سیستم‌های دفاع آنتی‌اکسیدانی و گونه‌های فعال اکسیژن

گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) اشکال تا حدی کاهش‌یافته یا فعال‌شده اکسیژن هستند – از جمله سوپراکسید، پراکسید هیدروژن و رادیکال هیدروکسیل – که به عنوان محصولات جانبی متابولیسم هوازی و توسط آنزیم‌های اختصاصی تولید می‌شوند. سیستم‌های دفاع آنتی‌اکسیدانی، مکانیسم‌های آنزیمی و مولکول‌های کوچک هستند که ROS را محدود می‌کنند، آسیب‌های ناشی از آن‌ها را ترمیم می‌کنند و وضعیت ردوکس سلولی را در محدوده عملکردی نگه می‌دارند.

Definition

گونه‌های فعال اکسیژن، مولکول‌ها و رادیکال‌های فعال مشتق از اکسیژن هستند که در طول متابولیسم تولید می‌شوند؛ سیستم‌های دفاع آنتی‌اکسیدانی، مکانیسم‌های آنزیمی و غیرآنزیمی هماهنگ هستند که این گونه‌ها را خنثی می‌کنند یا آسیب اکسیداتیو را ترمیم می‌کنند و هموستاز ردوکس را حفظ می‌کنند.

Scope

این موضوع منابع اصلی گونه‌های فعال اکسیژن، شیمی آسیب‌رسان آن‌ها، دفاع‌های آنزیمی (سوپراکسید دیسموتاز، کاتالاز، سیستم‌های گلوتاتیون و تیوردوکسین) و آنتی‌اکسیدان‌های مولکول کوچک که با آن‌ها مقابله می‌کنند، و مفهوم استرس اکسیداتیو به عنوان عدم تعادل ردوکس را پوشش می‌دهد. این موارد به عنوان مبانی بیوشیمیایی زیربنای مطالعه گسترده‌تر آنتی‌اکسیدان‌های رژیمی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

Core questions

• گونه‌های فعال اکسیژن در سلول از کجا می‌آیند؟
• چه سیستم‌های آنزیمی و مولکول‌های کوچک آن‌ها را حذف یا سم‌زدایی می‌کنند؟
• مفهوم استرس اکسیداتیو چگونه با سیگنالینگ ردوکس مرتبط است؟
• چرا فلزات واسطه مانند آهن در شیمی رادیکال مهم هستند؟

Key concepts

• سوپراکسید، پراکسید هیدروژن، رادیکال هیدروکسیل
• انتقال الکترون میتوکندریایی به عنوان منبع ROS
• سوپراکسید دیسموتاز، کاتالاز، گلوتاتیون پراکسیداز
• سیستم‌های ردوکس گلوتاتیون و تیوردوکسین
• شیمی فنتون و کاتالیز فلزات واسطه
• آسیب اکسیداتیو به لیپیدها، پروتئین‌ها و DNA

Key theories

استرس اکسیداتیو به عنوان عدم تعادل ردوکس

استرس اکسیداتیو به عنوان اختلال در تعادل پرو-اکسیدان / آنتی‌اکسیدان به نفع پرو-اکسیدان‌ها تعریف می‌شود که منجر به آسیب احتمالی می‌گردد؛ این چارچوب هم بر سطح ROS و هم بر ظرفیت دفاعی تأکید دارد.

سیگنالینگ ردوکس

تولید کنترل‌شده و موضعی گونه‌هایی مانند پراکسید هیدروژن به عنوان یک مکانیسم سیگنالینگ برگشت‌پذیر عمل می‌کند، بنابراین ROS هم نقش‌های فیزیولوژیک و هم پاتولوژیک دارند.

