اکسیژن: سوخت حیات و نقش حیاتی آن در متابولیسم سلولی – علیرضا محمودی فرد

پایگاه تحلیلی کلام ماندگار: اکسیژن (O₂)، گازی بی‌رنگ، بی‌بو و ضروری، نقشی محوری در حیات موجودات هوازی، از جمله انسان، ایفا می‌کند. این مولکول حیاتی، به‌عنوان پذیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترون در میتوکندری، انرژی لازم برای انجام فعالیت‌های سلولی را فراهم می‌آورد. در واقع، اکسیژن را می‌توان مهم‌ترین “خوراک” برای سلول‌های بدن در نظر گرفت، چرا که بدون آن، تولیدATP  (آدنوزین تری‌فسفات)، مولکول حامل انرژی، به‌شدت مختل شده و حیات سلول به خطر می‌افتد. این یادداشت به بررسی نقش اکسیژن در متابولیسم سلولی، مکانیسم‌های انتقال و مصرف آن و همچنین پیامدهای کمبود اکسیژن (هیپوکسی) بر سلامت انسان می‌پردازد.

1. نقش اکسیژن در متابولیسم سلولی

فسفوریلاسیون اکسیداتیو: مهم‌ترین نقش اکسیژن در سلول، شرکت در فرآیند فسفوریلاسیون اکسیداتیو در میتوکندری است. در این فرآیند، الکترون‌های حاصل از تجزیه مواد غذایی (گلوکز، اسیدهای چرب و آمینواسیدها) از طریق زنجیره انتقال الکترون به اکسیژن منتقل می‌شوند. اکسیژن با پذیرش این الکترون‌ها و ترکیب با یون‌های هیدروژن (H+)، آب (H₂O) تولید می‌کند. انرژی آزاد شده در این فرآیند، برای تولید ATP، منبع اصلی انرژی سلولی، مورد استفاده قرار می‌گیرد (Berg et al., 2002).

متابولیسم هوازی: اکسیژن برای متابولیسم هوازی گلوکز، اسیدهای چرب و آمینواسیدها ضروری است. در این نوع متابولیسم، مولکول‌های آلی به طور کامل اکسید شده و حداکثر میزان انرژی ممکن (به صورت ATP) آزاد می‌شود. در غیاب اکسیژن، سلول مجبور به استفاده از متابولیسم بی‌هوازی می‌شود که بازده انرژی بسیار پایین‌تری دارد و منجر به تولید اسید لاکتیک می‌شود (Nelson & Cox, 2008).

نقش در سنتز مولکول‌های زیستی: اکسیژن در سنتز بسیاری از مولکول‌های زیستی مهم، از جمله کلسترول، اسیدهای چرب غیراشباع و هورمون‌های استروئیدی، نقش دارد. آنزیم‌های اکسیژناز (Oxygenases) از اکسیژن برای کاتالیز واکنش‌های اکسیداسیون در این مسیرهای بیوشیمیایی استفاده می‌کنند (Lodish et al., 2000).

2. مکانیسم‌های انتقال و مصرف اکسیژن

انتقال اکسیژن توسط هموگلوبین: اکسیژن از طریق ریه‌ها وارد جریان خون شده و توسط هموگلوبین، پروتئین موجود در گلبول‌های قرمز، به بافت‌ها منتقل می‌شود. هموگلوبین با چهار مولکول اکسیژن پیوند برقرار می‌کند و این پیوند به صورت برگشت‌پذیر است. میل ترکیبی هموگلوبین به اکسیژن تحت تاثیر عواملی مانند pH، دما و غلظت دی‌اکسید کربن قرار دارد (Guyton & Hall, 2006).

انتشار اکسیژن به سلول‌ها: پس از رسیدن خون به بافت‌ها، اکسیژن از مویرگ‌ها به مایع بین سلولی منتشر شده و سپس وارد سلول‌ها می‌شود. غلظت اکسیژن در بافت‌ها و سلول‌ها تحت تاثیر میزان فعالیت متابولیکی، جریان خون و ظرفیت انتقال اکسیژن خون قرار دارد (Vander et al., 2014).

