerstoff und Singulett-Sauerstoff

Während der atmosphärischer Sauerstoff unter normalen Bedingungen reaktionsträge ist und nur sehr schwach oxidierend wirkt, wandelt er sich im Licht und bei Anwesenheit geeigneter Farbstoffmoleküle (Sensibilisatoren) in eine reaktivere Form, den Singulett-Sauerstoff, um.

Diese Singulett Form unterscheidet sich von dem normalerweise vorliegenden Triplett-Sauerstoff dadurch, dass die beiden antibindenen p*-Elektronen nicht wie im Fall von 3O2 den gleichen, sondern einen entgegengesetzten Spin aufweisen. Dabei existiert Singulett-Sauerstoff seinerseits in zwei energetisch unterschiedlichen Formen. Im energieärmeren Zustand besetzten die beiden entgegengesetzt gerichteten p*-Elektronen als Paar ein p*-Molekülorbital (das zweite p*-Molekülorbital ist leer), im ernergiereicheren Zustand dagegen einzeln jedes der beiden p*-Molekülorbital [2].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2 : Anordnung der äußeren Elektronen im p* Orbital bei Triplett und Singulett Sauerstoff (modifiziert nach [3]).

Der Grund für die relativ geringe Oxidationswirkung von atmosphärischen Sauerstoff liegt an der parallelen Spinanordung der Elektronen. Bei Reaktionen mit Verbindungen die sich im Singulett-Zustand befinden, wie zum Beispiel Fettsäuren, müsste es zu einer Spin-Inversion kommen, die nach den Regeln der Quantenmechanik jedoch verboten ist. Nach dem "Prinzip von der Erhaltung der Spinsymmetrie" sind nur solche chemische Reaktionen erlaubt, bei denen sich während des Reaktionsablaufes der Gesamtspin der Reaktanden nicht ändert.

Singulett-Sauerstoff ist ein sehr starkes Oxidationsmittel und addiert sich zum Unterschied vom Triplett-Sauerstoff an viele organische Doppelbindungssysteme unter [2+2]- oder [2+4]‑Cycloadditionen.

Im Fallen von Lipiden würden aus einer Reaktion mit ungesättigten Fettsäuren Peroxide entstehen. Diese Peroxide können in Anwesenheit von UV-Licht [4], [5] und Übergangsmetallen wie Eisen- oder Kupferionen radikalisch zerfallen und weitere Radikalreaktionen initiieren.

Die Sensibilisatoren lassen sich in zwei Typen einteilen. Beim Typ-1 reagiert der durch das Licht aktivierte Sensibilisator (Sen*) mit dem Substrat unter Bildung von Radikalen. Bei der Typ-2 Fotooxygenierung wird der Sauerstoff durch den angeregten Sensibilisator in den 1. Singulett-Zustand (1Dg O2) übergeführt.

(3) Type 1: Sen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Sen*

(4) Type 2: Sen* + O2 ® Sen + 1O2

Typ-1 und Typ-2 Fotooxygenierung konkurrieren miteinander. Welche Reaktion überwiegt hängt von der Struktur des Sensibilisators und von der Struktur des Substrates ab. Eine hohe Sauerstoff- und eine niedrige Substratkonzentration begünstigen den Typ-2 [6].

1.1.2. Superoxid Radikal

Das Superoxidradikal wird in fast allen aeroben Zellen gebildet, als ein Nebenprodukt des Elektronentransfers auf molekularen Sauerstoff in Zellorganellen wie Mitochondrien, Chloroplasten oder dem Endoplasmatischen Reticulum. Die Menge des gebildeten Superoxidradikals nimmt mit steigender Sauerstoffkonzentration zu.

Weiters kann das Superoxidradikal durch Reaktion von Sauerstoff mit Fe2+ Ionen oder Fe2+ Komplexen entstehen:

(5) O2 + Fe2+ ® O2-• + Fe3+

O2-• kann zwar mit vielen Molekülen reagieren, die Reaktionsgeschwindigkeiten sind jedoch gering. Durch den geladenen Zustand des Superoxidradikals ist ein Passieren von biologischen Membranen nur sehr langsam möglich. Eine schädliche Wirkung ergibt sich eher durch Sekundärprozesse bei denen reaktivere Verbindungen entstehen [Gleichung (13)].

