氧化还原反应是指化学物质之间的电子转移反应。它们是生命过程的基础，从在产生氧气的光合作用中捕获太阳能到驱动细胞代谢。

2024 年 4 月 30 日发表的 “Fundamentals of redox regulation in biology”，由 Helmut Sies、Ryan J. Mailloux 和 Ursula Jakob 撰写，三位作者在氧化还原生物学领域深耕多年，凭借深厚学术积累，系统剖析氧化还原调控基础。

氧化还原调控核心概念

（一）氧化还原反应基础

氧化还原反应以电子转移为本质，涉及物质氧化态改变。生物体内，电子载体（如 NAD+/NADH、NADP+/NADPH ）是反应关键枢纽，它们通过接受或给出电子，介导众多代谢步骤，像糖酵解、三羧酸循环中，电子载体有序传递电子，驱动能量生成与物质转化 。

同时，活性氧（ROS，如超氧阴离子、过氧化氢 ）和活性氮（RNS ）作为特殊氧化还原物种，并非完全有害，低浓度时是重要信号分子，参与细胞增殖、分化调控，过高浓度则引发氧化损伤，打破细胞稳态。

（二）氧化还原信号通路

细胞内存在复杂氧化还原信号网络。以蛋白质半胱氨酸残基为例，其巯基（-SH）易受氧化，发生磺酸化、亚磺酸化等修饰，改变蛋白质构象与功能，进而调控信号传导。比如生长因子受体相关通路中，特定半胱氨酸残基氧化还原状态变化，可开启或关闭下游信号级联，影响细胞增殖决策 。此外，氧化还原信号与经典信号通路（如 MAPK、NF - κB ）交互作用，NF - κB 激活过程中，氧化还原状态调控其亚基二聚化、核转位，整合多种刺激信号，决定细胞炎性反应、存活等命运。

氧化还原调控的生物学功能

（一）代谢调控

氧化还原状态紧密关联能量代谢。线粒体中，电子传递链依赖精准氧化还原环境，复合体 Ⅰ - Ⅳ 通过铁 - 硫簇、细胞色素等传递电子，偶联 ATP 合成，若氧化还原失衡，如电子泄漏导致 ROS 异常产生，会抑制 ATP 合酶活性，降低能量产出 。在糖代谢中，磷酸甘油脱氢酶等关键酶的半胱氨酸残基氧化还原修饰，调控糖酵解与磷酸戊糖途径流量分配，磷酸戊糖途径产生的 NADPH，又反馈维持细胞抗氧化还原力，构成代谢 - 氧化还原调控闭环。

（二）细胞应激响应

面对氧化应激（如紫外线、化学毒物刺激 ），细胞激活抗氧化防御系统，超氧化物歧化酶（SOD）将超氧阴离子转化为过氧化氢，过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）进一步分解过氧化氢；同时，核因子相关因子 2（Nrf2）作为氧化还原敏感转录因子，受氧化应激时从胞质转位至核内，结合抗氧化反应元件（ARE），驱动 SOD、CAT 等抗氧化基因转录，增强细胞抵御能力 。此外，轻度氧化应激可预处理细胞，诱导适应性反应，提升后续应对更严重损伤的抗性，涉及线粒体动力学改变、自噬激活等机制，自噬通过清除氧化损伤细胞器、蛋白聚集体，重置细胞氧化还原平衡。

（三）发育与分化

胚胎发育进程中，氧化还原梯度发挥关键作用。早期胚胎不同区域氧化还原状态差异，指导细胞命运决定，低 ROS 水平利于多能干细胞维持，高 ROS 环境则推动分化，如心肌细胞分化时，ROS 介导 Wnt 信号通路氧化还原修饰，调控关键转录因子表达，塑造心肌细胞结构与功能 。神经分化中，氧化还原调控神经干细胞增殖、迁移，神经元轴突生长、突触形成依赖特定氧化还原信号，神经营养因子诱导的氧化还原变化，促进突触可塑性，对学习、记忆等神经功能奠定基础，异常氧化还原状态则可能导致神经发育畸形、认知障碍。

原文：https://www.nature.com/articles/s41580-024-00730-2#ethics

文章转自微信公众号：说氧化应激