Antioxidans

Struktur des Antioxidans, Glutathion

Antioxidantien sind Verbindungen das hemmt Oxidation, a chemische Reaktion das kann produzieren freie Radikale und Kettenreaktionen das kann die schädigen Zellen von Organismen. Antioxidantien wie Thiole oder Askorbinsäure (Vitamin C) kann diese Reaktionen hemmen. Ausbalancieren oxidativen Stress, Organismen enthalten und produzieren Antioxidantien wie z. Glutathion, Mycothiol oder Bacillithiol.

Das einzige diätetisch Antioxidantien sind Vitamine A, C, und E. Der Begriff Antioxidans wird auch für verwendet Industrielle Chemikalien hinzugefügt während der Herstellung, um Oxidation in zu verhindern Synthesekautschuk, Kunststoffund Brennstoffe oder als Konservierungsstoffe in Essen und Kosmetika.[1]

Während Früchte und Gemüse sind reiche Quellen antioxidativer Vitamine und können Teil von a sein gesunde ErnährungEs gibt keine eindeutigen Beweise dafür, dass der Verbrauch von Pflanzenbeträgern gesundheitliche Vorteile verleiht, insbesondere aufgrund antioxidativer Vitamine in solchen Lebensmitteln.[2] Nahrungsergänzungsmittel Es wurde nicht gezeigt, dass Antioxidantien vermarktet werden, um die Gesundheit zu verbessern oder Krankheiten beim Menschen zu verhindern.[2] Nach einigen Studien ergänzen Nahrungsergänzungsmittel von Beta-CarotinVitamin A und Vitamin E haben keinen positiven Einfluss auf Sterblichkeitsrate[3][4] oder Krebs Risiko.[5][Benötigt Update][6] Zusätzlich Supplementierung mit Selen oder Vitamin E verringert das Risiko von nicht Herzkreislauferkrankung.[7][8]

Gesundheitsforschung

Beziehung zur Ernährung

Obwohl bestimmte Antioxidanswerte Vitamine In der Ernährung sind für eine gute Gesundheit erforderlich. Es gibt immer noch erhebliche Debatten darüber, ob antioxidativ-reiche Lebensmittel oder Nahrungsergänzungsmittel gegen eine Antidisase-Aktivität verfügen. Wenn sie tatsächlich vorteilhaft sind, ist es nicht bekannt, welche Antioxidantien in der Ernährung gesundheitsschädlich sind und welche Mengen über die typische Nahrungsaufnahme hinausgehen.[9][10][11] Einige Autoren bestreiten die Hypothese, dass antioxidative Vitamine chronische Krankheiten verhindern könnten,[9][12] und einige erklären, dass die Hypothese unbewiesen und fehlgeleitet ist.[13] Polyphenole, die antioxidative Eigenschaften haben in vitro, haben eine unbekannte antioxidative Aktivität In vivo wegen umfangreicher Stoffwechsel nach der Verdauung und wenig klinischer Beweis Wirksamkeit.[14]

Interaktionen

Gemeinsame Arzneimittel (und Nahrungsergänzungsmittel) mit antioxidativen Eigenschaften können die Wirksamkeit bestimmter Antikreber Medikamente und Strahlentherapie.[15]

Nebenwirkungen

Siehe auch: Antioxidativer Stress
Struktur des Metallchelators Phytinsäure

Relativ stark reduzierende Säuren können haben Antinährstoff Effekte durch Bindung an Ernährungsmineralien wie zum Beispiel Eisen und Zink in dem Magen-Darmtrakt und verhindern, dass sie absorbiert werden.[16] Beispiele sind Oxalsäure, Tannine und Phytinsäure, die hoch in diäten auf pflanzlicher Basis sind.[17] Kalzium und Eisenmängel sind in Diäten in nicht ungewöhnlich Entwicklungsländer Wo weniger Fleisch gegessen wird und es einen hohen Konsum von Phytinsäure aus Bohnen und ungesäuertem Konsum gibt Vollkorn brot. Keimung, Einweichen oder mikrobielle Fermentation sind jedoch alle Haushaltsstrategien, die den Phytat- und Polyphenolgehalt von nicht raffiniertem Müsli verringern. Bei Erwachsenen, die von Dephytinisierten Getreide gefüttert wurden, wurden über einen Anstieg der FE-, Zn- und CA -Absorption berichtet, verglichen mit Getreide, die ihre einheimische Phytate enthalten.[18]

Lebensmittel Reduzierung der Säure vorhanden
Kakaobohne und Schokolade, Spinat, Rübe und Rhabarber[19] Oxalsäure
Vollkorn, Mais, Hülsenfrüchte[20] Phytinsäure
Tee, Bohnen, Kohl[19][21] Tannine

