ระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระและชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา

ชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา (ROS) คือรูปแบบของออกซิเจนที่ถูกรีดิวซ์บางส่วนหรือถูกกระตุ้น ซึ่งรวมถึงซูเปอร์ออกไซด์, ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ และอนุมูลไฮดรอกซิล ซึ่งผลิตขึ้นเป็นผลพลอยได้จากการเผาผลาญแบบใช้ออกซิเจนและโดยเอนไซม์เฉพาะ ระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระคือกลไกของเอนไซม์และโมเลกุลขนาดเล็กที่จำกัด ROS ซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดขึ้น และรักษาสถานะรีดอกซ์ของเซลล์ให้อยู่ในช่วงการทำงานที่เหมาะสม

Definition

ชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยาคือโมเลกุลและอนุมูลที่ได้จากออกซิเจนซึ่งไวต่อปฏิกิริยาและถูกสร้างขึ้นระหว่างการเผาผลาญ; ระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระคือกลไกของเอนไซม์และไม่ใช่เอนไซม์ที่ทำงานร่วมกันเพื่อทำให้ชนิดเหล่านี้เป็นกลางหรือซ่อมแซมความเสียหายจากออกซิเดชัน เพื่อรักษาสมดุลของรีดอกซ์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมแหล่งที่มาหลักของชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา, เคมีที่ทำให้เกิดความเสียหาย, การป้องกันด้วยเอนไซม์ (ซูเปอร์ออกไซด์ ดิสมิวเทส, คาตาเลส, ระบบกลูตาไธโอนและไทโอเรดอกซิน) และสารต้านอนุมูลอิสระโมเลกุลขนาดเล็กที่ต่อต้าน ROS รวมถึงแนวคิดของภาวะเครียดออกซิเดชันในฐานะความไม่สมดุลของรีดอกซ์ โดยจะพิจารณาสิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานทางชีวเคมีที่รองรับการศึกษาที่กว้างขึ้นเกี่ยวกับสารต้านอนุมูลอิสระในอาหาร

Core questions

• ชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยามาจากไหนในเซลล์?
• ระบบเอนไซม์และโมเลกุลขนาดเล็กใดที่กำจัดหรือล้างพิษพวกมัน?
• แนวคิดของภาวะเครียดออกซิเดชันเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณรีดอกซ์อย่างไร?
• ทำไมโลหะทรานซิชัน เช่น เหล็ก จึงมีความสำคัญในเคมีอนุมูล?

Key concepts

• ซูเปอร์ออกไซด์, ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์, อนุมูลไฮดรอกซิล
• การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรียเป็นแหล่งกำเนิด ROS
• ซูเปอร์ออกไซด์ ดิสมิวเทส, คาตาเลส, กลูตาไธโอนเปอร์ออกซิเดส
• ระบบรีดอกซ์กลูตาไธโอนและไทโอเรดอกซิน
• เคมีเฟนตันและการเร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะทรานซิชัน
• ความเสียหายจากออกซิเดชันต่อไขมัน, โปรตีน และ DNA

Key theories

ภาวะเครียดออกซิเดชันในฐานะความไม่สมดุลของรีดอกซ์

ภาวะเครียดออกซิเดชันถูกกำหนดให้เป็นการรบกวนสมดุลระหว่างโปรออกซิแดนท์และสารต้านอนุมูลอิสระที่เอื้อต่อโปรออกซิแดนท์ ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายที่อาจเกิดขึ้น; กรอบแนวคิดนี้เน้นทั้งระดับของ ROS และความสามารถในการป้องกัน

การส่งสัญญาณรีดอกซ์

การผลิตชนิดต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ถูกควบคุมและเฉพาะที่ ทำหน้าที่เป็นกลไกการส่งสัญญาณที่ผันกลับได้ ดังนั้น ROS จึงมีบทบาททั้งทางสรีรวิทยาและทางพยาธิวิทยา

