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Thema des Monats
Die antioxidative Wirkung von Mikronährstoffen

Dezember 2011 - Stoffwechselvorgänge, die in Anwesenheit von Sauerstoff stattfinden, körpereigene Abwehrprozesse und äußere Faktoren führen zur Bildung von sogenannten reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), den ‚Prooxidantien‘, die Lipide, DNA und Proteine oxidieren und so in ihrer Funktion beeinträchtigen können. Bei der Prävention degenerativer Krankheiten wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und einiger Krebsarten scheint die ausreichende Zufuhr pflanzentypischer Inhaltsstoffe mit ‚antioxidativer‘ Wirkung eine wichtige Rolle zu spielen. Zu diesen Substanzen, die der menschliche Organismus nicht selbst synthetisieren kann, zählen insbesondere die Carotinoide, die Vitamine C und E sowie die Flavonoide.


Der Begriff ‚oxidativer Stress‘ hat während der letzten Jahrzehnte einen grundle-genden Bedeutungswandel erfahren, was auch Auswirkungen auf Empfehlungen zur Ernährung oder Nahrungsergänzung einzelner Substanzen mit antioxidativer Wirkung geführt hat. Heute wird ein Zustand erst dann als oxidativer Stress bezeichnet, wenn durch das Ungleichgewicht von Prooxidantien und Antioxidantien zelluläre Schäden verursacht oder Signalwege gestört werden, die an der Entstehung von Krankheiten beteiligt sind. Damit verbunden ist auch die Suche nach Indikatoren für oxidative Schädigungen, um z. B. antioxidative Wirkungen ausgewählter Lebensmittel überprüfen zu können.   

 

Oxidativer Stress
Bioverfügbarkeit von Antioxidantien
Indikatoren oxidativer Schädigungen
Wirkungen von Antioxidantien

    

 Oxidativer Stress

Der Begriff oxidativer Stress beschreibt ein Ungleichgewicht von Prooxidantien und Antioxidantien sowie dessen Auswirkung auf den Organismus. Reaktive Sauerstoff-verbindungen, zu denen sowohl Radikale (Superoxidradikalanion, Peroxylradikale, das Nitroxyl- und das Hydroxylradikal) als auch Nichtradikale (Singulettsauerstoff, Wasserstoffperoxid oder Hydroperoxide) zählen, werden durch das körpereigene antioxidative Verteidigungssystem abgefangen. Einige reaktive Sauerstoffver-bindungen hingegen werden im Rahmen von Abwehrprozessen gezielt gebildet, um z. B. pathogene Organismen abzuwehren. Zur Stärkung des Verteidigungssystems können antioxidativ wirksame Mikronährstoffe beitragen, die in ausreichenden Mengen mit der Nahrung zugeführt werden müssen. Stehen dem Körper nicht genug Antioxidantien zur Verfügung und überwiegen die Prooxidantien, kann dies zu oxidativem Stress und somit zu Schäden führen: Oxidative Veränderungen an Biomolekülen, wie DNA, Proteinen oder Lipiden können die Entstehung verschiedener Krankheiten begünstigen. Oxidative Veränderungen von DNA-Basen können zu Mutationen führen, einem ersten Ereignis in der Entstehung von Krebs; oxidierte Low Density Lipoproteine (LDL) sind an der Bildung atherosklerotischer Plaques beteiligt. Antioxidantien sind nach heutiger Definition Substanzen, die einen oxidativen Schaden an einem Zielmolekül verzögern, verhindern oder entfernen (1). Hinzu kommt der Schutz vor Störungen redox-sensitiver Signalwege: Studien zeigen, dass zelluläre Redox-Sensoren die Genexpression und die anschließende Proteinmodifikation steuern und dass die Steuerungsprozesse durch Antioxidantien moduliert werden (2). Die Bedeutung dieser Prozesse für die Ernährung und Gesundheit des Menschen ist bisher nicht klar.

