Leseprobe
T e c h n i s c h e U n i v e r s i t ä t M ü n c h e n
W i s s e n s c h a f t s z e n t r u m W e i h e n s t e p h a n
D e p a r t m e n t f ü r L e b e n s m i t t e l u n d E r n ä h r u n g
F a c h g e b i e t P u b l i c H e a l t h N u t r i t i o n
S c h r i f t l i c h e H a u s a r b e i t z u m E r s t e n
S t a a t s e x a m e n f ü r d a s L e h r a m t a n
b e r u f l i c h e n S c h u l e n
F a c h : E r n ä h r u n g s l e h r e
Sport, oxidativer Stress, körpereigenes
antioxidatives System und Antioxidantien
macht eine Supplementation Sinn?
Verfasser:
Jens Brandl
Eingereicht am: 26.03.2010
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- I -
1 Einleitung ... 1
2 Material und Methoden ... 3
3 Stand der Wissenschaft... 4
3.1 Freie Radikale ... 4
3.2 Mechanismen zur Bildung sportinduzierter freier Radikale ... 5
3.2.1 Grundlagen und Mechanismen der Radikalbildung in Mitochondrien ... 5
3.2.2 Grundlagen Mechanismen der Radikalbildung im Arachindonsäuremetabolismus . 15
3.2.3 Grundlagen und Mechanismen der Radikalbildung durch Katecholamine ... 20
3.2.4 Mechanismen der Radikalbildung durch Oxidasen ... 23
3.3 Messmethoden für oxidativen Stress... 25
3.4 Das nichtenzymatische antioxidative System ... 28
3.4.1 Glutathion... 28
3.4.2 Tocopherole und Tocotrienole ... 29
3.4.3 L-Ascorbinsäure ... 31
3.4.4 Carotinoide ... 33
3.4.5 Phenolische Verbindungen... 35
3.4.6 Ubichinon / Coenzym Q10... 37
3.4.7 Harnsäure ... 38
3.4.8 Liponsäure ... 38
3.5 Das enzymatische antioxidative System ... 39
3.5.1 Superoxid-Dismutase ... 39
3.5.2 Glutathion-Peroxidase ... 40
3.5.3 Glutathion-Reduktase... 40
3.5.4 Katalase ... 41
3.6 Effekte von Sport auf das Immunsystem ... 42
3.7 Effekte von Vitamin E-, Vitamin C- und -Carotin-Supplementation auf das
Immunsystem ... 45
4 Einflüsse supplementierter Antioxidantien beim Sport ... 47
4.1 Übersicht über die verwendenten Studien... 47
4.2 Beschreibung und Resultate der verwendeten Studien ... 51
4.2.1 Wirkungen supplementierter Antioxidantien auf das antioxidative System und den
sportinduzierten oxidativen Stress ... 51
4.2.2 Der Einfluss des Geschlechts auf durch Sport induzierten oxidativen Stress... 54
4.2.3 Die Wirksamkeit in Säften enthaltener natürlicher Antioxidanten beim Sport ... 58
4.2.4 Sportinduzierte Radikalproduktion, deren Auswirkungen auf die Zelladaption und
die Folgen einer antioxidativen Nahrungsergänzung... 60
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- II -
4.2.5 Verhinderung der Symptome von sportinduzierten Muskelschäden durch
,,natürliche" Antioxidantien ... 71
5 Diskussion der Studien... 75
5.1 Wirkung supplementierter Antioxidantien auf das antioxidative System und den
sportinduzierten oxidativen Stress ... 75
5.2 Sportinduzierte Radikalproduktion, deren Auswirkungen auf die Zelladaption und die
Folgen einer antioxidativen Nahrungsergänzung... 83
5.3 Verhinderung der Symptome von sportinduzierten Muskelschäden durch natürliche
Antioxidantien... 94
6 Eigene Diskussion der Studien ... 98
6.1 Ist eine antioxidative Nahrungsergänzung für Sportler sinnvoll? ... 98
6.1.1 Oxidativer Stress, eine Folge sportlicher Belastung ... 99
6.1.2 Sind Antioxidantien wirksam gegen sportinduzierten oxidativen Stress? ... 102
6.1.3 Keine unterschiedliche Reaktion der verschiedenen Geschlechter auf Sport ... 109
6.1.4 Leistungssteigerung durch Antioxidantien... 111
6.1.5 Sportinduzierte Zelladaption und die Auswirkungen von Antioxidantien... 113
7 Zusammenfassung... 120
8 Verzeichnisse... A
8.1 Abkürzungsverzeichnis ... A
8.2 Darstellungsverzeichnis ... D
8.3 Literaturverzeichnis... F
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 1 -
1 Einleitung
Sport gehört zu den beliebtesten Freizeitaktivitäten in Deutschland. 27,5 Millionen Menschen
sind Mitglieder in Sportvereinen (www.dosb.de/de/organisation/organisation/).
Die Ziele für eine sportliche Betätigung sind vielfältig und reichen vom ,,Spaß an der Bewe-
gung" und einem ,,gesundheitsorientierten Training" bis zum ,,leistungsorientierten Training"
und Wettkampfsport.
Sport löst erwiesenermaßen zahlreiche Anpassungserscheinungen im Organismus aus. Die
maximale Sauerstoffaufnahme steigt durch Adaptionen des Kardiopulmonalen Systems, die
Knochen, Knorpel, Sehnen und Bänder werden widerstandsfähiger. Die nervale Ansteuerung
der Muskulatur verbessert sich, die Muskulatur verstärkt ihre Kapillarisierung, steigert ihre
Mitochondrienzahl und macht ein Dickenwachstum durch, um den jeweiligen sportlichen
Anforderungen gerecht zu werden (Thews et al.1999 S. 476, 477; Froböse et al. 2003, S. 34,
35).
Außerdem wirkt moderat getriebener Sport präventiv gegen Wohlstandskrankheiten wie Dia-
betes Typ II, Arteriosklerose (Vonbank et al. 2005) und Krebs (Inoue et al. 2008).
Sportliche Belastung führt jedoch auch zu einer verstärkten Radikalbildung, abhängig von der
Sportart, der Intensität, der Dauer, dem Typ des Sports (exzentrisch, konzentrisch oder iso-
metrisch) und dem daraus entstehenden Energiebedarf, Sauerstoffbedarf sowie der Gewebs-
schädigung (Fisher-Wellman, Bloomer 2009).
Freie Radikale sind Spezies, die ein oder mehrere ungepaarte Elektronen besitzen (Aruoma
1994). Diese sind äußerst reaktionsfähig. Ein gestörtes Gleichgewicht zwischen Radikalbil-
dung und Radikalentgiftung durch die antioxidativen Schutzsysteme resultiert in oxidativem
Stress. In Folge davon sind freie Radikale an der Entstehung von Krankheiten wie Krebs,
Katarakt und Arteriosklerose beteiligt (Aruoma 1994). Sie lösen solche Erkrankungen durch
ihre Fähigkeit aus, verschiedene biologische Moleküle wie Lipide, Proteine und Nukleinsäu-
ren zu oxidieren (Fisher-Wellman, Bloomer 2009). Auch sind sie an Alterungsprozessen be-
teiligt (Kowald 2001).
Zahlreiche Sportler, besonders intensiv Trainierende, nehmen deshalb antioxidativ wirkende
Präparate ein. Sie möchten damit ihr antioxidatives Schutzsystem unterstützen, um ihre Ge-
sundheit zu erhalten, ihr Immunsystem zu verbessern und ihre Leistung zu steigern (Nieper
2005).
Die Nahrungsergänzungsmittel herstellende Industrie hat dafür zahlreiche Produkte ent-
wickelt, die oxidativen Stress verhindern sollen und bewirbt diese mit Aussagen wie:
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 2 -
· Enthält eine hohe Vitamin- und Mineralstoffdichte, um Verluste auszugleichen und
das Immunsystem zu stabilisieren (Powerbar Recovery Drink).
· Die Kombination ist als Radikalenkiller bekannt geworden (Supra Vitamin A-C-E
Plus Selen, Metabolic Nutrition).
· Zur Unterstützung der Leistungsfähigkeit, Widerstandskraft und Regeneration (Ortho-
mol Sport).
Das Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, Studien zu der Wirkung einer antioxidativen Supple-
mentation auf den Körper in Verbindung mit sportlicher Belastung zu sichten, um zu einer
Beurteilung der Wirkung nach derzeitigem Stand des gesicherten Wissens zu kommen.
Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Entstehung von oxidativem Stress und ob dieser
durch Antioxidantien unterdrückt werden kann. Außerdem sind geschlechtsspezifische Unter-
schiede bezüglich des antioxidativen Systems und einer Antioxidantienzufuhr von Interesse.