Hohe Dosen einiger Antioxidantien können schädliche langfristige Auswirkungen haben. Das Beta-Carotin und Retinol Wirksamkeitsversuch (CARET) Studie an Patienten mit Lungenkrebs ergaben, dass Raucher Ergänzungsmittel mit Beta-Carotin und Vitamin A erhöhte Lungenkrebsraten hatten.[22] Nachfolgende Studien bestätigten diese Nebenwirkungen.[23] Diese schädlichen Effekte können auch bei Nichtrauchern als einer gesehen werden Metaanalyse einschließlich Daten von ungefähr 230.000 Patienten zeigten, dass β-Carotin, Vitamin A oder Vitamin E-Supplementierung mit einer erhöhten Mortalität verbunden ist, jedoch keinen signifikanten Effekt von Vitamin C.[24] Es wurde kein Gesundheitsrisiko beobachtet, als alle randomisierten kontrollierten Studien zusammen untersucht wurden, aber ein Anstieg der Mortalität wurde festgestellt, wenn nur hochwertige und geringere Risikoversuche separat untersucht wurden.[25] Da sich die Mehrheit dieser Studien mit niedriger Bias befassten ältere Menschenoder Menschen mit Krankheiten, diese Ergebnisse gelten möglicherweise nicht für die allgemeine Bevölkerung.[26] Diese Metaanalyse wurde später von denselben Autoren wiederholt und erweitert, was die vorherigen Ergebnisse bestätigte.[25] Diese beiden Veröffentlichungen stimmen mit einigen früheren Metaanalysen überein, die auch darauf hindeuten, dass die Vitamin-E-Supplementierung die Mortalität erhöhte,[27] und diese antioxidativen Nahrungsergänzungsmittel erhöhten das Risiko von Dickdarmkrebs.[28] Beta-Carotin kann auch zunehmen Lungenkrebs.[28][29] Insgesamt deuten die große Anzahl klinischer Studien an Antioxidationsmittelpräparaten darauf hin, dass entweder diese Produkte keine Auswirkungen auf die Gesundheit haben oder dass sie bei älteren oder gefährdeten Populationen einen geringen Anstieg der Mortalität verursachen.[9][10][24]

Oxidative Herausforderung in der Biologie

Weitere Informationen: Oxidativen Stress
Die Struktur des Antioxidans Vitamin Askorbinsäure (Vitamin C)

A Paradox in Stoffwechsel ist das, während die überwiegende Mehrheit des Komplexes Leben auf der Erde erfordert Sauerstoff Für seine Existenz ist Sauerstoff ein hochreaktives Element, das lebende Organismen durch Produktion schädigt reaktive Sauerstoffspezies.[30] Folglich enthalten Organismen ein komplexes Netzwerk von Antioxidans Metaboliten und Enzyme das arbeitet zusammen, um oxidative Schäden an zellulären Komponenten wie zu verhindern, z. DNA, Proteine und Lipide.[31][32] Im Allgemeinen verhindern antioxidative Systeme entweder verhindern, dass diese reaktiven Spezies gebildet werden, oder entfernen sie, bevor sie wichtige Komponenten der Zelle beschädigen können.[30][31] Reaktive Sauerstoffspezies haben jedoch auch nützliche zelluläre Funktionen, wie z. Redox -Signalübertragung. Daher besteht die Funktion von antioxidativen Systemen nicht darin, Oxidationsmittel vollständig zu entfernen, sondern sie auf einem optimalen Niveau zu halten.[33]

Die in Zellen produzierten reaktiven Sauerstoffspezies umfassen Wasserstoffperoxid (H2O2), Hypochlorsäure (HCLO) und freie Radikale so wie die Hydroxyl-Radikal (· Oh) und die Superoxidanion (Ö2−).[34] Das Hydroxylradikal ist besonders instabil und reagiert schnell und nicht speziell mit den meisten biologischen Molekülen. Diese Spezies wird aus Wasserstoffperoxid in produziert metallkatalysiert Redoxreaktionen wie die Fenton -Reaktion.[35] Diese Oxidationsmittel können Zellen schädigen, indem sie chemische Kettenreaktionen starten, wie z. Lipidperoxidation, oder durch oxidierende DNA oder Proteine.[31] DNA -Schäden können verursachen Mutationen und möglicherweise Krebs, wenn nicht umgekehrt von DNA -Reparatur Mechanismen,[36][37] während Schäden an Proteine verursacht Enzymhemmung, Denaturierung und Proteinabbau.[38]

Die Verwendung von Sauerstoff als Teil des Prozesses zur Erzeugung der Stoffwechselergie erzeugt reaktive Sauerstoffspezies.[39] In diesem Prozess wird das Superoxidanion als erzeugt als Nebenprodukt von mehreren Schritten in der Elektronentransportkette.[40] Besonders wichtig ist die Reduzierung von Coenzym q in Komplex III, da ein hochreaktives freies Radikal als Zwischenprodukt gebildet wird (q·−). Dieses instabile Zwischenprodukt kann zu Elektronen-Leckagen führen, wenn Elektronen direkt zu Sauerstoff springen und das Superoxidanion bilden, anstatt sich durch die normale Reihe gut kontrollierter Reaktionen der Elektronentransportkette zu bewegen.[41] Peroxid wird auch aus der Oxidation von Reduzierung hergestellt Flavoproteine, wie zum Beispiel Komplex i.[42] Obwohl diese Enzyme Oxidationsmittel produzieren können, ist die relative Bedeutung der Elektronentransferkette für andere Prozesse, die Peroxid erzeugen, unklar.[43][44] In Pflanzen, Algen, und Cyanobakterienreaktive Sauerstoffspezies werden auch während Photosynthese,[45] vor allem unter hohen Bedingungen Lichtintensität.[46] Dieser Effekt wird teilweise durch die Beteiligung von ausgeglichen Carotinoide in Fotoinhibitionund in Algen und Cyanobakterien durch große Menge an Jodid und Selen,[47] Dies beinhaltet diese Antioxidantien, die mit überreduzierten Formen der reagieren Photosynthetische Reaktionszentren zur Verhinderung der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies.[48][49]