Das Superoxidradikal kann auch durch enzymatische Reaktionen entstehen, bei denen molekularer Sauerstoff durch Enzyme wie Peroxidase oder Aldehydoxidase reduziert wird.

1.1.3. Hydroperoxyl Radikal

Das Hydroperoxyl Radikal entsteht durch die Protonierung des Superoxidradikals [Gleichung (6)]. Bei physiologischem pH Wert liegt jedoch nur eine geringe Menge in dieser Form vor. Da das Hydroperoxyl Radikal weniger polar als das O2-• Radikal ist, kann es biologische Membranen leichter passieren.

Auch kann das Hydroperoxyl Radikal im Gegensatz zu O2-• direkt mit Fettsäuren reagieren [10].

1.1.4. Wasserstoffperoxid

Wasserstoffperoxid ist selbst kein Radikal, das Peroxidion ist jedoch an zahlreichen radikalischen Prozessen beteiligt.

Eine Hauptquelle der Entstehung ist der durch Superoxiddismutase katalysierte Zerfall des Superoxidradikals.

(6) O2-• + H+ ® HOO•

(7) HOO• + O2-• + H+ ® H2O2 + O2

(8) 2 O2-• + 2 H+ Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten H2O2 + O2 (Netto)

Wasserstoffperoxid ist für Zellen nicht speziell toxisch, die Verbindung kann aber Zellmembranen durch den ungeladenen Zustand leicht passieren und im extrazelluären Bereich, der durch Antioxidantien kaum geschützt ist, in Anwesenheit von Übergangsmetallen Hydroxylradikale bilden [Gleichung (10)].

1.1.5. Hydroxylradikal

Wasserstoffperoxid kann mit Metallen unter folgender allgemeiner Gleichung reagieren:

(9) Mn+ + H2O2 ® M(n+1)+ + OH- + OH•

Mn+ kann ein beliebiges Übergangsmetallion sein.

Die Fe2+ katalysierte Zersetzung von Wasserstoffperoxid wird allgemein als Fenton Reaktion bezeichnet:

(10) Fe2+ + H2O2 ® Fe3+ + OH- + OH•

Das Superoxidradikal und Wasserstoffperoxid können direkt mit einander reagieren:

(11) Fe3+ + O2–• ® Fe2+ + O2

(12) Fe2+ + H2O2 ® Fe3+ + OH– + OH•

(13) O2–• + H2O2 ® O2 + HO• + OH– (Nettogleichung)

Die Nettogleichung wird auch als die metallkatalysierte Haber‑Weiss Reaktion bezeichnet.

Eine weitere Möglichkeit der Bildung von •OH-Radikalen ist die Ozonisierung von Wasser [7]. Destilliertes Wasser wurde mit 0,5; 1,0; 1,5 und 2,0 ppm Ozon für eine Stunde behandelt [8], [9]. Die entstehenden Hydroxylradikale konnten unter Verwendung von 5, 5‑Dimethylpyrolin-N-oxid (DMPO) beziehungsweise Phenyl-N- ter -butylnitron (PBN) als Spin Trap mittels ESR Spektroskopie nachgewiesen werden. Als alternative Methode wurden die aus Ozon gebildeten •OH-Radikale über aromatische Hydroxylierung von L-Phenylalanin nachgewiesen.

Auf Grund der hohen Reaktivität von •OH-Radikalen reagieren diese nahe der Stelle an der sie gebildet werden. Somit ist der Schaden stark vom Ort der Entstehung abhängig. Die in der Nähe von DNA gebildeten Hydroxylradikale können zu Modifizierung von Nucleinbasen und zu Strangbrüchen führen. Ein Großteil der in vivo gebildeten •OH-Radikale entstehen durch den von Metallionen katalysierten Zerfall von Wasserstoffperoxid [11], [12].

1.1.6. organische freie Radikale

Kohlenstoffradikale

Freie Kohlenstoffradikale haben in der organischen Technologie bei der Synthese von Kunststoffen eine große Bedeutung. Aus einem Initiator (I) entsteht zunächst ein freies Radikal (•R'), das eine C=C Doppelbindung unter Bildungen eines neuen Radikals aktiviert und somit die Wachstumsreaktion einleitet:

(14) [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Zum Abruch kommt es durch Rekombination, Disproportionierung und durch Inhibitoren (Hydrochinon, Sauerstoff).