Eine mögliche Leistungssteigerung sowie Auswirkungen der Antioxidantienzufuhr auf sport-
induzierte Signalkaskaden und Anpassungserscheinungen sollen ebenfalls herausgestellt wer-
den.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 3 -
2 Material und Methoden
Als Grundlage für die vorliegende Arbeit diente eine umfangreiche Literaturrecherche.
Die verwendete Literatur entstammt der Universitätsbibliothek der Technischen Universität
München. Sie wurde aus den Zweigbibliotheken Sportwissenschaft, Medizin und Weihenste-
phan nach vorheriger Durchsicht im Lesesaal entnommen.
Auch der Online Katalog der Universitätsbibliothek wurde für die Literaturrecherche über
Stichworte genutzt.
Ergänzend kamen verschiedene Aufsätze, Studien oder Reviews aus anerkannten wissen-
schaftlichen Zeitschriften der Bereiche Chemie, Biologie, Sport, Ernährung und Medizin zum
Einsatz.
Einige Informationen stammen aus Online-Fachlexikas.
Als Online-Suchportale dienten PubMed.gov und die Internet-Suchmaschine Google.
Um die Suche einzugrenzen wurden verschiedene Schlagworte miteinander verknüpft. Auf-
grund der angezeigten Abstracts konnte die veröffentlichende Fachzeitschrift ermittelt wer-
den. Der Haupttext stand bei einigen Zeitschriften auf der Homepage zum Download bereit,
in den meisten Fällen erfolgte der Zugang jedoch über die Elektronische Zeitschriften Bib-
liothek der TU München bzw. der LMU München.
Weitere Literaturhinweise ergaben sich aus den Literaturverzeichnissen bereits verwendeter
Studien.
Abbildungen wurden aus der angegebenen Literatur kopiert, gescannt oder verschiedenen
Lehrseiten von Universitäten und Online-Lernportalen entnommen.
Tabellen konnten direkt im Textverarbeitungprogramm Word erstellt werden.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 4 -
3 Stand der Wissenschaft
In diesem Kapitel werden die Ursachen für oxidativen Stress im menschlichen Körper aufge-
zeigt. Besondere Beachtung findet dabei die Entstehung freier Radikale durch sportliche Be-
tätigung.
Verschiedene Methoden zur Erfassung des oxidativen Stresses werden angesprochen. An-
schließend folgt eine Vorstellung verschiedener exogener und endogener Antioxidantien. Die
Eigenschaften und Funktionsweisen der antioxidativ wirkenden Stoffe werden erläutert, auf
Synergismen wird eingegangen.
3.1 Freie Radikale
Freie Radikale sind definiert als Spezies, die eigenständig existieren können und ein oder
mehrere ungepaarte Elektronen besitzen (Aruoma, 1994).
Es existiert eine Vielzahl verschiedener Radikale.
In der Physiologie spielen von Stickstoff und / oder Sauerstoff abgeleitete Radikale die wich-
tigste Rolle (Bogdan et al. 2000).
Reaktive Sauerstoff-Spezies (ROS) bzw. Reaktive Stickstoff-Spezies
(RNS) können Kohlenhydrate, Fette, Proteine und Nucleinsäuren verändern und sie dadurch
zerstören, in neue radikalische Verbindungen umwandeln oder beschädigen. Daraus resultie-
ren folgende pathogene Mechanismen:
Werden Proteine angegriffen, erhöht sich die Gefahr der Tumorbildung. Es kann zu vermin-
derter Enzymaktivität und zur Zellschädigung kommen.
Ein radikalischer Angriff auf Lipide kann Membranschäden, Low Density Lipoprotein-
(LDL)-Oxidation und Arteriosklerose bedingen.
Werden Kohlenhydrate von Radikalen geschädigt kann es zur Veränderung von Rezeptoren
und verringerter Viskosität der Gelenkflüssigkeit kommen.
Einige der bedeutendsten Radikale im menschlichen Organismus sind das Superoxidanionra-
dikal (O
2
.-
), das Hydroxylradikal (OH
.
), das Stickoxidradikal (NO
.
) und Lipidperoxylradikale
(LOO
.
). Zu hochreaktiven Radikalvorstufen gehören Hydrogenperoxid (H
2
O
2
), Singulett Sau-
erstoff (
1
O
2
), hypochlorige Säure (HOCl) und Ozon (O
3
) (Elmadfa, Leitzmann 2004, S.301).
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 5 -
Freie Radikale gelangen aus exogenen Quellen in den Körper oder entstehen bei metaboli-
schen Prozessen:
Tabelle 1: Quellen von Radikalen
Endogene Quellen
Exogene Quellen
Mitochondrien durch oxidative Energiege-
winnung
Zigarettenrauch
Phagozyten Umweltschadstoffe
Xanthin- / NADPH-Oxidase, Cytochrom-
P450-Reduktase
Strahlung
Reaktionen mit Eisen oder anderen Über-
gangselementen
Ultraviolettes Licht
Arachidonsäure-Stoffwechsel Medikamente
Peroxisomen Pestizide
Autoxidation von Katecholaminen
Anästhetika
Entzündungen Lösungsmittel
Ischämie / Perfusion
Ozon
Die primären Radikalquellen in Reaktion auf sportliche Belastung sind die mitochondriale
Atmungskette, der Arachidonsäure-Stoffwechsel (Prostanoid-Stoffwechsel), die Autoxidation
von Katecholaminen und die Oxidase-Enzymaktivität, (NAD(P)H-Oxidase, Xanthin-Oxi-
dase).
Sowohl der initiale Anstieg von ROS und RNS, als auch die Beendigung der sportlichen Ak-
tivität kann zu einer sekundären Erzeugung von Prooxidantien durch einen phagozytischen
,,respiratory burst", einem Ungleichgewicht im Calcium-Haushalt und / oder zu einer Zerstö-
rung eisenhaltiger Proteine führen (Fisher-Wellman, Bloomer 2009).
3.2 Mechanismen zur Bildung sportinduzierter freier Radikale
3.2.1 Grundlagen und Mechanismen der Radikalbildung in Mitochondrien
Zur Energiegewinnung zieht der Körper vor allem Kohlenhydrate in Form von Glucose heran.
Auch in Glycerin und freie Fettsäuren aufgespaltene Fette, wobei das Glycerin in Glycerinal-
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 6 -
dehyd-3-phosphat umgewandelt wird und die Fettsäuren durch die -Oxidation in den Mito-
chondrien zu Acetyl-CoA abgebaut werden, verwendet der Körper als Energiequelle. Proteine
können ebenfalls der Energiegewinnung dienen, müssen zuvor jedoch zu Aminosäuren
hydrolysiert und desaminiert werden. Danach können sie abhängig vom jeweiligen Kohlen-
stoffgerüst der Aminosäure zu Pyruvat, Acetyl-CoA, -Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat
und Oxalacetat transferiert werden ( Löffler, Schömerich 2008, S. 148-149).
Die Zellatmung unterteilt sich in drei schematisch getrennte Stoffwechselwege:
1.
Die Glykolyse,
2.
den Citratzyclus und
3.
die Atmungskette.
Die Glykolyse findet im Cytosol einer Zelle statt.
Im ersten Schritt phosphoryliert das Enzym Hexokinase ein Glucosemolekül. Es entsteht Glu-
cose-6-phosphat. Dabei wird ein Molekül Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat
(ADP) abgebaut.
Der zweite Schritt dient der Umordnung von Glucose-6-phosphat in Fructose-6-phosphat
durch Phosphoglucoisomerase.
Im dritten Schritt erfolgt unter nochmals einem Molekül ATP-Verbrauch die Übertragung
einer weiteren Phosphatgruppe auf den Zucker. Es bildet sich Fructose-1,6-bisphosphat.
Beteiligtes Enzym ist die Phosphofructokinase.
Dem vierten Schritt verdankt die Glycolyse ihren Namen. Das Enzym Aldolase spaltet den
Zucker in Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyacetonphosphat.
Da ausschließlich Glycerinaldehyd-3-phosphat im weiteren Verlauf der Glykolyse genutzt
werden kann, katalysiert eine Isomerase in einem fünften Schritt den reversiblen Übergang
zwischen beiden Zuckern. Das Reaktionsgleichgewicht verschiebt sich deshalb hin zum Gly-
cerinaldehyd-3-phosphat. An dieser Stelle kann auch aus dem Glycerin von Fetten erzeugtes
Glycerinaldehyd-3-phosphat eingebracht werden.
