اکسیژن: سوخت حیاتی سلول‌های بدن و نقش آن در سلامت و بیماری – علیرضا محمودی فرد

گزارش پایگاه خبری تحلیلی کلام ماندگار: اکسیژن (O2) عنصری حیاتی برای بقای اکثر موجودات زنده، از جمله انسان است. این مولکول نقش بنیادینی در فرایندهای بیوشیمیایی سلولی ایفا می‌کند و به‌عنوان پذیرنده نهایی الکترون در زنجیره انتقال الکترون در میتوکندری، مسئول تولید آدنوزین تری‌فسفات (ATP)، منبع اصلی انرژی سلولی است. کمبود اکسیژن (هیپوکسی) یا اختلال در استفاده بهینه از آن می‌تواند منجر به طیف گسترده‌ای از بیماری‌ها شود. این یادداشت به بررسی اهمیت اکسیژن در عملکرد سلول‌های بدن، مکانیسم‌های مصرف و تنظیم آن، و نقش آن در سلامت و بیماری می‌پردازد.

1. نقش اکسیژن در تولید انرژی سلولی

میتوکندری، اندامک‌های تخصصی در سلول‌های یوکاریوتی، مسئول تولید ATP از طریق فرایند فسفوریلاسیون اکسیداتیو هستند. در این فرایند، الکترون‌ها از طریق زنجیره انتقال الکترون (ETC) منتقل شده و در نهایت به مولکول اکسیژن می‌رسند. اکسیژن با پذیرش این الکترون‌ها و ترکیب با یون‌های هیدروژن، مولکول آب (H2O) را تشکیل می‌دهد. انرژی آزاد شده در این فرایند، برای پمپ کردن پروتون‌ها (H+) از ماتریکس میتوکندری به فضای بین غشایی استفاده می‌شود. گرادیان پروتونی ایجاد شده، نیروی محرکه برای سنتز ATP توسط آنزیم ATP سنتاز را فراهم می‌کند (Alberts et al., 2015). بدون وجود اکسیژن، زنجیره انتقال الکترون متوقف شده و تولید ATP به شدت کاهش می‌یابد، که می‌تواند منجر به اختلال در عملکرد سلولی و مرگ سلول شود.

2. تنظیم مصرف اکسیژن در سلول‌ها

مصرف اکسیژن در سلول‌ها به‌شدت تنظیم شده و تحت‌تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد. یکی از مهم‌ترین تنظیم‌کننده‌ها، فاکتور القایی هیپوکسی (HIF) است. HIF یک پروتئین رونویسی است که در شرایط کمبود اکسیژن فعال شده و بیان ژن‌های متعددی را تنظیم می‌کند که به سلول‌ها کمک می‌کنند تا در شرایط هیپوکسی زنده بمانند. این ژن‌ها شامل ژن‌های دخیل در گلیکولیز (به‌منظور تولید ATP بدون نیاز به اکسیژن)، آنژیوژنز (به‌منظور افزایش خون‌رسانی به بافت‌ها) و اریتروپوئز (به‌منظور افزایش تولید گلبول‌های قرمز خون) هستند (Semenza, 2014)؛ علاوه بر HIF، عوامل دیگری مانند سطح ATP، سطح کلسیم داخل سلولی و فعالیت آنزیم‌های زنجیره انتقال الکترون نیز در تنظیم مصرف اکسیژن نقش دارند.

3. اکسیژن و تولید رادیکال‌های آزاد

در طول فرایند فسفوریلاسیون اکسیداتیو، مقداری از الکترون‌ها قبل از رسیدن به اکسیژن، از زنجیره انتقال الکترون فرار کرده و با مولکول اکسیژن واکنش می‌دهند. این واکنش منجر به تولید رادیکال‌های آزاد اکسیژن (ROS) مانند سوپراکسید (O2•−)، پراکسید هیدروژن (H2O2) و رادیکال هیدروکسیل •OH) ) می‌شود. ROSها مولکول‌های بسیار واکنش‌پذیر هستند که می‌توانند به DNA، پروتئین‌ها و لیپیدها آسیب برسانند. سلول‌ها دارای سیستم‌های آنتی‌اکسیدانی متعددی هستند که به خنثی کردن ROSها کمک می‌کنند. این سیستم‌ها شامل آنزیم‌هایی مانند سوپراکسید دیسموتاز (SOD)، کاتالاز (CAT) و گلوتاتیون پراکسیداز (GPx) و مولکول‌های آنتی‌اکسیدانی مانند ویتامین C، ویتامین E و گلوتاتیون هستند (Halliwell & Gutteridge, 2015). تعادل بین تولید ROS و فعالیت سیستم‌های آنتی‌اکسیدانی برای حفظ سلامت سلولی ضروری است. اختلال در این تعادل، که به عنوان استرس اکسیداتیو شناخته می‌شود، می‌تواند منجر به آسیب سلولی و ایجاد بیماری شود.