Langkettige aliphatische Radikale in Verbindung mit Sauerstoffradikalen kommen bei der Lipidperoxidation (R•) vor (siehe Kapitel 1.2.1 auf Seite 8).

Kurzkettige aliphatische Radikale sind äußerst kurzlebig und reagieren spontan miteinander oder mit anderen Radikalen unter Ausbildung einer normalen Atomverbindung. Beispiele für kurzkettige aliphatische Radikale sind das Methyl- (CH3•) und Ethyl- (CH3‑CH2•) Radikal, die beim thermischen Zerfall von bleiorganischen Verbindungen, die etwa als Antiklopfmittel eingesetzt wurden, vorkommen.

Das Semichinon-Radikal Anion liegt je nach mesomerer Grenzstruktur als Sauerstoff- oder Kohlenstoffradikal vor und ist Teil des Chinon-Hydrochinon-Semichinon Radikalsystems, das den Hauptteil der radikalischen Verbindungen im Zigarettenrauch ausmacht (siehe Kapitel 1.2.4 auf Seite 16):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Stickstoffradikale

Ein stabiles freies Radikal, dass zur Bestimmung der antioxidativen Wirkung von Antioxidantien eingesetzt wird, ist das 2,2-Diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH•). Bei der sogenannten DPPH Methode wird die Abnahme von DPPH• durch die Reaktion mit Antioxidantien gemessen. In der freien radikalischen Form kommt es zur Absorption bei 515 nm die nach der Reduktion durch ein Antioxidans (AH) verschwindet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

undefinierte Radikale

Bei Röstprozessen (Seite 71), im Zigarettenrauch (Seite 16) und bei der Peroxidation von Lipiden (Seite 10) kommen nicht näher definierte höher molekulare Kohlenstoff-, Stickstoff- oder Sauerstoffradikale vor.

1.2. Biologische Konsequenzen von freien Radikalen

Aerobe Lebensformen sind, bedingt durch den Stoffwechsel, einer ständigen endogenen Belastung durch freie Radikale ausgesetzt. Innerhalb des normalen Stoffwechsels kommt es zu einer kontinuierlichen Bildung geringer Mengen an freien Radikalen wie zum Beispiel während der Atmungskette, bei der Phagocytose oder während der Prostaglandinsynthese. Die Zellen besitzen eine Reihe von Möglichkeiten die Radikale in unschädliche Endprodukte überzuführen [13].

Das während der Atmungskette anfallende Superoxidradikal wird durch Superoxiddismutase in Wasserstoffperoxid übergeführt. Für die katalytische Umsetzung von Wasserstoffperoxid zu Wasser existieren zwei Enzyme. Bei niedriger Konzentration wird Wasserstoffperoxid, durch die von Glutathionperoxidase katalysierte Reaktion mit Glutathion (GSH) entfernt:

(17) 2 GSH + H2O2 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten GSSG + 2H2O

Bei hoher Konzentration wird Wasserstoffperoxid durch Katalase zu Sauerstoff und Wasser umgesetzt:

(18) 2H2O2 Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten O2 + 2H2O

Beispiele für nicht enzymatische Antioxidantien sind Vitamin E für die Lipidphase und Vitamin C für die wäßrige Phase. Die Verbindungen stellen den Radikalen ein Elektron zu Verfügung und gehen dabei selbst in eine stabile radikale Form über.

Zu exogenen Belastung kann es durch ionisierende Strahlung kommen. Dabei entstehen in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff Wasserstoffradikale, Hydroxylradikale, hydratisierte Elektronen, Superoxidradikale und Wasserstoffperoxid. Weiter Quellen für das Vorkommen und die Entstehung von freien Radikalen sind Pestizide, Luftschadstoffe wie Ozon und Stickstoffoxide oder Nahrungsmitteln bei denen durch den unvermeidbaren Autoxidationsprozess der Lipide freie Radikale entstehen. Zigarettenrauch enthält ebenfalls eine große Menge an verschiedenen freien Radikalen.

Unter normalen Bedingungen ist das zelleigene Potential an Antioxidantien ausreichend um die entstehenden Radikale abzufangen. Unter erhöhten exogenen oder endogenen Belastungen kann das zelluläre Abwehrsystem überfordert werden, was zu Zellschäden oder sogar zum Zelltod führen kann.