Mechanisms

การขนส่งอิเล็กตรอนในไมโทคอนเดรียทำให้อิเล็กตรอนรั่วไหลไปยังออกซิเจน ก่อให้เกิดซูเปอร์ออกไซด์ ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์โดยซูเปอร์ออกไซด์ ดิสมิวเทส ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จะถูกกำจัดโดยคาตาเลสและโดยระบบกลูตาไธโอนและไทโอเรดอกซินเปอร์ออกซิเดส; ในกรณีที่มีเหล็กหรือทองแดงที่ไวต่อปฏิกิริยารีดอกซ์ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์อาจให้ผลเป็นอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีความไวต่อปฏิกิริยาสูงผ่านปฏิกิริยาเคมีแบบเฟนตัน ซึ่งจะออกซิไดซ์ไขมัน โปรตีน และ DNA นอกเหนือจากการกำจัดแล้ว ระบบกลูตาไธโอนและไทโอเรดอกซินยังสร้างสารต้านอนุมูลอิสระที่ถูกรีดิวซ์ขึ้นใหม่และรักษาสถานะรีดอกซ์ของโปรตีนไทออล เนื่องจาก ROS บางชนิดทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณ การป้องกันจึงปรับการส่งสัญญาณรีดอกซ์แทนที่จะกำจัดมันทั้งหมด

Clinical relevance

ภาวะเครียดออกซิเดชันมีส่วนเกี่ยวข้องกับกลไกการเกิดริ้วรอยและภาวะเรื้อรังหลายชนิด และมีการวัดเครื่องหมายของความเสียหายจากออกซิเดชันอย่างกว้างขวางในการวิจัยทางชีวการแพทย์ ข้อมูลนี้อธิบายชีวเคมีพื้นฐานเพื่อสนับสนุนการตีความงานวิจัยดังกล่าว; ไม่ได้ให้เกณฑ์การวินิจฉัยหรือแนวทางการรักษา

Evidence & guidelines

ความเข้าใจเกี่ยวกับแหล่งที่มาของ ROS และเอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระนั้นอาศัยวรรณกรรมเชิงกลไกและชีวเคมีที่กว้างขวาง; มุมมองการส่งสัญญาณรีดอกซ์ได้ลดความคาดหวังก่อนหน้านี้ที่ว่าการเพิ่มระดับสารต้านอนุมูลอิสระเพียงอย่างเดียวจะให้การป้องกันอย่างสม่ำเสมอ ที่นี่ไม่มีการออกแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

การตระหนักว่าการเผาผลาญออกซิเจนผลิตอนุมูลที่ก่อให้เกิดความเสียหายนั้นพัฒนามาจากการศึกษาชีววิทยาอนุมูลอิสระในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 และได้รับการรวบรวมโดยการสังเคราะห์ชีวเคมีอนุมูลอิสระของ Halliwell และ Gutteridge งานวิจัยในภายหลัง รวมถึงการอธิบายรายละเอียดของการผลิต ROS ในไมโทคอนเดรียและการส่งสัญญาณรีดอกซ์ ได้ปรับปรุงแบบจำลองความเสียหายแบบง่ายให้เป็นแบบจำลองที่แยกความแตกต่างระหว่างภาวะเครียดออกซิเดชันที่เป็นอันตรายกับการควบคุมรีดอกซ์ทางสรีรวิทยา

Debates

ชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยาส่วนใหญ่เป็นสารที่ก่อให้เกิดความเสียหายหรือโมเลกุลส่งสัญญาณ?

ครั้งหนึ่งเคยถูกมองว่าเป็นผลพลอยได้ที่เป็นอันตรายเป็นหลัก ปัจจุบัน ROS เข้าใจกันว่าทำหน้าที่เป็นสารส่งสัญญาณรองที่ถูกควบคุมด้วย ดังนั้นสาขาจึงถกเถียงกันว่าจะแยกการส่งสัญญาณรีดอกซ์ทางสรีรวิทยาออกจากภาวะเครียดออกซิเดชันทางพยาธิวิทยาได้อย่างไร

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

ชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยาเป็นอันตรายเสมอไปหรือไม่?

ไม่ ในระดับที่สูงหรือไม่ถูกควบคุม พวกมันทำลายไขมัน โปรตีน และ DNA แต่ในระดับที่ต่ำและถูกควบคุม ชนิดต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณในการทำงานของเซลล์ปกติ

การป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระด้วยเอนไซม์หลักมีอะไรบ้าง?

ซูเปอร์ออกไซด์ ดิสมิวเทสเปลี่ยนซูเปอร์ออกไซด์เป็นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งจะถูกย่อยสลายโดยคาตาเลสและโดยระบบกลูตาไธโอนและไทโอเรดอกซินเปอร์ออกซิเดส; เอนไซม์เหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อจำกัดชนิดออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา