抗氧化防御系统与活性氧

活性氧（ROS）是氧的部分还原或活化形式——包括超氧化物、过氧化氢和羟基自由基——它们是需氧代谢的副产物，也由特定酶产生。抗氧化防御系统是限制活性氧、修复其造成的损伤并使细胞氧化还原状态保持在功能范围内的酶促和小分子机制。

Definition

活性氧是代谢过程中产生的活性氧衍生物分子和自由基；抗氧化防御系统是协调的酶促和非酶促机制，它们中和这些物质或修复氧化损伤，维持氧化还原稳态。

Scope

本主题涵盖活性氧的主要来源、使其具有破坏性的化学性质、对抗活性氧的酶促防御（超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽和硫氧还蛋白系统）和小分子抗氧化剂，以及作为氧化还原失衡的氧化应激概念。它将这些视为更广泛的膳食抗氧化剂研究的生化基础。

Core questions

• 细胞中的活性氧从何而来？
• 哪些酶促和小分子系统能清除或解毒它们？
• 氧化应激的概念与氧化还原信号传导有何关系？
• 为什么铁等过渡金属在自由基化学中很重要？

Key concepts

• 超氧化物、过氧化氢、羟基自由基
• 线粒体电子传递作为活性氧来源
• 超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶
• 谷胱甘肽和硫氧还蛋白氧化还原系统
• 芬顿化学和过渡金属催化
• 脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤

Key theories

作为氧化还原失衡的氧化应激

氧化应激被定义为促氧化剂/抗氧化剂平衡向促氧化剂方向的紊乱，导致潜在损伤；该框架强调活性氧水平和防御能力。

氧化还原信号传导

过氧化氢等物质的受控、局部产生作为可逆的信号机制，因此活性氧既有生理作用也有病理作用。

Mechanisms

线粒体电子传递链将电子泄漏给氧气，生成超氧化物，超氧化物经超氧化物歧化酶歧化为过氧化氢。过氧化氢由过氧化氢酶以及谷胱甘肽和硫氧还蛋白过氧化物酶系统清除；在氧化还原活性铁或铜的存在下，它可以通过芬顿（Fenton）型化学反应生成高活性的羟基自由基，从而氧化脂质、蛋白质和DNA。除了清除作用，谷胱甘肽和硫氧还蛋白系统还能再生还原型抗氧化剂并维持蛋白质硫醇的氧化还原状态。由于某些活性氧充当信号分子，防御系统会调节氧化还原信号传导，而不是完全消除它。

Clinical relevance

氧化应激在衰老和许多慢性疾病的机制中都有所牵涉，氧化损伤的标志物在生物医学研究中被广泛测量。本条目描述了支持解释此类研究的基础生物化学；它不提供诊断阈值或治疗指导。

Evidence & guidelines

对活性氧来源和抗氧化酶的理解建立在广泛的机制和生化文献之上；氧化还原信号传导的视角缓和了早期认为简单提高抗氧化剂水平就能普遍起到保护作用的预期。此处不发布任何临床指南。

History

对氧代谢产生破坏性自由基的认识源于20世纪中叶的自由基生物学，并由哈利韦尔（Halliwell）和古特里奇（Gutteridge）对自由基生物化学的综合研究得以巩固。后来的工作，包括对线粒体活性氧产生和氧化还原信号传导的详细描述，将简单的损伤模型完善为区分有害氧化应激和生理氧化还原控制的模型。

Debates

活性氧主要是损伤剂还是信号分子？

活性氧曾主要被视为有害副产物，但现在也被理解为受调节的第二信使，因此该领域正在争论如何区分生理氧化还原信号传导和病理性氧化应激。

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

活性氧总是有害的吗？

不。在高水平或不受控制的水平下，它们会损伤脂质、蛋白质和DNA，但在低水平、受调节的水平下，过氧化氢等物质在正常细胞功能中充当信号分子。

主要的酶促抗氧化防御有哪些？

超氧化物歧化酶将超氧化物转化为过氧化氢，然后过氧化氢被过氧化氢酶以及谷胱甘肽和硫氧还蛋白过氧化物酶系统分解；这些酶协同作用以限制活性氧。