میتوکندری و مصرف اکسیژن: اکسیژن در داخل میتوکندری، به‌عنوان پذیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترون، مصرف می‌شود. میزان مصرف اکسیژن توسط میتوکندری، نشان‌دهنده میزان فعالیت متابولیکی سلول است. سلول‌های با فعالیت متابولیکی بالا (مانند سلول‌های عصبی و عضلانی) نیاز به اکسیژن بیشتری دارند (Alberts et al., 2002).

3. پیامدهای کمبود اکسیژن (هیپوکسی)

اختلال در تولید ATP: کمبود اکسیژن (هیپوکسی) منجر به اختلال در فرآیند فسفوریلاسیون اکسیداتیو و کاهش تولید ATP می‌شود. این امر می‌تواند منجر به اختلال در عملکرد سلولی و مرگ سلول شود (Harris, 2002).

تغییر به متابولیسم بی‌هوازی: در شرایط هیپوکسی، سلول مجبور به تغییر به متابولیسم بی‌هوازی می‌شود. این نوع متابولیسم بازده انرژی بسیار پایین‌تری دارد و منجر به تجمع اسید لاکتیک می‌شود که می‌تواند باعث اسیدوز لاکتیک (Lactic Acidosis) شود (Robergs et al., 2004).

فعال‌سازی فاکتور القایی هیپوکسی (HIF): هیپوکسی منجر به فعال‌سازی فاکتور القایی هیپوکسی (Hypoxia-Inducible Factor, HIF) می‌شود. HIF یک فاکتور رونویسی است که بیان ژن‌های مختلفی را تنظیم می‌کند که به سلول کمک می‌کنند تا با شرایط کمبود اکسیژن سازگار شود. این ژن‌ها شامل ژن‌های دخیل در گلیکولیز، آنژیوژنز (تشکیل عروق خونی جدید) و اریتروپوئز (تولید گلبول‌های قرمز) هستند (Semenza, 2000).

بیماری‌های مرتبط با هیپوکسی: هیپوکسی می‌تواند در ایجاد و پیشرفت بسیاری از بیماری‌ها نقش داشته باشد، از جمله بیماری‌های قلبی عروقی، بیماری‌های ریوی، سرطان و سکته مغزی (Powis & Brahimi-Horn, 2007).

4. نقش اکسیژن در بیماری‌ها

سرطان: سلول‌های سرطانی اغلب در محیط‌های کم اکسیژن رشد می‌کنند. این شرایط باعث فعال‌سازی HIF و افزایش بیان ژن‌هایی می‌شود که به سلول‌های سرطانی کمک می‌کنند تا به رشد و گسترش خود ادامه دهند. در واقع، هیپوکسی می‌تواند باعث مقاومت سلول‌های سرطانی به درمان‌های شیمی‌درمانی و پرتودرمانی شود (Vaupel & Mayer, 2007).

بیماری‌های قلبی عروقی: کمبود اکسیژن در قلب می‌تواند منجر به آنژین صدری (درد قفسه سینه) و حمله قلبی (سکته قلبی) شود. هیپوکسی مزمن در بیماری‌های قلبی عروقی می‌تواند منجر به آسیب به بافت قلب و نارسایی قلبی شود (Opie, 2004).

بیماری‌های ریوی: بیماری‌های ریوی مانند آسم و بیماری مزمن انسدادی ریه (COPD) می‌توانند منجر به کاهش سطح اکسیژن خون (هیپوکسمی) شوند. هیپوکسمی مزمن می‌تواند منجر به عوارض جدی مانند فشار خون ریوی و نارسایی قلبی شود (Roussos & Macklem, 1982).

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

اکسیژن، بدون شک، مهم‌ترین “خوراک” برای سلول‌های بدن است. این مولکول حیاتی، در فرآیند فسفوریلاسیون اکسیداتیو در میتوکندری، انرژی لازم برای انجام فعالیت‌های سلولی را فراهم می‌آورد. اختلال در انتقال و مصرف اکسیژن می‌تواند پیامدهای جدی برای سلامت انسان داشته باشد و در ایجاد و پیشرفت بسیاری از بیماری‌ها نقش داشته باشد. درک عمیق از نقش اکسیژن در متابولیسم سلولی و پیامدهای کمبود آن، برای توسعه استراتژی‌های درمانی جدید برای بیماری‌های مرتبط با هیپوکسی ضروری است.

گردآوری: علیرضا محمودی فرد – سردبیر رسانه‌های کلام قلم و کلام ماندگار