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活性氧（ROS）是含氧的化學反應性化學物質。實例包括過氧化物，超氧化物，羥基自由基，單線態氧，和α-氧。

在生物學背景下，ROS形成為氧的正常代謝的天然副產物，並且在細胞信號傳導和體內平衡中具有重要作用。然而，在環境壓力（例如，紫外線或熱暴露）期間，ROS水平會急劇增加。這可能會對細胞結構造成嚴重損害，這被稱為氧化應激。ROS的產生受植物中應激因子反應的強烈影響，這些增加ROS產生的因素包括乾旱，鹽度，寒冷，營養缺乏，金屬毒性和UV-B輻射。ROS也由外源性源如電離輻射產生。

基本介紹

中文名：ros
外文名：reactive oxygen species,ROS
類型：活性氧簇
產生：需氧細胞在代謝過程

簡介,活性氧的產生,線粒體中活性氧的產生,活性氧的測定方法,活性氧與線粒體凋亡通路,活性氧作用的靶標,生長因子等,蛋白酪氨酸激酶、轉錄因子等,蛋白激酶C,PI3K,Ca+/CaM，oxLDL,膠原合成,還原物,蛋白質、DNA,活性氧與細胞質Ca+水平,

簡介

活性氧（reactive oxygen species，ROS）廣泛指代氧來源的自由基和非自由基，包含了超氧陰離子（O₂^-）、過氧化氫（H₂O₂）、羥自由基（OH^-）、臭氧（O₃）和單線態氧（¹O₂），由於它們含有不成對的電子，因而具有很高的化學反應活性。

在機體內，ROS的主要來源之一是線粒體內膜的呼吸鏈底物端，線上粒體中的電子傳遞鏈複合物將電子傳遞給O₂的過程中，有一部分O₂被還原，形成O2^-或H₂O₂。其中，最為重要的是O₂^-，它是大部分的ROS的前體，主要由線粒體內膜呼吸鏈中的蛋白酶複合體Ⅰ、Ⅲ產生。這部分作為代謝副產物的ROS長期被當作損傷生物大分子的毒性分子，但近年來被認為在較低水平時作為一類信號小分子具有生理作用，另一個ROS的重要來源是NADPH化酶，其催化亞基被稱為NADPH氧化酶2（NADPHoxidase2，NOX2/gp91^phax），能夠在細胞質膜上表達。在不同的組織中已經鑑定了6種NOX-2的同瀝物：NOX1，NOX3，NOX4，NOX5，DUOX1和DUOX2，統稱為NOX家族蛋白。這些酶能通過質傳遞電子產生ROS，可以大量存在於吞噬細胞，也在其他各種組織細胞中以較低水平普遍存在，參與很多膜受體下游信號激活。

活性氧的產生

活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）是O₂，帶電子後的產物，包括氧的一電子產物氧負離子O₂^-、二電子產物過氧化氫（H₂O₂，）、三電子產物羥基自由基（OH^-）、一氧化氮等，半衰期較短，脂溶性。體內活性氧主要是線上粒體電子傳遞鏈由Ⅲ狀態向狀態IV轉換中產生，線粒體高O₂的環境，使高還原態的呼吸鏈有電子由呼吸鏈底物端和氧端漏出，並交給O₂，而生成O₂^-。正常時，約2%的氧參與活性氧的產生；生理條件下，適量的活性氧可促進免疫、修復、存活、生長等。消除活性氧的抗氧化體系分為酶系和非酶系，酶系有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）等，非酶系主要是還原型谷胱甘肽（GSH）、維生素C/E等。細胞內高水平谷胱甘肽GSH，CAT（H₂O₂酶）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）、超氧化物歧化酶SOD、環孢素、抗凋亡因子Bcl-2，可下調活性氧的產生水平。

線粒體中活性氧的產生

體內90%以上的O₂，線上粒體中被消耗。O₂一方面作為呼吸鏈的終端電子受體參與產生ATP的氧化磷酸化反應，維持能量代謝；另一方面，O₂通過一系列化學反應，有時可生成氧自由基、活性氧（ROS）、活性氮（RNS）、脂類（RH）過氧化物等，脂類過氧化物有烷氧基（RO-）/烷過氧基（ROO-）/氫過氧化物（ROOH）等。線粒體產生活性氧的速率，受線粒體內膜跨膜電位的調節。線粒體呼吸鏈複合物Ⅰ的異咯秦半醌（FAD）、泛醌、複合物Ⅲ的細胞色素b566、輔酶Q氧化時漏電子，可產生活性氧；線粒體NADPH氧化酶和黃嘌呤氧化酶可催化生成O₂^-，線粒體的髓過氧化物酶MPO可催化生成OH^-，線粒體蛋白激酶C可催化生成H₂O_2。

