3. Lebensnotwendig – lebensbedrohend:
die zwei Gesichter des Sauerstoffs
Lebewesen wie Menschen und die allermeisten Tiere brauchen Sauerstoff zum Atmen, zum Leben. Diese Lebewesen nennt man auch Aerobier. Aerob bedeutet »vom Sauerstoff abhängig«. Sauerstoff, auch Oxygenium, ist ein chemisches Element und stellt in der Atmosphäre das häufigste Element dar.
Zu Beginn der Erdentstehung gab es in der sich entwickelnden Atmosphäre keinen Sauerstoff. Vor 2,5 Milliarden Jahren bildete sich erstmals Sauerstoff, vermutlich durch die photosynthetische Aktivität der blaugrünen Algen (Cyanobakterien), denen es möglich war, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten.
Seitdem hat sich die Sauerstoffkonzentration in der Luft kontinuierlich erhöht. Seit etwa fünf Millionen Jahren hat die Sauerstoffkonzentration den heutigen Wert von ca. 21 % erreicht. Der langsame Anstieg ermöglichte es den Lebewesen der Erde, sich in ihrer evolutionären Entwicklung an die relativ hohe Sauerstoffkonzentration anzupassen.
Pflanzen gewinnen ihre Energie mit Hilfe von Sonnenlicht aus Kohlenstoffdioxid und Wasser. Pflanzen wandeln Kohlenstoffdioxid und Wasser in Kohlenhydrate, Stärke und Fette um und geben dabei Sauerstoff ab. Pflanzen, Tiere und Menschen sind also existenziell voneinander abhängig:
Pflanzen dienen Menschen und Tieren als Nahrung, die Kohlenhydrate, Stärke und Fette enthält. Pflanzen geben Sauerstoff ab, der Menschen und Tieren das Leben ermöglicht und ihnen Energie liefert. Menschen und Tiere verarbeiten in ihrem Stoffwechsel Nahrung zu Kohlenstoffdioxid, der wieder den Ausgangspunkt für die Vegetation bildet. Diesen Vorgang nennt man auch oxygene Photosynthese. Die oxygene Photosynthese ist der bedeutendste und älteste biogeochemische Prozess der Erde. Durch die Bildung organischer Stoffe mittels Sonnenenergie treibt sie direkt und indirekt nahezu alle bestehenden Ökosysteme an, weil sie anderen Lebewesen energiereiche Baustoff- und Energiequellen liefert. Aus Sauerstoff wird zudem die Ozonschicht aufgebaut.
Die Zellen der Aerobier ermöglichen dem Organismus eine ca. zwanzigfache Energieausbeute im Vergleich mit anaeroben Systemen. Wegen dieser größeren Energieleistung setzten sich evolutionär die aeroben Lebewesen durch. Obwohl die allermeisten Lebewesen der Erde aerobe Lebewesen sind, existieren auch heute noch anaerobe Organismen wie z.B. Bakterien.
Oxidation
Wenn sich Sauerstoff mit anderen Elementen oder Stoffen verbindet, nennt man das Oxidation oder Verbrennung. Ein klassisches Beispiel für die Oxidation durch Sauerstoff sind alle Arten von Verbrennungen von kohlenstoffhaltigen Stoffen unter Luftsauerstoff, z.B. Verbrennung von Kohle, Benzin im Motor, Kerzen etc.
Im Körper aerober Lebewesen wird Nahrung in den vielen Schritten des biochemischen Stoffwechsels unter anderem zu körpereigenen Stoffen, Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert, also verbrannt. Mehr als 95 % des Sauerstoffs werden zu Wasser umgesetzt, bis zu 5 % durchlaufen Stadien teilweise hochreaktiver Zustände. Diese 5 % sind für den Körper und sein Gleichgewicht von großer Bedeutung.
Sauerstoffmoleküle mit gepaarten äußeren Elektronen sind stabil, solche mit ungepaarten instabil. Diese hochreaktiven Sauerstoffmoleküle nennt man freie Radikale oder ROS (Reactive Oxygen Species). Sie sind hochreaktiv, weil sie nur ein Elektron haben – also ungepaart sind – und versuchen, einem anderen Molekül ein Elektron zu »entreißen«. Die meisten freien Radikale reagieren daher grundsätzlich mit allen biologischen Substanzen.
Freie Radikale – ihre ambivalente Rolle im Körper
Die gesunderhaltenden Funktionen der freien Radikale
Freie Radikale sind für den aeroben Organismus lebensnotwendig zur Abwehr von Krankheitserregern wie Bakterien, Viren und fehlerhaften Zellen, der Vorstufe von Krebszellen. Bei der Infektionsabwehr setzen sogenannte »Fresszellen« wie Leukozyten, Makrophagen etc. freie Radikale massenhaft frei. Wenn die Anwesenheit von Bakterien die Fresszellen aktiviert, steigt der Sauerstoffverbrauch innerhalb von 30 Sekunden auf das Zehnfache.