Mit dem sechsten Schritt beginnt die Energiegewinnungsphase. Mit Hilfe der Triosephosphat-
dehydrogenase können zwei aufeinander folgende Reaktionen durchgeführt werden. Zuerst
wird der Zucker durch Überführung von Elektronen und H
+
auf Nicotinamid-Adenin-
Dinucleotid (NAD
+
) oxidiert, es entsteht NADH. Diese Reaktion ist stark exergonisch und
das Enzym nutzt die freigesetzte Energie, um eine Phosphatgruppe aus dem Cytosol an den
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 7 -
Zucker zu binden. Aufgrund der Spaltung des Fructose-1,6-bisphosphats in Schritt vier ist es
nötig alle Moleküle mit zwei zu multiplizieren.
Der siebte Schritt der Glykolyse sorgt für die Übertragung der im sechsten Schritt angefügten
Phosphatgruppe auf ADP, ATP wird freigesetzt. Die Phosphoglycerokinase katalysiert die
Reaktion. Als Reaktionsprodukt entsteht 3-Phosphoglycerat.
Der achte Schritt sorgt mit Hilfe der Phosphoglyceromutase für eine Verschiebung der Phos-
phatgruppe innerhalb des Moleküls, 2-Phosphoglycerat entsteht.
Im neunten Schritt kann durch Enolase Wasser abgespalten werden, dadurch bildet sich eine
Doppelbindung aus, die Phosphatbindung des gebildeten Phosphoenolpyruvats (PEP) ist nun
instabil.
Im zehnten Schritt bildet sich wiederum ATP durch Übertragung der Phosphatgruppe des PEP
auf ADP. In die Reaktion fließen zudem zwei Protonen ein, dadurch entsteht Pyruvat.
Auch das Pyruvat der zur Energiegewinnung herangezogenen Proteine kann nun eingebracht
werden.
Die Glykolyse kann auch unter anaeroben Bedingungen ablaufen. Dabei erfolgt die Reoxida-
tion des NADH zum von der Triosephosphatdehydrogenase in Schritt sechs benötigten
NAD
+
in einer durch Lactatdehydrogenase katalysierten Reaktion, die Pyruvat zu Lactat re-
duziert.
Errechnet man die Energiebilanz der Glykolyse, so beträgt der ATP-Gewinn aus einem Mole-
kül Glucose zwei Moleküle ATP und unter aeroben Bedingungen zwei Moleküle reduziertes
Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid-Phosphat (NADP)H, welches in der Atmungskette zur
ATP-Bildung herangezogen werden kann.
Der Cytratzyklus findet im Mitochondrium statt. Zunächst muss das Pyruvat aus der Glyko-
lyse durch ein Transportprotein in das Mitochondrium eingeschleust werden. Dort spaltet ein
Multienzymkomplex die Carboxylgruppe des Pyruvats ab und setzt Kohlenstoffdioxid frei.
Der verbleibende Rest wird zur Acetylgruppe oxidiert. Ein Enzym überträgt dabei gewonnene
Elektronen auf NAD
+
, wodurch gebildetes NADH Energie speichert. Anschließend bindet das
Coenzym A die Acetylgruppe und bildet das chemisch instabile Acetyl-CoA.
Es kann im ersten Schritt des Citratzyklus ebenso wie das aus Fettsäuren und Aminosäuren
entstandene Acetyl-CoA seine Acetylgruppe unter Addition eines Wassermoleküls auf
Oxalacetat übertragen und in den Citratzyklus einschleusen, dabei bildet sich Citrat.
Im zweiten Schritt wandelt sich Citrat durch Entfernen eines Wassermoleküls und Addieren
eines anderen zu Isocitrat um.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 8 -
Bei einem dritten Schritt wird Isocitrat zu Oxalsuccinat oxidiert und reduziert dabei NAD
+
zu
NADH. Das Oxalsuccinat ist instabil und decarboxyliert unter Kohlenstoffdioxidabgabe zu -
Ketoglutarat.
Im vierten Schritt erfolgt die Abspaltung eines weiteren Kohlenstoffdioxid-Moleküls. Die
entstandene Verbindung wird wiederum oxidiert und reduziert NAD
+
zu NADH.
Coenzym A bindet an das verbleibende Molekül und erzeugt Succinyl-CoA.
Im fünften Schritt ersetzt eine Phosphatgruppe das CoA. Sie wird auf Guanosindiphosphat
(GDP) übertragen, wodurch Guanosintriphosphat (GTP) entsteht. Das GTP überträgt nun
Phosphat auf ADP, es entsteht ATP.
In Schritt sechs gibt Succinat zwei Wasserstoffatome an Flavin-Adenin-Dinucleotid (FAD)
ab. Es bildet sich Fumarat und FADH
2
.
Im siebten Schritt des Citratzyklus erfolgt eine Umordnung der Bindungen im Substrat durch
Hinzufügen eines Wassermoleküls zum Malat.
Das Malat wird im achten Schritt oxidiert und reduziert dabei NAD
+
zu NADH. Es bildet sich
Oxalacetat.
Die aus Aminosäuren gebildeten Substrate -Ketoglutarat, Succinyl-CoA, Fumarat und
Oxalacetat können in die entsprechenen Schritte des Citratzyklus einfließen.
Fast alle Enzyme des Citratzyklus entstammen der Mitochondrienmatrix, eine Ausnahme bil-
det lediglich das im fünften Schritt katalysierende. Es ist in der inneren Mitochondrien-
membran lokalisiert.
Die von den Oxidationsschritten freigesetzte Energie wird großteils im NADH gebunden. Aus
jedem Acetat, das in den Citratzyklus gelangt, werden drei NAD
+
-Moleküle zu NADH redu-
ziert. Außerdem werden in Schritt sechs Elektronen auf FAD übertragen und reduzieren es zu
FADH
2
.
In Schritt fünf ensteht durch Phosphatkettenphosporylierung ein ATP-Molekül.
Die in Form von NADH und FADH
2
gespeicherte Energie kann durch Elektronenübertragung
an die Atmungskette weitergeleitet werden.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 9 -
Abbildung 1: Citratzyklus
Die Atmungskette besteht aus vier Enzymkomplexen. Sie sind alle in der inneren
Mitochondrienmembran lokalisiert. Durch Faltung zu so genannten Cristae bietet sie mehre-
ren tausend Kopien der Atmungskette Platz.
Die Atmungskettenproteine besitzen prosthetische Gruppen. Sie wechseln während des
Elektronentransports zwischen reduziertem und oxidiertem Zustand und nehmen dadurch
Elektronen auf bzw. geben sie wieder ab.
Im Enzymkomplex I (NADH:Ubichinon-Oxidoreduktase) ist das erste Molekül der Atmungs-
kette ein Flavoprotein mit Flavin-Mononucleotid als prosthetischer Gruppe. Es nimmt
Elektronen des in der Glykolyse bzw. im Citratzyklus gebildetem NADH auf und wird somit
reduziert. Das Flavoprotein gibt die Elektronen an einen Eisen-Schwefel-Protein-Komplex
(FeS) ab und reduziert es dadurch.
Im nächsten Schritt überträgt der Eisen-Schwefel-Protein-Komplex die Elektronen auf das
mobile nichtenzymatische Ubichinon.
Die Reaktionsgleichung des Enzymkomplex I lautet:
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 10 -
NADH + H
+
+ Ubichinon
NAD
+
+ Ubichinol
Das Ubichinon repräsentiert das Herzstück des Komplex II (Succinat:Ubichinon-Oxidore-
duktase). Durch die Succinat-Dehydrogenase mit FAD als Coenzym und Eisen-Schwefel-
Zentren bildet der Komplex II die Schnittstelle zur Elektronenaufnahme aus Succinat und
kann dadurch die Energie aus dem sechsten Schritt im oben beschriebenen Citratzyklus nut-
zen.
Komplex II katalysiert die Reaktion:
Succinat + Ubichinon
Fumarat + Ubichinol
Abgesehen vom Komplex I und II können Reduktionsäquivalente auch im Glycerophosphat-
zyklus oder durch das elektronentransferierende Flavoprotein auf Ubichinon übertragen wer-
den.
Im Glycerophosphatzyklus wird auf der Matrix-Seite Dihydroxyacetonphosphat mit NADH
durch -Glycerophosphat reduziert. Glycerophosphat-Oxidase reoxidiert wiederum -Glyce-
rophosphat FAD-abhängig, wobei Ubichinon zu Ubichinol reduziert wird.
Das elektronentransferierende Flavoprotein (ETF) wird über das aus der Acyl-CoA-Dehydro-
genase der -Oxidation stammende FADH
2
reduziert und danach selbst von der
ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase oxidiert, wobei unter Beteiligung eines Eisen-Schwefel-
Zentrums Ubichinon zu Ubichinol reduziert wird.