Mechanisms

انتقال الکترون میتوکندریایی، الکترون‌ها را به اکسیژن نشت می‌دهد و سوپراکسید تولید می‌کند که توسط سوپراکسید دیسموتاز به پراکسید هیدروژن دیسموته می‌شود. پراکسید هیدروژن توسط کاتالاز و سیستم‌های گلوتاتیون و تیوردوکسین پراکسیداز حذف می‌شود؛ در حضور آهن یا مس فعال ردوکس، می‌تواند به جای آن از طریق شیمی نوع فنتون، رادیکال هیدروکسیل بسیار فعال را تولید کند که لیپیدها، پروتئین‌ها و DNA را اکسید می‌کند. فراتر از حذف، سیستم‌های گلوتاتیون و تیوردوکسین، آنتی‌اکسیدان‌های کاهش‌یافته را بازسازی می‌کنند و وضعیت ردوکس تیول پروتئین را حفظ می‌کنند. از آنجا که برخی از ROS به عنوان مولکول‌های سیگنالینگ عمل می‌کنند، دفاع‌ها سیگنالینگ ردوکس را تعدیل می‌کنند نه اینکه آن را به طور کامل از بین ببرند.

Clinical relevance

استرس اکسیداتیو به طور مکانیکی در پیری و بسیاری از بیماری‌های مزمن نقش دارد و نشانگرهای آسیب اکسیداتیو به طور گسترده در تحقیقات زیست‌پزشکی اندازه‌گیری می‌شوند. این مدخل بیوشیمی زیربنایی را برای حمایت از تفسیر چنین تحقیقاتی توصیف می‌کند؛ آستانه‌های تشخیصی یا راهنمایی درمانی ارائه نمی‌دهد.

Evidence & guidelines

درک منابع ROS و آنزیم‌های آنتی‌اکسیدانی بر اساس ادبیات مکانیکی و بیوشیمیایی گسترده‌ای استوار است؛ دیدگاه سیگنالینگ ردوکس، انتظارات اولیه مبنی بر اینکه صرفاً افزایش سطح آنتی‌اکسیدان‌ها به طور یکنواخت محافظت‌کننده است را تعدیل کرده است. هیچ راهنمایی بالینی در اینجا ارائه نمی‌شود.

History

شناخت اینکه متابولیسم اکسیژن رادیکال‌های آسیب‌رسان تولید می‌کند، از زیست‌شناسی رادیکال آزاد در اواسط قرن بیستم توسعه یافت و با سنتز بیوشیمی رادیکال آزاد توسط هالیول و گاتریج تثبیت شد. کارهای بعدی، از جمله گزارش‌های دقیق تولید ROS میتوکندریایی و سیگنالینگ ردوکس، مدل ساده آسیب را به مدلی که استرس اکسیداتیو مضر را از کنترل ردوکس فیزیولوژیک متمایز می‌کند، اصلاح کردند.

Debates

آیا گونه‌های فعال اکسیژن عمدتاً عوامل آسیب‌رسان هستند یا مولکول‌های سیگنالینگ؟

ROS که زمانی عمدتاً به عنوان محصولات جانبی مضر تلقی می‌شدند، اکنون به عنوان پیام‌رسان‌های ثانویه تنظیم‌شده نیز شناخته می‌شوند، بنابراین این حوزه در مورد چگونگی تفکیک سیگنالینگ ردوکس فیزیولوژیک از استرس اکسیداتیو پاتولوژیک بحث می‌کند.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

آیا گونه‌های فعال اکسیژن همیشه مضر هستند؟

خیر. در سطوح بالا یا کنترل‌نشده، آن‌ها به لیپیدها، پروتئین‌ها و DNA آسیب می‌رسانند، اما در سطوح پایین و تنظیم‌شده، گونه‌هایی مانند پراکسید هیدروژن به عنوان مولکول‌های سیگنالینگ در عملکرد طبیعی سلول عمل می‌کنند.

مهمترین دفاع‌های آنزیمی آنتی‌اکسیدانی کدامند؟

سوپراکسید دیسموتاز سوپراکسید را به پراکسید هیدروژن تبدیل می‌کند، که سپس توسط کاتالاز و سیستم‌های گلوتاتیون و تیوردوکسین پراکسیداز تجزیه می‌شود؛ این آنزیم‌ها با هم کار می‌کنند تا گونه‌های فعال اکسیژن را محدود کنند.