ภาวะเครียดออกซิเดชันและพิษจากอนุมูลอิสระ

ภาวะเครียดออกซิเดชันคือความไม่สมดุลระหว่างการผลิตสารออกซิเจนและไนโตรเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา (reactive oxygen and nitrogen species) กับระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระที่ทำหน้าที่ยับยั้งสารเหล่านี้ เมื่อสารเคมีทำให้เกิดความไม่สมดุลนี้ — โดยการสร้างอนุมูลอิสระ, การหมุนเวียนรีดอกซ์ (redox-cycling), หรือการลดปริมาณสารต้านอนุมูลอิสระ — สารที่ไวต่อปฏิกิริยาที่มากเกินไปจะทำลายไขมัน, โปรตีน, และ DNA ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายของเซลล์และผลกระทบที่เป็นพิษในวงกว้าง

Definition

ภาวะเครียดออกซิเดชันคือความผิดปกติของสมดุลรีดอกซ์ (redox balance) ซึ่งการสร้างสารออกซิเจนและไนโตรเจนที่ไวต่อปฏิกิริยามีมากกว่าความสามารถของสารต้านอนุมูลอิสระ นำไปสู่ความเสียหายจากออกซิเดชันของโมเลกุลขนาดใหญ่ในเซลล์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการเกิดสารออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา, วิธีที่สารเคมีกระตุ้นให้เกิดภาวะเครียดออกซิเดชัน, ระบบต้านอนุมูลอิสระที่ต่อต้านภาวะนี้, และความเสียหายระดับโมเลกุลที่เกิดขึ้นเมื่อระบบป้องกันถูกครอบงำ นี่คือข้อมูลอ้างอิงเชิงกลไกภายในพิษวิทยาเคมี ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิกหรือโภชนาการเกี่ยวกับสารต้านอนุมูลอิสระ

Core questions

• สารเคมีเพิ่มการผลิตสารออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยาหรือทำให้ระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระบกพร่องได้อย่างไร?
• เป้าหมายของเซลล์ใดบ้าง — ไขมัน, โปรตีน, DNA — ที่ถูกทำลายโดยสารออกซิแดนท์ และอย่างไร?
• โลหะทรานซิชันและการหมุนเวียนรีดอกซ์ขยายความเสียหายจากอนุมูลอิสระได้อย่างไร?
• การส่งสัญญาณรีดอกซ์ทางสรีรวิทยาแตกต่างจากภาวะเครียดออกซิเดชันที่ก่อให้เกิดความเสียหายได้อย่างไร?

Key concepts

• สารออกซิเจนและไนโตรเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา
• ซูเปอร์ออกไซด์, ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์, อนุมูลไฮดรอกซิล
• เอนไซม์ต้านอนุมูลอิสระและกลูตาไธโอน
• การเกิดออกซิเดชันของไขมัน (Lipid peroxidation)
• การเกิดออกซิเดชันของโปรตีนและ DNA
• การหมุนเวียนรีดอกซ์ (Redox cycling)
• การส่งสัญญาณรีดอกซ์เทียบกับความเสียหายจากออกซิเดชัน

Key theories

ทฤษฎีความไม่สมดุลของรีดอกซ์ของภาวะเครียดออกซิเดชัน

ความเป็นพิษเกิดขึ้นเมื่อสารออกซิเจนและไนโตรเจนที่ไวต่อปฏิกิริยามีปริมาณมากกว่าระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระ เช่น ซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส, คาตาเลส, กลูตาไธโอน, และกลูตาไธโอนเปอร์ออกซิเดส ทำให้ความเสียหายจากออกซิเดชันสะสม

การสร้างอนุมูลอิสระที่เร่งปฏิกิริยาโดยโลหะ

โลหะทรานซิชันที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์ เช่น เหล็กและทองแดง ขับเคลื่อนปฏิกิริยาประเภท Fenton และ Haber-Weiss ที่เปลี่ยนไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ให้เป็นอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีปฏิกิริยาสูง ซึ่งเชื่อมโยงการสัมผัสโลหะกับความเสียหายของ DNA และไขมันจากออกซิเดชัน

