第五节衰老自由基学说

1、第五节 自由基学说 众所周知，机体内绝大多数分子是由氢原子(H)和其他基团(以R表示)组成，两者之间以共价键结合，而每一化学键均由一对电子组成，它们进行方向相反的自旋运动，如果共价键均裂，则生成各带一个不成对电子的R·和H·，即自由基(free radical)。自由基也称游离基，是一类瞬时形成的外层轨道上带有非配对电子的原子、离子、分子或原子团，多因共价键均裂而产生，普遍存在于生物系统中。通常条件下，自由基化学性质不稳定，易发生变化，是有机化学反应中活性极高的过渡态中间产物。 一、自由基研究的历史 自由基研究源于20世纪初，1900年，美国密歇根大学化学系年轻教师Gomb

2、erg在用氯代三苯甲烷通过Wmtz反应合成六苯乙烷的实验过程中发现，用金属(如银、钠、锌、汞等)与三苯基氯甲烷起反应时，被金属置换过的生成物异常活泼，甚至能跟碘作用生成三苯基碘甲烷；后来证实，这种独立存在、化学性质活泼的生成物就是三苯甲基。Gomberg经过大胆想象和严格推理后首次提出了自由基假说，他认为三苯甲基是一种自由基，能与温和试剂碘起反应，其研究论文发表在美国化学会杂志和德国化学会学报。后来，研究者们又陆续发现了许多新的自由基，例如，三联苯甲基自由基、甲基自由基和乙基自由基等，但是由于大多数自由基寿命很短而且化学性质高度不稳定，起初30年内的研究进展很慢。20世纪40年代，前苏联物理学

3、家发现电子顺磁共振现象(也称电子自旋共振现象)，并发明了电子自旋共振仪(ESR)，可以对自由基进行直接检测，极大地推动了人们对自由基的认识。研究重点主要在于确定自由基的化学性质，检测各种样品的自由基含量，并逐渐发现自由基多种多样，有稳定的也有不稳定的，有长寿的也有短命的，有有机自由基也有无机自由基。20世纪70年代，随着现代物理技术、细胞生物学、生物化学、分子生物学的飞速发展，以及生物体内发现了超氧化物歧化酶(SOD)，人们对自由基的生物学效应产生了浓厚兴趣，形成了自由基生物学，其研究对象与方法涉及生物物理学、生物化学、分子生物学、细胞生物学、免疫学、物理化学、分析化学等。此后，自由基生物学向

4、卫生学、临床医学、药理学、毒理学等多种临床医学学科渗透，出现了一门新兴交叉学科：自由基医学，为阐明某些疾病发生机理、制定相关防治策略提供了理论基础。 二、自由基的来源与种类 数据显示，人体每一个细胞每天要遭受10 000个自由基攻击，体内自由基的产生主要有两个来源：外源性自由基和内源性自由基。 (一)内源性自由基 主要由体内酶反应和非酶反应产生。人体新陈代谢本身就是一个氧化过程，细胞有氧呼 吸过程中，线粒体电子传递链因氧化还原反应不完全可以产生超氧离子自由基；血红蛋白、肌红蛋白可通过非酶促反应产生自由基；体内分子氧与多种不饱和脂类(如膜磷脂中的不饱和脂肪酸)直接作用后也可生成自由基。另外，外来

5、致病微生物侵人人体时，机体产生炎症反应，白细胞中也会出现大量自由基。 (二)外源性自由基 由体外理化因素影响而产生，主要因素有：1 吸烟与被动吸烟 科学家们从烟气中发现的自由基有过氧化氢、一氧化碳、二氧化碳、烷基和烷氧基等多种有害的自由基，据估计每支香烟中含有10M个自由基，吸一口烟，就会吸入几百万个自由基。 2辐射与电磁波 阳光中的紫外线以及医学诊疗中的各种射线照射皮肤表面时也可产生自由基。 3环境污染包括空气污染、饮用水污染、工业废水污染以及土壤污染，大气上空的自由基占分子污染物总量的1一10，汽车尾气以及大气中的HNO2、SO2可诱发体内产生自由基。 4化学物质损害 例如药物、食品添加剂

