Stress oxy hóa và độc tính của gốc tự do

Stress oxy hóa là sự mất cân bằng giữa việc sản xuất các loại oxy và nitơ phản ứng và các hệ thống phòng thủ chống oxy hóa có nhiệm vụ trung hòa chúng. Khi các hóa chất làm mất cân bằng này — bằng cách tạo ra các gốc tự do, chu trình oxy hóa khử, hoặc làm cạn kiệt chất chống oxy hóa — các loại phản ứng dư thừa sẽ gây hại cho lipid, protein và DNA, góp phần gây tổn thương tế bào và một loạt các tác động độc hại.

Definition

Stress oxy hóa là sự rối loạn cân bằng oxy hóa khử, trong đó sự tạo ra các loại oxy và nitơ phản ứng vượt quá khả năng chống oxy hóa, dẫn đến tổn thương oxy hóa các đại phân tử tế bào.

Scope

Chủ đề này bao gồm cách các loại oxy phản ứng phát sinh, cách hóa chất gây ra stress oxy hóa, các hệ thống chống oxy hóa đối kháng với nó, và tổn thương phân tử xảy ra khi các hệ thống phòng thủ bị quá tải. Đây là một tài liệu tham khảo về cơ chế trong độc chất học hóa học, không phải lời khuyên lâm sàng hoặc chế độ ăn uống về chất chống oxy hóa.

Core questions

• Các hóa chất làm tăng sản xuất các loại oxy phản ứng hoặc làm suy yếu hệ thống phòng thủ chống oxy hóa như thế nào?
• Những mục tiêu tế bào nào — lipid, protein, DNA — bị tổn thương bởi các chất oxy hóa, và bằng cách nào?
• Các kim loại chuyển tiếp và chu trình oxy hóa khử khuếch đại tổn thương gốc tự do như thế nào?
• Tín hiệu oxy hóa khử sinh lý được phân biệt với stress oxy hóa gây hại như thế nào?

Key concepts

• Các loại oxy và nitơ phản ứng
• Superoxide, hydrogen peroxide, gốc hydroxyl
• Các enzyme chống oxy hóa và glutathione
• Peroxy hóa lipid
• Oxy hóa protein và DNA
• Chu trình oxy hóa khử
• Tín hiệu oxy hóa khử so với tổn thương oxy hóa

Key theories

Thuyết mất cân bằng oxy hóa khử của stress oxy hóa

Độc tính phát sinh khi các loại oxy và nitơ phản ứng vượt quá khả năng phòng thủ chống oxy hóa như superoxide dismutase, catalase, glutathione và glutathione peroxidase, cho phép tổn thương oxy hóa tích tụ.

Sự tạo ra gốc tự do được xúc tác bởi kim loại

Các kim loại chuyển tiếp hoạt động oxy hóa khử như sắt và đồng thúc đẩy các phản ứng kiểu Fenton và Haber-Weiss chuyển đổi hydrogen peroxide thành các gốc hydroxyl có khả năng phản ứng cao, liên kết phơi nhiễm kim loại với tổn thương DNA và lipid do oxy hóa.

Mechanisms

Các loại oxy phản ứng liên tục hình thành như các sản phẩm phụ của hô hấp ty thể và các phản ứng enzyme, và ở mức độ thấp, chúng đóng vai trò là các phân tử tín hiệu. Các hóa chất có thể làm dịch chuyển cân bằng này theo hướng gây tổn thương thông qua một số con đường: các hợp chất chu trình oxy hóa khử vận chuyển electron đến oxy để tạo ra superoxide; sự chuyển hóa của một số xenobiotics tạo ra các gốc tự do trực tiếp; và các kim loại hoạt động oxy hóa khử xúc tác sự hình thành gốc hydroxyl có khả năng phản ứng cao từ hydrogen peroxide. Khi các hệ thống phòng thủ chống oxy hóa — superoxide dismutase, catalase, hệ thống glutathione — bị quá tải, các chất oxy hóa tấn công lipid không bão hòa đa (peroxy hóa lipid), oxy hóa các gốc protein và làm hỏng các bazơ DNA. Tổn thương này làm thay đổi tính toàn vẹn của màng, chức năng enzyme và sự ổn định bộ gen, và có thể kích hoạt các con đường phản ứng stress và chết tế bào. Hóa học tương tự cũng liên kết stress oxy hóa với tổn thương ty thể và đột biến gây độc gen.

Clinical relevance

Stress oxy hóa có liên quan đến độc tính của nhiều loại thuốc, kim loại và chất ô nhiễm, cũng như trong sinh lý bệnh của các bệnh từ thoái hóa thần kinh đến ung thư. Mục này mô tả hóa học và sinh học cơ bản để tham khảo; nó không khuyến nghị bổ sung chất chống oxy hóa hoặc phương pháp điều trị cho từng cá nhân.

Evidence & guidelines

Các khái niệm ở đây dựa trên các đánh giá sinh hóa và dược lý được trích dẫn rộng rãi về các gốc tự do và hệ thống phòng thủ chống oxy hóa. Chúng đại diện cho sự hiểu biết cơ chế đã được thiết lập hơn là các hướng dẫn lâm sàng, và giá trị điều trị của can thiệp chống oxy hóa vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực và chưa được giải quyết.

History

Ý tưởng rằng các gốc tự do làm trung gian gây tổn thương sinh học xuất hiện vào giữa thế kỷ 20 và được làm rõ hơn bởi thuyết gốc tự do về lão hóa của Denham Harman và bởi việc phát hiện ra superoxide dismutase, chứng minh rằng các tế bào đặc biệt bảo vệ chống lại superoxide. Các thập kỷ tiếp theo đã làm rõ hóa học của các loại oxy phản ứng, vai trò của các kim loại hoạt động oxy hóa khử, và bản chất kép của các loại này vừa là chất truyền tín hiệu vừa là tác nhân gây độc.

Debates

Các loại oxy phản ứng chủ yếu gây hại hay cũng là tín hiệu thiết yếu?

Mức độ thấp của các loại oxy phản ứng điều hòa các chức năng tế bào bình thường, vì vậy ranh giới giữa tín hiệu oxy hóa khử sinh lý và stress oxy hóa bệnh lý không rõ ràng, làm phức tạp cả việc giải thích và can thiệp chống oxy hóa.

Key figures

• Marian Valko
• Wulf Dröge
• Barry Halliwell

Seminal works

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

Frequently asked questions

Stress oxy hóa là gì?

Đó là sự mất cân bằng trong đó việc sản xuất các loại oxy và nitơ phản ứng vượt quá khả năng phòng thủ chống oxy hóa của tế bào, cho phép các loại này gây hại cho lipid, protein và DNA.

Các hóa chất gây ra stress oxy hóa như thế nào?

Một số hóa chất tạo ra các gốc tự do trực tiếp hoặc thông qua chu trình oxy hóa khử, một số được chuyển hóa thành các loại gốc tự do, và các kim loại hoạt động oxy hóa khử xúc tác sự hình thành các chất oxy hóa có khả năng phản ứng cao; tất cả đều có thể làm quá tải hệ thống phòng thủ chống oxy hóa.