探尋細胞中二氧化碳衍生的生物氧化劑檢測新法

大氣中高水平的二氧化碳（CO2）不僅會改變我們星球的氣候，還會改變我們細胞的功能。這種氣體與在人體內發揮着多種功能的過氧化氫（H2O2）相互作用，進而產生了一種名爲過氧單碳酸酯的強氧化劑。

“越來越多的證據表明，過氧單碳酸酯在細胞通過氧化還原信號的適應性反應和細胞功能障礙中都很重要。還有流行病學證據表明，我們城市中接近達到的二氧化碳水平會引發諸多生理問題。而對於二氧化碳毒性的潛在機制，人們卻知之甚少，”巴西聖保羅大學化學研究所（IQ-USP）的全職教授大原奧古斯托（Ohara Augusto）說。

由奧古斯托領導並發表在《毒理學化學研究》雜誌上的一項研究描述了一種基於使用熒光分子探針檢測細胞中過氧單碳酸酯的新方法。這是首次在細胞中檢測到這種物質。該研究是在生物醫學氧化還原過程研究中心（Redoxome）的支持下進行的。

“這項研究之所以重要，一方面是因爲它創造出了一種方法，表明在某些條件下，包括細胞條件下會產生過氧單碳酸酯；另一方面是因爲它提出了這個話題以供探討，鑑於在氧化還原領域對二氧化碳的關注甚少，這無疑是一件好事。”奧古斯托說。

爲了檢測過氧一碳酸酯，研究人員測量了硼酸酯探針的熒光。他們首先設計了一種酶的反應，產生穩態生理濃度的過氧化氫，並在有和沒有 CO2的情況下測量硼酸酯探針的熒光。

硼酸酯用於檢測過氧化氫、過氧亞硝酸鹽、次氯酸和過氧一碳酸酯等物質，它們與這些物質以不同的速度和強度反應，進而能夠識別這些氧化劑。

在該研究中，巨噬細胞被激活以產生過氧化氫。巨噬細胞是免疫系統細胞，根據激活的類型產生不同的氧化劑。

研究人員進行了幾次對照實驗，並得出結論：細胞不會產生過氧亞硝酸鹽或次氯酸，但在 CO2存在的情況下會產生過氧單碳酸酯。

“這是一種用於檢測生理濃度的過氧化氫和 CO2中過氧單碳酸酯的相對簡單的方法。過去這簡直是天方夜譚，但研究人員現在可以得出結論，在細胞中觀察到的某些效應，例如某些蛋白質的更高程度氧化或細胞反應，可能是由於過氧單碳酸酯引起的，並且他們將能夠驗證這一發現，”奧古斯托說。

儘管過氧單碳酸酯自 20 世紀 60 年代以來就爲化學家所知，並且在技術上有諸如消毒劑和漂白劑等方面的應用，但由於其前體濃度低且形成速度慢，它在細胞中的存在曾被認爲是不可能的事。奧古斯托表示，對生物系統中過氧單碳酸酯的研究始於本世紀的頭十年，最初的重點在於氧化損傷。

氧化還原信號屬於一種適應性反應。“當壓力稍有增加時，細胞就會進行適應。例如，氧化劑的形成可能致使抗氧化酶基因得以表達，從而在這種情況下應對氧化應激。此外，許多引發細胞反應的途徑都涉及硫醇蛋白，過氧一碳酸對其的氧化速度要比過氧化氫快，”奧古斯托說道，並補充稱只有當氧化劑大量形成時纔會出現不可逆的細胞損傷。

二氧化碳是過氧一碳酸的前體，過氧化氫同樣也是。CO2自然存在於大氣和人體中。人們平均每天會呼出約 1.0 千克的 CO2，將其作爲新陳代謝的產物。

從氧化還原的角度來看，CO2調節過氧化氫和過氧亞硝酸鹽的反應性，這是分子氧的兩個重要代謝產物。它還改變基因表達，包括參與炎症的基因的表達。並且它通過過氧亞硝酸鹽參與蛋白質的硝化和蛋白質的氨甲酰化，這是另一種能夠改變蛋白質生物功能的翻譯後修飾方式。

儘管對於其作爲生物氧化劑的作用還需要更多的證據，但過氧單碳酸鹽似乎是我們體內二氧化碳水平升高所產生有害影響的可能中間產物之一。此外，奧古斯托指出，二氧化碳還通過非氧化還原機制起作用。