抗酸化防御システムと活性酸素種

活性酸素種（ROS）は、スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシルラジカルなど、酸素の部分的に還元された形態または活性化された形態であり、好気性代謝の副産物として、また特定の酵素によって生成されます。抗酸化防御システムは、ROSを制限し、それらが引き起こす損傷を修復し、細胞のレドックス状態を機能的な範囲内に保つ酵素的および小分子メカニズムです。

Definition

活性酸素種は、代謝中に生成される反応性の酸素由来分子およびラジカルであり、抗酸化防御システムは、これらの種を中和するか、酸化的損傷を修復し、レドックス恒常性を維持する協調的な酵素的および非酵素的メカニズムです。

Scope

このトピックでは、活性酸素種の主要な発生源、それらを損傷させる化学的性質、それらに対抗する酵素的防御（スーパーオキシドディスムターゼ、カタラーゼ、グルタチオンおよびチオレドキシンシステム）と小分子抗酸化物質、およびレドックス不均衡としての酸化的ストレスの概念について扱います。これらは、食事性抗酸化物質のより広範な研究を支える生化学的基礎として扱われます。

Core questions

• 細胞内で活性酸素種はどこから来るのか？
• それらを除去または解毒する主要な酵素的および小分子システムは何か？
• 酸化的ストレスの概念はレドックスシグナル伝達とどのように関連しているのか？
• 鉄のような遷移金属がラジカル化学において重要なのはなぜか？

Key concepts

• スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシルラジカル
• ROS源としてのミトコンドリア電子伝達
• スーパーオキシドディスムターゼ、カタラーゼ、グルタチオンペルオキシダーゼ
• グルタチオンおよびチオレドキシンレドックスシステム
• フェントン化学と遷移金属触媒作用
• 脂質、タンパク質、DNAへの酸化的損傷

Key theories

レドックス不均衡としての酸化的ストレス

酸化的ストレスは、プロオキシダントと抗酸化物質のバランスがプロオキシダントに有利に傾き、潜在的な損傷を引き起こす状態と定義されます。この枠組みは、ROSのレベルと防御能力の両方を強調しています。

レドックスシグナル伝達

過酸化水素などの種の制御された局所的な生成は、可逆的なシグナル伝達メカニズムとして機能するため、ROSは病理学的役割だけでなく生理学的役割も持っています。

Mechanisms

ミトコンドリアの電子伝達系は電子を酸素に漏洩させ、スーパーオキシドを生成します。これはスーパーオキシドディスムターゼによって過酸化水素に不均化されます。過酸化水素はカタラーゼ、グルタチオンおよびチオレドキシンペルオキシダーゼシステムによって除去されます。レドックス活性な鉄または銅が存在する場合、フェントン型化学反応を介して非常に反応性の高いヒドロキシルラジカルを生成し、脂質、タンパク質、DNAを酸化する可能性があります。除去に加えて、グルタチオンおよびチオレドキシンシステムは還元型抗酸化物質を再生し、タンパク質チオールレドックス状態を維持します。一部のROSはシグナル伝達分子として機能するため、防御システムはレドックスシグナル伝達を完全に排除するのではなく、調節します。

Clinical relevance

酸化的ストレスは、加齢や多くの慢性疾患のメカニズムに関与しているとされており、酸化的損傷のマーカーは生物医学研究で広く測定されています。この項目では、そのような研究の解釈を支援するための基礎となる生化学について説明しており、診断閾値や治療ガイドラインを提供するものではありません。

Evidence & guidelines

ROSの発生源と抗酸化酵素に関する理解は、広範なメカニズム的および生化学的文献に基づいています。レドックスシグナル伝達の視点は、単に抗酸化物質のレベルを上げることが一様に保護的であるという以前の期待を和らげました。ここでは臨床ガイドラインは発行されていません。

History

酸素代謝が損傷性のラジカルを生成するという認識は、20世紀半ばのフリーラジカル生物学から発展し、HalliwellとGutteridgeによるフリーラジカル生化学の統合によって確立されました。その後の研究、特にミトコンドリアROS産生とレドックスシグナル伝達の詳細な説明は、単純な損傷モデルを、有害な酸化的ストレスと生理学的レドックス制御を区別するモデルへと洗練させました。

Debates

活性酸素種は主に損傷因子なのか、それともシグナル伝達分子なのか？

かつては主に有害な副産物と見なされていましたが、ROSは現在、調節されたセカンドメッセンジャーとしても機能することが理解されており、生理学的レドックスシグナル伝達と病理学的酸化的ストレスをどのように区別するかについて議論されています。

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

活性酸素種は常に有害ですか？

いいえ。高レベルまたは制御されていないレベルでは脂質、タンパク質、DNAを損傷しますが、低レベルで調節されたレベルでは、過酸化水素などの種は正常な細胞機能においてシグナル伝達分子として機能します。

主要な酵素的抗酸化防御システムは何ですか？

スーパーオキシドディスムターゼはスーパーオキシドを過酸化水素に変換し、その後、カタラーゼ、グルタチオンおよびチオレドキシンペルオキシダーゼシステムによって分解されます。これらの酵素は協力して活性酸素種を制限します。