Freie Radikale in der Zelle lassen sich nach ihrer chemischen Natur und Herkunft klassifizieren:

Reaktive Sauerstoffspezies (ROS):

Radikale (mit ungepaarten Elektronen)

Superoxidanion-Radikal (O₂•⁻) — primäres Produkt der mitochondrialen Atmungskette (Komplex I & III); auch durch NADPH-Oxidasen (NOX) generiert
Hydroxyl-Radikal (•OH) — reaktivste zelluläre Spezies; entsteht via Fenton-Reaktion (Fe²⁺ + H₂O₂) und Haber-Weiss-Reaktion; greift direkt DNA, Lipide und Proteine an
Peroxyl-Radikal (ROO•) — zentral bei der Lipidperoxidation; propagiert Kettenreaktionen in Membranen
Alkoxyl-Radikal (RO•) — ebenfalls aus Lipidperoxidation; kürzerlebig als ROO•
Hydroperoxyl-Radikal (HOO•) — protonierte Form von O₂•⁻; membrangängig, daher zellulär besonders schädlich

Nicht-Radikale ROS (reaktiv, aber kein ungepaares Elektron)

H₂O₂ — relativ stabil, dient als Signalmolekül; Substrat der Fenton-Reaktion
Singulett-Sauerstoff (¹O₂) — v. a. bei photodynamischen Prozessen
Ozon (O₃), Hypochlorit (HOCl) — eher in Immunzellen (Neutrophile, Makrophagen)

Reaktive Stickstoffspezies (RNS)

Stickstoffmonoxid (NO•) — endogen durch NOS (eNOS, iNOS, nNOS); Signalmolekül, aber auch zytotoxisch bei hoher Konzentration
Peroxynitrit (ONOO⁻) — entsteht aus NO• + O₂•⁻; besonders schädlich für mitochondriale Proteine und induziert Nitrosylierung/Nitration
Stickstoffdioxid-Radikal (•NO₂) — aus ONOO⁻-Zerfall; oxidiert Lipide und Tyrosinreste

Reaktive Schwefelspezies (RSS)

Thiyl-Radikal (RS•) — aus Oxidation von Cysteinresten; beteiligt an Redox-Regulation und Glutathion-Recycling
Persulfide (RSSH•) — neuere Forschung; möglicherweise protektive Funktion

Reaktive Kohlenstoffspezies

Lipidperoxidations-Endprodukte wie 4-Hydroxynonenal (4-HNE) und Malondialdehyd (MDA) — sekundäre Radikale aus Membranschäden; elektrophile Addukte an DNA und Proteinen

Die wichtigsten freie Radikale in der Zelle:

1. Hydroxyl-Radikal (•OH)
Das gefährlichste Radikal — reagiert mit allem in unmittelbarer Nähe: DNA-Strangbrüche, Lipidperoxidation, Proteinzerstörung. Keine enzymatische Abwehr möglich.

2. Superoxid (O₂•⁻)
Primärprodukt der Mitochondrien. Selbst mäßig reaktiv, aber Vorläufer von •OH und ONOO⁻. Wird durch SOD zu H₂O₂ entgiftet.

3. Peroxyl-Radikal (ROO•)
Kettenreaktion in Zellmembranen — zerstört Lipiddoppelschichten, schädigt Membranproteine und Mitochondrienmembranen.

4. Stickstoffmonoxid (NO•)
In kleinen Mengen Signalmolekül (Vasodilatation, Immunabwehr). In hoher Konzentration toxisch, besonders in Kombination mit O₂•⁻.

5. Peroxynitrit (ONOO⁻)
Entsteht aus NO• + O₂•⁻. Schädigt Mitochondrien, nitrosyliert Proteine, verursacht DNA-Brüche. Besonders relevant bei Neuroinflammation.

6. Thiyl-Radikal (RS•)
Aus oxidierten Cysteinresten. Stört Proteinstruktur und Enzymfunktion, beeinflusst Glutathion-Haushalt.

Klinische Implikation in der Onkologie

Ein zentrales Argument für H₂ beim Krebspatienten:

H₂ neutralisiert selektiv die zyto- und genotoxischen Radikale (•OH, ONOO⁻), lässt aber therapeutisch relevante ROS (H₂O₂, O₂•⁻ als Immunsignalmoleküle) und die oxidative Burst-Funktion von Immunzellen intakt.

Dies unterscheidet H₂ grundlegend von hochdosierten unspezifischen Antioxidantien, die potenziell Chemo-/Strahlentherapieeffekte abschwächen können.

Laufende klinische Studien untersuchen H₂-Inhalation u. a. bei:

Reduktion radiogener Nebenwirkungen (Mukositis, Pneumonitis)
Chemotherapie-induzierter Fatigue und Neuropathie
Parkinson (Nrf2/Neuroprotektion) — hier bereits Phase-II-Daten aus Japan