Als mobiler Elektronentransporter vermittelt Ubichinon die Elektronen an den Enzymkom-
plex III (Ubichinol:Cytochrom c-Oxidoreduktase).
Die Elektronenüberträger des Enzymkomplexes III sind überwiegend Cytochrome. Ihre
prosthetische Gruppe ist das Häm und ähnelt dem Hämoglobin der Erythrozyten. Sie trans-
portiert jedoch keinen Sauerstoff, sondern Elektronen. Das Cytochrom c stellt einen mobilen
Elektronentransporter dar und überträgt die Elektronen auf den IV. Enzymkomplex, die Cy-
tochrom c-Oxidase.
Es ergibt sich folgende Reaktion:
Ubichinol + 2 Cytochrom c(ox)
Ubichinon + 2 Cytochrom c(red)
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 11 -
Komplex IV enthät Häm-Gruppen und Kupferionen. Er oxidiert zunächst Cytochrom c. Das
Cytochrom a
3
als letztes Enzym überträgt die Elektronen schließlich auf den Sauerstoff, der
aus seiner Umgebung zwei Protonen aufnimmt und Wasser bildet.
Die Cytochrom c-Oxidase katalysiert die Reaktion:
2 Cytochrom c(red) + ½ O
2
+ H+
2 Cytochrom c(ox) + H
2
O
Da FADH
2
verglichen mit NADH seine Elektronen auf einem niedrigeren Energieniveau ein-
schleust liefert es circa 1/3 weniger ATP. Anzumerken bleibt, dass die Atmungskette selbst
kein ATP synthetisiert. Sie vollzieht lediglich den Elektronenfluss vom NADH oder FADH
2
zum molekularen Sauerstoff und zerlegt dabei diesen großen Energiesprung in kleinere Stu-
fen.
ATP entsteht letztendlich über die Chemiosmose. In der inneren Mitochondrienmembran sind
hierfür eine große Anzahl des Enzymkomplexes ATP-Synthase eingebettet.
Die ATP-Synthase ist eine rückwärts laufende Ionenpumpe und nutzt die Energie eines
elektrochemischen Gradienten für die Synthese von ATP aus ADP. Die Komplexe I, III und
IV der Atmungskette pumpen durch die Aufnahme und Weitergabe der Elektronen H
+
-Ionen
aus der Mitochondrienmatrix in den Intermembranraum. Ihrem elektrochemischen Gradienten
folgend fließen sie durch einen H
+
-Kanal in der ATP-Synthase und treiben somit die Ver-
knüpfung von anorganischem Phosphat mit ATP durch ein ,,molekulares Wasserrad" an.
Abbildung 2: Schematische Darstellung der Atmungskette und der Chemiosmose
Bilanziert man die ATP-Ausbeute aus einem Glukosemolekül, so entstehen in der Glycolyse
und dem Citratcyclus 4 ATP-Moleküle. Hinzu kommen die aus der Glycolyse entstandenen
zwei NADH-Moleküle, die bei der Umwandlung von Pyruvat in Acetyl-CoA gebildeten zwei
NADH-Moleküle und die im Citratzyklus generierten sechs NADH-Moleküle, sowie zwei
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 12 -
FADH
2
-Moleküle. Während der Chemiosmose bilden sich pro NADH-Molekül drei ATP und
pro FADH
2
-Molekül zwei ATP. Die maximale theoretische Ausbeute eines Glukosemoleküls
liegt deshalb bei 38 ATP-Molekülen (Campbell, Reece 2003, S. 190-201; Löffler, Schöme-
rich 2008, S.167-170).
In den Mitochondrien werden durch den Prozess der Atmungskette 98 bis 99 % des Sauer-
stoffs zu Wasser reduziert (Doenecke et al. 2005, S. 417).
Unter sportlicher Belastung kommt es zu einer Verringerung der mitochondrialen respiratori-
schen Kontrolle. Der Gesamt-Sauerstoffverbrauch und der oxidative Stoffwechsel sind wäh-
rend langandauernder Belastung massiv gesteigert, das Potenzial für Sauerstoffradikalbildung
ist erhöht (Davies et al. 1982).
Der Elektronentransport in der mitochondrialen Atmungskette gilt als wichtigste Ursache für
ROS-Bildung. Dabei erfolgt der Transfer eines Elektrons auf molekularen Sauerstoff anstatt
auf den Elektronentransportkomplex, es bildet sich ein Superoxidanion.
Insbesondere Komplex I und III der Atmungskette besitzen die Fähigkeit bei der Elektronen-
übertragung Radikale zu bilden. Das Superoxidanion setzt aus den Eisen-Kupfer-Komplexen
der Enzyme der Atmungskette Eisen frei und blockiert somit den Elektronentransfer in der
Atmungskette.
Wird das Superoxidanion über das Zusammenspiel von Superoxid-Dismutase oder Katalase,
Glutathion und Glutathionperoxidase nicht zu Wasser umgewandelt, kann katalysiert durch
Kupfer- oder Eisenionen ein hochreaktives Hydroxylradikal entstehen (Fenton-Reaktion) und
mitochondriale Proteine, Lipide, sowie die DNA schädigen (Doenecke et al. 2005, S. 417).
Abbildung 3: Enstehung freier Radikale in der Atmungskette
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 13 -
In Inhibitorstudien konnte außerdem eine mögliche Superoxidbildung auf der Matrixseite der
inneren Mitochondrienmembran bei der Elektronenübertragung von ETF auf ETF:Ubichinon-
Oxidoreduktase gezeigt werden. Bei der Aufnahme von Elektronen von einer Dehydrogenase,
u. a. aus der -Oxidation wird ETF zur Semichinonform reduziert und fungiert als Elektro-
nendonator für ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase. Diese kann drei Elektronen aufnehmen, ak-
zeptiert jedoch nur zwei, falls reduziertes ETF als Donor auftritt. Aufgrund der teilweisen
Reduzierung kann ETF:Ubichinon-Oxidoreduktase Superoxidanionen generieren (St-Pierre et
al. 2002).
Eine weitere Theorie der Superoxidbildung durch die Atmungskette wurde von Sjödin et al.
(1990) aufgestellt. Sie besagt, dass sich durch einen Verlust der Cytochrom-Oxidase Aktivität
ein Elektronendruck in der Atmungskette aufbaut. Unter solchen Bedingungen fungiert
Ubichinon, das in der inneren Mitochondienmembran in hohen Konzentrationen vorhanden
ist als alternativer Elektronenakzeptor und wird zu Ubisemichinon reduziert. Die lipophilen
Ubisemichinone verbreiten sich über die Membran, bis sie mit Sauerstoff in Kontakt kommen
und ein Superoxidanion bilden. Zu einer Einschränkung der Cytochrom-Oxidase Aktivität
kann es in vivo durch einen Anstieg der Körpertemperatur oder durch eine gesteigerte
Aktivität der Stickoxidsynthase, ausgelöst durch sportliche Betätigung in der
Skelettmuskulatur kommen.
Eine Ischämie mit anschließender Reperfusion kann ebenfalls zu oxidativem Stress in den
Mitochondrien führen. Eine Ischämie tritt unter sportlicher Belastung beispielsweise aufgrund
der Blutumverteilung zur optimalen Versorgung der beanspruchten Strukturen auf oder durch
Belastung der Muskulatur bei erreichter maximaler Sauerstoffaufnahme. Das Einstellen der
sportlichen Betätigung leitet die Reperfusion ein. Die Ischämie führt zunächst zum Abbau
von ATP zu Hypoxanthin und folglich zu einer verminderten Verfügbarkeit von ADP. Die
durch Ischämie mit anschließender Reperfusion ausgelösten veränderten Redoxbedingungen
und die eingeschränkte Verfügbarkeit von ADP führen bei Wiederaufnahme der oxidativen
Phosphorylation zur ROS-Bildung. Die Theorie geht davon aus, dass sich während der
Ischämie große Beträge von reduzierenden Stoffen angesammelt haben, wohingegen der
Adenin-Nucleotid-Gehalt vermindert ist. Sauerstoff kann als Elektronenakzeptor fungieren,
ROS bilden sich. Ebenso entstehen ROS bei einer relativen Hypoxie, indem reduzierte Kom-
ponenten der Atmungskette mit dem für die Radikalbildung noch ausreichend vorhandenem
Sauerstoff reagieren.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 14 -
An der Radikalenstehung in den Mitochondrien können auch Entkopplungsproteine beteiligt
sein. In der Mitochondrienmembran vorkommende Entkopplungsproteine können die ATP-
Synthese von der Atmungskette zum Zweck der Wärmegewinnung trennen. Abgesehen von
einem Kältereiz kann intensives Ausdauertraining zur Aktivierung solcher Entkoppelungs-
proteine führen. Ursache ist das graduelle Absinken der Ca
2+
-ATPase aus dem sarkoplasmati-
schen Reticulum und der darauf folgende Anstieg der Ca
2+
-Konzentration im Cytoplasma.
