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Mikroskopische Aufnahme von Nabelschnurzellen

Freie Radikale im Fokus

Freie Radikale gelten allgemein als schädlich für die Zellen: Diese reaktiven Moleküle führen zu Schäden auf molekularer Ebene, lassen so die Zellen altern und lösen eine Reihe an Krankheiten aus. Doch so einfach ist das Bild nicht: Ganz ohne diese Radikale könnten Zellen nicht überleben.

ÖAW Young Science 27.10.2012

Das schwierige Ziel biomedizinischer Forschung ist nun, das richtige Niveau bei den freien Radikalen herzustellen und einen Überschuss zu beseitigen. Wie dies funktionieren könnte, beschreibt der Chemiker Philipp Kofler vom Institut für biomedizinische Alternsforschung in Innsbruck in einem Gastbeitrag.

Können Pflanzeninhaltsstoffe uns vor Zellalterung schützen?

Von Philipp Kofler

Porträt Philipp Kofler

Judith Rüf, Philipp Kofler

Zur Person:
Philipp Kofler (geb. 1983) studierte Chemie an der Leopold-Franzens Universität Innsbruck und bearbeitete dieses Projekt im Rahmen seiner Dissertation am Institut für Biomedizinische Alternsforschung der ÖAW in Innsbruck mit dem Schwerpunkt Chemie.

Immer wieder begegnet uns der Begriff freie Radikale im Zusammenhang mit Zellalterung, Gesundheit und Ernährung. Nur selten erfährt man dabei etwas über den Ursprung dieser freien Radikale und deren tatsächliche Bedeutung für die Funktionen unserer Zellen.

In Erkrankungen wie Asthma, Amyotropher Lateralsklerose (ALS), Bluthochdruck, Parkinson und Alzheimer ist das Niveau dieser freien Radikale erhöht – was die Zellalterung vorantreibt. Unsere Forschung versucht Möglichkeiten zu finden, der Zellalterung unkompliziert, durch entsprechende Ernährung, entgegenwirken zu können.

Freie Radikale: Oft genannt und kaum bekannt

Freie Radikale werden oft als Argument verwendet, um bestimmte Wirkstoffe, meist sogenannte Antioxidantien, anzupreisen. Antioxidantien sind Wirkstoffe, die freie Radikale abfangen und sie dadurch unschädlich machen. Was aber diese freien Radikale sind, woher sie kommen oder welche Funktion sie erfüllen, wird nur selten erklärt.

Früher vermutete man, dass es sich bei diesen reaktiven Molekülen um Nebenprodukte biologischer Reaktionen zur Energiegewinnung in der Zelle handelt, inzwischen hat man aber auch eine Familie von Enzymen identifiziert, deren einzige bisher bekannte Aufgabe es ist, absichtlich Sauerstoffradikale zu erzeugen.

Freie Radikale in den Zellen

Diese Enzyme (die NADPH-Oxidasen, kurz Nox) transportieren Elektronen über Zellmembranen wo eine Reduktion von Sauerstoffmolekülen stattfindet. Das so erzeugte Anion, das "Superoxid Radikalanion", ist ein sehr reaktives Molekül und es reagiert bereitwillig mit anderen Molekülen in seiner Umgebung, um so seine Energie auf andere Moleküle ähnlicher Beschaffenheit zu übertragen. Die Sauerstoffradikale als End- bzw. Zwischenprodukte dieses Vorgangs sind als freie Radikale bekannt.

Diese Moleküle wiederum enthalten ein hohes Potential ebenfalls eine Reaktion einzugehen und können so Schäden in praktisch allen Bereichen der Zelle verursachen. Dies führt unter anderem zu Mutationen und einem Phänomen das uns als Zellalterung bekannt ist.

Gut und Böse im Zellstoffwechsel

ÖAW Young Science:

Der Text ist Teil des Projektes Young Science, im Zuge dessen Gastbeiträge von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Österreichischen Akademie der Wissenschaften erscheinen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen Ö1/science.ORF.at und der Akademie der Wissenschaften.

Lange Zeit nahm man an, dass es sich bei den freien Radikalen in einer Zelle um unerwünschte Nebenprodukte als Resultat der Energiegewinnung in der Zelle handelte. Als die anfälligste Komponente hierfür wurden bestimmte Organelle der Zellen identifiziert: die Mitochondrien – oft auch als Kraftwerke der Zelle bezeichnet. Sie erzeugen in Zellen aus Nahrung Energie und versorgen die Zelle mit dem Molekül ATP, dem Energieträger in biologischen Systemen.