6、、残留农药、乙醇等化学物质在肝脏解毒过程中可产生自由基。 5精神状况 压力过大、急躁、焦虑、郁闷、紧张等情绪问题刺激体内分泌去甲肾上腺素和肾上腺腺素，它们进行分解代谢时将会产生自由基。 (三)生物体内常见的自由基 ， 自由基的表示方法是在含未成对电子的分子或原子符号的旁注一个圆点“·”，“·”代表 不成对的电子。生物体内常见的自由基有氢自由基(H·)、有机自由基(R·)、脂质自由基 (L·)、氧自由基等。有机自由基包括甲基自由基(·CH3)、乙基自由基(·cH3CH2)等。氧 自由基为氧原子上含有不成对电子的自由基，占人体内

7、自由基总量的95以上，包括超氧自由基、羟自由基、过氧化羟基自由基(·0H2)、烷氧自由基(RO·)、过氧化物自由基、二氧化氮和一氧化氮自由基、氧化脂质自由基(L-O·)以及过氧化脂质自由基(L-O-O·)等。与氧自由基有关的一个概念是活性氧(reactive oxygen)，指含有氧且具有较高氧反应性的化合物，包括超氧自由基、羟自由基、过氧化氢、单线态氧(1O2)与脂质过氧化物。在上述活性氧中，原子上含有不成对电子的自由基称为活性氧自由基(reactive oxygen free radical)。由此司见，自由基是可以不含氧的，如氢自由基、有机自由基、

8、脂质自由基，而活性氧也可以不是自由基，如单线态氧、过氧化氢。因此，自由基、氧自由基、活性氧及活性氧自由基等既有区别又有联系。与衰老机制关系最密切的自由基主要是超氧自由基、羟自由基和过氧化物自由基，它们都属于活性氧自由基。 正常情况下，参与代谢的氧大多数与氢结合生成水，然而有4一5的氧将被酶催化形成超氧自由基。超氧自由基又称超氧化物阴离子自由基(superoxide anion radical)、超氧化物自由基(superoxide radical)、超氧阴离子自由基，系02得到一个电子，成为带有未配对电子的负电荷粒子，以02-表示。与其他活性氧相比，超氧自由基化学性质不很活泼，但半寿期较长，是

9、生物体内其他氧自由基的前身物质，经过一系列反应可生成脂质自由基、脂质过氧自由基、嘧啶自由基、嘌呤自由基等，引起核酸链断裂、多糖解聚和不饱和脂肪酸过氧化，造成生物膜损伤、线粒体氧化磷酸化作用改变，以及其他一些变化，从而损伤机体。超氧自由基在超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)作用生成过氧化氢(H202)，后者可被过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化物酶作用而除去。 羟自由基又称氢氧自由基，以·OH或OH·表示，是已知化学性质最活泼、毒性最大的活性氧自由基，几乎可以和所有细胞成分发生反应，对机体危害极大；但它作用半径小，仅能与邻近分子起反应。H202是极易产

10、生·0H的物质，体外紫外线(254 rim)照射HzOz可立即产生OH，过氧化物自由基又称烷过氧自由基，以R00·表示，与烷氧自由基(RO。)、有机氢过氧化物(ROOH)和激发态羰基(RO*)等统称为脂质过氧化物(lipid peroxide，LPO)，系脂类中的不饱和脂肪酸与自由基发生过氧化反应所生成。 三、自由基对机体的损害作用及其机理 生物体内的自由基具有杀菌作用，还可以参与前列腺素、胶原蛋白合成，调节细胞免疫和信号传导，这是其有利的一面；但另一方面，由于自由基化学性质极不稳定，容易使细胞成分如核酸、脂质、蛋白质等大分子物质发生变性和交联，并且触发连锁反应，生成大量的

11、氧化物、过氧化物以及新的自由基，损伤DNA、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起细胞结构与功能损害，甚至导致生物体衰老与死亡。具体机理如下。 (一)自由基对脂类物质的影响 自由基对人体的攻击首先是从细胞膜开始的。细胞膜极富弹性和柔韧性，它的电子很容易丢失，因此细胞膜容易遭受自由基攻击。自由基能够氧化生物膜中的脂类物质，尤其是不饱和脂肪酸，形成过氧化脂质，致使生物膜流动性降低、脆性增加、脂质双层断裂，从而导致各种膜性细胞器受损：细胞膜受损后，其通透性、离子转运以及屏障功能遭到破坏，营养成分无法进入细胞内，细胞内的代谢废物也排泄不出来，造成细胞坏死；线粒体膜受损后，有氧呼吸和能量供给发生障碍

