Freie Radikale

Freie Radikale sind Atome oder Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron. Dieses Elektron macht sie reaktionsfreudig und verleiht ihnen ein winziges magnetisches Moment. Aus Sicht der Quantenbiologie und der Mitochondrien sind Radikale deshalb zuerst ein Signal, das Information trägt, und nicht automatisch ein Schaden: Entscheidend ist das Gleichgewicht.

Kaum ein Begriff hat einen so schlechten Ruf. Seit Denham Harman 1956 das Altern mit Radikalreaktionen erklärte [Quelle], gelten Radikale als Zellräuber, gegen die man mit Kapseln antreten müsse. Dabei bildet Ihr Körper Superoxid und Wasserstoffperoxid gezielt, mit mehr als 40 Enzymen, darunter NADPH-Oxidasen und die Atmungskette der Mitochondrien. Helmut Sies (Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf) und Dean Jones (Emory University) nennen diese Signalrolle oxidativen Eustress. [Quelle]

Dass im Körper so viele Radikale entstehen, liegt am Sauerstoff: Schon das O₂-Molekül trägt zwei ungepaarte Elektronen und ist selbst ein Biradikal. Ohne ihn können höhere Lebewesen nicht existieren, und doch ist er für sie gefährlich, das Sauerstoff-Paradox. [Quelle] Jaroslav Lachký, Gründer von Mitochondriak®, bringt es auf den Punkt: „Sauerstoff ist […] das, wodurch wir leben, aber zugleich auch sterben. Es kommt auf das Gleichgewicht an, das die notwendigen freien Radikale wunderbar ausbalancieren.“

Was sind freie Radikale – und warum „stehlen“ sie Elektronen?

Ein freies Radikal ist ein Teilchen, dessen äußeres Elektron keinen Partner hat und das sich diesen Partner oft bei seinen Nachbarn holt. Dabei entreißt es einem Nachbarmolekül ein Elektron oder ein Wasserstoffatom und oxidiert es. [Quelle]

Jaroslav Lachký vergleicht das Radikal mit einem Single auf Partnersuche: Ist der Partner gefunden, ist das Teilchen „vergeben“, zufrieden und reagiert nicht mehr. Nur holt es ihn aus Membranen und Proteinen der Umgebung. Bekanntestes Beispiel ist die Lipidperoxidation: Aus einer angegriffenen Fettsäure wird mit Sauerstoff ein Peroxylradikal, das der Nachbarfettsäure ein Wasserstoffatom entreißt. Die Kette endet erst, wenn Fett oder Sauerstoff fehlen oder ein fettlösliches Antioxidans wie Vitamin E sie stoppt. [Quelle] Bevorzugtes Ziel sind mehrfach ungesättigte Fettsäuren. [Quelle]

Weil O₂ im Grundzustand zwei ungepaarte Elektronen besitzt (Triplett), erschwert ihm die Spinregel die direkte Reaktion mit Molekülen, deren Elektronen gepaart sind. [Quelle] Nimmt er Elektronen einzeln auf, entsteht eine Leiter aus vier Schritten: [Quelle]

O₂ → O₂•⁻ (Superoxid) → H₂O₂ (Wasserstoffperoxid) → •OH (Hydroxylradikal) → H₂O

Am Ende der Atmungskette reduziert die Cytochrom-c-Oxidase (CCO) Sauerstoff in einem abgestimmten, vergleichsweise sicheren Vier-Elektronen-Schritt zu Wasser. Reaktive Zwischenstufen entstehen, wenn er unterwegs einzelne Elektronen aufnimmt. [Quelle]

Welche freien Radikale und reaktiven Sauerstoffspezies bildet Ihr Körper?

Die wichtigsten sind Superoxid, das Hydroxylradikal und Stickstoffmonoxid; dazu kommt Wasserstoffperoxid, das kein Radikal ist, aber zu den reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) zählt. ROS ist der Sammelbegriff für reaktive Abkömmlinge des Sauerstoffs [Quelle], Radikale sind nur jene mit ungepaartem Elektron.