Der Überfluss von Plasmacalcium löst eine mitochondriale Aufnahme von Ca
2+
aus und ent-
koppelt die Atmungskette durch Protonenkanäle. Infolge der Entkoppelung liefert der mito-
chondriale Elektronentransport nur noch Wärmeenergie. Während intensiver sportlicher Be-
lastung kann die Temperatur in den Muskeln auf bis zu 45°C ansteigen und die Körperkern-
temperatur auf 44°C. Infolgedessen können Mitochondrien ihre respiratorische Kontrolle
verlieren und Superoxid produzieren.
Die Entkopplung der Atmungskette ohne Temperaturanstieg generiert keine ROS (Di Meo,
Venditti, 2001).
Eine weiteres Problem ergibt sich aus der Nähe der mitochondrialen DNA zur inneren Mito-
chondrienmembran, da dort die meisten ROS entstehen. Die mitochondriale DNA ist auf-
grund ihrer geringen Größe, eingeschränkter Reparaturmöglichkeiten und dem Fehlen schüt-
zender Histon-Proteine anfällig für oxidativen Stress. Das Anhäufen von Mutationen in der
mitochondrialen DNA kann die Zellfunktion einschränken und Fehlfunktionen hervorrufen.
Die von der mutierten DNA produzierten beschädigten Enzyme können die Atmungskette
beeinträchtigen und zu einem verstärkten Elektronenleck in der Elektronentransportkette füh-
ren. Folglich treten weitere ROS auf. Der Oxidative Stress weitet sich aus, ein Teufelskreis-
lauf entwickelt sich, an dessen Ende der Zelltod steht.
Die beschädigten Enzyme wirken sich auch nachteilig auf die sportliche Leistungsfähigkeit
aus. Zum Einen vermindert sich die Energiebereitstellung in der Zelle, was zu einer geringe-
ren Leistungsfähigkeit bzw. einer vorzeitigen Ermüdung führt. Zum Anderen kann die Her-
stellung körpereigener Antioxidantien, wie die der Mn-Superoxiddismutase durch die beschä-
digte mitochondriale DNA eingeschränkt sein und deshalb für ein vermehrtes Auftreten von
Radikalen verantwortlich sein, was ebenfalls über die Schädigung der inneren Mitochondrien-
membran zu einer verringerten Energiebereitstellung durch unkontrollierte Protonendiffusion
führt (Puddu et al. 2005). Exogen zugeführte Antioxidantien können möglicherweise das kör-
pereigene antioxidative System unterstützen und es vor einer Überforderung bewahren.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 15 -
Die körperliche Leistungsfähigkeit im Sport durch eine intakte Energiebereitstellung, sowie
die Zellalterung durch mutierte Mitochondrien könnten unter Umständen positiv beeinflusst
werden.
3.2.2 Grundlagen Mechanismen der Radikalbildung im Arachindonsäuremeta-
bolismus
Eine weitere wichtige Radikalquelle unter sportlicher Belastung ist der Arachidonsäuremeta-
bolismus.
Oxygenierte Derivate der Arachidonsäure spielen in physiologischen Systemen eine zentrale
Rolle als Mediatoren (Samuelsson 1983).
Mediatoren sind Signalstoffe, die nicht in spezialisierten Drüsenzellen, sondern in vielen ver-
schiedenen Zellen synthetisiert werden können. Sie verbreiten sich nicht wie Hormone über
das Blut, sondern durch Diffusion im Gewebe, es sei denn sie wurden von Blutzellen gebildet.
Mediatoren haben aufgrund ihrer meist schnellen Inaktivierung nur eine sehr geringe Reich-
weite. Ihre Wirkung wird über spezifische Rezeptoren vermittelt.
Die Eicosanoide sind eine besondere Familie von Mediatoren. Sie umfasst die Prostaglandine,
Prostacycline, Thromboxane, Leukotriene und Hydroperoxy- und Hydroxyfettsäuren. Eicosa-
noide können sowohl autokrine als auch parakrine Funktion besitzen. Häufig ist ihre Wirkung
gegensätzlich.
Eicosanoide leiten sich von mehrfach ungesättigen C
20
-Fettsäuren ab. Die wichtigste Vorstufe
ist die Arachidonsäure. Sie kann entweder über den Cyclooxygenase-Weg zu Prostaglandinen
und Thromboxanen oder über den Lipoxygenase-Weg zu Leukotrienen und Hydroxyfettsäu-
ren umgesetzt werden.
Das aus Membranlipiden freigesetzte Arachidonat reagiert beim Cyclooxygenase-Weg zu
Prostaglandin H
2
(PGH
2
) oder beim Lipoxygenase-Weg zu 5-Hydroperoxy-Eicosanotetrae-
noat.
Mit Hilfe der Cyclooxygenase wird zunächst durch formale Addition von zwei Sauerstoff-
molekülen und durch eine intramolekulare Carboxylierung das Endoperoxid Prostaglandin
G
2
(PGG
2
) gebildet. Im zweiten Schritt der Peroxidase-Reaktion wird das cyclische Hydro-
peroxy-Endoperoxid PGG
2
in einer glutathionabhängigen Reaktion zum Endoperoxid PGH
2
reduziert.
Die Öffnung der Sauerstoffbrücke führt entweder zum Prostaglandin E
2
oder zum Prosta-
cyclin.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 16 -
Findet gleichzeitig eine Reduktion statt, bildet sich Prostaglandin F
2
.
Thromboxan A
2
wird durch Öffnung des Fünfrings des PGH
2
gebildet. Dieses kann durch
Hydrolyse des Epoxid-Rings Thromboxan B
2
bilden.
Die Inaktivierung der Prostaglandine und Thromboxane erfolgt durch Prostaglandin-15-De-
hydrogenase. Dabei wird zunächst die Hydroxy-Gruppe in der Seitenkette zur Oxo-Gruppe
dehydriert. Ein weiterer Schritt ist die Reduktion der Doppelbindung durch Prostaglandin-13-
Reduktase. Die Enden der Seitenketten können über -oder -Oxidation abgebaut werden.
Im Lipoxygenase-Weg führt die Lipoxygenase zunächst eine Peroxy-Gruppe ein, die unter
Wasserabspaltung ein reaktionsfreudiges Epoxid liefert. Prostaglandine werden über eine En-
zymkaskade aus Arachidonsäure (C
20
H
32
O
2
) gebildet. Die Addition von H
+
und OH
-
liefert
Leukotrien B
4
. Greift hingegen Glutathion ein und spendet seine HS-Gruppe entsteht Leu-
kotrien C
4
. Eine enzymatische Abspaltung der Glutaminsäure generiert daraus Leukotrien D
4
(Karlson et al. 1994, S. 455-458).
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 17 -
Abbildung 4: Biosynthese und Stoffwechsel der Eicosanoide
Eine Radikalbildung kann bereits während der Biosynthese der Prostaglandine oder Throm-
boxane erfolgen. Wie eben dargelegt synthetisiert die Cyclooxygenase aus Arachidonsäure
zuerst das Endoperoxid PGG
2
. Im nächsten Schritt erfolgt die Umwandlung zu PGH
2
. Dabei
wird ein oxidatives Radikal gebildet, vermutlich ein Hydroxylradikal (Payne et al. 1982).
Des Weiteren können im Arachidonsäuremetabilismus Radikale durch Lipoxygenasen in
Anwesenheit von NADH oder NADPH freigesetzt werden (Kontos 1987).
Die Wirkungen der Eicosanoide sind sehr heterogen.
Prostaglandine wirken als Vermittler bei vielen verschiedenen physiologischen Reaktionen.
Ihre Freisetzung kann durch Nervenimpulse, Histamin, Serotonin oder Gastrin initiiert wer-
den. Ihre Wirkzeit ist wie die der meisten Mediatoren kurz. Prostaglandine sind vor allem an
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 18 -
der Blutdruckregulation beteiligt. Sie beeinflussen Blutplättchen, sind bei Entzündungspro-
zessen nachweisbar und hemmen die Magensaftsekretion.
Prostaglandin E
2
wirkt als lokales Nierenhormon, steigert dort die Durchblutung und stimu-
liert die Reninfreisetzung.
An vielen Zielorganen wirken Prostaglandin E und F antagonistisch, ebenso Thromboxan und
Prostacyclin, die vor allem auf die Thrombozyten-Aggregation und den Arterien-Tonus wir-
ken.