Tabelle 3 listet eine Reihe von auftretenden zellulären Schäden auf:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 3 : Von freien Radikalen verursachte zelluläre Schäden

1.2.1. Lipidperoxidation

In einem komplett peroxidfreien Lipid erfolgt der Start der Peroxidation durch die Abspaltung eines Wasserstoffatoms [14], [15]:

Initiierung:

(19) RH + O2 ® R• + RO2• + •OH + H2O

Kettenwachstum:

(20) R• + O2 ® RO2•

(21) RO2• + RH ® ROOH + R•

Kettenverzweigung [16]:

(22) ROOH ® RO• + •OH

(23) 2ROOH ® ROO• + RO• + H2O

Kettenabbruch

(24) 2R• ® R¾R

(25) R• + ROO• ® ROOR

(26) ROO• ROO• ® ROOR + O2

Faktoren die die Lipidperoxidation begünstigen sind die Anzahl der ungesättigten Bindungen in den Fettsäuren. Durch den –I Effekt der ungesättigten Bindung kommt es zu einer Aktivierung der benachbarten Methylengruppe. Die Dissoziationsenergie zur Abspaltung eines Wasserstoffatoms ist an dieser Stelle am geringsten. Dementsprechend erfolgt die Initiierung der Autoxidation an einer, zu der ungesättigten Doppelbindung benachbarten, aktivierten C‑H Bindung. Entsprechend der Verteilung der ungesättigten Bindungen entstehen verschiedene Hydroperoxidisomere.

Weiter Faktoren sind UV-Licht [17], die Anwesenheit von katalytisch wirkenden Metallionen, die Gegenwart von Sauerstoff, die Konzentration von Antioxidatien und die Temperatur.

Tabelle 4 zeigt Einflussfaktoren der Lipidoxidation [18]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 4 : Faktoren die das Ausmaß der Lipidoxidation beeinflussen.

Fe2+ und Fe3+ Komplexe beschleunigen den Zerfall der Lipidhydroperoxide [19]:

(27) R-OOH + Fe2+-Komplex ® Fe3+-Komplex + OH– + RO•

(28) R-OOH + Fe3+-Komplex ® Fe2+-Komplex + H+ + ROO•

Biologisch aktive Metall-Komplexe können Hämoglobin, Fe-hältige Enzyme, an ATP oder DNA gebundenes Fe und Silikate wie Asbest [20] sein.

Die Endprodukte der Lipidautoxidation und den zeitlichen Verlauf zeigt Abbildung 2. Die gaschromatographische Analyse dieser flüchtigen Verbindungen kann verwendet werden um den Grad der Oxidation der Lipide in Lebensmitteln zu bestimmen [21].

Malondialdehyd, ein sehr reaktives Endprodukt der Lipidautoxidation, kann als bifunktionelles Reagenz, über eine Schiffsche- Basen-Reaktion mit der freien Aminogruppe von Aminosäuren, Proteine inter- oder intramolekular vernetzen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Werden Zellmembranen durch Peroxidation beschädigt kommt es zum Zusammenbruch von Ionengradienten, zum Verlust sekretorischer Fähigkeiten, die Membranen verlieren an Fluidität und es kommt zur Bildung von hydrophilen Kanälen durch die Membran mit anschließendem unkontrollierten Transport von Xenobiotika in die Zelle. Durch Störung der Zellatmung innerhalb der Mitochondrien kommt es zum sukzessiven Elektronenübergang auf gelöstem Sauerstoff. In weiter Folge entstehen nach den in Abbildung 1 gezeigten Reaktionswegen zusätzliche reaktive Sauerstoffverbindungen.

1.2.2. Krankheiten

Bei einer Vielzahl von Krankheiten spielen freie Radikale eine Rolle.

Tabelle 5 zeigt einen Überblick:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 5 : Krankheiten, an denen freie Radikale beteiligt sind.

1.2.2.1. Immunantwort

Cytotoxische Sauerstoffverbindungen, insbesondere das Superoxidradikal, spielen eine wichtige Rolle in der Abwehr von Mikroorganismen. Werden phagocytische Zellen wie Neutrophile, Monocyten oder Macrophagen aktiviert, konsumieren sie eine große Menge an Sauerstoff der nahezu quantitativ in Superoxidradikale transformiert wird. Dieser Prozess wird auch als "Respiratory Burst" bezeichnet und ist auf das Enzym Reduzierte Nicotinamidadeninnucleotidiphosphat (NADPH)- Oxidase zurückzuführen, das sich auf der äußeren Membranoberfläche der Zellen befindet. Das Superoxidradikal wird weiter in Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale konvertiert. Durch das Wasserstoffperoxid kann es zusätzlich zu einer Oxidation von Chloridionen zu Hypochloridionen kommen, die eine zusätzliche bakterizide Wirkung besitzt.