12、；溶酶体膜受损后，释放出来的多种水解酶可使组织细胞裂解，甚至导致细胞自溶；粗面内质网受损后，核糖体无法附着，直接影响蛋白质合成。脂质过氧化会生成终产物丙二醛等，它们可以引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合。过氧化脂质与蛋白质结合生成不溶于水的脂褐素(lipofuscin)，沉积在皮肤细胞中不易除去，形成老年斑，如果在大脑、脑干、脊髓和神经节中堆积，将会导致神经细胞老化，引起记忆减退或智力障碍，甚至出现老年痴呆症，自由基对大脑海马体神经细胞的损害可能是导致脑功能丧失的原因之一。自由基氧化血液中的脂蛋白，造成胆固醇沉积于血管壁，引起心脑血管疾病。 (二)自由基对蛋白的影响 自由基能够使蛋白质出现

13、交联、变性，引起多肽链断裂，产生某些异性蛋白，引起机体自身免疫反应。胶原蛋白交联聚合致使胶原溶解性下降、弹性降低以及水合能力减退，导致老年皮肤失去张力而皱纹增多，还会出现老年骨质再生能力减弱等。 自由基能够促进胶原蛋白酶和硬弹性蛋白酶释放，促进胶原蛋白和硬弹性蛋白过度交联并降解，如果发生于皮肤中，将导致皮肤松弛、皱纹增多；发生于血管间质成分时，引起毛细血管脆性增加、通透性增高、静脉曲张，甚至血管破裂。试验证明，细胞经自由基作用5 min，细胞膜上的泵蛋白和载体蛋白的结构与功能受影响；作用35 min，细胞开始融解。仓鼠毛细血管后静脉经自由基作用后，通透性增强，能通过相对分子质量180×

14、;103的右旋糖酐。此外，自由基能够抑制聚合酶活性，引起RNA与DNA断裂与交联、核酸变性，干扰遗传物质的正常复制与转录，影响细胞增殖，甚至出现基因突变。 (三)自由基对人体器官和系统的影响 自由基能够激发人体释放各种炎症因子，促使细胞外黏多糖发生氧化降解，导致关节腔中的滑液失去滑润作用，从而引发关节炎。自由基还能侵蚀胰脏细胞引起糖尿病，损伤肝脏导致肝炎。如果自由基作用于免疫系统，将会引起人体细胞免疫和体液免疫功能减弱，导致免疫性疾病出现。 由上可知，自由基对人体有多种危害，但在正常情况下，人体中存在自由基清除剂，可以维持自由基代谢平衡，使人体处于健康状态。 四、自由基清除机理与抗衰老 能与自

15、由基反应而除去自由基的物质称为自由基清除剂，正常细胞内存在两类自由基清除系统：抗氧化酶和抗氧化剂。前者如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶，后者如尿酸、谷胱甘肽、胡萝卜素、维生素E、维生素c等。 (一)抗氧化酶 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，s0D)又称过氧化物歧化酶，国际生化委员会编号： 115.1.1，1968年由美国马里兰州巴尔的摩老年医学中心科学家McCord和Fridovich从牛红细胞中首次发现。SOD广泛分布于各种生物体内，是目前为止发现的唯一以自由基为底物的酶，属于金属酶，按照结合金属离子种类不同分为以下三种：含铜与锌超氧化物歧化酶(Cu

16、Zn-SOD)、含锰超氧化物歧化酶(Mn-SOD)和含铁超氧化物歧化酶(Fe-SOD)，它们都能将O2-·歧化为H2O2与O2，是机体内对抗自由基的第一道防线。 过氧化氢酶(catalase，CAT)是一种以铁卟啉为辅基的氧化还原酶，广泛存在于动植物组织中，能够迅速有效地将H2O2分解为H2O和02。 谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GSH-Px)是一种广泛存在于细胞线粒体、胞浆内以及生物膜上的水溶性四聚体蛋白酶，能将脂质过氧化物还原成无害的羟基化合物，并使过氧化物分解，从而保护细胞免受自由基损害，硒是其必要组成成分。 (二)抗氧化剂 1尿酸是嘌呤的