Beispiele für bioaktive antioxidative Verbindungen

Antioxidantien werden in zwei breite Abteilungen eingeteilt, je nachdem, ob sie in Wasser löslich sind (Wasser (hydrophil) oder in Lipiden (lipophil). Im Allgemeinen reagieren wasserlösliche Antioxidantien mit Oxidationsmitteln in der Zelle Cytosol und die Blutplasma, während lipidlösliche Antioxidantien schützen Zellmembranen aus Lipidperoxidation.[31] Diese Verbindungen können im Körper synthetisiert oder aus der Ernährung erhalten werden.[32] Die verschiedenen Antioxidantien sind in einem weiten Konzentrationsbereich in vorhanden Körperflüssigkeiten und Gewebe mit einigen wie wie Glutathion oder UbiKinone meist in Zellen vorhanden, während andere wie Harnsäure sind gleichmäßiger verteilt (siehe Tabelle unten). Einige Antioxidantien sind nur in wenigen Organismen gefunden, und diese Verbindungen können wichtig sein in Krankheitserreger und kann sein Virulenzfaktoren.[50]

Die relative Bedeutung und Wechselwirkungen zwischen diesen verschiedenen Antioxidantien sind eine sehr komplexe Frage, wobei die verschiedenen Antioxidationsmittelverbindungen und antioxidativen Enzymsysteme mit synergistisch und voneinander abhängige Effekte aufeinander.[51][52] Die Wirkung eines Antioxidans kann daher von der richtigen Funktion anderer Mitglieder des Antioxidanssystems abhängen.[32] Die von einem Antioxidans bereitgestellte Schutzmenge hängt auch von seiner Konzentration, seiner Reaktivität gegenüber den betrachteten reaktiven Sauerstoffspezies und dem Status der Antioxidantien ab, mit denen sie interagiert.[32]

Einige Verbindungen tragen zur antioxidativen Verteidigung durch Chelating Übergangsmetalle und verhindern, dass sie die Produktion von freien Radikalen in der Zelle katalysieren. Besonders wichtig ist die Fähigkeit, Eisen zu befolgen, was die Funktion von ist Eisenbindungsproteine wie zum Beispiel Transferrin und Ferritin.[44] Selen und Zink werden üblicherweise als als bezeichnet als Antioxidative Mineralien, aber diese chemische Elemente Haben Sie selbst keine antioxidative Wirkung und sind stattdessen für die Aktivität von Antioxidationsenzymen erforderlich.

Antioxidans Löslichkeit Konzentration im menschlichen Serum (μm)) Konzentration im Lebergewebe (μmol/kg))
Askorbinsäure (Vitamin C)) Wasser 50–60[53] 260 (menschlich)[54]
Glutathion Wasser 4[55] 6.400 (Mensch)[54]
Liponsäure Wasser 0,1–0,7[56] 4–5 (Ratte)[57]
Harnsäure Wasser 200–400[58] 1.600 (Mensch)[54]
Carotene Lipid β-Carotin: 0,5–1[59]

Retinol (Vitamin A): 1–3[60]

5 (menschliche, insgesamt Carotinoide)[61]
α-Tocopherol (Vitamin E) Lipid 10–40[60] 50 (menschlich)[54]
Ubiquinol (Coenzym q) Lipid 5[62] 200 (menschlich)[63]

Harnsäure

Harnsäure ist bei weitem das Antioxidans der höchsten Konzentration im menschlichen Blut. Harnsäure (UA) ist ein antioxidatives Oxypurin aus Xanthin durch das Enzym Xanthinoxidase, und ist ein Zwischenprodukt von Purine Stoffwechsel.[64] In fast allen Landtieren, Uratoxidase weiter katalysiert die Oxidation von Harnsäure zu Allantoin,[65] Aber beim Menschen und am meisten höheren Primaten ist das Urat -Oxidase -Gen nicht funktionsfähig, so dass UA nicht weiter unterbrochen wird.[65][66] Die evolutionären Gründe für diesen Verlust der Uratumwandlung in Allantoin bleiben das Thema aktiver Spekulation.[67][68] Die antioxidativen Wirkungen von Harnsäure haben Forscher dazu veranlasst, dass diese Mutation für frühe Primaten und Menschen vorteilhaft war.[68][69] Studien zur Akklimatisierung in großer Höhe stützen die Hypothese, dass Urat als Antioxidans wirkt, indem der oxidative Stress durch Hypoxie in hoher Höhe gemildert wird.[70]

Harnsäure hat die höchste Konzentration eines Blut -Antioxidans[58] und liefert über die Hälfte der gesamten antioxidativen Kapazität des menschlichen Serums.[71] Die antioxidativen Aktivitäten von Harnsäure sind ebenfalls komplex, da sie nicht mit einigen Oxidationsmitteln reagiert, wie z. Superoxid, aber gegen gegeneinander handelt Peroxynitrit,[72] Peroxide, und Hypochlorsäure.[64] Bedenken über den Beitrag von UA ​​zu erhöhtem UA zu Gicht muss als einer von vielen Risikofaktoren angesehen werden.[73] Das UA-bezogene Risiko für Gicht bei hohen Werten (415–530 μmol/l) beträgt an sich nur 0,5% pro Jahr, wobei bei UA einen Anstieg auf 4,5% pro Jahr ist Übersättigungsstufen (535+ μmol/l).[74] Viele dieser oben genannten Studien bestimmten die antioxidativen Wirkungen von UA ​​innerhalb der normalen physiologischen Ebene,[70][72] und einige fanden eine antioxidative Aktivität in Niveaus von bis zu 285 μmol/l.[75]