Jaroslav Lachký sagt es bildhaft: Superoxid und Wasserstoffperoxid sind der Aufräumtrupp, der dem Mitochondrium zeigt, was aufzuräumen ist. Das Hydroxylradikal ist eine Granate. Es entsteht über die Fenton-Reaktion, wenn Wasserstoffperoxid auf freies Eisen oder Kupfer trifft, und kommt vor seiner Reaktion nur einige zehn Nanometer weit. [Quelle] Kein Enzym kann es entschärfen. [Quelle] Deshalb setzt die Abwehr früher an:

• Superoxiddismutase: Sie wandelt Superoxid in Wasserstoffperoxid um. [Quelle] In den Mitochondrien arbeitet die manganhaltige MnSOD, laut dem Team um Daret St. Clair (University of Kentucky) das wichtigste ROS-Schutzenzym der Zelle, die „Wächterin des Kraftwerks“. [Quelle]
• Katalase, Glutathionperoxidasen und Peroxiredoxine: Sie bauen Wasserstoffperoxid zu Wasser ab, Peroxiredoxine und Glutathionperoxidasen am schnellsten. [Quelle]

Wie entstehen freie Radikale in den Mitochondrien?

Radikale entstehen, wenn ein Elektron die Atmungskette vorzeitig verlässt und direkt auf Sauerstoff übergeht, vor allem an Komplex I und Komplex III. Dieses Leck ist die wichtigste ROS-Quelle der Zelle. [Quelle] Das Energiegefälle der Elektronen treibt die Bildung von ATP an.

Jaroslav Lachký erklärt das mit einem Gartenschlauch, der Bachwasser an Sträuchern vorbei und zurück in den Bach führt und an jedem Strauch leicht tropft. Auch das Mitochondrium ist ein geschlossener Kreislauf: Elektronen treten ein und enden mit Sauerstoff als Wasser. Was unterwegs „tropft“, sagt ihm, was zu tun ist. Wird der Fluss langsamer, steigt der Druck, es tropft mehr, und irgendwann platzt der Schlauch. Das „Loch“ ist dabei ein Elektron, das zu früh auf Sauerstoff springt.

Die Messungen geben diesem Bild recht: Laut Michael Murphy (Medical Research Council, Cambridge) bilden isolierte Mitochondrien vor allem dann viel Superoxid, überwiegend an Komplex I, wenn sie kein ATP herstellen und ihr Protonengradient hoch ist oder wenn sich NADH gegenüber NAD⁺ staut. Mitochondrien, die aktiv ATP bilden, erzeugen weit weniger. Zugleich ist dieses Superoxid ein Signal, das vom Mitochondrium bis zum Zellkern reicht. [Quelle]

Jaroslav Lachký geht noch weiter: „ROS ist also nicht nur ein ‚schlechtes Nebenprodukt der Verbrennung‘. Es ist auch eine Zeitspur dafür, wie lange sich das Elektron an einer bestimmten Stelle aufgehalten hat.“ Je länger ein Elektron an einer Zwischenstation wartet, desto eher greift der Sauerstoff zu. Radikale zeigen also, wie gut der Elektronenfluss läuft.

Wozu braucht Ihr Körper freie Radikale?

Ihr Körper setzt Radikale gezielt ein: zur Abwehr von Mikroben, als Botenstoffe, zur Zellreinigung und, wenn nötig, für den geordneten Zelltod.

• Abwehr: Fresszellen reduzieren Sauerstoff mit einer Oxidase gezielt zu Superoxid und weiter zu Wasserstoffperoxid und „verbrennen“ so Mikroben. [Quelle]
• Botenstoffe: Im nanomolaren Bereich steuert Wasserstoffperoxid die Redox-Signalübertragung. [Quelle] Auch das Radikal Stickstoffmonoxid dient als Signal. [Quelle]
• Zellreinigung: Ruth Scherz-Shouval und Zvulun Elazar (Weizmann-Institut) zeigten 2007 in Zellversuchen: Nährstoffmangel lässt Zellen Wasserstoffperoxid bilden, und genau dieses Signal ist für die Autophagie, das Recycling von Zellbestandteilen, unerlässlich. Mit Antioxidantien entstanden keine Autophagosomen mehr. [Quelle] Genau das schrieb Jaroslav Lachký 2020: Radikale und ihre Folgeprodukte geben dem Mitochondrium Anweisungen, unter anderem zur Autophagie.
• Zelltod nach Plan: Bei starkem oxidativem Stress können Radikale eine Zelle in die Apoptose, den geordneten Zelltod, führen. [Quelle]

Sind freie Radikale magnetisch? Die Quantenbiologie der Radikale

Ja: Jedes ungepaarte Elektron trägt über seinen Spin ein magnetisches Moment, Radikale sind paramagnetisch, und Radikalpaare reagieren sogar auf schwache Magnetfelder. Jaroslav Lachký vergleicht das ungepaarte Elektron mit einer Kompassnadel; das Bild beschreibt das magnetische Moment, keine Ausrichtung nach dem Erdfeld. Diese Eigenschaft nutzt die Elektronenspinresonanz (ESR, auch EPR), der „Goldstandard“, um Radikale in biologischen Proben nachzuweisen. [Quelle]

