結構生物化學/細胞器/線粒體/活性氧 (ROS)
活性氧 (ROS) 是含有氧的分子。根據 ROS 的水平，它們可能對細胞有益或有害。
起初，科學家認為 ROS 是有害的分子。第一個發現的抗氧化劑，超氧化物歧化酶，被發現可以將 ROS，超氧化物（一種有毒的分子）轉化為過氧化氫。這導致科學家認為 ROS 是有毒的副產物，必須轉化為無害的東西。幾十年後，發現細胞僅僅為了產生 ROS 而存活，這引發了質疑，認為 ROS 僅僅是一種有害的分子。
高 ROS 水平也與癌症和糖尿病相關。然而，ROS 後來透過多次實驗被證明並非導致癌症和疾病的原因。相反，抗氧化劑有時甚至會提高死亡率。
線粒體中 ROS 的主要來源是電子傳遞鏈。當 O2 被還原為 O2- 時，就會產生超氧化物。超氧化物歧化酶 (SODs) 然後將超氧化物轉化為過氧化氫。這個過程可以在電子傳遞鏈的任何複合物中發生。複合物 I 和 II 可以將 ROS 產生到線粒體基質中，而複合物 III 可以將 ROS 產生到膜的兩側。[1]
缺氧是指細胞暴露於低氧水平。在缺氧期間，細胞需要更保守地使用氧氣和能量。作為響應，細胞會產生更多 ROS。ROS 會抑制脯氨醯羥化酶 (PHD2)，從而穩定 HIF。穩定的 HIF 將允許轉錄發生並表達調節糖酵解、血管生成和紅細胞生成基因。為了減少氧氣消耗，ROS 會抑制 Na/K-ATPase 活性。ROS 的產生會啟用 AMP 活化蛋白激酶 (AMPK)，從而降低細胞中 ATP 的使用。AMPK 會磷酸化 Na/K-ATPase，導致內吞作用，抑制 Na/K-ATPase 的活性。[2]
ROS 還可以幫助收縮肺動脈，將含氧量低的血液重新導向肺部。肺動脈收縮是由鈣離子增加引起的，而鈣離子增加直接依賴於 ROS 產生的水平。
叉頭框蛋白 O (FOXO) 是一系列轉錄因子，它們有助於細胞週期停滯、抗應激、細胞凋亡和腫瘤抑制。高水平的 ROS 有助於導致肥大（細胞生長），以使心肌細胞適應壓力環境。然而，如果肥大持續時間過長，心臟可能會發生充血性心力衰竭，並最終導致死亡。因此，FOXO 會被啟用，以清除 ROS，防止心力衰竭。蛋白激酶 B (Akt) 啟用透過磷酸化抑制 FOXO，如果需要，可以再次積累 ROS。[1]
實驗表明，FOXO 是調節 ROS 水平所必需的；否則，細胞將會死亡。低水平的 ROS 將允許細胞分化和增殖；然而，隨著分化的增加，ROS 的產生也會增加。在造血幹細胞 (HSC) 中，FOXO 1、3 和 4 基因的缺失會破壞細胞的過度增殖，最終導致死亡。然而，如果用抗氧化劑處理 HSC，它們可以存活，以對抗高水平的 ROS。在 Bmi1 缺失的小鼠中，可能會觀察到類似的結果。[3]
腫瘤壞死因子α (TNFα) 有助於決定細胞是存活還是死亡。這個決定取決於 B 細胞 kappa 輕鏈增強子 (NF-κB) 的活性以及 c-Jun N 末端激酶 (JNK) 的活性。JNK 有助於發出細胞死亡的訊號。沒有 NF-κB，JNK 的活性持續時間更長，導致更多細胞死亡。沒有 NF-κB，SOD2 不會被啟用，允許 ROS 積累。ROS 可以使 JNK 磷酸酶失活，導致 JNK 活性延長，從而導致更多細胞死亡。ROS 已被證明具有作用，因為在沒有 SOD2 的情況下用抗氧化劑治療會提高細胞存活率。[1]
ROS 被認為是腫瘤和癌細胞中突變的原因，因為 ROS 水平與突變率直接相關。此外，當用抗氧化劑治療腫瘤時，腫瘤生長被抑制了。
ROS 實際上有助於發出訊號讓腫瘤抑制因子啟用。當癌基因 Ras 和 Myc 過度表達時，ROS 會增加，並有助於細胞轉化。然而，作為對 ROS 的響應，沉默資訊調節因子 3 (SIRT3)（一種啟用 FOXO 的腫瘤抑制因子）被啟用。FOXO 反過來會降低 ROS 水平。被啟用的腫瘤抑制因子 SIRT3 還會殺死細胞。[1]
- 線粒體活性氧調節細胞訊號傳導並決定生物學結果。
- Hamanaka RB，Chandel NS。
- 趨勢生物化學科學。2010 年 9 月；35(9)：505-13。2010 年 4 月 27 日線上發表。綜述。
- PMID：20430626 [PubMed - 已編入 MEDLINE] 免費 PMC 文章
- Hamanaka RB，Chandel NS。