4. نقش اکسیژن در سلامت و بیماری

اکسیژن نقش مهمی در سلامت و بیماری‌های مختلف ایفا می‌کند.

بیماری‌های قلبی عروقی: کمبود اکسیژن در بافت قلب (ایسکمی) می‌تواند منجر به آنژین صدری، سکته قلبی و نارسایی قلبی شود. ROSهای تولید شده در اثر ایسکمی نیز می‌توانند به آسیب بافت قلب کمک کنند (Thygesen et al., 2018).

بیماری‌های تنفسی: بیماری‌هایی مانند آسم، بیماری انسدادی مزمن ریه (COPD) و فیبروز ریوی می‌توانند منجر به کاهش سطح اکسیژن در خون (هیپوکسمی) شوند. هیپوکسمی می‌تواند منجر به آسیب اندام‌ها و مرگ شود (Rabe et al., 2007).

سرطان: سلول‌های سرطانی اغلب در محیطی با کمبود اکسیژن رشد می‌کنند. این شرایط هیپوکسی باعث فعال شدن HIF شده و به سلول‌های سرطانی کمک می‌کند تا با شرایط کمبود اکسیژن سازگار شوند و رشد و متاستاز خود را افزایش دهند (Vaupel & Mayer, 2007).

بیماری‌های عصبی: کمبود اکسیژن در مغز (ایسکمی مغزی) می‌تواند منجر به سکته مغزی، آسیب مغزی و مرگ سلولی شود. ROSهای تولید شده در اثر ایسکمی مغزی نیز می‌توانند به آسیب بافت مغز کمک کنند (Dirnagl et al., 2003).

5. رویکردهای درمانی مبتنی بر اکسیژن

با توجه به نقش حیاتی اکسیژن در سلامت سلولی، رویکردهای درمانی مختلفی برای بهبود اکسیژن‌رسانی به بافت‌ها و کاهش استرس اکسیداتیو مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اکسیژن‌درمانی: اکسیژن‌درمانی شامل تجویز اکسیژن اضافی از طریق ماسک، کانولا یا دستگاه تنفسی است. این روش برای درمان بیماری‌هایی مانند آسم، COPD، نارسایی قلبی و پنومونی استفاده می‌شود (O’Driscoll et al., 2017).

درمان با اکسیژن هایپرباریکHBOT) ): HBOT شامل قرار دادن بیمار در یک محفظه تحت فشار بالا و تنفس اکسیژن خالص است. این روش باعث افزایش سطح اکسیژن در خون و بافت‌ها می‌شود و برای درمان بیماری‌هایی مانند مسمومیت با مونوکسید کربن، زخم‌های مزمن، عفونت‌های شدید و بیماری رفع فشار استفاده می‌شود (Neuman & Thom, 2008).

آنتی‌اکسیدان‌درمانی: آنتی‌اکسیدان‌درمانی شامل مصرف مکمل‌های آنتی‌اکسیدانی مانند ویتامین C، ویتامین E و گلوتاتیون است. این روش برای کاهش استرس اکسیداتیو و جلوگیری از آسیب سلولی در بیماری‌های مختلف استفاده می‌شود (Lobo et al., 2010).

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

اکسیژن سوخت حیاتی سلول‌های بدن است و نقش بنیادینی در تولید انرژی، تنظیم فرایندهای متابولیکی و حفظ سلامت سلولی ایفا می‌کند. کمبود اکسیژن یا اختلال در استفاده بهینه از آن می‌تواند منجر به طیف گسترده‌ای از بیماری‌ها شود. درک مکانیسم‌های مصرف و تنظیم اکسیژن در سلول‌ها و نقش آن در سلامت و بیماری، می‌تواند به توسعه رویکردهای درمانی جدید برای بهبود سلامت انسان کمک کند.

گردآوری: علیرضا محمودی فرد – مدرس فیزیولوژی در دانشگاه و محقق سبک زندگی سالم