 

Mit dem Schadensaspekt verbunden ist die Suche nach verlässlichen Indikatoren (Biomarkern) für oxidative Schädigungen. Bisher wurden zahlreiche Studien mit Biomarkern für Lipid-, DNA- oder Proteinoxidation durchgeführt, um antioxidative Wirkungen ausgewählter Lebensmittel oder Produkte zu überprüfen. Dabei geht man davon aus, dass im Vergleich zu einer Kontrollgruppe die Zufuhr von Antioxidantien mit einer verminderten Konzentration der Biomarker in Blut, Urin oder Geweben einhergeht. Zurzeit wird die biolo-gische und analytische Validität einzelner Biomarker für oxidative Schädigungen diskutiert.

    

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 Bioverfügbarkeit von Antioxidantien

Die Bioverfügbarkeit beschreibt den Anteil der Dosis eines Stoffes, der nach dessen Freisetzung ins Blut gelangt, absorbiert wird, in die Gewebe verteilt wird und schließlich am Wirkort ankommt, wobei er parallel verstoffwechselt und ausgeschieden wird. Faktoren, die die Bioverfügbarkeit von Antioxidantien in Lebensmitteln beeinflussen, sind die Beschaffenheit der Nahrungsmittelmatrix, in die die Mikronährstoffe eingebunden sind, sowie deren Speicherform. Behandlung und Zubereitung von Lebensmitteln, wie Tieffrieren, Kochen, Pürieren oder industrielle Verarbeitung, führen zum Aufschluss von Zellwänden (von bspw. Obst und Gemüse), was in der Regel die Bioverfügbarkeit der Antioxidantien verbessert. Da die meisten Antioxidantien nicht ausreichend stabil gegenüber höheren Temperaturen sind und empfindlich auf Sauerstoffexposition reagieren, ist eine schonende Zubereitung notwendig. Im Falle der fettlöslichen Carotinoide und Vitamin E fördern gleichzeitig mit der Nahrung aufgenommene Lipide die Aufnahme im Darm. Die Konzentration an Antioxidantien in Lebensmitteln nimmt mit deren Lagerung in der Regel ab. Durch entsprechende Maßnahmen wie Lichtschutz oder niedrige Temperatur wird ein Abbau der Substanzen verzögert. Zur Nahrungsergänzung werden Antioxidantien mit Hinweis auf eine erhöhte Bioverfügbarkeit angeboten, die durch optimierte Produktionsverfahren gewähr-leistet wird.

 

Neben der Beschaffenheit der Lebensmittel, die Antioxidantien enthalten, beeinflussen auch Verhaltensmus-ter der Konsumenten, wie Verzehrgewohnheiten, Rauchen oder Alkoholkonsum, sowie individueller Ernährungsstatus, Alter, Geschlecht oder Erkrankungen die Bioverfügbarkeit von Antioxidantien. So sind z. B. die Blutspiegel von Vitamin C und E sowie Beta-Carotin bei Rauchern niedriger als bei Nichtrauchern (3). Der beobachtete Effekt ist vermutlich auf einen erhöhten Verbrauch durch Prooxidantien zurückzuführen. Für Carotinoide wurden geschlechtsspezifische Unterschiede im Plasmaspiegel gemessen. Krankheiten, die mit Störungen der Lipidresorption einhergehen, sind oftmals auch mit einer verminderten Aufnahme fett-löslicher Antioxidantien assoziiert (4). Individuellen Unterschieden in der Bioverfügbarkeit von antioxidativen Mikronährstoffen liegen wahrscheinlich genetisch bedingte Variationen (Polymorphismen) in Proteinen zugrunde, die direkt oder indirekt an der Absorption, der Verteilung oder am Metabolismus der Substanzen beteiligt sind. Mehrere Polymorphismen sind für Oxygenasen beschrieben worden, die die Spaltung von
Beta-Carotin zu Vitamin A (Retinal) katalysieren. Weiter wurde gezeigt, dass Polymorphismen in Genen, die am Lipidstoffwechsel beteiligt sind, die Plasmaspiegel an Carotinoiden und Vitamin E beeinflussen (5).