• Spinsperre: Fresszellen senken den Spin des Sauerstoffs schrittweise, von S = 1 über Superoxid (S = ½) bis Wasserstoffperoxid (S = 0), und überwinden so die Spinsperre. Bei den folgenden Reaktionen entstehen angeregte Moleküle, die Licht abgeben: Fresszellen leuchten. [Quelle]
• Radikalpaare als Kompass: Das führende Modell für den Magnetsinn der Zugvögel beruht auf Radikalpaaren, die entstehen, wenn Licht das Protein Cryptochrom in der Netzhaut anregt. So erklären es Peter Hore (Universität Oxford) und Henrik Mouritsen (Universität Oldenburg). [Quelle]
• Menschliche Zellen: Robert Usselman, Carlos Martino und Kollegen setzten menschliche Endothelzellen einem statischen Magnetfeld von 50 µT und einem schwachen Wechselfeld von 1,4 MHz aus. Superoxid sank um bis zu 36 %, und je nach Ausrichtung stieg die mitochondriale Atmung oder die Glykolyse. Die Autoren führen das auf spinkorrelierte Radikalpaare bei der Bildung der ROS zurück. [Quelle]
• Radikalstoffwechsel leuchtet: Oxidative Prozesse erzeugen ultraschwaches Licht zwischen 350 und 1.300 nm, von nahem UVA bis ins nahe Infrarot, unter oxidativem Stress stärker. Michal Cifra (Tschechische Akademie der Wissenschaften) und Pavel Pospíšil (Palacký-Universität Olmütz) sehen darin einen Spiegel des Zellzustands. [Quelle]

Für uns Mitochondriaks ist das die entscheidende Ebene: Ein Radikal ist nicht nur ein chemischer Räuber, sondern ein Träger magnetischer und optischer Information.

Wie hängen freie Radikale mit Licht und Tagesrhythmus zusammen?

Licht bestimmt mit, wann und wie viele Radikale entstehen, und der Redoxhaushalt der Zelle folgt selbst einem Tagesrhythmus. Forschende um Rachel Edgar und Akhilesh Reddy (Universität Cambridge) zeigten 2012 in Organismen aus allen drei Domänen des Lebens, dass Peroxiredoxine zirkadiane Redoxzyklen durchlaufen, und schließen auf eine gemeinsame Evolution von Zeitmessung und Redoxhaushalt seit dem Großen Sauerstoffereignis vor rund 2,5 Milliarden Jahren. [Quelle] Und die innere Uhr stellt vor allem das Licht.

• UV-Licht ist für normale physiologische Funktionen notwendig und erzeugt zugleich ROS in der Haut, direkt oder über lichtempfindliche Moleküle. [Quelle] Sonne mit schrittweiser Gewöhnung ist ein Signal, Sonnenbrand ein Zuviel (siehe Lichtschwiele).
• Rotes und nahinfrarotes Licht nimmt im Mitochondrium vor allem die Cytochrom-c-Oxidase auf. Michael Hamblin (Wellman Center for Photomedicine, Boston) beschreibt als Folgen mehr ATP, mehr Stickstoffmonoxid und einen kurzen ROS-Impuls: In normalen Zellen steigen die ROS, in oxidativ gestressten Zellen sinken sie, und die antioxidative Abwehr wird hochreguliert. [Quelle]
• Dunkelheit ist das Signal für die nächtliche Bildung von Melatonin. Russel Reiter (UT Health San Antonio) beschreibt Melatonin als uraltes Antioxidans, dessen Konzentration in den Mitochondrien weit über der im Blut liegt; dort wirkt es als Spitzen-Antioxidans. [Quelle]

Für uns schließt sich hier der Kreis: Radikale sind Zeit- und Umweltinformation. Jaroslav Lachký sieht darin auch einen jahreszeitlichen Takt: Im Sommer, bei viel Licht und Kohlenhydraten, bilden die Mitochondrien mehr Radikale, für ihn das Signal zur Anpassung. Ein Leben drinnen unter Kunstlicht verwischt diese Signale.

Was zeigt die Forschung zu Radikalen, Training und Antioxidantien?