Vitamin C

Askorbinsäure oder Vitamin C ist ein Monosaccharid Oxidationsreduzierung (Redox) Katalysator sowohl in Tieren als auch in Pflanzen gefunden.[76] Als eines der Enzyme, die zur Herstellung von Ascorbinsäure benötigt wurden, wurde durch verloren Mutation während Primas Evolution, Menschen müssen es aus ihrer Ernährung erhalten; Es ist daher ein diätetisches Vitamin.[76][77] Die meisten anderen Tiere können diese Verbindung in ihrem Körper produzieren und benötigen sie nicht in ihren Ernährung.[78] Ascorbinsäure ist für die Umwandlung des Prokollagen zu Kollagen durch Oxidation Prolin Rückstände zu Hydroxyprolin.[76] In anderen Zellen wird es in seiner reduzierten Form durch Reaktion mit Glutathion gehalten, die durch katalysiert werden kann Proteindisulfid -Isomerase und Glutaredoxine.[79][80] Ascorbinsäure ist ein Redoxkatalysator, der reaktive Sauerstoffspezies wie Wasserstoffperoxid reduzieren und dadurch neutralisiert kann.[76][81] Zusätzlich zu seinen direkten antioxidativen Wirkungen ist Ascorbinsäure auch a Substrat Für das Redoxenzym Ascorbatperoxidase, eine Funktion, die bei Stressresistenz in Pflanzen verwendet wird.[82] Ascorbinsäure ist in allen Teilen von Pflanzen in hohem Niveau vorhanden und kann Konzentrationen von 20 erreichenMillimolar in Chloroplasten.[83]

Glutathion

Das freie Radikale Mechanismus der Lipidperoxidation

Glutathion ist ein Cystein-klang Peptid gefunden in den meisten Formen des aeroben Lebens.[84] Es ist in der Ernährung nicht erforderlich und wird stattdessen in Zellen aus seinem Bestandteil synthetisiert Aminosäuren.[85] Glutathion hat seit dem antioxidativen Eigenschaften Thiol Gruppe in seiner Cystein Einheit ist ein Reduktionsmittel und kann reversibel oxidiert und reduziert werden. In Zellen wird Glutathion in der reduzierten Form durch das Enzym gehalten Glutathionreduktase und reduziert wiederum andere Metaboliten und Enzymsysteme wie Ascorbat in der Glutathion-Ascorbat-Zyklus, Glutathionperoxidasen und Glutaredoxine, sowie direkt mit Oxidationsmitteln reagieren.[79] Aufgrund seiner hohen Konzentration und seiner zentralen Rolle bei der Aufrechterhaltung des Redoxzustands der Zelle ist Glutathion einer der wichtigsten zellulären Antioxidantien.[84] In einigen Organismen wird Glutathion durch andere Thiole ersetzt, wie beispielsweise durch Mycothiol in dem Actinomyceten, Bacillithiol in einigen grampositive Bakterien,[86][87] oder von Trypanothion in dem Kinetoplastiden.[88][89]

Vitamin e

Vitamin e ist der kollektive Name für einen Satz von acht verwandten Tocopherole und Tocotrienole, welche sind fettlöslich Vitamine mit antioxidativen Eigenschaften.[90][91] Von diesen wurde α-Tocopherol am meisten untersucht, da es am höchsten ist Bioverfügbarkeit, wobei der Körper diese Form bevorzugt absorbiert und metabolisiert.[92]

Es wurde behauptet, dass die α-Tocopherol-Form das wichtigste lipidlösliche Antioxidans ist und Membranen vor Oxidation durch Reaktion mit Lipidradikalen, die in der Lipidperoxidationskettenreaktion produziert werden, reagiert.[90][93] Dadurch werden die mittleren mittleren Radikale entfernt und verhindert, dass die Ausbreitungsreaktion fortgesetzt wird. Diese Reaktion erzeugt oxidierte α-Tocopheroxylradikale, die durch Reduktion durch andere Antioxidantien wie Ascorbat, Retinol oder Ubiquinol durch andere Antioxidantien auf die aktive reduzierte Form zurückgeführt werden können.[94] Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen, die zeigen, dass α-Tocopherol, aber nicht wasserlösliche Antioxidantien, Glutathionperoxidase 4 effizient schützt (Gpx4) -defiziente Zellen aus Zelltod.[95] GPX4 ist das einzige bekannte Enzym, das Lipidhydroperoxide in biologischen Membranen effizient reduziert.