Ein einziges aktiviertes weißes Blutkörperchen kann in einer Sekunde eine Million freie Radikale ausstoßen, z. B. Wasserstoffperoxid und Stickoxid. Dieser Vorgang wird nur durch den erhöhten Sauerstoffverbrauch möglich. Bei jeder Art von Entzündung laufen im Körper genau diese Prozesse ab. Der Körper bekämpft auf diese Weise nicht nur Infekte oder Entzündungen, sondern auch defekte Zellen und Tumorzellen. Die wichtigsten Krebstherapien wie Bestrahlung, Überwärmung oder Chemotherapie beruhen auf demselben Prinzip wie der körpereigene Kampf gegen Erreger. Sie alle provozieren die Produktion von freien Radikalen, die Krebszellen oxidieren und zerstören sollen.
Die Freisetzung von freien Radikalen zur Abwehr nennt man »Respiratory Burst«. Versagt dieser Mechanismus, ist der Körper Bakterien und damit Infektionen wehrlos ausgeliefert.
Die gesundheitsgefährdende Seite der freien Radikale
Wie bei so vielen Vorgängen im Körper ist die Nützlichkeit oder Schädlichkeit von freien Radikalen eine Frage des Gleichgewichts. Zur Erklärung der Ambivalenz der freien Radikale wird oft das Bild eines offenen Feuers gebraucht, das Wärme spendet und eine Kochgelegenheit bietet. Brennt das Feuer zu heftig, können Funken frei umherfliegen und an anderen Orten als der Feuerstelle Brände und große Zerstörungen verursachen.
Der Vorteil des Energiegewinnes durch die Aufnahme von Sauerstoff bringt für die Aerobier also auch Nachteile mit sich – viele, sehr viele Krankheitsbilder sind in den letzten Jahren als Sauerstoffprobleme erkannt worden. Treten freie Radikale in pathologisch hoher Konzentration auf, verändern oder zerstören sie die biologischen Strukturen. Die Folge sind Funktionsstörungen bis zur Mutation und bösartigen Entartung der Zelle.
Reaktionsfreudige, aggressive freie Radikale zerstören Moleküle, indem sie ihm ein Elektron »entreißen«. Zu Erkrankungen kann es kommen, wenn die zerstörten Moleküle keine »feindlichen« Eindringlinge wie Viren und Bakterien sind, sondern für den Körper lebenswichtige Funktionen erfüllen. Um ihr »Gleichgewicht« wiederzuerlangen, »jagen« die »beraubten« Moleküle andere Moleküle, um ihnen wiederum ein Elektron zu »entreißen«. Das »beraubte« Molekül wird dann selbst zu einem hochreaktiven, »räuberischen« freien Radikal. So kann eine Kettenreaktion ausgelöst werden. Der Organismus der Aerobier hat gegen eine Überzahl von freien Radikalen körpereigene Abwehrmechanismen entwickelt, sogenannte Antioxidantien. Manche Antioxidantien bildet der Körper selbst. Dazu benötigt er aber Spurenelemente wie Zink, Selen und Kupfer, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Andere, wie Vitamin C und E, sowie sekundäre Pflanzenstoffe wie Carotin oder Flavonoide wie Anthocyane müssen vollständig mit der Nahrung aufgenommen werden, da sie der Körper allein nicht bilden kann. Von oxidativem Stress spricht man, wenn zwischen freien Radikalen und Antioxidantien ein Ungleichgewicht zugunsten der freien Radikale entstanden ist.
Freie Radikale können innerhalb der Stoffwechselprozesse des menschlichen Körpers entstehen, man nennt das endogene Quellen, oder auch aus exogenen Quellen, also Ursachen außerhalb des Körpers.
Zu den körpereigenen, den endogenen Quellen gehören z.B.:
Stress, physisch wie psychisch
operative Eingriffe
Alterungsprozesse
Mangelernährung
Entzündungen
erhöhter Blutzuckerspiegel (Hyperglykämie)
erhöhter Cholesterinspiegel (Hypercholesterinämie)
Zu den äußeren, den exogenen Quellen gehören:
Luftverschmutzung (Ozon, Stickoxide, freie Radikale, Elektrosmog und anderer Smog)
Rauchen und Alkohol
toxische Schwermetalle, Umweltchemikalien und Umweltgifte im Allgemeinen
UV-Strahlen
Medikamente, vor allem Antibiotika und Zytostatika (krebshemmende Medikamente)
Überbelastung
Stehen dem Körper nicht ausreichend Antioxidantien zur Verfügung, sind die natürlichen Abwehrkräfte des Menschen durch endogene oder exogene Faktoren, durch Krankheit, Schwächung des Immunsystems oder durch ganz normale Alterungsprozesse geschwächt, leidet der Organismus unter oxidativem Stress.
Welche Krankheiten können freie Radikale auslösen?
Freie Radikale sind vielfach verantwortlich für:
Um ein Übergewicht von freien Radikalen aufzufangen, ist der Organismus auf die Versorgung mit Antioxidantien wie z.B. Vitaminen angewiesen.
Als Beispiel für Oxidation und die Wirkung von Antioxidantien wird oft folgendes Beispiel genannt: Angeschnittenes Obst, z.B. ein Apfel, eine Birne, eine Banane, verfärbt sich in kurzer Zeit braun,...