線粒體受外界因素刺激時，包括射線、高壓氧、香菸煙霧、空氣污染、鉛、鉻、釩、抗癌藥、抗生素、殺蟲劑、麻醉藥、高血糖、炎症因子、腫瘤壞死因子TNF-a/MLR（microcystin）、高血脂、缺血、乙醛、缺氧等，活性氧產生明顯增加。血管內皮生長因子受體、轉化生長因子B受體、胰島素樣生長因子受體、胰島素受體、血管緊張素受體ATIR、瘦素受體通路等高度活化時，也可使活性氧產生明顯增加。

活性氧的測定方法

在生物系統中，游離活性氧星很低，因此測定時需要靈敏的方法如脈衝射解、電子自旋共振等技術，但儀器較昂貴。由線粒體產生的H₂O₂，存在時間較長，能使DCFH探針的螢光物被氧化成DCF（二氯螢光素雙乙酸鹽），DCF可被酯酶裂解成二氯螢光素，以二氯螢光素為基礎的螢光法，可檢測H₂O₂、O₂^-和OH^-，這種方法較簡單，但特異性較低。以亞鐵血紅素過氧化物酶/辣根過氧化物酶催化H₂O₂氧化螢光物、產生螢光素的螢光法，特異性和靈敏度較高;通過測定活性氧損傷的產物如脂質過氧化物（oxLDL）和DNA損傷產物（8-羥基鳥嘌呤）等，可間接反映活性氧產量。不成對電子使H₂O₂，等帶有順磁共振特性，可被EPR光譜法測量，但需要特殊的設備。使用氧化還原反應中分子間能量轉移，使發光氨還原後可與O₂^-，反應產生產物並發光，這種方法非常靈敏，已經用於測定完整細胞、單獨的線粒體及線粒體亞顆粒中的O₂^-含量。

活性氧與線粒體凋亡通路

線粒體是過量的活性氧主要的促調亡靶，可誘導線粒體雙層膜通透孔（PT孔）開放，釋放鈣離子、細胞色素C、凋亡誘導因子AIF，引起胱冬蛋白酶caspase9激活caspase3/6/7；可使線粒體電子傳遞鏈解耦聯，下調ATP產生水平，上調促凋亡蛋白Bax的表達水平，最後使線粒體外膜破裂，導致細胞凋亡。

線粒體雙層膜通透孔有2個氧化敏感位點:一個位點有吡啶核苷酸結合基序，可結合NAD/NADH和NADP+/NADPH；另一個位點有谷胱甘肽結合基序，可結合谷胱甘肽。活性氧能使線粒體雙層膜通透孔結合的NADH，NADPH、谷胱甘肽氧化，促使線粒體雙層膜通透孔開放。活性氧增加既是線粒體雙層膜通透孔開放的原因，也是其結果。高水平腫瘤壞死因子TNF-a/MLR可上調活性氧的產生水平。高水平活性氧也可刺激死亡受體通路，引起細胞凋亡。過量的活性氧也可誘導線粒體外膜孔開放，釋放鈣離了、細胞色素C、凋亡誘導因了AIF，引起細胞凋亡。

活性氧作用的靶標

過量的活性氧可與線粒體電子傳遞鏈多種蛋白硫氧還中心的Fe-S簇的Cys殘基反應，形成蛋白的S-谷胱甘肽化的加合物。過量的活性氧，可損傷生長因子、轉錄因子、蛋白質、核酸、糖類、脂類等。

生長因子等

適量的活性氧可通過活化表皮生長因子受體EGFR，激活磷脂酶PLA2/PLD，分解膜磷脂產生甘油二酯、三磷酸肌醇，活化蛋白激酶C，使DNA依賴的蛋白激酶和DNA斷端結合蛋白形成的複合體增加，促進對DNA雙鏈斷裂的修復，促進細胞存活。

活性氧過度產生時，可促使磷酸酶PTPIB、PTEN、細胞周期相關蛋白cde25失活，促進蛋白酪氨酸激酶PTK過度磷酸化活化，可促進NADPH氧化酶產生大量活性氧，過度活化鈣離於/鈣調蛋白激酶CaMK，引起生長抑制蛋白p21，p27表達水平上調，使生長因子、轉錄因子AP-1/c-Myb/Sp-1/EGR-1等降解、細胞骨架形成障礙、細胞周期停滯、生長受抑，促進細胞凋亡。

