أنظمة الدفاع المضادة للأكسدة وأنواع الأكسجين التفاعلية

أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) هي أشكال مؤكسدة جزئياً أو منشطة من الأكسجين — بما في ذلك جذور السوبرأكسيد، وبيروكسيد الهيدروجين، وجذر الهيدروكسيل — تنتج كمنتجات ثانوية لعملية الأيض الهوائي وبواسطة إنزيمات مخصصة. أنظمة الدفاع المضادة للأكسدة هي آليات إنزيمية وجزيئات صغيرة تحد من أنواع الأكسجين التفاعلية، وتصلح الضرر الذي تسببه، وتحافظ على حالة الأكسدة والاختزال الخلوية ضمن نطاق وظيفي.

Definition

أنواع الأكسجين التفاعلية هي جزيئات وجذور مشتقة من الأكسجين وتتسم بالتفاعلية وتتولد أثناء عملية الأيض؛ وأنظمة الدفاع المضادة للأكسدة هي آليات إنزيمية وغير إنزيمية منسقة تعمل على تحييد هذه الأنواع أو إصلاح الضرر التأكسدي، مما يحافظ على توازن الأكسدة والاختزال.

Scope

يغطي هذا الموضوع المصادر الرئيسية لأنواع الأكسجين التفاعلية، والكيمياء التي تجعلها ضارة، والدفاعات الإنزيمية (إنزيم فوق أكسيد ديسموتاز، إنزيم الكاتالاز، أنظمة الجلوتاثيون والثيوريدوكسين) ومضادات الأكسدة الجزيئية الصغيرة التي تقاومها، ومفهوم الإجهاد التأكسدي كاختلال في الأكسدة والاختزال. ويتناول هذه الجوانب كأساسيات كيميائية حيوية تدعم الدراسة الأوسع لمضادات الأكسدة الغذائية.

Core questions

• من أين تأتي أنواع الأكسجين التفاعلية في الخلية؟
• ما هي الأنظمة الإنزيمية والجزيئية الصغيرة التي تزيلها أو تزيل سميتها؟
• كيف يرتبط مفهوم الإجهاد التأكسدي بإشارات الأكسدة والاختزال؟
• لماذا تعتبر المعادن الانتقالية مثل الحديد مهمة في كيمياء الجذور الحرة؟

Key concepts

• جذر السوبرأكسيد، بيروكسيد الهيدروجين، جذر الهيدروكسيل
• سلسلة نقل الإلكترون في الميتوكوندريا كمصدر لأنواع الأكسجين التفاعلية
• إنزيم فوق أكسيد ديسموتاز، إنزيم الكاتالاز، إنزيم جلوتاثيون بيروكسيداز
• أنظمة الأكسدة والاختزال للجلوتاثيون والثيوريدوكسين
• كيمياء فنتون وتحفيز المعادن الانتقالية
• الضرر التأكسدي للدهون والبروتينات والحمض النووي (DNA)

Key theories

الإجهاد التأكسدي كاختلال في الأكسدة والاختزال

يُعرّف الإجهاد التأكسدي بأنه اضطراب في التوازن بين المؤكسدات ومضادات الأكسدة لصالح المؤكسدات، مما يؤدي إلى ضرر محتمل؛ ويؤكد هذا الإطار على مستوى أنواع الأكسجين التفاعلية وقدرة الدفاعات.

إشارات الأكسدة والاختزال

يعمل الإنتاج المتحكم فيه والموضعي لأنواع مثل بيروكسيد الهيدروجين كآلية إشارة قابلة للعكس، لذا فإن أنواع الأكسجين التفاعلية لها أدوار فسيولوجية ومرضية.

