Антиоксидантные защитные системы и активные формы кислорода

Активные формы кислорода (АФК) — это частично восстановленные или активированные формы кислорода, включая супероксид, перекись водорода и гидроксильный радикал, которые образуются как побочные продукты аэробного метаболизма и специализированными ферментами. Антиоксидантные защитные системы представляют собой ферментативные и низкомолекулярные механизмы, которые ограничивают АФК, восстанавливают вызванные ими повреждения и поддерживают клеточный окислительно-восстановительный статус в функциональном диапазоне.

Definition

Активные формы кислорода — это реакционноспособные молекулы и радикалы, производные кислорода, образующиеся в процессе метаболизма; антиоксидантные защитные системы — это скоординированные ферментативные и неферментативные механизмы, которые нейтрализуют эти виды или восстанавливают окислительные повреждения, поддерживая окислительно-восстановительный гомеостаз.

Scope

Эта тема охватывает основные источники активных форм кислорода, химические реакции, делающие их повреждающими, ферментативные защитные механизмы (супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионовая и тиоредоксиновая системы) и низкомолекулярные антиоксиданты, которые им противодействуют, а также концепцию окислительного стресса как окислительно-восстановительного дисбаланса. Она рассматривает их как биохимические основы, лежащие в основе более широкого изучения пищевых антиоксидантов.

Core questions

• Откуда берутся активные формы кислорода в клетке?
• Какие ферментативные и низкомолекулярные системы удаляют или детоксицируют их?
• Как концепция окислительного стресса связана с окислительно-восстановительной сигнализацией?
• Почему переходные металлы, такие как железо, важны в радикальной химии?

Key concepts

• Супероксид, перекись водорода, гидроксильный радикал
• Митохондриальный электронный транспорт как источник АФК
• Супероксиддисмутаза, каталаза, глутатионпероксидаза
• Глутатионовая и тиоредоксиновая окислительно-восстановительные системы
• Химия Фентона и катализ переходными металлами
• Окислительное повреждение липидов, белков и ДНК

Key theories

Окислительный стресс как окислительно-восстановительный дисбаланс

Окислительный стресс определяется как нарушение баланса прооксидантов/антиоксидантов в пользу прооксидантов, приводящее к потенциальному повреждению; формулировка подчеркивает как уровень АФК, так и способность защитных механизмов.

Окислительно-восстановительная сигнализация

Контролируемое, локализованное производство таких веществ, как перекись водорода, служит обратимым сигнальным механизмом, поэтому АФК играют как физиологическую, так и патологическую роль.

Mechanisms

Митохондриальный электронный транспорт передает электроны кислороду, генерируя супероксид, который дисмутируется в перекись водорода супероксиддисмутазой. Перекись водорода удаляется каталазой, а также глутатионовой и тиоредоксиновой пероксидазными системами; в присутствии окислительно-восстановительного активного железа или меди она может вместо этого образовывать высокореактивный гидроксильный радикал посредством химии типа Фентона, который окисляет липиды, белки и ДНК. Помимо удаления, глутатионовая и тиоредоксиновая системы регенерируют восстановленные антиоксиданты и поддерживают окислительно-восстановительный статус тиолов белков. Поскольку некоторые АФК действуют как сигнальные молекулы, защитные механизмы модулируют окислительно-восстановительную сигнализацию, а не полностью ее подавляют.

Clinical relevance

Окислительный стресс механистически связан со старением и многими хроническими состояниями, а маркеры окислительного повреждения широко измеряются в биомедицинских исследованиях. Эта запись описывает основную биохимию для поддержки интерпретации таких исследований; она не предоставляет диагностических порогов или рекомендаций по лечению.

Evidence & guidelines

Понимание источников АФК и антиоксидантных ферментов основано на обширной механистической и биохимической литературе; перспектива окислительно-восстановительной сигнализации смягчила более ранние ожидания, что простое повышение уровня антиоксидантов является повсеместно защитным. Здесь не даются клинические рекомендации.

History

Признание того, что метаболизм кислорода производит повреждающие радикалы, развилось из биологии свободных радикалов середины двадцатого века и было закреплено синтезом биохимии свободных радикалов Холливелла и Гаттериджа. Более поздние работы, включая подробные описания производства митохондриальных АФК и окислительно-восстановительной сигнализации, уточнили простую модель повреждения в модель, которая отличает вредный окислительный стресс от физиологического окислительно-восстановительного контроля.

Debates

Являются ли активные формы кислорода в основном повреждающими агентами или сигнальными молекулами?

Когда-то рассматриваемые главным образом как вредные побочные продукты, АФК теперь также понимаются как регулируемые вторичные мессенджеры, поэтому в этой области обсуждается, как отделить физиологическую окислительно-восстановительную сигнализацию от патологического окислительного стресса.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Всегда ли активные формы кислорода вредны?

Нет. При высоких или неконтролируемых уровнях они повреждают липиды, белки и ДНК, но при низких, регулируемых уровнях такие вещества, как перекись водорода, действуют как сигнальные молекулы в нормальной клеточной функции.

Каковы основные ферментативные антиоксидантные защитные механизмы?

Супероксиддисмутаза превращает супероксид в перекись водорода, которая затем расщепляется каталазой и глутатионовой и тиоредоксиновой пероксидазными системами; эти ферменты работают вместе, чтобы ограничивать активные формы кислорода.