氧化应激是活性氧 (ROS) 的产生与生物系统解毒这些活性中间体的能力之间的不平衡。它可能导致细胞损伤，了解细胞如何响应氧化应激对于细胞生物学和微生物学都至关重要。
氧化应激概述
当ROS产生过多时，就会发生氧化应激，其中包括超氧阴离子、羟基自由基等自由基和过氧化氢等非自由基物质。这些活性物质会对细胞内的脂质、蛋白质和 DNA 造成损害，导致各种病理状况。
细胞具有抵抗氧化应激的防御机制，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶，以及谷胱甘肽、维生素 C 和 E 等非酶抗氧化剂。
细胞对氧化应激的反应
当细胞暴露于氧化应激时，它们会激活一系列反应来减轻ROS造成的损伤。这些反应涉及复杂的信号传导途径和分子机制，以维持细胞稳态并防止氧化损伤。
转录因子的激活
核因子-红细胞 2 相关因子 2 (Nrf2) 等关键转录因子在调节抗氧化基因表达以应对氧化应激方面发挥着核心作用。正常情况下，Nrf2 被其阻遏蛋白 Kelch 样 ECH 相关蛋白 1 (Keap1) 隔离在细胞质中。然而，暴露于 ROS 后，Nrf2 被释放并易位到细胞核中，在细胞核中与目标基因启动子区域的抗氧化反应元件 (ARE) 结合，导致其上调。
热激蛋白的诱导
热休克蛋白 (HSP) 是一类分子伴侣，可响应各种应激（包括氧化应激）而合成。它们协助蛋白质折叠、防止蛋白质聚集并促进受损蛋白质的降解。热休克蛋白在氧化损伤条件下维持蛋白质稳态和细胞存活中发挥着至关重要的作用。
自噬的激活
自噬是一种细胞过程，涉及受损细胞器和大分子的降解和回收。为了应对氧化应激，细胞上调自噬以去除氧化损伤的成分并维持细胞完整性。这个过程有助于清除功能失调的线粒体和消除过量的活性氧，从而防止进一步的细胞损伤。
凋亡途径的调节
过度的氧化应激会触发细胞凋亡途径，导致程序性细胞死亡。细胞通过调节促生存和促凋亡因子（例如 B 细胞淋巴瘤 2 (Bcl-2) 家族的成员）来调节这些途径，以确定细胞在氧化应激条件下的命运。促生存和促凋亡信号之间的平衡对于细胞响应氧化损伤的活力至关重要。
线粒体对氧化应激的反应
线粒体是细胞内 ROS 产生的主要贡献者，特别是在氧化磷酸化过程中通过电子传递链。然而，线粒体也容易受到氧化损伤，导致其功能受损。为了对抗氧化应激，线粒体进化出了特定的机制，包括：
- 线粒体抗氧化防御：线粒体拥有自己的抗氧化系统，例如锰超氧化物歧化酶（MnSOD），可以消除细胞器内产生的超氧自由基。
- 线粒体质量控制：细胞采用线粒体质量控制机制，包括裂变、融合和通过线粒体自噬进行选择性降解，以维持健康的线粒体群体并消除氧化应激条件下受损的线粒体。
- 线粒体生物发生的调节：细胞可以增强线粒体生物发生，以补偿氧化损伤导致的线粒体功能丧失，从而确保能量产生和代谢稳态。
细胞对氧化应激的反应和线粒体功能之间错综复杂的相互作用对于整体细胞的恢复力和生存至关重要。
氧化应激对微生物的影响
在微生物学背景下，氧化应激对微生物病原体及其与宿主免疫系统的相互作用具有重大影响。由于宿主防御和外源应激，许多微生物在感染过程中会遇到氧化应激。微生物对氧化应激的反应涉及多种策略来抵消宿主衍生的ROS并适应敌对的宿主环境。
微生物中的抗氧化酶
与真核细胞类似，微生物具有抗氧化防御来对抗氧化应激。这些防御包括酶抗氧化剂，如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶，以及非酶抗氧化剂，如类胡萝卜素和硫氧还蛋白。
金属稳态的调节
微生物通过芬顿化学调节细胞内的金属离子浓度，以防止 ROS 的产生。严格调节铁、铜和其他金属离子对于最大限度地减少氧化损伤和维持细胞氧化还原平衡至关重要。
氧化应激在微生物发病机制中的作用
氧化应激影响许多微生物病原体的毒力和致病性。它可以作为毒力因子表达的信号线索，导致宿主组织损伤，并调节病原体与宿主免疫系统之间的相互作用。微生物已经进化出复杂的机制来感知氧化应激并采取适当的反应，以确保它们在宿主体内的生存和持久性。
抗氧化剂在微生物学中的应用
了解微生物对氧化应激的反应在微生物学领域具有实际意义，特别是在抗菌策略的开发方面。针对微生物病原体的抗氧化系统代表了开发新型抗菌剂和对抗传染病策略的潜在途径。
结论
细胞对氧化应激的反应是一个多方面的过程，包含许多分子和细胞机制。它在细胞生物学和微生物学中都具有根本重要性，影响细胞稳态、疾病发病机制和抗菌策略。通过探索氧化应激和细胞反应之间复杂的相互作用，研究人员可以发现针对各种氧化应激相关病症的新治疗靶点和干预措施。