蛋白酪氨酸激酶、轉錄因子等

適量的活性氧可激活非受體酪氨酸激酶Src等，再通過結合下游信號蛋白，激活Ras/蛋白激酶MAPK.使轉錄因子磷酸化，促進靶基因表達、但活性氧過度產生時，使Src/Ras/蛋白激酶p38MAPK和蛋白激酶JNK過度激活，能氧化損傷轉錄因子cMyb、Sp-1、EGR-1、缺氧誘導因子HIF-1、cFos，cJun、AP-1等的半胱氨酸-SH基，使它們喪失與靶基因啟動子的結合力，抑制靶基因表達，促進細胞凋亡。

蛋白激酶C

適量的活性氧可激活蛋白激酶C，引發一系列蛋白質磷酸化，促進細胞增殖;高濃度的活性氧使蛋白激酶C過度活化，可使胱冬蛋白酶caspase依賴的凋亡通路活化，促細胞凋亡。

PI3K

適量的活性氧可激活蛋白激酶PI3K信號通路，抗輻射。活性氧過度產生時，過度上調蛋白激酶P13K/Akt的水平，可引發放射線照射後的細胞凋亡。活性氧過度產生時，也可與Fe²⁺進行自由基反應，產生毒性OH^-，可造成DNA突變、斷裂，促進細胞凋亡。

Ca+/CaM，oxLDL

活性氧過度產生時，能氧化鈣調蛋白CaM的Met殘基，使之持續活化，可過度激活鈣調蛋白激酶CaMK，促細胞凋亡。活性氧過度產生時，能氧化產生氧化型低密度脂蛋白oxLDL，並通過清道夫受體LOX-1，上調促凋亡因子p53，Bax的表達水平；能使抗氧化酶如SOD，CAT，GPx的Cys殘基，形成二硫鍵而失活，降低細胞抗氧化力;也可使端粒酶活性下降，抑制細胞生長;也能上調凋亡誘導因子AIF活性，使PGC1a/鋅結合蛋白KEAPI/核受體因子NRF2/鈣離子/鈣調蛋白激酶/叉頭盒蛋白FoxO通路持續活化，促進細胞凋亡。

膠原合成

活性氧過度產生時，還可經轉錄因子Smad2/3、蛋白激酶ERK1/2、黏附斑激酶FAK、蛋白激酶P13K/Akt、蛋白激酶p38MAPK、蛋白激酶C8、核因子NF-kB等，促進膠原合成，促進纖維化。

還原物

與細胞外環境相比，細胞質通常處在還原狀態，這由細胞內的疏基化合物的還原能力來維持，主要有谷胱甘肽、維生素C/E、硫氧還蛋白（TRX），可下調H₂O₂，和脂質過氧化物的水平，抑制細胞的氧化應激。活性氧過度產生時，可引起還原物谷胱甘肽、維生素C/E、硫氧還蛋白的耗竭，增加細胞對活性氧的敏感度。

蛋白質、DNA

活性氧過度產生時，可誘導大分子發生氧化反應，氧化蛋白質的Ser和Cys殘基上的功能基團，引起構型、信號改變;可使核因子NF-kB、蛋白激酶C催化結構域內Cys殘基形成二硫鍵，上調NF-kB，蛋白激酶C的活性，催化產生H₂O₂，活性氧過度產生時，也可直接氧化、活化缺氧誘導因子HIF-1中的Cys殘基，促進炎症及凋亡;能氧化某些酶中的[4Fe²⁺-4S]中心，導致Fe²⁺的釋放，Fe²⁺可經Fenton反應產生大量活性氧；Fe²⁺的釋放也可引起某些金屬蛋白質失活。活性氧過度產生時，也可氧化信號分子、細胞因子、蛋白質、核酸、糖類、脂類等，使之受損。

活性氧與細胞質Ca+水平

活性氧過度產生時，通過上調三磷酸肌醇，使胞內的內質網膜三磷酸肌醇受體-鈣離子通道開放，內質網鈣庫釋放鈣離子，細胞質高水平鈣離子/鈣調蛋白激酶CaMK，可使質膜L型電壓門控鈣離子通道開放，胞外鈣離子流入，可誘發線粒體雙層膜通透孔開放，使線粒體腫脹、破裂，線粒體膜間腔鈣庫釋放鈣離子，可使細胞質Ca²⁺超載，活性氧大量產生。

胞質高水平鈣離子可活化蛋白激酶JNK/FoxO及巨噬細胞刺激因子MST1/FoxO等信號通路，促細胞凋亡；可使鋅結合蛋白KEAP1的Cys^151/273/288殘基被氧化、活化，可釋放Zn²⁺並抑制核受體因子NRF2，並經Ⅱ相異生化酶、缺氧/UV輻射相關蛋白等，阻斷DNA修復，促細胞凋亡。近年發現活性氧的信號通路可被氧化磷酸化的解耦聯劑FCCP阻斷，並減少胞質鈣離子。

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