การส่งสัญญาณรีดอกซ์ - หลักการสากลของชีวิต

         ทุกลมหายใจที่gikหายใจเข้าไป    ออกซิเจนจากอากาศจะพุ่งเข้าสู่ปอด   จะถูกดูดซึมเข้าสู่ฮีโมโกลบินในเลือด  และเข้าไปยังหัวใจเพื่อสูบฉีดไปเลี้ยงเซลล์หลายล้านล้านเซลล์ในร่างกาย หากคุณสงสัยในความสำคัญของออกซิเจน    ลองทำการทดลองง่ายๆ โดยกลั้นหายใจสักครู่    จนหน้าคุณเริ่มเปลี่ยนเป็นสีเขียว    คุณจะเชื่ออย่างเต็มที่ว่า  เซลล์ในร่างกายต้องการออกซิเจนอย่างมาก

         เซลล์ทำอะไรกับโมเลกุลออกซิเจนเหล่านี้?    เซลล์ใช้โมเลกุลออกซิเจนเพื่อจับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลอื่น     โมเลกุลของออกซิเจนมีอิเลคตรอนที่ขาดคู่ (เรียกว่าอนุมูลอิสระ) 2 ตัว ที่หิวโหยหาอิเลคตรอนมาเข้าคู่

         อนุมูลอิสระ (oxygen free radicals) เหล่านี้  จับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลอื่น    เมื่อจับอิเล็กตรอนแล้ว  จะเรียกว่า  ปฏิกิริยา "reduction";   กล่าวอีกนัยหนึ่ง  ออกซิเจนจะถูก "reduced"  เมื่อจับกับอิเล็กตรอน     อิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกขโมยไปจากโมเลกุลอื่น    เมื่ออิเล็กตรอนถูกขโมยไปจากโมเลกุลเหล่านั้น เรียกว่า  ปฏิกิริยา "ออกซิเดชัน"    โมเลกุลเหล่านั้นถูก "ออกซิไดซ์"    ดังนั้น  ออกซิเจนจะ "ออกซิไดซ์" โมเลกุลอื่น ๆ โดยการขโมยอิเล็กตรอนจากโมเลกุลอื่น และตัวมันกลายเป็นรูปแบบ "reduced" ไปพร้อม ๆ กับการจับอิเล็กตรอนดังกล่าว      REDOX (REDuction / OXidation) เป็นชื่อพิเศษที่ถูกกำหนดให้กับกระบวนการนี้

         เหตุใดกระบวนการ REDOX นี้จึงมีความสำคัญต่อเซลล์มาก    เมแทบอลิซึมของน้ำตาล, ไขมัน และคีย์โทน (keytones) เกิดขึ้นในไมโตคอนเดรียจำนวนหลายร้อยที่ใช้สร้างพลังงานภายในเซลล์     ไมโตคอนเดรียเหล่านี้ผลิตพลังงานที่จำเป็นในการให้พลังงานแก่เซลล์    จำเป็นต้องใช้ออกซิเจน เป็นส่วนหนึ่งของขั้นตอนสุดท้ายของการเผาผลาญภายในไมโตคอนเดรีย  เพื่อจับอิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน (electron transport chain - ETC) (อิเล็กตรอนจะถูกขนส่งอย่างรวดเร็วเพื่อ "ชาร์จแบตเตอรี่" ของไมโตคอนเดรีย)    หากไม่มีออกซิเจนเพื่อจับอิเล็กตรอนเหล่านี้ จะทำให้เซลล์หมดเชื้อเพลิงและพลังงาน    ดังนั้น  ออกซิเจนจึงมีความสำคัญต่อการรักษาแบตเตอรี่เซลล์เหล่านี้ไว้   และเพื่อให้เครื่องจักรของเซลล์ทำงานได้     ออกซิเจนที่เราหายใจเข้าไปมากกว่า 80% ถูกใช้ในไมโตคอนเดรียเพื่อการนี้