Außerdem sind Prostaglandine and der Regulation des ovariellen Zyklus beteiligt.
Prostaglandin F
2
zeigt kontrahierende Wirkung auf den Uterus und wirkt bei der Geburt mit.
Leukotriene besitzen im Gegensatz zu den Prostaglandinen eine offene Kettenstruktur und
sind oft mit Glutathion und dessen Umwandlungsprodukten konjugiert. Ihr Wirkspektrum ist
vielfältig. Unter anderem sind sie an zahlreichen Abwehrreaktionen beteiligt.
Die Leukotriene C
4
und D
4
wirken bei der anaphylaktischen Reaktion mit. Sie führen zur
Konstriktion der Bronchialmuskulatur und zum Wassereinstrom in die Bronchialmucosa.
Wahrscheinlich sind sie an allergisch bedingtem Asthma Bronchiale beteiligt.
Das Leukotrien B
4
ist ein Mediatorstoff bei Entzündungsreaktionen. Es steigert die Permeabi-
lität von Kapillaren und zieht chemotaxisch Leukozyten an (Karlson et al. 1994).
Beim Sport, insbesondere bei stark exzentrischer muskulärer Betätigung und bei ausgedehn-
ten und / oder intensiven sportlichen Belastungen kommt es zu Mikrotraumen in der bean-
spruchten Muskulatur. Diese Parameter, sowie Stresshormone wie Adrenalin und Cortisol
aktivieren das Immunsystem. Außerdem spielen Cytokine, die als von Zellen freigesezte
Proteine das Verhalten anderer Zellen mittels Rezeptoren beeinflussen können eine wichtige
Rolle. Sie werden während und nach dem Sport freigesetzt. Erhöhte Konzentrationen in Blut
und Urin konnten vor allem bei den Cytokinen Interleucin-1 (IL-1), IL-6 und dem Tumor-
Nekrose-Faktor- (TNF- ), welche in den Entzündungsprozess involviert sind, nachgewiesen
werden. Zusätzlich fand man erhöhte Werte bei antiviral wirkendem Interferon- und .
Die Herkunft dieser Cytokine ist noch nicht gänzlich geklärt. Leukozyten, vor allem Mono-
zyten gelten als mögliche Quelle, es ist jedoch wahrscheinlich, dass es andere Quellen gibt,
möglicherweise sogar die Muskulatur selbst.
Zusätzlich verursacht Sport möglicherweise die Ausbildung von Adhäsionsmolekülen an Mo-
nozyten und deren Einwanderung in das verletzte Gewebe (Nieman, Pedersen 2000, S. 12).
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 19 -
Monozyten reifen bei der Einwanderung in das beschädigte Gewebe zu Makrophagen heran.
Die Makrophagen setzen Cytokine wie z. B. IL-1, TNF- , IL-6, IL-8 und andere Mediatoren
frei. Es kommt zur Auslösung einer Entzündung. Entzündungsmediatoren zur Auslösung und
Aufrechterhaltung der Entzündung sind Lipidmediatoren insbesonders Prostaglandine und
Leukotriene und der plättchenaktivierende Faktor.
Sie werden innerhalb kurzer Zeit von Makrophagen durch Enzymkaskaden über den Abbau
von Membranlipiden synthetisiert. Vor allem die im Arachidonsäuremetabolismus gebildeten
Leukotriene C4, D4 und E4 sind wichtig für die Aufrechterhaltung der Entzündungsreaktion.
Bei einer Entzündung kommt es zur Vergrößerung des Gefäßdurchmessers, was den lokalen
Blutfluss verstärkt und die Fließgeschwindigkeit des Blutes verringert. Die Endothelzellen
des Blutgefäßes werden aktiviert und bilden Adhäsionsmoleküle aus. Zirkulierende Leuko-
zyten können sich aufgrund des verlangsamten Blutflusses und der Adhäsionsmoleküle an das
Endothel heften und ins Gewebe einwandern.
Zuerst werden neutrophile Zellen an den den Entzündungsherd gelockt. Ihnen folgen Mono-
zyten, die sich ebenfalls zu Gewebemakrophagen differenzieren. Neutrophile Granulozyten
und Makrophagen phagozytieren apoptotische Zellen und Zellbestandteile. In späteren Ent-
zündungsstadien gelangen auch eosinophile Zellen und Lymphozyten an den Entzündungs-
herd.
Die Gefäßwand der lokalen Blutgefäße wird durchlässiger, da die Endothelzellen nicht mehr
fest zusammenhalten. Aus dem Blut können Flüssigkeit und Proteine austreten und sich lokal
im Gewebe anreichern, was zu einer Schwellung oder einem Ödem und Schmerzen führt.
Außerdem reichern sich Plasmaproteine an, die an der Immunabwehr mitwirken.
Bei einer Verletzung lösen beschädigte Blutgefäße das Kininsystem und das Gerinnungssys-
tem aus.
Das Kininsystem ist eine Enzymkaskade von Plasmaproteinen. Die Kaskade wird von Gewe-
beschäden ausgelöst und generiert Entzündungsmediatoren, unter anderem das Bradykinin. Es
erhöht die Gefäßpermeabilität und erzeugt Schmerzen.
Das Gerinnungssystem ist ebenfalls eine Enzymkaskade, die von beschädigten Blutgefäßen
aktiviert wird. Es kommt zur Bildung eines Blutgerinnsels (Janeway et al. 2002, S. 45, 74).
An dieser Enzymkaskade ist ebenfalls ein Produkt des Arachidonsäuremetabolismus beteiligt,
das Thromboxan (Thews et al. 1999, S. 135).
Oxidativer Stress entsteht bei Entzündungsreaktionen durch die gesteigerte Produktion von
Arachidonsäureabkömmlingen, ausgelöst durch Mikroverletzungen der Muskulatur. Das Ge-
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 20 -
rinnungssystem wird aufgeführt, da es im Sport neben der Muskelfaserverletzung auch häufig
zu kleinen Verletzungen wie Blutergüssen o. ä. kommt.
Radikale werden jedoch auch bei der Aktivierung und der Lyse von beschädigten Zellen,
Zellbruchstücken, bzw. apoptotischen Zellen gebildet. Es kommt zu einem so genannten
respiratory burst. Dieses Problem, das die Radikalbildung durch lysosomale NADPH-
Oxidasen umfasst, wird ausführlich im Unterpunkt ,,Mechnismen der Radikalbildung durch
Oxidasen" abgehandelt.
3.2.3 Grundlagen und Mechanismen der Radikalbildung durch Katecholamine
Wie bereits angesprochen, führt die erhöhte Freisetzung von Katecholaminen, ausgelöst durch
Sport und die Autoxidation derselben, ebenfalls zur Radikalfreisetzung. Dabei kann durch
sequenzielle Ein-Elektronen-Oxidation eine Vielzahl verschiedener Oxidantien entstehen.
Unter anderem wurden bei der Oxidation von Adrenalin, Noradrenalin, 3,4-Dihydroxy-
noradrenalin, Isoproterenol und Adrenalon via Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR)
primäre offenkettige Semichinone nachgewiesen, gebildet durch Ein-Elektronen-Oxidation
der entsprechenden Katecholamine, sowie nach Cyclisierungsreaktionen entstandene sekun-
däre Semichinone. Wahrscheinlich entstehen die sekundären Semichinone aus Adrenochrom,
dem vier-Elektronen-Oxidationsprodukt des Adrenalins.
Weitere Radikale bilden sich beim fortgesetzten Abbau zu Melanin und Melaninderivaten
(Kalyanaraman et al. 1984).
Um sich an Stressfaktoren wie Sport anpassen zu können besitzt der Körper mit seinen Kate-
cholaminen ein effektives System, bestehend aus dem Zentralen Nervensystem und dem en-
dokrinen System.
Das Zentrale Nervensystem ist in der Lage schnell auf größere Bereiche des Körpers Einfluss
zu nehmen. Bei sportlicher Belastung ist hier vor allem das sympathische Nervensystem in-
volviert.
Die postganglionären sympathischen Axone, ausgenommen die der Schweißdrüsen, nutzen
Noradrenalin als Neurotransmitter. Der Gewebe-Katecholamingehalt ist daher Indikator für
eine Aktivierung des Sympathischen Nervensystems (Mazzeo 1991).
Zu dessen Synthese wird aus der Blutbahn in das Axoplasma aufgenommenes Tyrosin mittels
Tyrosin-Hydroxylase zu Dihydroxyphenylalanin (Dopa) hydroxyliert und anschließend durch
Dopa-Dekarboxylase zu Dopamin dekarboxyliert. Das Dopamin selbst ist schon ein Kate-
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 21 -
cholamin. Es gelangt durch aktiven Transport in Vesikel und wird dort durch Dopamin- -
Hydroxylase zu Noradrenalin hydroxyliert und gespeichert. Bei sympathischer Aktivierung
erfolgt die Freisetzung in den synaptischen Spalt. Dort gelangt ein Teil zu den postsynapti-
schen Rezeptoren und löst die eigentliche Wirkung aus.
