Freie Radikale - ein Grund dafür, dass Zellen altern

Zellteilungen

Im Gegensatz zu den Keimzellen ist die Zahl der Zellteilungen von differenzierenden bzw. differenzierten Zellen begrenzt. In einigen Geweben, z. B. im Nervengewebe, teilen sich die Zellen nur während der Entwicklung und können sich danach nicht mehr vermehren. Sie altern relativ langsam, wobei auch Zellen absterben; daher nimmt die Zahl der Nervenzellen in bestimmten Bereichen des Gehirns im Laufe des Alterns ab. Andere Gewebe, z. B. Leber-, Nieren- und Bindegewebszellen, sind im erwachsenen Organismus noch begrenzt teilungsfähig. Sie können sich bei Verletzungen schnell vermehren, bis das Gewebe ergänzt ist. Diese Fähigkeit der regenerativen und kontinuierlichen Ergänzung nimmt ebenfalls im Laufe des Alterns ab.

Außer der Teilungsfähigkeit verändern sich auch Struktur und Funktion der Zellen. Die Knorpelsubstanz von Gelenkknorpelzellen unterscheidet sich bei jungen und alten Menschen – bei Ersteren enthält sie auffallend lange Ketten des Proteins Chondroitinsulfat, welche doppelt so lang sind wie in älteren Zellen. Daraus resultiert die schlechtere Elastizität des älteren Knorpels, welche auch zu Rissen und Entzündungen führen kann.

Alterungsprozess – Energiekrise der Zelle

Der beschriebene Alterungsprozess scheint eine Folge von Energiemangel im Organismus zu sein, an dem die Mitochondrien beteiligt sind. Man hat herausgefunden, dass Erkrankungen des Nervensystems wie die parkinsonsche Krankheit ihre Ursache in unzureichender Energieerzeugung in bestimmten Nervenzellen haben.

Untersuchungen an menschlichen und tierischen Zellen ergaben, dass Enzyme gealterter Zellen nur noch 25 - 50 % ihrer Aktivität aufweisen. Im Experiment mit 3-jährigen Ratten (vergleichbar mit einem 90-jährigen Menschen) waren 30-50 % aller Proteine oxidiert und damit geschädigt. Auch Lipide waren funktionsunfähig und sogar die DNA der Mitochondrien und des Zellkerns zeigt Mutationen.

In den Mitochondrien bilden sich bei der Zellatmung freie Radikale (Atome, Moleküle oder Ionen mit einem ungepaarten Elektron). Sie sind besonders reaktionsfreudig und hängen sich an viele lebenswichtige Stoffe. Mit dem Alter nimmt ihre Zahl zu. Es gibt vier Hauptquellen für freie Radikale:

1. Innerliche Produkte: Unser Körper produziert ständig als Nebenprodukt normaler Stoffwechselfunktionen freie Radikale.
   
2. Die Umwelt: Luftverschmutzung, Zigarettenrauch, Smog, Ruß, Autoabgase, Giftmüll, Düngemittel, Insektenschutzmittel, Hintergrundstrahlungen, Drogen und auch bestimmte Nahrungsmittel können freie Radikale erzeugen.
   
3. Stressfaktoren wie Altern, Trauma, Medikamente, Krankheiten, Infektionen und Stress, kann die körpereigene Produktion freier Radikale antreiben.
   
4. Kettenreaktionen: wenn ein freies Radikal ein Elektron stiehlt, um selbst wieder in Balance zu kommen, erzeugt es damit neue freie Radikale in dem vorher bestohlenen Molekül. In vielen Fällen wird dann dieses freie Radikal ebenso versuchen, ein Elektron zu stehlen.

Freie Radikale entstehen im tierischen Organismus bei der Atmung in der Elektronentransportkette. Aus ihr können Elektronen entweichen und vom molekularen Sauerstoff eingefangen werden. Es entsteht ein Peroxidion in folgender Reaktion:

${\text{O}}_{\text{2}}\text{+}{\text{e}}^{\text{-}}\to {\text{O}}_{\text{2}}{}^{-}$

Dieses Ion kann darauffolgend Wasserstoffperoxid bilden:

${\text{2H}}^{\text{+}}\text{+}{\text{e}}^{\text{-}}\text{+}{\text{O}}_{\text{2}}{}^{\text{-}}\to {\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}$

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}$ bildet durch Zerfall das aggressive Hydroxilradikal -OH, eines der reaktivsten chemischen Stoffe.

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}\to 2\text{(-OH)}\text{oder}\text{HOOH}\to {\text{H}}^{\text{-}}\text{+}\text{-OOH}$

Neben dem -OH entstehen noch andere Radikale, sie zerstören Proteine und Lipide und erzeugen Mutationen an der DNA der Mitochondrien und des Zellkerns. Wenn DNA-Enzyme oder Zellmembranlipide von der Zerstörung betroffen sind, ist die Funktion der Mitochondrien eingeschränkt. Dadurch ist die Energiebildung in Form von ATP, welche in den Mitochondrien stattfindet, gemindert. Eine geringere ATP-Produktion bedeutet gleichzeitig, dass noch mehr Radikale entstehen können. Man nimmt an, dass die Zellen beim Alterungsprozess in diesen Teufelskreis geraten und lebenswichtige Funktionen dadurch immer mehr geschwächt werden.

Forschungen zur Entschärfung der freien Radikale laufen derzeit auf Hochtouren. Erste Erkenntnisse sind:
Es gibt Enzyme, die freie Radikale entschärfen, indem sie sie abfangen und binden. Diese werden als Schutz-Enzyme bezeichnet.
So hat die Zelle gegen Wasserstoffperoxid und sein Radikal ein Schutzsystem aufgebaut. In diesem Schutzsystem wirkt das Enzym Katalase. Es kommt in allen Zellen vor und bewirkt die Spaltung von Wasserstoffperoxid:

${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}\stackrel{\text{Katalase}}{\to }{\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}\text{+}\frac{1}{2}{\text{O}}_{\text{2}}$

Vitamin C und E, Glutathion und ß-Karotin fangen ebenfalls Radikale ab. Diese oxidierten Verbindungen können dann durch Enzyme abgebaut werden. Vitaminreiche Kost vermindert deshalb Anhäufung von Radikalen. Im Tierversuch konnte bewiesen werden, dass die allgemeine Ernährung einen wichtigen Faktor bei der Entstehung freier Radikale darstellt. Normalkost mit hohem Fettanteil fördert die Bildung der Radikale, während sie durch eine vollwertige Diät reduziert wird. Bei Einnahme von Diätkost konnte am Versuch mit Mäusen ein geringerer ${\text{H}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{2}}$ und -OH – Gehalt in den Mitochondrien von Gehirn-, Herz und Nieren festgestellt werden.

Da der gesamte Alterungsprozess ein sehr komplexes Geschehen ist, stellt die Bildung von Radikalen nur einen Faktor dar.
Andere Faktoren sind genetischer, sozialer und psychischer Natur.