Dieser "Respiratory Burst" kann durch opsonifizierte[Opsonine: Stoffe im Blutserum, die Bakterien so verändern, dass sie von Leukozyten abgebaut werden können; fördern die Phagocytose] Bakterien oder Viren und durch Immunglobuline ausgelöst werden.

1.2.2.2. Atherosklerose

Erkrankungen der Herzgefäße sind die Haupttodesursache in den Industriestaaten. Viele Formen von Herzerkrankungen und das Auftreten von Schlaganfällen sind auf Atherosklerose, eine Erkrankung der Arterien die durch eine lokale Verringerung des Gefäßquerschnittes durch einen Plaque charakterisiert ist, zurückzuführen.

Dieser Plaque besteht aus einer faserartigen Oberfläche, die sich aus glatten Muskelzellen zusammensetzt, die mit Elastan, Kollagen und Proteoglycanen verbunden sind und einen tieferliegenden Bereich der aus extrazellulären Lipidablagerungen und Cholesterienkristallen besteht.

Dieser Plaque limitiert die Blutversorgung zu Organen wie dem Herzen oder dem Gehirn. Durch das Auftreten eines Thrombus im Bereich des atherosklerotischen Plaques kommt es zu einem kompletten Verschluss des Blutgefäßes und in weiter Folge zu einem Herzinfarkt oder einem Schlaganfall.

Bei der Entstehung des atherosklerotischen Plaques spielen low density Lipoproteine (LDL) aus dem Blutserum und freie Sauerstoffradikale eine entscheidende Rolle. LDL entstehen aus very low lipoproteins (VLDL) durch die Abspaltung von Triglyceriden and anderen Prozessen. LDL sind reich an Cholesterolestern und versorgen die Körperzellen mit Cholesterol. Die VLDL selbst werden von der Leber in den Blutkreislauf abgegeben.

Die freien Radikale bewirken eine oxidative Polymerisation von Lipiden aus dem Serum oder der Arterienzellwand mit Proteinen. Es kommt dadurch zu einer Ausbildung des Plaques an der Arterieninnenwand [22], [23].

1.2.2.3. Rheumatische Arthritis

Die Krankheit rheumatische Arthritis zeigt viele Charakteristiken die freie Radikale als Krankheitsursache erkennen lassen. Das entsprechende Gelenk ist geschwollen und entzündet. Es kommt zu einer erhöhten Produktion von Gelenksflüssigkeit um das Gelenk zu schmieren. Die Viskosität der Flüssigkeit ist jedoch durch den Abbau von Hyaluronsäure, die als Schmiermittel dient, verringert. Der Abbau der Hyaluronsäure erfolgt durch Radikale die von Neutrophilen, welche sich in großer Zahl in dem entzündeten Gelenk akkumulieren, gebildet werden.

Die Gelenksflüssigkeit von Menschen beinhaltet keine Superoxiddismutase, Katalase oder Glutathionperoxidase als Schutz gegen Radikale. Eisen ist jedoch in geringen Mengen enthalten und fördert durch die Umsetzung der Superoxid Radikale in Hydroxyradikale den Krankheitsverlauf.

1.2.2.4. Krebs

Die Entstehung von Krebs ist ein mehrstufiger Prozess der sich generell in drei Abschnitte einteilen lässt: Initiierung, Promotion und Wachstum. Viele Initiatoren lassen sich durch Radikale aktivieren wie zum Beispiel die Oxidation von polycyclischen Kohlenwasserstoffen (PAH) zu elektrophilen Derivaten (PAH*). Erst durch die Aktivierung wird es den PAH*’s möglich mit der DNA zu reagieren. In der Promotionsphase treten fast immer erhöhte Mengen an freien Radikalen, wie etwa das Superoxid-Radikal, auf. Es kommt zur Modifikation von DNA-Basen wodurch einen Bindung der DNA an Carcinogene ermöglicht wird. Hat sich einmal ein Tumor gebildet wird das weiter Wachstum vor allem durch genetische Faktoren beeinflusst. Radikale spielen in der Wachstumsphase kaum noch eine Rolle [24].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 6 : Mechanismen zur Entstehung von Krebs an den Radikale in den Initiierungs- und Promotionsphasen beteiligt sind. aAktivierung von Procarcinogenen durch Radikale. bRadikale ermöglichen die Bindung von DNA an Carcinogene. PGS: Prostagladinsysnthase, B[a]P: Benzo[a]pyren.

Im Mechnaismus I sind Radikale weder an der Initiierungsphase noch an der Promotionsphase beteiligt. In diesem Fall kommt es zu einer nichtradikalischen Aktivierung von PAH’s durch elektronenübertragende Prozesse wie sie im Cytochrom P450 System vorkommen. Benzo[a]pyren würde zum Beispiel zu einem Dihydrodiolepoxid aktiviert werden, das sich stereospezifisch an die DNA binden kann. Der Mechanismus der Bindung verläuft über den Angriff der elektrophilen Zentren der DNA an die Epoxidbindung des aktivierten Benzo[a]pyrens.

Im Mechanismus II kommt es nur in der Initiierungsphase zum Auftreten von Radikalen. Solche Prozesse sind eher selten, da im allgemeinen eine Beteiligung von Radikalen an der Promotionsphase notwendig ist. Die Aktivierung von B[a]P ist wiederum ein Beispiel für diesen Reaktionsweg. B[a]P wird wieder zu einem Dihydrodiolepoxid aktiviert, jedoch durch einen radikalischen Weg und nicht wie in Mechanismus I durch eine enzymatische Reaktion. Durch die Prostagladin-Synthase kommt es zu einer Co‑Oxidation von B[a]P zu dem Dihydrodiolepoxid, das wie im Mechanismus I über eine radikalische Reaktion mit DNA reagiert.

Beim Mechanismus III treten Radikale nur in der Promotionsphase auf. Einem vorangegangenen langen enzündungsähnlichen Zustand, in dem erhöhte Konzentrationen an freien Radikalen in den betroffenen Zellen auftreten, kann die Bildung eines Tumors folgen. In den meisten Prozessen, bei denen es zur Bildung eines Tumores kommt, sind freie Radikale in der Promotionsphase beteiligt.

Der Mechanismus IV, Radikale sind hier sowohl an der Initiation und Promotion beteiligt, kommt meist gemeinsam mit Mechanismus I vor.

Beim Mechanismus V kommt es zu DNA Schäden ohne der Bildung von Carcinogen-DNA-Addukten. In diesen Bereich fallen DNA Schäden die durch die direkte Reaktion von Radikalen mit DNA entstehen. Energiereiche Strahlung, Bleomycin oder Zigarettenteer produzieren Superoxidradikale und eine Kaskade weiterer reaktiver Sauerstoffverbindungen, die letztendlich immer zu der Entstehung von Hydroxylradikalen führen. Folgen davon sind Modifikationen der Nucleinbasen und Strangbrüche der DNA. Das Hydroxylradikal ist sowohl imstande Wasserstoff von DNA Basen abzuspalten, in diesem Fall würde aus zum Beispiel Thymin Hydroxymethyluracil entstehen, beziehungsweise sich an DNA Basen zu addieren, wodurch Thyminglycol aus Thymin gebildet werden würde.

1.2.3. Alterungsprozess

Die Theorie, dass freie Radikale am Alterungsprozess beteiligt sind, entstand erstmals in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts. Damals wurde postuliert, dass die Veränderungen, die mit dem Altern einhergehen durch radikalische Reaktionen hervorgerufen werden. Unterstützt wurde diese Theorie durch Resultate aus Versuchen, die Reaktionen von endogenen freien Radikalen zu verhindern. Heute wird generell akzeptiert, dass freie Radikale einer der Hauptgründe des Alterungsprozesses sind. Es wird angenommen, dass reaktive Sauerstoffverbindungen wie Wasserstoffperoxid und freie Radikale wie das Superoxid-Radikal, die während des normalen Zellmetabolismus in den Mitochondrien auftreten, die Ursachen des Alterns sind. Mit zunehmendem Alter wird es immer schwieriger diese irreversiblen Prozesse zu verhindern, so dass es zu degenerativen Schäden kommt, die letztendlich zum Zelltod führen können [25], [26].

Der Alterungsprozess kann somit als die Summe, aller durch irreversible radikalische Reaktionen hervorgerufenen Zellschäden bezeichnet werden.

Um die Entstehung von freien Radikalen zu minimieren gibt es eine Reihe von Möglichkeiten. In Tierversuchen konnte gezeigt werden, dass eine Reduzierung der Nahrungsaufnahme, bei gleichzeitiger ausreichender Zufuhr von essentiellen Nährstoffen, die durchschnittliche Lebensspanne erhöht. Eine Verringerung der Nahrungsaufnahme führt zu einer proportionalen Verminderung der Sauerstoffumsetzung. Etwa 90% der aufgenommen Sauerstoffmenge wird in den Mitochondrien umgesetzt, davon werden etwa 1-3% in Wasserstoffperoxid und in das Superoxid-Radikal umgewandelt. Somit kann durch eine reduzierte Nahrungsmittelaufnahme die Entstehung von freien Radikalen in den Mitochondrien vermindert werden [27].

Weitere theoretische Möglichkeiten um die Initiierung von endogenen radikalischen Reaktionen zu minimieren zeigt Tabelle 7:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 7 : Maßnahmen um die Initiierung von endogenen radikalischen Reaktionen zu minimieren.

Die Inhibierung von radikalischen Reaktionen erfolgt durch Antioxidantien oder antioxiativ wirkende Enzyme:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 8 : Möglichkeiten um die Lebensdauer von freien Radikalen zu vermindern.

1.2.4. Zigarettenrauch

Der Rauch einer Zigarette besteht aus etwa 4000 verschiedenen Stoffen, davon sind etwa 60 Verbindungen Tumor initiierend und Tumor fördernd [28]. Der Gasphasenrauch aus einem Zug einer Zigarette enthält rund 1014 niedermolekulare Kohlenstoff- und Sauerstoffradikale [29]. Zusätzlich sind im Rauch bis zu 500 ppm Stickstoffmonoxid, das weiter zu Stickstoffdioxid oxidiert wird, enthalten. Da beide Verbindungen über ungepaarte Elektronen verfügen sind diese Stickoxide Radikale.

Während des Verbrennungsvorganges kommt es zur Bildung von organischen Radikalen. Diese entstehen jedoch nicht in der Zigarettenflamme, da diese Verbindungen zu kurzlebig sind, um den Weg durch die Zigarette zu passieren.

Die Kohlenstoffradikale entstehen in einem Fließgleichgewicht durch die Addition von Stickstoffdioxid an Isopren oder anderen ähnlichen Verbindungen. In weitere Folge kommt es zur Reaktion mit Sauerstoff und somit zur Bildung von Sauerstoffradikalen.

Im Gegensatz zu den kurzlebigen Gasphasenradikalen ist das Radikal aus dem Zigarettenteer, ein Semichinon, langlebig und kann mittels ESR Spektroskopie direkt am Filter oder in organischen oder wäßrigen Extrakten bestimmt werden. Für jede gerauchte Zigarette werden bis zu 12 mg an Partikeln (Nikotin und Wasser nicht mitgerechnet) aufgenommen und in der Lunge abgelagert. Diese eingeatmeten Substanzen kommen in Kontakt mit Lungenflüssigkeit wodurch es zur Extraktion von wasserlösliche Komponenten kommt. Wäßrige Extrakte von Zigarettenteer scheinen somit realistische Modelle für die Mischung von Chemikalien zu sein, denen die Lunge von Rauchern kontinuierlich ausgesetzt ist.

Diese wäßrige Extrakte des Zigarettenteers beinhalten ein Chinon-Hydrochinon-Semichinon-Radikal System (Q-QH2-QH•) wie durch ESR-Spektroskopie gezeigt werden konnte. Das Semichinonradikal kann Sauerstoff zu dem Superoxidradikal reduzieren und durch weiter Reaktionen können Hydroperoxyl Radikale, Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale gebildete werden.

Da die radikalproduzierenden Chinon-Hydrochinon-Semichinon Verbindungen ein geringes Molekulargewicht haben, können diese Substanzen Zellmembranen passiert und in den Nucleus diffundieren. Dort kann es durch verschieden Reaktionen zur Entstehung von Krebs kommen.

[...]