         เมื่อโมเลกุลออกซิเจน (O₂) จับอิเล็กตรอน    มันจะเปลี่ยนเป็นออกซิเจนปฏิกิริยา (reactive oxygen) ชนิดใหม่ที่เรียกว่า  อนุมูลอิสระ “ซูเปอร์ออกไซด์แอนไอออน” (O₂ * -)     อนุมูลออกซิเจนชนิดนี้มีปฏิกิริยาสูง     เอนไซม์ที่เรียกว่า “ซูเปอร์ออกไซด์ดิสมิวเตส” (สารต้านอนุมูลอิสระที่สร้างขึ้นภายในเซลล์) บริจาคอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งให้กับซูเปอร์ออกไซด์   และเปลี่ยนมันเป็น “เปอร์ออกไซด์”     สถานะเปอร์ออกไซด์ของออกซิเจนนี้  จะดึงดูดไฮโดรเจน 2 อะตอม  และกลายเป็นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂)    จากนั้น เอ็นไซม์อื่นๆ ในเซลล์ (เช่น "คาตาเลส" และ "กลูตาไธโอน") จะ reduce ออกซิเจนประเภทนี้ให้กลายเป็น "น้ำ" (H₂O)     มีการเปลี่ยนแปลงอื่นๆ อีกหลายประการที่ reduce ออกซิเจน   โดยหนึ่งในนั้น  คือการรวมออกซิเจนกับคลอไรด์ไอออน (จากเกลือ) เพื่อสร้าง “ไฮโปคลอไรท์แอนไอออน” (OCl-)     

         ดังนั้น  เราจึงเห็นว่า  โมเลกุลออกซิเจนภายในเซลล์เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงเป็นซีรีส์ โดยมันถูก reduced จากก๊าซออกซิเจนเป็นน้ำ  และสถานะอื่นๆ ของออกซิเจน     ประเภทของโมเลกุลที่ผลิตในกระบวนการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ (O₂ * -, H₂O₂, OCl-) ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น   มีชื่อว่า "reactive oxygen species" (ROS)     และเป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มที่เรียกว่า "โมเลกุลส่งสัญญาณรีดอกซ์ (redox signaling molecules)"

         เรื่องราวของการใช้และเปลี่ยนออกซิเจนภายในเซลล์นี้  มีความเก่าแก่พอๆ กับชีวิตบนโลก แม้กระทั่งก่อนหน้านี้ในเรื่องราวของโลก    พืชสีเขียวบนโลกใช้กระบวนการสังเคราะห์แสงในการใช้พลังงานจากดวงอาทิตย์  เพื่อทำให้การเปลี่ยนแปลงของออกซิเจนเหล่านี้ย้อนกลับได้        พืชเริ่มต้นด้วยการใช้แสงแดดเพื่อ "กระแทก" อิเล็กตรอนออกจากอะตอมออกซิเจนที่อุดมสมบูรณ์ในโมเลกุลของน้ำ (H₂O) เพื่อเริ่มการแปลงแบบย้อนกลับ    ในเซลล์พืช   เมื่ออิเล็กตรอนถูกขับออกจากออกซิเจนที่อยู่ในโมเลกุลของน้ำ    ออกซิเจนจะเปลี่ยนเป็นรูปแบบต่างๆ ของ ROS    ในที่สุด (หลังจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงย้อนกลับทั้งหมด)   ออกซิเจนจะเปลี่ยนเป็นโมเลกุลของก๊าซออกซิเจน (O₂)    ก๊าซออกซิเจนนี้ถูกปล่อยโดยพืช  สู่ชั้นบรรยากาศ    ขอบคุณพืช   ประมาณ 20% ของอากาศในบรรยากาศของเราตอนนี้คือออกซิเจน (O₂)     เรื่องราวของการที่ออกซิเจนเปลี่ยนจากน้ำเป็นก๊าซออกซิเจนในพืช  ปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ   แล้วเปลี่ยนจากก๊าซออกซิเจนกลับเป็นน้ำในสัตว์   เป็นส่วนสำคัญของเรื่องราวชีวิตอย่างที่เราทราบ 