17、代谢产物，体内蓄积过多可以引起痛风，但是另一方面，尿酸对内源自由基的清除能力和抗氧化作用最强，具有防止氧化应激的作用。 2谷胱甘肽是一种存在于自然界中的氨基酸复合物，由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成，属于含有巯基的、小分子肽类物质，有还原型(G-SH)和氧化型(G-s-S-G)两种形式，生理条件下以还原型谷胱甘肽占绝大多数，具有重要的抗氧化作用和解毒功能。 3胡萝卜素普遍存在于动物、植物、真菌、藻类和细菌中，有a，p，y三种异构体，在肝脏中均可转变为维生素A，具有抗氧化作用，其中以p一胡萝卜素的活性最高。 4。维生素E又名生育酚，属脂溶性维生素，人体不能自行合成，只能从食物中摄取，主要来源于全谷

18、类食品、果仁、花生、黄豆等。维生素E共有八种化合物，其中仪一生育酚最具生物活性，和人体健康关系最密切。维生素E在生物氧化还原系统中是细胞色素还原酶的辅助因子，具有生物抗氧化作用，通过使氧化型谷胱甘肽过氧化物酶转变为还原型酶减少过氧化物生成，防止细胞膜中脂质过氧化。 5维生素c是一种水溶性高效抗氧化剂，大多数动物体内可自行合成，但是人类、猿猴、天竺鼠等必须从食物中摄取。由于它能可逆地加氢或脱氢，故在体内许多氧化还原反应中具有重要作用，例如，维生素c能够使许多含有巯基(-SH)的酶处于还原状态而保持酶活性，促进氧化型谷胱甘肽转变为还原型谷胱甘肽，保护维生素A、E以及某些B族维生素免受氧化，从而有助

19、于清除自由基，阻止脂类过氧化；此外，维生素C参与胆固醇羟化生成胆酸，降低血浆胆固醇含量；如果维生素C不足，将影响胶原合成，造成创伤愈合延迟、微血管壁脆弱及不同程度出血。 这些具有抗氧化作用的酶和非酶系统在体内组成了一道道防线，有效地阻止了有害自由基对机体的伤害，维持体内自由基的产生和清除处于平衡状态，有利于保持机体健康。研究发现，人类在25岁左右体内的自由基清除剂含量最丰富，以后逐年减少，过了40岁减少速度加快，如不及时从体外补充，容易出现衰老。 1956年，英国科学家Harman在研究衰老机理时提出了自由基学说，他认为机体的某些生理过程，例如，细胞吞噬、胶原合成、前列腺素合成、肝脏解毒等，都

20、会产生各种活性氧分子，另外接触电磁波辐射、环境污染、化学制剂也会生成大量有害的自由基。同时生物体具有有效的抗氧化系统，维持体内自由基的正常水平，但是随着年龄的增长，抗氧化系统不足以清除自由基，平衡就会破坏，导致自由基蓄积。这些自由基，尤其是活性氧自由基，诱发脂质过氧化，损伤生物膜；导致蛋白交联增多，酶活性降低；损伤DNA，引起基因突变，造成蛋白质与酶合成错误、活性降低，最终导致细胞形态、功能障碍，乃至机体衰老、死亡。Harman在提出自由基与机体衰老和疾病有关后，接着于1957年发表了第一篇研究报告，阐述用含050%-1自由基清除剂的饲料喂养小鼠可以延长寿命。后来，自由基学说又陆续得到了许多基

21、础实验和临床研究的证实。 许多物种O2-·的产生速率与其衰老程度密切相关，·OH和02-·产生速率低而清除机制完备的有机体存活时间明显较长。过氧化氢(H2O2)虽然不是自由基，但由于其化学性质活泼，并且可以演变为自由基，故一般也把它列入氧自由基范围内。将不同细胞系暴露在剂量为110 mmolL的H：02时，H2O：表现出有丝分裂原的作用，刺激细胞生长；剂量为10100 mmolL时，诱导细胞凋亡；而在剂量大于100 mmolL时，则表现细胞毒性作用，甚至引起细胞坏死。这种不同剂量的H202与细胞生长状态的相关性，提示自由基对细胞凋亡的影响存在剂量依赖关系。严格来讲，臭氧(O3)既不是自由基也不属于活性氧，但它能 够与生物大分子反应产生自由基，例如氧化蛋白质的胱氨酸和组氨酸，氧化不饱和脂肪酸导致