Die Mitochondrien sondern aber auch Calciumionen ab, die potenziell schädlich für die Zelle sind, und produzieren auch diese freie Sauerstoffradikale. Lange Zeit wurde hier ein Teufelskreis vermutet, bei dem sukzessive die Mitochondrien durch ihre eigenen Produkte beschädigt werden, die daraufhin noch mehr freie Radikale produzieren, bis sie letztendlich ihre Funktion verlieren.

Überraschende Funktionen

Mit der Entdeckung der NADPH-Oxidasen (Nox), einer Familie von Enzymen die Elektronen von NADPH durch eine zelluläre Membran transportieren, um Sauerstoffradikale zu erzeugen, durch Brigitte Royer-Pokora im Jahr 1986 erkannte man mit den Enzymen der NOX-Familie erstmals eine Kategorie von Enzymen, deren einzige bislang bekannte Aufgabe es ist, eben diese freien Radikale zu produzieren.

Weitere Untersuchungen weisen auf sehr unterschiedliche Funktionen hin, so zum Beispiel auf eine Abwehrreaktion der Zelle um eine Infektion zu bekämpfen, oder als Botenstoffe in der Zelle bis hin zum Einsatz als Werkzeug, um Proteine gezielt zu verändern und so eine bestimmte Wirkung zu erzeugen. Klar ist jedenfalls, dass Zellen ohne diese Radikale nicht überlebensfähig sind.

Krankheiten und Kräuter

In einigen Krankheiten wie Asthma, Bluthochdruck, Amyotropher Lateralsklerose (ALS), Alzheimer, Parkinson und Nierenkrebs ist das Niveau dieser Sauerstoffradikale zu hoch. Unsere Forschung untersucht nun Inhaltsstoffe unterschiedlicher Pflanzen auf deren Wirkung gegen diese Nox-Enzyme, speziell Nox4.

Die Idee dahinter ist, einen möglichst einfachen, natürlichen Weg zu finden die Produktion freier Radikale in den Zellen niedrig zu halten, um so das zu schnelle Altern der Zellen zu verhindern. Einige dieser freien Radikale werden jedoch in den Zellen gebraucht. Ziel ist es also nur für bestimmte überaktive Enzyme, im Idealfall nur ein einzelnes, selektiv zu blockieren. Hierbei sollen Inhaltsstoffe von Nahrungspflanzen und Kräutern helfen.

Nabelschnur und Altern

Am Institut für Biomedizinische Alternsforschung beschäftigen sich Wissenschaftler der Österreichische Akademie der Wissenschaften seit einiger Zeit mit der Untersuchung von Pflanzeninhaltsstoffen auf deren Wirkung auf Enzyme der Nox-Familie, speziell mit Nox4.

Vor einigen Jahren konnten diese Wissenschaftler zeigen, dass die Lebensspanne von Zellen aus der Nabelschnurvene steigt, wenn man sie daran hindert, das Nox4-Enzym zu produzieren. Ziel des aktuellen Projekts ist es, diesen Effekt durch Substanzen aus Nahrungspflanzen zu erzeugen.

Mikroskopische Aufnahme von Nabelschnurzellen.

Michael Neuhaus, Institut für Biomedizinische Alternsforschung der ÖAW

Durch Einfärben lässt sich das biologische Alter von Nabelschnurzellen bestimmen. Links: junge Zellen, rechts: alte.

Wünschenswert ist einerseits, natürlich vorkommende Substanzen zu finden, die die Funktion spezieller Nox-Enzyme blockieren und so die Menge an Radikalen in den Zellen senken, um sie länger jung zu halten. Andererseits werden Erkenntnisse über solche hemmenden Substanzen helfen, Medikamente zu entwickeln, mit denen man Krankheiten, die von Nox4 abhängig sind, zu behandeln.

Erste erfolgreiche Tests

Hierfür wurde eine repräsentative Auswahl an Pflanzeninhaltsstoffen auf ihre Wirkung gegen Nox4 mit Erfolg getestet und bei diesen Treffern die Wirkung auf andere Nox-Formen ermittelt. In einem weiteren Schritt wurden die Substanzen auf aufgebrochene Zellen und aufgereinigtes Nox4-Protein getestet, um mehr über Mechanismus und Funktionsweise der Hemmstoffe herauszufinden. Zurzeit wird in einem größeren Ansatz die Verlässlichkeit der Ergebnisse bei Behandlung von Zellen über einen längeren Zeitraum untersucht.

In einem anderen Ansatz wird versucht, die Struktur des Nox4-Enzyms zu bestimmen. Diese Daten würden der weiteren Entdeckung von hemmenden Substanzen und dem Verständnis des Mechanismus zugutekommen. Bevor diese Erkenntnisse allerdings Eingang in den Alltag finden, werden wohl noch ein paar Jahre vergehen.

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