Die Rollen und Bedeutung der verschiedenen Formen von Vitamin E sind derzeit jedoch unklar.[96][97] und es wurde sogar vermutet, dass die wichtigste Funktion von α-Tocopherol als a ist Signalmolekülmit diesem Molekül im antioxidativen Stoffwechsel keine signifikante Rolle.[98][99] Die Funktionen der anderen Formen von Vitamin E sind noch weniger gut verstanden, obwohl γ-Tocopherol a ist Nucleophil das kann mit reagieren elektrophil Mutagene,[92] und Tocotrienole können wichtig für den Schutz sein Neuronen von Schäden.[100]

Prooxidative Aktivitäten

Weitere Informationen: Prooxidant

Antioxidantien, die Mittel reduzieren, können auch als Prooxidantien fungieren. Zum Beispiel hat Vitamin C eine antioxidative Aktivität, wenn es oxidierende Substanzen wie Wasserstoffperoxid reduziert;[101] Es reduziert jedoch auch Metallionen, die freie Radikale durch die erzeugen Fenton -Reaktion.[35][102]

2 fe3+ + Ascorbate → 2 fe2+ + Dehydroascorbat
2 fe2+ + 2 h2O2 → 2 fe3+ + 2 Oh· + 2 Oh−

Die relative Bedeutung der antioxidativen und prooxidativen Aktivitäten von Antioxidantien ist ein Bereich der aktuellen Forschung, aber Vitamin C, das seine Wirkung als Vitamin durch Oxidation von Polypeptiden ausübt, scheint eine meist antioxidative Wirkung im menschlichen Körper zu haben.[102]

Enzymsysteme

Enzymatischer Weg zur Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies

Wie bei den chemischen Antioxidantien werden Zellen durch ein interagierendes Netzwerk von antioxidativen Enzymen vor oxidativem Stress geschützt.[30][31] Hier, das Superoxid, das von Prozessen wie veröffentlicht wurde, z. Oxidative Phosphorylierung wird zuerst in Wasserstoffperoxid umgewandelt und dann weiter reduziert, um Wasser zu geben. Dieser Entgiftungsweg ist das Ergebnis mehrerer Enzyme, wobei Superoxiddismutasen den ersten Schritt und dann Katalasen und verschiedene Peroxidasen katalysen, die Wasserstoffperoxid entfernen. Wie bei antioxidativen Metaboliten können die Beiträge dieser Enzyme zu antioxidativen Abwehrkräften schwer voneinander zu trennen sein, aber die Generation von Transgene Mäuse Das Fehlen eines antioxidativen Enzyms kann informativ sein.[103]

Superoxiddismutase, Katalase und Peroxiredoxine

Superoxiddismutasen (SODS) sind eine Klasse eng verwandter Enzyme, die den Abbau des Superoxidanions in Sauerstoff und Wasserstoffperoxid katalysieren.[104][105] SOD -Enzyme sind in fast allen aeroben Zellen und in extrazellulären Flüssigkeiten vorhanden.[106] Superoxiddismutase -Enzyme enthalten Metallionen -Cofaktoren, die je nach Isozym Kupfer, Zink sein können, Mangan oder Eisen. Beim Menschen ist der Kupfer/Zink -Gras in der vorhanden Cytosol, während Mangan -Sod in der vorhanden ist mitochondrion.[105] Es gibt auch eine dritte Form von SOD in Extrazelluläre Flüssigkeiten, die Kupfer und Zink in seinen aktiven Stellen enthält.[107] Das mitochondriale Iozym scheint das biologisch wichtigste dieser drei zu sein, da Mäuse, denen dieses Enzym fehlt, kurz nach der Geburt sterben.[108] Im Gegensatz dazu sind den Mäusen ohne Kupfer/Zink -SOD (SOD1) lebensfähig, haben jedoch zahlreiche Pathologien und eine reduzierte Lebensdauer (siehe Artikel zu Superoxid), während Mäuse ohne extrazelluläre SOD minimale Defekte haben (empfindlich auf Hyperoxie).[103][109] In Pflanzen sind SOD -Isozyme im Cytosol und mitochondrien vorhanden, wobei ein Eisen -Sod in gefunden wurde Chloroplasten das fehlt von Wirbeltiere und Hefe.[110]

Katalasen sind Enzyme, die die Umwandlung von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff unter Verwendung eines Eisen- oder Mangan -Cofaktors katalysieren.[111][112] Dieses Protein ist lokalisiert zu Peroxisomen in den meisten eukaryotisch Zellen.[113] Katalase ist ein ungewöhnliches Enzym Ping-Pong-Mechanismus. Hier wird sein Cofaktor durch ein Molekül Wasserstoffperoxid oxidiert und dann durch Übertragen des gebundenen Sauerstoffs auf ein zweites Substratmolekül regeneriert.[114] Trotz seiner offensichtlichen Bedeutung bei der Entfernung von Wasserstoffperoxid, Menschen mit genetischer Katalasemangel - "Acatalasämie" - oder Mäuse genetisch konstruiert Um die Katalase vollständig zu fehlen, haben Sie nur wenige negative Auswirkungen.[115][116]

Dekamerikaner Struktur von AHPC, a bakteriell 2-Cystein Peroxiredoxin aus Salmonella typhimurium[117]

Peroxiredoxine sind Peroxidasen, die die Reduktion von Wasserstoffperoxid katalysieren, organische Hydroperoxide, ebenso gut wie Peroxynitrit.[118] Sie sind in drei Klassen unterteilt: typische 2-Cystein-Peroxiredoxine; atypische 2-Cystein-Peroxiredoxine; und 1-Cystein-Peroxiredoxine.[119] Diese Enzyme haben den gleichen grundlegenden katalytischen Mechanismus, bei dem ein redoxaktives Cystein (das peroxidatische Cystein) in der aktive Seite wird zu a oxidiert Sulfeninsäure durch das Peroxidsubstrat.[120] Überoxidation dieses Cysteinrests in Peroxiredoxinen inaktiviert diese Enzyme, dies kann jedoch durch die Wirkung von umgekehrt werden Schwarzexin.[121] Peroxiredoxine scheinen für den antioxidativen Stoffwechsel wichtig zu sein, da Mäuse, denen Peroxiredoxin 1 oder 2 fehlt, die Lebensdauer verkürzt und sich entwickeln und sich entwickeln Hämolytische Anämie, während Pflanzen Peroxiredoxine verwenden, um Wasserstoffperoxid zu entfernen, die in Chloroplasten erzeugt werden.[122][123][124]