Mechanisms

สารออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องในฐานะผลพลอยได้จากการหายใจของไมโทคอนเดรียและปฏิกิริยาของเอนไซม์ และในระดับต่ำ สารเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณ สารเคมีสามารถเปลี่ยนสมดุลนี้ไปสู่ความเสียหายได้หลายทาง: สารประกอบที่หมุนเวียนรีดอกซ์จะส่งอิเล็กตรอนไปยังออกซิเจนเพื่อสร้างซูเปอร์ออกไซด์; การเผาผลาญสารแปลกปลอมบางชนิดจะสร้างอนุมูลอิสระโดยตรง; และโลหะที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์จะเร่งปฏิกิริยาการก่อตัวของอนุมูลไฮดรอกซิลที่มีปฏิกิริยาสูงจากไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ เมื่อระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระ — ซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส, คาตาเลส, ระบบกลูตาไธโอน — ถูกครอบงำ สารออกซิแดนท์จะเข้าทำลายไขมันไม่อิ่มตัวหลายตำแหน่ง (lipid peroxidation), ออกซิไดซ์สารตกค้างของโปรตีน, และทำลายเบสของ DNA ความเสียหายนี้จะเปลี่ยนแปลงความสมบูรณ์ของเยื่อหุ้มเซลล์, การทำงานของเอนไซม์, และความเสถียรของจีโนม และสามารถกระตุ้นการตอบสนองต่อความเครียดและวิถีการตายของเซลล์ เคมีเดียวกันนี้เชื่อมโยงภาวะเครียดออกซิเดชันกับความเสียหายของไมโทคอนเดรียและการกลายพันธุ์ที่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อพันธุกรรม (genotoxic mutation)

Clinical relevance

ภาวะเครียดออกซิเดชันเกี่ยวข้องกับความเป็นพิษของยา, โลหะ, และสารมลพิษหลายชนิด และในพยาธิสรีรวิทยาของโรคต่างๆ ตั้งแต่ภาวะความเสื่อมของระบบประสาทไปจนถึงมะเร็ง ข้อมูลนี้อธิบายถึงเคมีและชีววิทยาพื้นฐานเพื่อการอ้างอิง; ไม่ได้แนะนำอาหารเสริมต้านอนุมูลอิสระหรือการรักษาสำหรับบุคคล

Evidence & guidelines

แนวคิดในที่นี้อ้างอิงจากบทวิจารณ์ทางชีวเคมีและเภสัชวิทยาที่อ้างถึงอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับอนุมูลอิสระและการป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระ ซึ่งแสดงถึงความเข้าใจเชิงกลไกที่เป็นที่ยอมรับมากกว่าแนวทางทางคลินิก และคุณค่าในการรักษาของการแทรกแซงด้วยสารต้านอนุมูลอิสระยังคงเป็นประเด็นการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่และยังไม่เป็นที่ยุติ

History

แนวคิดที่ว่าอนุมูลอิสระเป็นตัวกลางในการทำลายทางชีวภาพเกิดขึ้นในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 และได้รับการพัฒนาให้ชัดเจนขึ้นโดยทฤษฎีอนุมูลอิสระของการแก่ชราของ Denham Harman และโดยการค้นพบซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเทส ซึ่งพิสูจน์ว่าเซลล์มีการป้องกันซูเปอร์ออกไซด์โดยเฉพาะ ทศวรรษต่อมาได้ชี้แจงเคมีของสารออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยา, บทบาทของโลหะที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์, และลักษณะคู่ของสารเหล่านี้ในฐานะทั้งสารส่งสัญญาณและตัวการของความเป็นพิษ

Debates

สารออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยาส่วนใหญ่เป็นอันตรายหรือเป็นสัญญาณที่จำเป็นด้วย?

สารออกซิเจนที่ไวต่อปฏิกิริยาในระดับต่ำควบคุมการทำงานปกติของเซลล์ ดังนั้นขอบเขตระหว่างการส่งสัญญาณรีดอกซ์ทางสรีรวิทยาและภาวะเครียดออกซิเดชันทางพยาธิวิทยาจึงไม่ชัดเจน ทำให้การตีความและการแทรกแซงด้วยสารต้านอนุมูลอิสระมีความซับซ้อน

Key figures

• Marian Valko
• Wulf Dröge
• Barry Halliwell

Seminal works

• valko-2007
• droge-2002
• valko-2006

Frequently asked questions

ภาวะเครียดออกซิเดชันคืออะไร?

คือความไม่สมดุลที่การผลิตสารออกซิเจนและไนโตรเจนที่ไวต่อปฏิกิริยามีมากกว่าระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระของเซลล์ ทำให้สารเหล่านี้สามารถทำลายไขมัน, โปรตีน, และ DNA ได้

สารเคมีทำให้เกิดภาวะเครียดออกซิเดชันได้อย่างไร?

สารเคมีบางชนิดสร้างอนุมูลอิสระโดยตรงหรือผ่านการหมุนเวียนรีดอกซ์, บางชนิดถูกเผาผลาญเป็นสารอนุมูลอิสระ, และโลหะที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์จะเร่งการก่อตัวของสารออกซิแดนท์ที่มีปฏิกิริยาสูง; ทั้งหมดนี้สามารถครอบงำระบบป้องกันสารต้านอนุมูลอิสระได้