Der Großteil des ausgeschütteten Noradrenalins kann in das Axoplasma rückresorbiert wer-
den. Weitere Anteile können durch Katecholamin-O-Methyl-Transferase (COMT) im extra-
neuronalen Synapsenbereich, sowie mittels Monoaminoxidase in den Mitochondrien deakti-
viert werden.
Nur sehr geringe Anteile des Noradrenalins gelangen in die Blutbahn und anschließend in die
Leber. In ihr erfolgt die Deaktivierung des Noradrenalins ebenfalls durch (COMT) und Mo-
noaminoxidase (Thews et al. 1999, S. 653-654). Der höhere Gehalt an Noradrenalin im Ver-
hältnis zu Adrenalin im Blutplasma kann auf den Verlust aus dem synaptischen Bereich zu-
rückgeführt werden (Mazzeo 1991).
Neben ihrer Funktion als Neurotransmitter besitzen Katecholamine auch Hormonfunktionen.
Die Bildung der Hormone Noradrenalin und Adrenalin findet in den chromaffinen Zellen des
Nebennierenmarks statt. Entwicklungsbiologisch stellen die chromaffinen Zellen modifi-
zierte sympatische Nervenzellen dar, die während der Embryogenese aus der Neuralleiste
ausgewandert sind und deshalb vom ersten Neuron des Sympathikus, durch präganglionäre
cholinerge Fasern innerviert werden. Man unterteilt die katecholaminproduzierenden Zellen
in zwei Zelltypen, die katecholaminproduzierenden und -speichernden Markzellen, die
Noradrenalin synthetisieren und jene, die Andrenalin synthetisieren.
Die Biosynthese in den Markzellen läuft analog zur Noradrenalinsynthese in den postganglio-
nären synaptischen Axonen ab. Thyrosin wird zu Dopa hydroxyliert und anschließend zu Do-
pamin dekarboxyliert. Durch Hydroxylierung entsteht Noradrenalin. Lediglich in der Adrena-
lin synthetisierenden Zellgruppe findet eine Überführung von Noradrenalin in Adrenalin
durch das Enzym N-Methyltransferase statt. Durchschnittlich beträgt der Adrenalinanteil
beim Erwachsenen 70 bis 90 Prozent.
Als ,,Stresshormone" beeinflussen Noradrenalin und Adrenalin primär das Herz-Kreislauf-
System. Sie besitzen annähernd gleiche Wirkungsweisen. Aufgrund verschiedener Rezeptor-
typen beeinflusst Adrenalin wegen seiner höheren Affinität zu - und
1
-Adrenozeptoren in
erster Linie die Regulation der Blutverteilung, indem es die Gefäße der Haut, Schleimhaut,
und der Baucheingeweide kontrahiert und die Gefäße der Skelettmuskulatur und des Herzens
erweitert. Es sorgt für einen leichten Rückgang der Nierendurchblutung. Auch steigert es das
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 22 -
Herzzeitvolumen, durch die Erregung von
1
-Adrenozeptoren, was zur Steigerung des systoli-
schen Blutdrucks führt. Da insgesamt gesehen der periphere Widerstand durch Stimulation
von
2
-Rezeptoren fällt, sinkt der diastolische Blutdruck. Noradrenalin hingegen erhöht den
allgemeinen Gefäßwiderstand und hebt damit den systolischen und diastolischen Blutdruck
an.
Die glatte Muskulatur des Darms und der Bronchien erschlafft vor allem durch Adrenalin.
Den Glucose- und Fettstoffwechsel beeinflussen beide Katecholamine durch Erregung ver-
schieder -Adrenozeptoren. In der Leber und der Skelettmuskulatur sorgen
2
-Rezeptoren für
Glykogenfreisetzung.
3
-Rezeptoren lösen die Lipolyse in Fettzellen aus. Es bilden sich ver-
stärkt freie Fettsäuren.
Die Kontrolle der Hormonabgabe unterliegt den vegetativen Zentren im Hypothalamus und
im Hirnstamm.
Die Sekretion von Noradrenalin und Adrenalin ist in Ruhe gering und erfolgt erst durch ,,er-
gotrope" Reaktionen, die z. B. durch Sport und der damit einhergehenden Aktivierung des
Sympathikus ausgelöst werden. So kann die Hormonabgabe je nach Erregungszustand der
Belastungssituation angepasst erfolgen (Thews et al. 1999, S. 509-511, 657,658).
Die Verweildauer der Katecholamine im Plasma ist mit einer Halbwertszeit von lediglich
zwei bis drei Minuten gering.
Mit steigender ausdauersportlicher Belastung, d. h. Steigerung der Belastung bis hin zur ma-
ximalen Sauerstoffaufnahme steigt der Katecholamingehalt im Plasma exponentiell an. Wird
Sport im submaximalen Bereich, beispielsweise bei 75 Prozent der maximalen Sauerstoffauf-
nahme (VO
2max
) getrieben, ist ein gradueller Anstieg der Katecholamine im Plasma zu beo-
bachten. Er kann zurückgeführt werden auf die Reduktion der Blutglukosekonzentration
durch die andauernde Belastung und die durch Catecholamine auslösbare Mobilisierung von
Glycogen und freien Fettsäuren.
Die Noradrenalinmenge im Gewebe ist abhängig von der Aktivität des sympathischen Ner-
vensystems.
Ein Rückgang des Noradrenalins im Gewebe wurde bereits als Indikator für die Erregung der
sypathischen Neuronen verwendet. Beachtet werden muss dabei jedoch die Gewebespezifität,
die Intensität und Dauer der Belastung und die Art der Belastung. Der Rückgang kann durch
Fehler bei der Synthese unter steigender Belastung durch den steigenden Verlust an den Blut-
kreislauf, sowie durch lokale Degeneration erklärt werden (Mazzeo 1991).
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 23 -
Als problematisch könnten sich diese Erkenntnisse der Radikalisierung von Katecholaminen
erweisen, wenn man die erhöhte Ausschüttung der Katecholamine Adrenalin und Noradrena-
lin unter sportlicher Belastung bedenkt.
Sowohl die Synapsen und somit die Zellmembran der postganglionären sympathischen Ner-
ven, als auch die Membran und die Rezeptoren der von ihnen angesteuerten Zielzellen, wie
Herzmuskelzellen, Gefäßzellen und Organzellen dürften unter sportlicher Belastung durch
den Neurotransmitter Noradrenalin einem erhöhten oxidativen Stress ausgesetzt sein. Zum
einen durch die gesteigerte Noradrenalinfreisetzung und der daraus entstehenden Radikale.
Zum anderen durch die beim Abbau in den Mitochondrien mittels Monoaminoxidase entste-
henden weiteren Radikale, die zur Zerstörung der Mitochondrien und anderer Zellorganellen
sowie der Zellmembran, von Rezeptoren und der DNA beitragen können, falls das antioxida-
tive Schutzsystem nicht in ausreichendem Maße funktioniert.
Das Hormonsystem der Katecholamine betrifft fast den gesamten Körper und spricht alle
Zellen an, die entsprechende - oder -Rezeptoren besitzen. Die Blut-Hirn-Schranke können
sie allerdings nicht überwinden. Radikale, die aus den hormonell wirksamen Katecholaminen
entstanden sind können deshalb nahezu jedes Gewebe angreifen, falls sie nicht neutralisiert
werden.
3.2.4 Mechanismen der Radikalbildung durch Oxidasen
Auch durch die Enzymaktivität von Oxidasen kann es zur Radikalbildung kommen. Allge-
mein gesehen sind Oxidasen Enzyme, die Substrate oxidieren. Dabei übertragen sie Wasser-
stoff oder Elektronen auf Sauerstoff. Die meisten Oxidasen übertragen zwei Elektronen auf
ein Sauerstoffmolekül. Werden jetzt noch zwei Wasserstoffionen aufgenommen, entsteht
Wasserstoffperoxid.
Flavin-Enzyme, wie Xanthin-Oxidase, Aminosäure-Oxidasen und weitere sind Beispiele da-
für. Als Zwischenprodukt gilt ein Peroxid-Anion, welches an das Flavingerüst gebunden ist
und zu toxischen Radikalen wie HO
2
.
oder das Superoxidanion (O
2
.-
) weiterreagieren kann
(Doenecke 2005, S.192).