Thioredoxin- und Glutathionsysteme

Das Thioredoxin System enthält den 12-kDa Protein Thioredoxin und sein Begleiter Thioredoxin -Reduktase.[125] Proteine, die mit Thioredoxin zusammenhängen, sind in allen sequenzierten Organismen vorhanden. Pflanzen wie z. Arabidopsis thaliana, haben eine besonders große Vielfalt an Isoformen.[126] Das aktive Zentrum von Thioredoxin besteht aus zwei Nachbar Cysteine ​​als Teil eines hoch konservierten CXXC Motiv, das kann zwischen einer aktiven Dithiolform (reduziert) und einem oxidierten Kreislauf fährt Disulfid bilden. In seinem aktiven Zustand wirkt Thioredoxin als effizientes Reduktionsmittel, der reaktive Sauerstoffspezies fasst und andere Proteine ​​in ihrem reduzierten Zustand aufrechterhalten.[127] Nach der Oxidation wird das aktive Thioredoxin durch die Wirkung von Thioredoxinreduktase unter Verwendung NADPH als an Elektronendonor.[128]

Das Glutathion System umfasst Glutathion, Glutathionreduktase, Glutathionperoxidasen, und Glutathion S-transferasen.[84] Dieses System ist in Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen vorkommt.[84][129] Glutathionperoxidase ist ein Enzym, das vier enthält Selen-Cofaktoren Das katalysiert den Abbau von Wasserstoffperoxid und organischen Hydroperoxiden. Es gibt mindestens vier verschiedene Glutathionperoxidase Isozyme bei Tieren.[130] Glutathionperoxidase 1 ist am häufigsten vorkommend und ist ein sehr effizienter Assel von Wasserstoffperoxid, während Glutathionperoxidase 4 mit Lipidhydroperoxiden am aktivsten ist. Überraschenderweise ist Glutathionperoxidase 1 entbehrlich, da Mäuse, denen dieses Enzym fehlt, eine normale Lebensdauer haben.[131] Sie sind jedoch überempfindlich gegenüber induzierten oxidativen Stress.[132] Außerdem der Glutathion S-transferasen zeigen eine hohe Aktivität mit Lipidperoxiden.[133] Diese Enzyme sind in der Leber besonders hoch und dienen auch in Entgiftung Stoffwechsel.[134]

Verwendung in Technologie

Lebensmittelkonservierungsmittel

Siehe auch: E -Nummer § E300 - E399 (Antioxidantien, Säureaufsichtsbehörden)

Antioxidantien werden als verwendet als Lebensmittelzusatzstoffe helfen Wache gegen Lebensmittelverschlechterung. Die Exposition gegenüber Sauerstoff und Sonnenlicht sind die beiden Hauptfaktoren bei der Oxidation von Nahrungsmitteln. Daher wird die Nahrung erhalten, indem sie im Dunkeln bleiben und in Behältern versiegelt oder sogar in Wachs beschichtet werden, wie bei Gurken. Da Sauerstoff jedoch auch für die Pflanze wichtig ist AtmungLagern von Pflanzenmaterialien in anaerob Die Bedingungen erzeugen unangenehme Aromen und unattraktives Farben.[135] Infolgedessen enthält die Verpackung von frischem Obst und Gemüse eine ~ 8% ige Sauerstoffatmosphäre. Antioxidantien sind eine besonders wichtige Klasse von Konservierungsstoffen als, im Gegensatz zu Bakterien oder Pilz- Verderb, Oxidationsreaktionen treten immer noch relativ schnell in gefrorenen oder gekühlten Lebensmitteln auf.[136] Zu diesen Konservierungsstoffen gehören natürliche Antioxidantien wie Ascorbinsäure (AA, E300) und Tocopherole (E306) sowie synthetische Antioxidantien wie z. B. Propyl -Gallat (PG, E310), Tertiäres Butylhydrochinon (TBHQ), Butylierter Hydroxyanisol (BHA, E320) und Butylierter Hydroxytoluol (BHT, E321).[137][138]

Die häufigsten Moleküle, die durch Oxidation angegriffen werden, sind ungesättigte Fette; Oxidation veranlasst sie, sich zu drehen ranzig.[139] Da oxidierte Lipide oft verfärbt sind und normalerweise unangenehme Geschmäcker wie metallisch oder aufweisen schwefel Geschmacksrichtungen ist es wichtig, die Oxidation in fettreichen Lebensmitteln zu vermeiden. Somit werden diese Lebensmittel selten durch Trocknen erhalten; Stattdessen werden sie von erhalten Rauchen, Salzen oder fermentieren. Noch weniger fette Lebensmittel wie Früchte werden vor dem Lufttrocknen mit schwefelförmigen Antioxidantien besprüht. Die Oxidation wird oft durch Metalle katalysiert, weshalb Fette wie Butter niemals eingewickelt werden sollten Alufolie oder in Metallbehältern aufbewahrt. Einige fettreiche Lebensmittel wie Olivenöl sind teilweise vor Oxidation durch ihren natürlichen Gehalt an Antioxidantien geschützt, bleiben jedoch für die Photooxidation empfindlich.[140] Antioxidative Konservierungsstoffe werden auch zu Fettbasis -Kosmetika wie Lippenstift und zugesetzt Feuchtigkeitscremes Ranzigkeit zu verhindern.

Industrielle Verwendungen

Ersetzt Phenole und Derivate von Phenylendiamin sind häufige Antioxidantien, die zur Hemmung der Zahnfleischbildung in Benzin (Benzin) verwendet werden.

Antioxidantien werden häufig zu Industrieprodukten hinzugefügt. Eine häufige Verwendung ist als als Stabilisatoren in Brennstoffe und Schmiermittel Um Oxidation und in Benzinen zu verhindern, um die Polymerisation zu verhindern, die zur Bildung von Motorfoulingresten führt.[141] Im Jahr 2014 belief sich der weltweite Markt für natürliche und synthetische Antioxidantien auf 2,25 Milliarden US -Dollar, wobei bis 2020 eine Wachstumsprognose auf 3,25 Milliarden US -Dollar war.[142]

Antioxidans Polymerstabilisatoren werden häufig verwendet, um den Verschlechterung von zu verhindern Polymere wie Gummi, Kunststoffe und Klebstoffe Dies führt zu einem Verlust an Festigkeit und Flexibilität in diesen Materialien.[143] Polymere enthalten Doppelbindungen in ihren Hauptketten, wie z. natürliches Gummi und Polybutadiensind besonders anfällig für Oxidation und Ozonolyse. Sie können durch geschützt werden durch Antiozonanten. Feste Polymerprodukte beginnen auf exponierten Oberflächen zu knacken, wenn sich das Material verschlechtert und die Ketten brechen. Die Art des Risses variiert zwischen Sauerstoff und Ozon Angriff, erstere, der einen "verrückten Pflaster" -Effekt verursacht, während der Ozonangriff tiefere Risse erzeugt, die im rechten Winkel auf die Zugstämme des Produkts ausgerichtet sind. Oxidation und UV -Abbau sind auch häufig verknüpft, hauptsächlich weil UV-Strahlung Erstellt freie Radikale durch Bond Breakage. Die freien Radikale reagieren dann mit Sauerstoff auf, um zu produzieren Peroxy Radikale, die noch weitere Schäden verursachen, oft in a Kettenreaktion. Andere Oxidationsanfälle sind anfällig Polypropylen und Polyethylen. Ersteres ist aufgrund der Anwesenheit von empfindlicher sekundäre Kohlenstoffatome in jeder Wiederholungseinheit vorhanden. Der Angriff tritt an dieser Stelle auf, weil das gebildete freie Radikal stabiler ist als eine auf einem gebildeten Primäres Kohlenstoffatom. Die Oxidation von Polyethylen tritt bei schwachen Gliedern in der Kette tendenziell auf, wie z. B. Astpunkte in Polyethylen mit niedriger Dichte.

Kraftstoffzusatz Komponenten[144] Anwendungen[144]
AO-22 N, N'-di-2-Butyl-1,4-Phenylendiamin Turbinenöle, Transformatoröle, Hydraulikflüssigkeiten, Wachse, und Fetten
AO-24 N, N'-di-2-Butyl-1,4-Phenylendiamin Niedrigtemperaturöle
AO-29 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol Turbinenöle, Transformatoröle, Hydraulikflüssigkeiten, Wachse, Fettsäuren und Benziner
AO-30 2,4-Dimethyl-6-tert-Butylphenol Jetbrennwerke und Benzin, einschließlich Luftfahrt -Benzin
AO-31 2,4-Dimethyl-6-tert-Butylphenol Düsenbrennstoffe und Benzine, einschließlich Luftfahrt -Benziner
AO-32 2,4-Dimethyl-6-tert-Butylphenol und 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol Düsenbrennstoffe und Benzine, einschließlich Luftfahrt -Benziner
AO-37 2,6-di-tert-butylphenol Düsenbrennstoffe und Benziner, weithin zugelassen für Luftfahrtbrennstoffe

Niveaus in Lebensmitteln

Weitere Informationen: Liste der Antioxidantien in Lebensmitteln und Polyphenol -Antioxidans
Obst und Gemüse sind gute Quellen für antioxidative Vitamine C und E.

Antioxidative Vitamine sind in Gemüse, Obst, Eiern, Hülsenfrüchten und Nüssen vorhanden. Vitamine A, C und E können durch langfristige Lagerung oder längeres Kochen zerstört werden.[145] Die Auswirkungen der Koch- und Lebensmittelverarbeitung sind komplex, da diese Prozesse auch erhöhen können Bioverfügbarkeit von Antioxidantien wie einigen Carotinoiden in Gemüse.[146] Verarbeitete Lebensmittel enthält weniger antioxidative Vitamine als frische und ungekochte Lebensmittel, da die Zubereitung Lebensmittel für Hitze und Sauerstoff ausgesetzt ist.[147]

Antioxidative Vitamine Lebensmittel, die hohe Spiegel an antioxidativen Vitaminen enthalten[21][148][149]
Vitamin C (Askorbinsäure) Frisches oder gefrorenes Obst und Gemüse
Vitamin e (Tocopherole, Tocotrienole) Pflanzenöle, Nüsse, und Saatgut
Carotinoide (Carotene wie provitamin a)) Obst, Gemüse und Eier

Andere Antioxidantien werden nicht aus der Ernährung erhalten, sondern im Körper hergestellt. Zum Beispiel, Ubiquinol (Coenzym q) wird vom Darm schlecht absorbiert und durch die hergestellt Mevalonat -Weg.[63] Ein anderes Beispiel ist Glutathion, was aus Aminosäuren hergestellt wird. Wie jeder Glutathion im Darm auf freies Cystein zerlegt wird, Glycin und Glutaminsäure Vor der Absorption hat selbst eine große orale Aufnahme nur geringe Auswirkungen auf die Konzentration von Glutathion im Körper.[150][151] Obwohl große Mengen an schwefelhaltigen Aminosäuren wie z. Acetylcystein kann Glutathion erhöhen,[152] Es gibt keine Beweise dafür, dass das Essen hoher Niveaus dieser Glutathion -Vorläufer für gesunde Erwachsene von Vorteil ist.[153]

Messung und Invalidierung von ORAC

Die Messung des Polyphenol- und Carotinoidgehalts in Lebensmitteln ist kein einfacher Prozess, da Antioxidantien gemeinsam eine vielfältige Gruppe von Verbindungen mit unterschiedlichen Reaktivitäten zu verschiedenen reaktiven Sauerstoffspezies sind. Im Ernährungswissenschaft analysiert in vitro, die Sauerstoffradikalabsorption (ORAC) war einst ein Industriestandard zur Schätzung der antioxidativen Stärke von Vollwertkost, Säften und Nahrungsmittelzusatzstoffe, hauptsächlich aus der Anwesenheit von Polyphenole.[154][155] Frühere Messungen und Bewertungen durch die Landwirtschaftsdeparment der Vereinigten Staaten von Amerika wurden 2012 als biologisch irrelevant für die menschliche Gesundheit zurückgezogen, was auf das Fehlen physiologischer Hinweise auf Polyphenole mit antioxidativen Eigenschaften hinweist In vivo.[156] Folglich die ORAC -Methode, abgeleitet von nur von in vitro Experimente werden nicht mehr als relevant für menschliche Ernährung oder als relevant angesehen oder Biologieab 2010.[156]

Alternative In -vitro -Messungen des antioxidativen Gehalts in Lebensmitteln - auch basierend auf dem Vorhandensein von Polyphenolen - umfassen die Folin-CiocalteU-Reagenz, und die Troloxäquivalente antioxidative Kapazität Assay.[157]

Geschichte

Im Rahmen ihrer Anpassung aus dem Meeresleben begannen terrestrische Pflanzen, nicht-Marine-Antioxidantien zu produzieren, wie sie Askorbinsäure (Vitamin C), Polyphenole und Tocopherole. Die Entwicklung von Angiosperm Die Pflanzen zwischen 50 und 200 Millionen Jahren führten zur Entwicklung vieler Antioxidantienpigmente - insbesondere während der Jura Periode - als chemische Abwehr gegen reaktive Sauerstoffspezies das sind Nebenprodukte von Photosynthese.[158] Ursprünglich bezog sich der Begriff Antioxidans speziell auf eine Chemikalie, die den Sauerstoffverbrauch verhinderte. Im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert konzentrierte sich eine umfassende Studie auf die Verwendung von Antioxidantien in wichtigen industriellen Prozessen wie der Verhinderung von Metall Korrosion, das Vulkanisation von Gummi und die Polymerisation von Kraftstoffen in der Verschmutzung von Verbrennungsmotoren.[159]

Frühe Forschungen zur Rolle von Antioxidantien in der Biologie, die sich auf ihre Verwendung bei der Verhinderung der Oxidation von konzentrieren ungesättigte Fette, was die Ursache von ist Ranzigkeit.[160] Die antioxidative Aktivität konnte einfach gemessen werden, indem das Fett mit Sauerstoff in einen geschlossenen Behälter gelegt und die Rate des Sauerstoffverbrauchs gemessen wird. Es war jedoch die Identifizierung von Vitamine c und E Als Antioxidantien, die das Feld revolutionierten und zur Verwirklichung der Bedeutung von Antioxidantien in der Biochemie von führten lebende Organismen.[161][162] Das Mögliche Wirkungsmechanismen von Antioxidantien wurden zuerst untersucht, als erkannt wurde, dass eine Substanz mit antioxidativer Aktivität wahrscheinlich eine ist, die selbst leicht oxidiert ist.[163] Erforschen, wie Vitamin e verhindert den Prozess von Lipidperoxidation führte zur Identifizierung von Antioxidantien als Reduktionsmittel, die oxidative Reaktionen verhindern, häufig durch Scavenging reaktive Sauerstoffspezies Bevor sie Zellen beschädigen können.[164]

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Weitere Lektüre

  • Halliwell, Barry. und John M. C. Gutteridge, Freie Radikale in Biologie und Medizin (Oxford University Press, 2007), ISBN0-19-856869-x
  • Spur, Nick, Nick, Sauerstoff: Das Molekül, das die Welt machte (Oxford University Press, 2003), ISBN0-19-860783-0
  • Pokorny, Jan, Nelly Yanishlieva und Michael H. Gordon. Antioxidantien in Lebensmitteln: Praktische Anwendungen (CRC Press, 2001), ISBN0-8493-1222-1

Externe Links

  • Medien im Zusammenhang mit Antioxidantien bei Wikimedia Commons