氧化還原反應是電子在不同物質間轉移的現象，物質被氧化時失去電子（氧化數增加），被還原時則獲得電子（氧化數減少）。生物體內隨時隨地都在發生電子轉移的反應，例如從糖類獲得能量，轉換為 ATP 的細胞呼吸作用，以及從太陽光獲取能量的光合作用等，也難怪 1937 年的諾貝爾生物醫學獎得主 Albert Szent-Györgyi 會說「生命不過就是電子在尋找歇腳處的過程」（Life is nothing but an electron looking for a place to rest.）[1]。而氧化還原生物學（Redox Biology）探討的就是生物體內的氧化還原反應，以及其伴隨的分子機制和生理現象。
氧化與還原相生相伴，生物體因此得以利用電子流轉時所產生的能量，推動維持生命所需的各種反應。生物在行氧化還原代謝時會產生活性氧物質（Reactive oxygen species，ROS），但生物體也具備清除活性氧物質的機制，因此能維持氧化還原的動態平衡（圖一）[2, 3]。在正常的情況下，外界的刺激會將平衡推往氧化的方向以應付刺激，這樣的改變會啟動回饋機制，促進活性氧物質的清除以維持平衡。但若刺激長期持續，或是回饋機制效率不佳，將導致生物體或局部組織產生活性氧物質的能力大於清除能力的狀況，改變氧化還原的平衡基準，進而損傷 [4]。
另一方面，活性氧物質除了會和清除機制中的分子作用外，亦會將電子釋放給其他的蛋白質和脂質等分子，改變其狀態 [5]。以圖二為例，蛋白質的半胱胺酸（cysteine）側鏈在不同的氧化態下會造成蛋白質結構的轉變，進而影響其在細胞中的位置、是否被降解和後續的訊息傳遞等。因此，氧化還原也調控了細胞中許許多多的分子機制 [6]。
我們在九月份將會帶大家了解氧化還原生物學十分多樣的研究，包含抗氧化劑對化療傷害的保護功效、癌細胞的氧化還原平衡、脂肪酸的氧化如何改變發炎反應、微生物的氧化還原調控，以及運動時肌肉的氧化代謝改變，請大家拭目以待吧！
圖一，人體產生活性氧物質與清除之機制。產生機制包括粒線體的氧化磷酸化反應、吞噬細胞 NAPDH 氧化酶（PHOX）、NADPH 氧化酶/雙重氧化酶（NOX/DUOX）、黃嘌呤氧化酶（XO）；清除機制則包括過氧化氫酶、超氧化物歧化酶（SODs)、過氧化物還原蛋白（PRXs）、穀胱甘肽過氧化酶（GPXs）、硫還原蛋白（TRXs），以及穀胱甘肽氧化態和還原態之間的平衡（GSH/GSSG）。 圖片來源：http://www.jstor.org/stable/27859328
圖二，氧化還原對多種分子機制的調控。 圖片來源：https://doi.org/10.1016/j.redox.2016.01.010
參考文獻：
- Trefil, J., Morowitz, H. J., & Smith, E. (2009). The Origin of Life: A case is made for the descent of electrons. American Scientist, 97(3), 206–213. http://www.jstor.org/stable/27859328
- Guillin, O. M., Vindry, C., Ohlmann, T., & Chavatte, L. (2019). Selenium, Selenoproteins and Viral Infection. Nutrients, 11(9), 2101. https://doi.org/10.3390/nu11092101
- Sies H. (2015). Oxidative stress: a concept in redox biology and medicine. Redox biology, 4, 180–183. https://doi.org/10.1016/j.redox.2015.01.002
- Ursini, F., Maiorino, M., & Forman, H. J. (2016). Redox homeostasis: The Golden Mean of healthy living. Redox biology, 8, 205–215. https://doi.org/10.1016/j.redox.2016.01.010
- Le Gal, K., Schmidt, E. E., & Sayin, V. I. (2021). Cellular Redox Homeostasis. Antioxidants (Basel, Switzerland), 10(9), 1377. https://doi.org/10.3390/antiox10091377
- Lennicke, C., & Cochemé, H. M. (2021). Redox metabolism: ROS as specific molecular regulators of cell signaling and function. Molecular cell, 81(18), 3691–3707. https://doi.org/10.1016/j.molcel.2021.08.018
撰文｜陳柔含
審稿｜張智婷
