Stickstoffmonoxid

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Medizin & Gehirn

Biochemie | Zusammensetzung | Superoxid

Superoxid (auch Superoxid-Radikal genannt; Formel: O2-) entsteht durch die 1-Elektronen Reduktion von molekularem Sauerstoff (O2), und ist ein "echtes" freies Radikal.

Sauerstoff-Atmung

Der durch die Entwicklung der oxigenen Photosynthese bewirkte Umschwung von einer reduktiven zu einer oxidativen Atmosphäre hat komplexe Mechanismen zur effektiven Nutzung von Sauerstoff hervorgebracht. Die wohl bedeutendste Erweiterung ist die Verwendung des Sauerstoffs im Energiestoffwechsel als terminaler Akzeptor in der Atmungskette gewesen. Der Umgang mit Sauerstoff führte aber auch zu einer erhöhten Produktion sogenannter aktivierter Sauerstoffformen, die potentiell toxisch sind. Bereits vor Jahrzehnten wurde darauf hingewiesen, daß die Toxizität eines erhöhten Sauerstoff-Partialdrucks auf der Bildung von Sauerstoff-Radikalen beruht (McCord & Fridovich 1969).

Sauerstoff Aktivierung: Superoxid, Wasserstoffperoxid, Hydroxylradikal, Wasser

Aktivierung des Sauerstoffs durch univalente Reduktion

Molekularer Sauerstoff ist ein Bi-Radikal mit zwei ungepaarten Elektronen und bildet sich im Magnetfeld als paramagnetisches ‚Triplett‘ ab. Allerdings ist die Reaktivität des Sauerstoffs herabgesetzt (Pauli-Prinzip), da die beiden ungepaarten Elektronen in verschieden Orbitalen vorkommen und denselben parallelen Spin haben. Dies beschränkt mögliche Reaktions-Partner auf solche mit zwei ungepaarten Elektronen und antiparallelem Spin. Die Aktivierung des Sauerstoffs beruht auf der Tatsache, daß eine Reaktion des Triplett-Sauerstoff mit Radikalen oder einzelnen Elektronen keiner Spinrestriktion unterliegt. Aus molekularem Sauerstoff entsteht so Superoxid durch reduktive Aufnahme eines Elektrons in eines der antibindenden p-Orbitale. Durch weitere nachfolgende 1-Elektronenübergänge entstehen Wasserstoffperoxid, das Hydroxyl-Radikal und schließlich Wasser.

Entstehung

Vermutlich entsteht Superoxid unter physiologischen Bedingungen vorwiegend in den Mitochondrien. Zu beachten ist jedoch, daß reaktive Sauerstoffspezies nicht bei der 4-Elektronen-Reduktion von Sauerstoff zu Wasser durch die Cytochromoxidase (Komplex IV) freigesetzt werden. Die hierbei entstehenden Sauerstoffintermediate sind so fest gebunden, daß weder Sauerstoffradikale noch Wasserstoffperoxid freigesetzt werden (Antonini, Brunori et al. 1970). Allerdings wird durch die Elektronentransportkette (Komplex I und III) molekularer Sauerstoff (etwa 2 – 3 % des Sauerstoffverbrauchs (Boveris, Oshino et al. 1972)) schrittweise durch sogenannte ‘leak’-Elektronen reduziert, und das so entstehende Superoxid wird in das umgebende Medium freigesetzt (Reilly & Bulkley 1990).
Superoxid entsteht zum anderem durch die Aldehyd-Oxidase, die mitochondriale NADH-Dehydrogenase, die Cytochrom-P450-Reduktase als auch durch die Autoxidation von Hämoglobin, Glyceraldehyd, reduzierten Riboflavinen (wie FMN und FAD), Catecholen, Tetrahydropterinen und Thiolverbindungen. Eine weitere Quelle des Superoxids sind Xenobiotica, die durch das sogenannte ‚Redoxcycling‘, bei dem zelluläre Reduktionssysteme diese Verbindungen reduzieren und ein Elektron auf Sauerstoff übertragen. Dieser Mechanismus kann nicht nur relevante Mengen an Superoxid produzieren, sondern auch zu einer Depletion der zellulären Reduktionsequivalente (NADPH, GSH) führen (Kappus & Sies 1981).

Zerfall

Im menschlichen Körper reagiert Superoxid mit sich selbst und 2 Protonen (positiv geladenes Ion (= Kation) H+ des Wasserstoffs) zu H2O2 (Wasserstoffperoxid). Diese Reaktion wird durch die Superoxid-Dismutase erheblich beschleunigt.

Immunsystem

Unter pathologischen Zuständen kann das Superoxid zudem von der in vielen Zelltypen vorkommenden Xanthin-Oxidase und der NADPH-Oxidase der Immunzellen produziert werden. Die cytosolische Xanthin-Oxidase entsteht, insbesondere im Verlauf der Ischämie, durch Proteolyse (irreversibel) oder durch die Oxidation von Thiolgruppen (reversibel) aus der Xanthin-Dehydrogenase, einem Enzym des Harnsäurestoffwechsels, das nach Konversion nicht mehr NAD+, sondern Sauerstoff als Elektronenakzeptor verwendet (Nishino, Nakanishi et al. 1997). Die NADPH-Oxidase ist ein in Neutrophilen, Makrophagen und Mikrogliazellen lokalisiertes Enzym, das im aktiven Zustand membranständig ist und durch eine sehr effektive Superoxidproduktion (teilweise zusammen mit dem cytosolisch produzierten Stickoxid) zum ‚oxidative burst‘ als Teil der Immunantwort beiträgt.