Mechanisms

يؤدي تسرب الإلكترونات من سلسلة نقل الإلكترون في الميتوكوندريا إلى الأكسجين إلى توليد السوبرأكسيد، والذي يتحول إلى بيروكسيد الهيدروجين بواسطة إنزيم فوق أكسيد ديسموتاز. يتم إزالة بيروكسيد الهيدروجين بواسطة إنزيم الكاتالاز وأنظمة بيروكسيداز الجلوتاثيون والثيوريدوكسين؛ وفي وجود الحديد أو النحاس النشط في الأكسدة والاختزال، يمكن أن ينتج بدلاً من ذلك جذر الهيدروكسيل شديد التفاعل عبر كيمياء فنتون، والذي يؤكسد الدهون والبروتينات والحمض النووي (DNA). بالإضافة إلى الإزالة، تعمل أنظمة الجلوتاثيون والثيوريدوكسين على تجديد مضادات الأكسدة المختزلة والحفاظ على حالة الأكسدة والاختزال لمجموعات الثيول في البروتينات. ونظرًا لأن بعض أنواع الأكسجين التفاعلية تعمل كجزيئات إشارة، فإن الدفاعات تعدل إشارات الأكسدة والاختزال بدلاً من إلغائها تمامًا.

Clinical relevance

يُعتقد أن الإجهاد التأكسدي يلعب دورًا ميكانيكيًا في الشيخوخة والعديد من الحالات المزمنة، ويتم قياس علامات الضرر التأكسدي على نطاق واسع في الأبحاث الطبية الحيوية. يصف هذا المدخل الكيمياء الحيوية الأساسية لدعم تفسير هذه الأبحاث؛ ولا يقدم عتبات تشخيصية أو إرشادات علاجية.

Evidence & guidelines

يعتمد فهم مصادر أنواع الأكسجين التفاعلية والإنزيمات المضادة للأكسدة على أدبيات ميكانيكية وكيميائية حيوية واسعة النطاق؛ وقد خففت وجهة نظر إشارات الأكسدة والاختزال من التوقعات السابقة بأن مجرد رفع مستويات مضادات الأكسدة يوفر حماية شاملة. لا يتم إصدار أي إرشادات سريرية هنا.

History

تطور الاعتراف بأن أيض الأكسجين ينتج جذورًا ضارة من بيولوجيا الجذور الحرة في منتصف القرن العشرين، وتم ترسيخه من خلال تركيب هاليويل وغوتيريدج للكيمياء الحيوية للجذور الحرة. وقد أدت الأعمال اللاحقة، بما في ذلك الروايات التفصيلية لإنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية في الميتوكوندريا وإشارات الأكسدة والاختزال، إلى تنقيح نموذج الضرر البسيط إلى نموذج يميز الإجهاد التأكسدي الضار عن التحكم الفسيولوجي في الأكسدة والاختزال.

Debates

هل أنواع الأكسجين التفاعلية هي عوامل ضارة بشكل رئيسي أم جزيئات إشارة؟

كانت تُعتبر في السابق منتجات ثانوية ضارة بشكل أساسي، ولكن يُفهم الآن أن أنواع الأكسجين التفاعلية تعمل أيضًا كمرسلات ثانوية منظمة، لذا يناقش المجال كيفية فصل إشارات الأكسدة والاختزال الفسيولوجية عن الإجهاد التأكسدي المرضي.

Key figures

• Barry Halliwell
• John Gutteridge
• Wulf Dröge
• Michael P. Murphy

Seminal works

• droge-2002
• valko-2006
• halliwell-gutteridge-2015

Frequently asked questions

هل أنواع الأكسجين التفاعلية ضارة دائمًا؟

لا. عند المستويات العالية أو غير المتحكم فيها، فإنها تلحق الضرر بالدهون والبروتينات والحمض النووي (DNA)، ولكن عند المستويات المنخفضة والمنظمة، تعمل أنواع مثل بيروكسيد الهيدروجين كجزيئات إشارة في وظيفة الخلية الطبيعية.

ما هي الدفاعات الإنزيمية الرئيسية المضادة للأكسدة؟

يحول إنزيم فوق أكسيد ديسموتاز السوبرأكسيد إلى بيروكسيد الهيدروجين، والذي يتم بعد ذلك تحليله بواسطة إنزيم الكاتالاز وأنظمة بيروكسيداز الجلوتاثيون والثيوريدوكسين؛ تعمل هذه الإنزيمات معًا للحد من أنواع الأكسجين التفاعلية.