         เฉพาะในทศวรรษที่ผ่านมาเท่านั้นที่นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักถึงความสำคัญที่แท้จริงของรูปแบบขั้นกลางของออกซิเจน (ROS) ในการเปลี่ยนแปลงนี้   และบทบาทที่พวกมันมีต่อเซลล์ที่มีชีวิต     เราพบว่ารูปแบบ ROS เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณรีดอกซ์พื้นฐานภายในเซลล์    กล่าวโดยสรุป   พวกมันปิดและเปิดสวิตช์ทางพันธุกรรมที่ควบคุมสิ่งที่เกิดขึ้นภายในเซลล์    พวกมันถูกใช้เพื่อเคลื่อนอิเล็กตรอนไปรอบๆ ภายในของเหลวน้ำเค็มที่สำคัญ (vital salt-water fluids) ซึ่งเติมเต็มเซลล์    ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในกลไกโปรตีนของเซลล์ที่ทำให้เคลื่อนที่ได้ (พับ, คลาย, เปลี่ยนรูปร่าง, แยกออก, มารวมกัน ฯลฯ)   ทำหน้าที่แจ้งเซลล์ว่ามีบางอย่างผิดปกติเมื่อมีพวกมันมากสะสมเกินไป  (สภาพที่เรียกว่าความเครียดออกซิเดชัน/oxidative stress)    ขึ้นอยู่กับจำนวนของพวกมันที่สะสมอยู่ในเซลล์   หน้าที่หลักของเซลล์จะถูกควบคุม ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H₂O₂) ที่มากเกินไปในเซลล์พืช  จะทำให้การสังเคราะห์แสงช้าลง (ซึ่งจะทำให้พืช "ไม่ถูกเผาไหม้" เมื่อถูกแสงแดดจัด)    และในสัตว์   H₂O₂ ที่มากเกินไปจะทำให้การเผาผลาญช้าลง (ซึ่งจะช่วยป้องกันเซลล์สัตว์จาก "burning out”)     กลไกการส่งสัญญาณรีดอกซ์เหล่านี้ทำหน้าที่เหมือนการควบคุม "คันเร่ง" ในรถของคุณ    ทำหน้าที่ควบคุมความเร็วของ "มอเตอร์" ในเซลล์และป้องกันไม่ให้ "ไหม้"    กล่าวโดยสรุป   หากไม่มีโมเลกุลส่งสัญญาณรีดอกซ์เหล่านี้   เซลล์จะมีชีวิตอยู่, หายใจ และควบคุมตัวเองไม่ได้

         ความรู้ว่ากระบวนการที่เป็นสากลและพื้นฐานที่สุดในชีวิตเหล่านี้ทำงานอย่างไร  ทำให้เรามีพลังมหาศาล    เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของออกซิเจนเหล่านี้ และการส่งสัญญาณรีดอกซ์ที่เกิดขึ้นนั้น  เกิดขึ้นในเกือบทุกเซลล์บนโลก    เทคโนโลยีการส่งสัญญาณรีดอกซ์จึงแทบจะเป็นสากล     โมเลกุลส่งสัญญาณรีดอกซ์เหล่านี้  ฆ่าแบคทีเรียได้อย่างมีประสิทธิภาพ (เป็นอาวุธหลักของระบบภูมิคุ้มกัน), พวกมันเปิดสัญญาณเตือน และซ่อมแซมยีนภายในเซลล์, พวกมันมีส่วนร่วมในการควบคุมพลังงาน (ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว), พวกมันมีส่วนร่วมในเครือข่ายสัญญาณไฟฟ้าและเคมีทุกที่, พวกมันยังเป็นตัวหลักในเครือข่ายที่รับรู้ และฆ่าเซลล์ที่บกพร่อง  และสร้างเซลล์ที่แข็งแรงขึ้นใหม่     สิ่งเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายที่ช่วยให้เซลล์, เนื้อเยื่อ, อวัยวะ และระบบต่างๆ ของเราทำงานร่วมกันได้     ศักยภาพในการช่วยชีวิตเป็นที่ทราบกันดี    เราทุกคนทราบดีว่าการให้ออกซิเจนสามารถช่วยชีวิตได้     reactive oxygen species (ROS) เหล่านี้  ไม่ได้ถูกมองว่าเป็นศัตรูอีกต่อไป   แต่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณรีดอกซ์  ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของกล่องเครื่องมือหลักของชีวิต     เราสามารถใช้พวกมันเพื่อดำรงชีวิต และอยู่อย่างอุดมสมบูรณ์มากขึ้น