In 70 Jahren hat sich die Forschung vom Feindbild zum Signal bewegt, und sie zeigt, dass künstliche Antioxidantien dieses Signal stören können. Auf Harmans Freie-Radikal-Theorie des Alterns folgte die Mitohormesis: Michael Ristow und Kathrin Schmeisser (ETH Zürich, Universität Jena) werteten 2014 mehr als 500 Arbeiten aus. Niedrige ROS-Dosen, etwa durch Kalorienrestriktion, Sauerstoffmangel, Temperaturreize oder Bewegung, stärken die Abwehr der Zelle; Antioxidantien nennen die Autoren nutzlos oder sogar schädlich. [Quelle] Jaroslav Lachký schrieb 2020: „Wir wissen heute nämlich, dass Training gerade auch deshalb nützlich ist, weil es viele freie Radikale bildet, die anschließend die Mitochondrien stärken.“

Die Jenaer Autoren folgern: Der oxidative Reiz des Trainings löst eine Anpassung aus, die die körpereigene Abwehr stärkt; Antioxidantien-Präparate können sie verhindern. [Quelle] Jaroslav Lachkys Gartenschlauch zeigt, warum: Wer ein Loch mit Klebeband zuklebt, ohne den Fluss wiederherzustellen, erhöht den Druck im ganzen Schlauch. Künstliche Antioxidantien fangen die nützlichen Radikale ab, bevor ihr Signal ankommt; das überlastete Mitochondrium bleibt.

So setzen Mitochondriaks das um

Wir kämpfen nicht gegen Radikale, wir sorgen mit Lichthygiene, Bewegung und Natur für einen sauberen Elektronenfluss und klare Signale.

• Morgenlicht zuerst: Gehen Sie innerhalb von 30 Minuten nach dem Aufstehen ins Tageslicht; es stellt die innere Uhr (so funktioniert die innere Uhr).
• Sonne mit Gewöhnung: Morgen- und Abendsonne, mittags kurze Intervalle, die Dauer schrittweise steigern (Sonnenlicht und UVB).
• Bewegung draußen: Training liefert die Radikale, die Ihre Mitochondrien fordern, am besten im Freien bei Tageslicht statt unter LED-Licht im Studio.
• Barfuß auf die Erde: Die Erdungsforschung um James Oschman sieht in den freien Elektronen der Erdoberfläche natürliche Antioxidantien, die bei direktem Kontakt in den Körper fließen. [Quelle] Mehr unter Grounding (Erdung).
• Abends rotes Licht, nachts Dunkelheit: Nach Sonnenuntergang kein weißes LED-Licht; am Bildschirm filtert eine rote Brille das blaue Licht. Rotes Licht setzen Sie sparsam und indirekt ein, etwa die roten Abendlampen von Mitochondriak (Maximum bei 630 nm, flimmerfrei laut UPRtek-Messung, für E27, E14 und GU10) aus der Innenbeleuchtung. Geschlafen wird in völliger Dunkelheit.
• Saisonal essen: Tierische Fette, Oliven- und Kokosöl statt industrieller Pflanzenöle aus Sonnenblumen, Soja oder Raps, denn mehrfach ungesättigte Fettsäuren sind das bevorzugte Ziel der Lipidperoxidation. [Quelle] Essen Sie bei Tageslicht.
• Natur vor Kapseln: Präparate sind für uns die zweite Wahl nach Sonne, Schlaf, Bewegung und Ernährung; isolierte Antioxidantien nehmen wir nicht als Routine.

Verwandte Begriffe

• Mitochondrien – Kraftwerke der Zelle und wichtigste Quelle freier Radikale.
• Atmungskette – Elektronentransport in der Mitochondrienmembran; an Komplex I und III entsteht Superoxid.
• ATP (Adenosintriphosphat) – Energieträger der Zelle; isolierte Mitochondrien, die aktiv ATP bilden, erzeugen weit weniger Superoxid.
• Redox – Übertragung von Elektronen, die Sprache der Radikalsignale.
• Oxidativer Stress – Zustand, in dem die Radikalbildung die Kapazität der Zelle dauerhaft übersteigt.
• Stickstoffmonoxid (NO) – radikalischer Botenstoff, der mit Superoxid Peroxynitrit bildet.
• Cytochrom-c-Oxidase (CCO) – Komplex IV, reduziert Sauerstoff zu Wasser und nimmt rotes und nahinfrarotes Licht auf.
• Photobiomodulation – Anwendung von rotem und nahinfrarotem Licht; zur Signalkette gehört ein kurzer ROS-Impuls.
• Melatonin – Hormon der Nacht und Antioxidans in den Mitochondrien.
• Zirkadianer Rhythmus – innere Uhr, der auch die Redoxzyklen der Peroxiredoxine folgen.
• Grounding (Erdung) – direkter Kontakt mit der Erde und ihren freien Elektronen.
• Longevity (Langlebigkeit) – Forschung zum gesunden Altern, von Harman bis zur Mitohormesis.

Häufige Fragen zu freien Radikalen

Sind freie Radikale gut oder schlecht?