 


Es wird angenommen, dass eine langfristige unausgewogene Zufuhr einzelner Antioxidantien in hoher Dosis nachteilig ist. Das antioxidative Netzwerk ist ein Multikomponentensystem und bedarf der balancierten Zusammensetzung. In vitro wurde gezeigt, dass Antioxidantien in hohen Konzentrationen prooxidativ wirken. Inwieweit prooxidative Effekte im komplexen Organismus von Bedeutung sind, ist bisher nicht geklärt. Generell sollte in Interventionsstudien mit einzelnen oder Gemischen von Antioxidantien der Nachweis der Bioverfügbarkeit geführt werden. Dies geschieht in der Regel durch Messung eines Anstiegs des Mikronährstoffs im Plasma. Häufig wird zum Nachweis antioxidativer Wirkung allerdings lediglich die weitgehend undifferenzierte Änderung der gesamten antioxidativen Kapazität von Blut oder Plasma gemessen.

  

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 Indikatoren oxidativer Schädigungen

Zum Nachweis von oxidativen Schäden durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wurden verschiedene Methoden entwickelt, die darauf abzielen, chemische Änderungen an oxidativ modifizierten Zellstrukturen nachzuweisen. Meist handelt es sich bei den Zielmolekülen um Lipide, DNA oder Proteine. Biomarker oxidativer Schädigungen werden auch verwendet, um die Wirkung einer Intervention mit Antioxidantien zu erfassen (6). Dabei geht man davon aus, dass nach Zufuhr antioxidativer Substanzen die Schädigung, im Vergleich zu einer Kontrolle, abnimmt. Als Nachweis für Lipidschädigungen können verschiedene Endabbau-produkte gemessen werden, die gebildet werden, wenn Membran- oder Plasmalipide mit ROS reagieren. Zur Bestimmung oxidativer DNA-Schäden werden häufig modifizierte DNA-Basen mittels Einzelzellgelelektrophorese quantifiziert und so DNA-Schäden identifiziert. Bei der Oxidation von Proteinen werden Aminosäureseitenketten (z. B. Histidin, Arginin oder Lysin) unter Einführung von Carbonylgruppen modifiziert, was gemessen werden kann (7).

 

Als maßgebender Standard zum Nachweis antioxidativer Effekte von Lebensmitteln, funktionalisierten Lebensmitteln, Extrakten, Nahrungsergänzungen oder einzelnen Inhaltsstoffen sind Humanstudien mit ausreichend statistischer Aussagekraft und validen Biomarkern (8). Nutzen und Validität der eingesetzten Biomarker zur Bewertung oxidativer Schäden werden jedoch kontrovers diskutiert. Im Idealfall sollen Biomarker noch mit den entsprechenden klinischen Ausprägungen in Zusammenhang gebracht werden können, wie z. B. eine erhöhte Lipidperoxidation mit artherosklerotischen Gefäßveränderungen oder DNA-Schäden mit Mutationen, als Auslöser einer Krebserkrankung. Auch hier sind die Zusammenhänge unklar und weitere Untersuchungen notwendig. Trotz dieser Einschränkungen ist die Verwendung von Biomarkern nützlich.

  

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 Wirkungen von Antioxidantien

Mit der Bildung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) assoziierte Prozesse spielen eine wichtige Rolle bei der Kommunikation innerhalb einer Zelle und zwischen einzelnen Zellen. Dabei sind die ROS (z. B. Superoxidanion und Wasserstoffper-oxid) selbst Signalmoleküle und lösen zelluläre Antworten aus oder sie führen zur Störung des Redox-Gleichgewichts einer Zelle, in deren Folge redox-sensitive Proteine (Redox-Sensoren) verändert werden, was eine Signalbildung auslöst. Beide Wege der Signalübermittlung können sich teilweise überlappen und gegen-seitig beeinflussen. Über intrazelluläre Signalwege werden so Zellwachstum, Differenzierung, Zelltod, die Neubildung von Blutgefäßen oder Prozesse des Energiestoffwechsels moduliert (9).