Die Xanthin-Oxidase ist bezüglich der Radikalbildung unter sportlicher Belastung besonders
erwähnenswert. Ausgelöst durch die Kontraktion der Muskulatur beim Sport tritt eine lokale
Ischämie in den beanspruchten Bereichen auf. Die ATP-Synthese kommt zum Erliegen, da
das Oxidans der mitochondrialen oxidativen Phosporylierung für die ATP-Bildung fehlt. Das
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 24 -
ATP wird zu Hypoxanthin abgebaut. Da die ATP-abhängigen Calcium-Ionenpumpen zum
Erliegen kommen, strömen verstärkt Calciumionen in die Zelle. Diese lösen eine proteolyti-
sche Transformierung der Xanthindehydrogenase zur Xanthinoxidase aus. Entspannt sich die
Muskulatur, kommt es zur Reperfusion des Gewebes, wodurch die Xanthinoxidase Hypo-
xanthin zu Xanthin und anschließend zu Harnsäure umwandelt. Dabei entstehen die für
Oxidasen typischen ROS.
In Folge der Radikalbildung treten Schäden an den Zellmembranen durch Lipidperoxidation
auf. Der Einstrom von Calciumionen verstärkt sich. Es kommt zur Stimulation der Phospholi-
pase A
2
. Aufgrund dessen bildet sich der Platelet Activation Factor (PAF), der Leukozyten zu
Polymorphkernigen neutrophilen Leukozyten (PMN) aktiviert. Die PMN binden an ebenfalls
durch ROS entstandene Adhäsionsfaktoren und synthetisieren selbst ROS. Die Zelle wird
weiter geschädigt. (Biesalski, Grimm 2004, S. 202.)
Abbildung 5: Ischämie und Reperfusion
NADPH-Oxidasen sind eine Gruppe verschiedener Enzyme.
Im inaktiven Zellzustand befinden sich die Bestandteile der NADPH-Oxidasen in zwei ver-
schiedenen Bereichen, der Plasmamembran und dem Cytosol.
Die membrangebundene Komponente, ein Flavocytochrom b stellt den katalytischen Kern
dar, die Cytosolkomponenten, bezeichnet als cytosolische, phagozytische oxidase-Proteine,
aktivieren bei Verlagerung in die Membran die NADPH-Oxidasen.
Hohe Konzentrationen von NADPH-Oxidasen befinden sich vor allem in phagozytischen
Zellen wie neutrophilen Granulozyten, Makrophagen und eosinophilen Granulozyten. In ih-
nen produzieren die NADPH-Oxidasen bei Bedarf rasch und in großer Menge Superoxid-
anionen (oft als respiratory oder oxidativer burst bezeichnet), vor allem um Bakterien, Viren
oder geschädigte, bzw. apoptotische Zellen zu zerstören, zu phagozytieren und aufzulösen.
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 25 -
Die NADPH-Oxidasen generieren die Superoxidanionen durch Ein-Elektronen-Reduktion
von Sauerstoff (Vignais 2002).
NADPH + 2 O
2
2 O
2
.-
+ NADP
+
+ H
+
3.3 Messmethoden für oxidativen Stress
Die Messung von oxidativem Stress kann über direkte und indirekte Methoden erfolgen.
Eine direkte Erfassung von ROS und RNS gestaltet sich durch geringe Halbwertzeiten der
Substanzen schwierig. Dennoch haben sich einige Verfahren etabliert.
Das direkte Abschätzen der Produktion freier Radikale in vitro ist möglich durch ESR (Davi-
son et al. 2006), Radiolyse (Westerhoff et al. 2007) oder Laser Flash Photolyse (Giancane et
al. 2009).
Das gebräuchlichste Messverfahren ist die ESR. Diese ist ein Verfahren zur Untersuchung
paramagnetischer Verbindungen. Es beruht auf der Existenz nicht spinkompensierter Elektro-
nen. Jedes um seinen Atomkern kreisende Elektron erzeugt ein magnetisches Feld und besitzt
ein magnetisches Moment. Bei dimagnetischen Substanzen heben sich die Einzelmomente
nach außen gegenseitig auf. Bei paramagnetischen Verbindungen, z. B. Radikalen ergibt sich
nach außen ein resultierendes Gesamtmoment. Beim Anlegen eines elektromagnetischen
Wechselfelds können magnetische Momente vom energetisch tieferen in einen energetisch
höheren Zustand übergehen. Dabei wird elektromagnetische Strahlung absorbiert
(www.imedo.de). Die dadurch erzeugte Änderung wird aufgezeichnet und ausgewertet.
Aufgrund der hohen Kosten der Ausrüstung für eine direkte Radikalmessung und der Labor-
gebundenheit greifen Wissenschaftler häufig auf indirekte Messverfahren zurück.
Sekundär kann oxidativer Stress über weniger flüchtige Moleküle, die durch die Reaktion
zwischen Biomolekülen mit freien Radikalen entstanden sind erfasst werden.
Gängige Marker sind dabei Nitrat und Nitrit.
Bei der Lipidperoxidation entstandene Isoprostane, Malondialdehyd (MDA), 4-Hydroxy-2-
nonenal (HNE), 2-Propenal, Thiobarbitursäure reaktive Substanzen (TBARS), Lipidhydro-
peroxide (LOOH), konjugierte Doppelbindungen und oxidiertes Low Density Lipoprotein
________________________________________________________________________
Jens Brandl
- 26 -
(oxLDL) sind ebenfalls Indikatoren für Radikalangriffe. Sie können in Blutplasma und Urin
nachgewiesen werden.
Als problematisch hat sich erwiesen, dass Lipidhydroperoxide und Aldehyde auch aus der
Nahrung absorbiert und mit dem Urin ausgeschieden werden. Messungen von Hydroxyfett-
säuren im Plasma-Total-Fettgehalt, sowie von MDA und HNE im Plasma oder Urin können
deshalb bei nicht strikt kontrollierter Ernährung verfälscht sein und sollten dann keine An-
wendung als Indikatoren für die Lipidperoxidation finden.
Die am häufigsten angewendete Erfassungstechik für Lipidperoxidation ist die TBARS-Un-
tersuchung. Sie erfasst auch das MDA. TBA reagiert dabei mit MDA zu einem stabilen Pro-
dukt. Dieses kann durch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) oder jede
Spektrophotemetrie quantifiziert werden.
Die Messung der Lipidperoxidation anhand von Isoprostanen, vor allem anhand von F
2
-
Isoprostanen, gilt derzeit als eines der verlässlichsten Verfahren zur Untersuchung des oxi-
dativen Stress-Status und der Lipidperoxidation durch freie Radikale in vivo und ex vivo. Für
die Detektion kommen verschiedene Verfahren in Betracht: Gaschromatographie Massen-
spektrometrie, Gaschromatographie Tandem Massenspektrometrie, Flüssigkeitschromato-
graphie, Radioimmunoassay und Enzym Immunoassay.
Durch oxidierte Proteine entstehen Proteincarbonyle (PC), oxidierte Aminosäuren, sowie
Nitrotyrosin (NT). Sie sind ebenfalls zur Erfassung oxidativen Stresses nutzbar.
PC sind verlässliche, stabile Indikatoren für Proteinoxidation in und ex vivo. Zu ihrer Erfas-
sung stehen verschiedene Assays zur Verfügung.
NT und oxidierte Aminosäuren sollten möglichst über HPLC mit elektrochemischer Detek-
tion, Flüssigkeitschromatographie Massenspektrometrie / Massenspektrometrie oder
electron capture-negative chemical ionization / Gaschromatographie Massensektrometrie
bestimmt werden, da verschiedene Assays nicht verlässlich sind. Zur Untersuchung können
verschiedene menschliche Gewebe sowie Urin herangezogen werden.
Schäden an Nucleinsäuren spiegelt der Marker 8-Hydroxy-2-deoxyguanosin (8-OHdG) wie-
der. Als Nachweisverfahren dienen HPLC, Gaschromatographie Massenspektrometrie,
Flüssigkeitschromatographie Massenspektrometrie und auf Antikörpern basierende Techni-
ken. Im Urin sollte der Nachweis vor allem über HPLC und Massenspektrometrie erfolgen. 8-
OHdG kann abgesehen von der oxidierten DNA auch aus dem DNA-Vorläufer-Pool stam-
men.
Ende der Leseprobe aus 148 Seiten
- Arbeit zitieren
- Jens Brandl (Autor:in), 2010, Sport, oxidativer Stress, körpereigenes antioxidatives System und Antioxidantien - macht eine Supplementation Sinn?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186725
Ähnliche Arbeiten
Kostenlos Autor werden
✕
Leseprobe aus
148
Seiten
Kommentare