ROS

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（O2），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，在線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），能夠在細胞質膜上表達。在不同的組織中已經鑒定了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（reactiveoxygenspecies，ROS）是O2，帶電子后的產物，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。體內活性氧主要是在線粒體電子傳遞鏈由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。

線粒體的產生

體內90%以上的O2，在線粒體中被消耗。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H2O2。

線粒體受外界因素刺激時，包括射線、高壓氧、香煙煙霧、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。

在生物系統中，遊離活性氧星很低，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探針的熒光物被氧化成DCF（二氯熒光素雙乙酸鹽），DCF可被酯酶裂解成二氯熒光素，以二氯熒光素為基礎的熒光法，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氧化熒光物、產生熒光素的熒光法，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，使發光氨還原后可與O2，反應產生產物併發光，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。

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。

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

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，可引發放射線照射后的細胞凋亡。活性氧過度產生時，也可與Fe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。

MoxLDL

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[4Fe-4S]中心，導致Fe的釋放，Fe可經Fenton反應產生大量活性氧；Fe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

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Ca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殘基被氧化、活化，可釋放Zn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。