Hệ thống phòng thủ chống oxy hóa và các loại oxy phản ứng

Các loại oxy phản ứng (ROS) là các dạng oxy bị khử một phần hoặc được hoạt hóa – bao gồm superoxide, hydrogen peroxide và gốc hydroxyl – được tạo ra dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình chuyển hóa hiếu khí và bởi các enzyme chuyên biệt. Hệ thống phòng thủ chống oxy hóa là các cơ chế enzyme và phân tử nhỏ nhằm hạn chế ROS, sửa chữa những tổn thương mà chúng gây ra và duy trì trạng thái oxy hóa khử của tế bào trong một phạm vi chức năng.

Definition

Các loại oxy phản ứng là các phân tử và gốc tự do có nguồn gốc từ oxy phản ứng được tạo ra trong quá trình trao đổi chất; hệ thống phòng thủ chống oxy hóa là các cơ chế enzyme và phi enzyme phối hợp nhằm trung hòa các loại này hoặc sửa chữa tổn thương oxy hóa, duy trì cân bằng oxy hóa khử.

Scope

Chủ đề này bao gồm các nguồn chính của các loại oxy phản ứng, hóa học khiến chúng gây hại, các cơ chế phòng thủ enzyme (superoxide dismutase, catalase, hệ thống glutathione và thioredoxin) và các chất chống oxy hóa phân tử nhỏ chống lại chúng, cũng như khái niệm stress oxy hóa như một sự mất cân bằng oxy hóa khử. Nó coi đây là những nguyên tắc cơ bản về sinh hóa làm nền tảng cho việc nghiên cứu rộng hơn về các chất chống oxy hóa trong chế độ ăn uống.

Core questions

• Các loại oxy phản ứng trong tế bào đến từ đâu?
• Những hệ thống enzyme và phân tử nhỏ nào loại bỏ hoặc giải độc chúng?
• Khái niệm stress oxy hóa liên quan như thế nào đến tín hiệu oxy hóa khử?
• Tại sao các kim loại chuyển tiếp như sắt lại quan trọng trong hóa học gốc tự do?

Key concepts

• Superoxide, hydrogen peroxide, gốc hydroxyl
• Vận chuyển điện tử ty thể như một nguồn ROS
• Superoxide dismutase, catalase, glutathione peroxidase
• Hệ thống oxy hóa khử glutathione và thioredoxin
• Hóa học Fenton và xúc tác kim loại chuyển tiếp
• Tổn thương oxy hóa đối với lipid, protein và DNA

Key theories

Stress oxy hóa như sự mất cân bằng oxy hóa khử

Stress oxy hóa được định nghĩa là sự rối loạn trong cân bằng giữa chất oxy hóa và chất chống oxy hóa theo hướng có lợi cho chất oxy hóa, dẫn đến tổn thương tiềm ẩn; cách diễn đạt này nhấn mạnh cả mức độ ROS và khả năng phòng thủ.

Tín hiệu oxy hóa khử

Sự sản xuất có kiểm soát, cục bộ của các loại như hydrogen peroxide đóng vai trò là cơ chế tín hiệu thuận nghịch, do đó ROS có vai trò sinh lý cũng như bệnh lý.

Mechanisms

Quá trình vận chuyển điện tử ty thể làm rò rỉ điện tử đến oxy, tạo ra superoxide, sau đó được superoxide dismutase chuyển hóa thành hydrogen peroxide. Hydrogen peroxide được loại bỏ bởi catalase và bởi các hệ thống glutathione và thioredoxin peroxidase; khi có mặt sắt hoặc đồng hoạt động oxy hóa khử, nó có thể tạo ra gốc hydroxyl có tính phản ứng cao thông qua hóa học kiểu Fenton, chất này oxy hóa lipid, protein và DNA. Ngoài việc loại bỏ, hệ thống glutathione và thioredoxin tái tạo các chất chống oxy hóa bị khử và duy trì trạng thái oxy hóa khử thiol của protein. Bởi vì một số ROS hoạt động như các phân tử tín hiệu, các cơ chế phòng thủ điều hòa tín hiệu oxy hóa khử thay vì loại bỏ hoàn toàn nó.

Clinical relevance

Stress oxy hóa được cho là có liên quan về mặt cơ chế trong quá trình lão hóa và nhiều tình trạng mãn tính, và các dấu hiệu tổn thương oxy hóa được đo lường rộng rãi trong nghiên cứu y sinh. Mục này mô tả sinh hóa cơ bản để hỗ trợ việc giải thích các nghiên cứu đó; nó không cung cấp ngưỡng chẩn đoán hoặc hướng dẫn điều trị.

Evidence & guidelines

Sự hiểu biết về các nguồn ROS và các enzyme chống oxy hóa dựa trên nhiều tài liệu cơ chế và sinh hóa rộng lớn; quan điểm tín hiệu oxy hóa khử đã làm giảm bớt những kỳ vọng trước đây rằng việc đơn giản tăng mức độ chất chống oxy hóa sẽ bảo vệ một cách đồng nhất. Không có hướng dẫn lâm sàng nào được đưa ra ở đây.

History

Sự công nhận rằng quá trình chuyển hóa oxy tạo ra các gốc tự do gây hại đã phát triển từ sinh học gốc tự do giữa thế kỷ XX và được củng cố bởi sự tổng hợp hóa sinh gốc tự do của Halliwell và Gutteridge. Các công trình sau này, bao gồm các mô tả chi tiết về sản xuất ROS ty thể và tín hiệu oxy hóa khử, đã tinh chỉnh mô hình tổn thương đơn giản thành một mô hình phân biệt stress oxy hóa có hại với kiểm soát oxy hóa khử sinh lý.

Debates

Các loại oxy phản ứng chủ yếu là tác nhân gây hại hay phân tử tín hiệu?

Từng được xem chủ yếu là sản phẩm phụ có hại, ROS hiện nay cũng được hiểu là hoạt động như các chất truyền tin thứ cấp được điều hòa, do đó lĩnh vực này tranh luận về cách phân biệt tín hiệu oxy hóa khử sinh lý với stress oxy hóa bệnh lý.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

Các loại oxy phản ứng có luôn gây hại không?

Không. Ở mức độ cao hoặc không kiểm soát, chúng gây tổn thương lipid, protein và DNA, nhưng ở mức độ thấp, được điều hòa, các loại như hydrogen peroxide hoạt động như các phân tử tín hiệu trong chức năng tế bào bình thường.

Các cơ chế phòng thủ chống oxy hóa enzyme chính là gì?

Superoxide dismutase chuyển đổi superoxide thành hydrogen peroxide, sau đó được phân hủy bởi catalase và bởi các hệ thống glutathione và thioredoxin peroxidase; các enzyme này hoạt động cùng nhau để hạn chế các loại oxy phản ứng.