Beides, es kommt auf Menge, Ort und Zeitpunkt an. In kleinen Mengen sind Superoxid und Wasserstoffperoxid Botenstoffe für Stoffwechsel, Zellreinigung und Anpassung. Wasserstoffperoxid wirkt bei 1 bis 10 nM als Signal und schädigt erst oberhalb von etwa 100 nM Biomoleküle. Unser Ziel ist deshalb das Gleichgewicht, nicht das Ausschalten der Radikale.

Ist Wasserstoffperoxid ein freies Radikal?

Nein, Wasserstoffperoxid (H₂O₂) hat keine ungepaarten Elektronen, zählt aber zu den reaktiven Sauerstoffspezies. Es entsteht, wenn die Superoxiddismutase Superoxid umwandelt, ist vergleichsweise stabil und der wichtigste Redox-Botenstoff der Zelle. Trifft es auf freies Eisen oder Kupfer, entsteht über die Fenton-Reaktion das Hydroxylradikal.

Wo entstehen im Körper die meisten freien Radikale?

In der Atmungskette der Mitochondrien, dazu durch NADPH-Oxidasen. An Komplex I und III verlassen einzelne Elektronen die Kette vorzeitig und bilden mit Sauerstoff Superoxid, besonders wenn sich Elektronen stauen und kein ATP entsteht. Von außen kommen UV-Strahlung und Tabakrauch hinzu: Eine Zigarette liefert in der Gasphase rund 10¹⁶ Radikale. [Quelle]

Was ist der Unterschied zwischen freien Radikalen und oxidativem Stress?

Freie Radikale sind Teilchen, oxidativer Stress ist ein Zustand. Radikale und ihre Folgeprodukte entstehen ständig, auch im gesunden Stoffwechsel, und werden von SOD, Katalase und Peroxiredoxinen laufend umgesetzt. Oxidativer Stress beginnt erst, wenn ihre Bildung diese Kapazität dauerhaft übersteigt; Helmut Sies unterscheidet den nützlichen Eustress vom schädlichen Distress. Mehr im Eintrag Oxidativer Stress.

Sollte ich Antioxidantien als Präparat einnehmen?

Als Routine nicht, denn isolierte Antioxidantien können genau das Signal dämpfen, das Ihre Mitochondrien stärkt. In der Jenaer Studie mit 39 jungen Männern blieb der Trainingseffekt auf die Insulinempfindlichkeit unter Vitamin C und E aus; ein Cochrane-Review mit 78 randomisierten Studien fand keine geringere Sterblichkeit. Präparate sind für uns die zweite Wahl. Was Sie auf ärztlichen Rat einnehmen, besprechen Sie bitte mit Ihrer Ärztin oder Ihrem Arzt.

Warum bildet Sport freie Radikale, und ist das gut?

Training steigert die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies in den Mitochondrien, und das ist gut: Sie sind das Signal für die Anpassung. Dieser Reiz schaltet Gene für Schutzenzyme wie SOD1, SOD2 und Glutathionperoxidase hoch, in der Studie von Michael Ristow nur ohne Vitamin-Präparate. Das ist Mitohormesis: Ein kleiner Reiz macht die Zelle robuster.

Erzeugt Sonnenlicht oder Rotlicht freie Radikale?

Ja, beide, aber mit unterschiedlicher Botschaft an die Zelle. UV-Strahlung ist für normale physiologische Funktionen notwendig und erzeugt in der Haut ROS; entscheidend ist die Dosis, Sonnenbrand ist ein Zuviel. Rotes und nahinfrarotes Licht nimmt vor allem die Cytochrom-c-Oxidase auf. Laut Michael Hamblin folgt ein kurzer ROS-Impuls, während die ROS in oxidativ gestressten Zellen sinken.

Was Sie sich merken sollten

• Freie Radikale sind Teilchen mit ungepaartem Elektron: reaktiv, magnetisch und in kleinen Mengen ein Signal, kein Abfall.
• Mitochondrien bilden sie gezielt, besonders wenn der Elektronenfluss stockt.
• Die Dosis entscheidet: Wasserstoffperoxid signalisiert im nanomolaren Bereich, das Hydroxylradikal ist die Granate, gegen die kein Enzym hilft.
• Natur vor Kapseln: Licht im Tagesrhythmus, Dunkelheit, Bewegung und Erdkontakt halten das Gleichgewicht; isolierte Antioxidantien können das Trainingssignal dämpfen.

Wie Sie Ihre Mitochondrien im Alltag unterstützen, lesen Sie im Beitrag Mitochondrien stärken: Wie Licht, ATP und Ihr zirkadianer Rhythmus zusammenhängen.