 

Die primäre Funktion von antioxidativen Mikronährstoffen als Bestandteile der Nahrung ist die als Cofak-toren von Enzymen zu fungieren. Vitamin C zum Beispiel ist als Coenzym von Prolin- und Lysin-Hydroxy-lasen essenziell für die Biosynthesen von Kollagen, Carnitin oder Adrenalin. Beta-Carotin ist im Photosyn-theseapparat von Pflanzen von zentraler Bedeutung und hat dort auch die Aufgabe photooxidative Schäden zu verhindern, eine Wirkung die auch beim Menschen beobachtet wird. Wichtig ist Beta-Carotin aber vor allem als Vitamin-A-Quelle (10). Abhängig vom Ernährungsverhalten leisten Beta-Carotin und andere Provitamin-A-Verbindungen einen beträchtlichen Beitrag zur Vitamin-A-Versorgung. Mechanismen der Vitamin-A-Wirkungen reagieren, soweit bekannt, nicht direkt sensitiv auf oxidativen Stress.

 

Im Fokus des Interesses standen in jüngster Zeit die Flavonoide, von denen die meisten nur in vitro antioxi-dativ wirken. Die antioxidative Wirkung im Organismus ist dagegen meist nur gering. Im Vordergrund der Wirksamkeit einiger Flavonoide stehen andere physiologische bzw. pharmakologische Eigenschaften, die nicht mit antioxidativen Wirkungen korreliert sind – z. B. soll  Epicatechin, das u. a. in Kakao, grünem Tee oder Äpfeln vorkommt, gefäßerweiternde  Effekte aufweisen, was auf eine mögliche protektive Wirkung vor Herz-Kreislauf-Erkrankungen hindeutet (11).

 

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Literatur

 

1. Gutteridge J. M. C. and Halliwell B. Antioxidants: Molecules, medicines, and myths. Biochem Biophys Res Commun. 2010; 393:561–564.

 

2. Sies H. and Jones D. P. Oxidative stress. In: Fink G. (ed). Encyclopedia of Stress. 2007; 3:45–48.

 

3. Polidori M. C. et al. Cigarette smoking cessation increases plasma levels of several antioxidant micronutrients and improves resistance towards oxidative challenge. Br J Nutr. 2003; 90:147–150.

 

4. Drai J. et al. Plasma fatty acids and lipid hydroperoxides increase after antibiotic therapy in cystic fibrosis. Int J Vitam Nutr Res. 2009; 79:87–94.

 

5. Borel P. et al. Human fasting plasma concentrations of vitamin E and carotenoids, and their association with genetic variants in apo C-III, cholesteryl ester transfer protein, hepatic lipase, intestinal fatty acid binding protein and microsomal triacylglycerol transfer protein. Br
J Nutr. 2009; 101:680–687.

 

6. Griffiths H. R. et al. Biomarkers. Mol Aspects Med. 2002; 23:101–208.

 

7. Dragsted L. O. Biomarkers of exposure to vitamins A, C, and E and their relation to lipid and protein oxidation markers. Eur J Nutr. 2008; 47:3–18.

 

8. Verhagen H. et al. Status of nutrition and health claims in Europe. Arch Biochem Biophys. 2010; 501:6–15.

 

9. Valko M. et al. Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease. Int J Biochem Cell Biol. 2007; 39(1):44-84.

 

10. Grune T. et al. Beta-Carotene is an important vitamin A source for humans. Hohenheim Consensus Conference. The Journal of Nutrition. 2010; 140(12):2268–2285.

 

11. Heiss C. et al. Endothelial function, nitric oxide, and cocoa flavanols. J Cardiovasc Pharmacol. 2006; 47:128–135.

 

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Letzte Aktualisierung: 01.12.2011