自由基生物学

自由基生物学自由基生物学自由基生物学V:1.0精细整理，仅供参考自由基生物学日期：20xx年X月第一章自由基的产生及其化学性质一、什么是自由基如方程式（1）、（2）所示，当A与B两个分子或原子间形成共价键时，可以看作它们共享一对电子，这两个电子既可以是一个分子所提供的，也可以是每个分子各贡献出一个电子，前者称为配位作用，后者称为共价结合。A:-+B+A:B（配位作用）（1）A.+B.A:B（共价结合）（2）其逆过程，即当一个共价键离解时，必须要供给能量（自由能）。反应式（1）的逆过程称为异裂，反应式（2）的逆过程称为均裂。在均裂时所产生的分子或原子含有一个不配对电子，这种分子常具有高度化学活性——氧化活性。正因为如此，它们的寿命也极短暂。这些可以单独存在的具有一个或几个不配对电子的分子或原子就称为自由基（freeradical），用表示，即在分子式的右上角加一个黑点作为自由基的特征标记，以表示存在着不配对电子。根据这个定义，我们可知道氯原子（Cl）、氧原子（O:）和OH．都是自由基。有些自由基即使在室温的溶液中也是稳定的，如氧原子（一个稳定的双基）。有些自由基带有负电荷或正电荷，所以叫做离子自由基或离子基。这种自由基往往又是氧化还原反应的中间产物。在氧化还原反应过程中，中性分子接受一个电子而变成负离子基，或失去一个电子而成为正离子基。二、自由基的产生一般而言，自由基是通过共价键的均裂而产生的，但也可通过电子俘获而产生。R+e-R.天然存在的自由基一般都是有用的自由基（如氧原子），或者是半衰期比较短的自由基（如氯原子）。但是，由于某些分子，尤其是共价结合的有机分子吸收外部能量而产生均裂时，所形成的自由基是非常有害的。共价分子发生均裂而形成自由基的机制有：热解、光解和氧化还原反应。(1)热解很多化合物，特别是含有弱键的有机化合物可以发生热均裂反应，生成活泼的自由基。典型的例子是热锅炒菜时，脂肪、蛋白质和糖类等有机营养物发生的热均裂反应；抽烟时，烟草的不完全燃烧也产生大量的自由基。(2)光解电磁辐射（可见光、紫外线、X射线）或粒子轰击（如高能电子）都可提供使共价键裂解的能量而形成自由基。如紫外线照射可使水发生均裂而生成羟自由基（OH．）:H2O紫外线H．+OH．羟自由基可与机体内的有机物发生一系列的氧化还原反应，导致机体损伤，突变，甚至死亡。这就是紫外线杀菌的原理。（3）氧化还原反应氧化还原反应过程中产生的电子转移也可形成自由基。机体的生命活动离不开能量，这种能量主要由营养物质来提供，生物体可将营养物氧化还原而自控地提供能量，这一过程产生了大量的电子，但是，电子可通过生物体的电子传递链有序地传递而产生少量的自由基中间产物，从而避免了大量的自由基对机体本身的伤害。然而，有些时候机体中发生的氧化还原反应也可产生大量的自由基，因此对机体造成极大的伤害。例如，积食所造成的食物不完全氧化，便秘或宿便所造成的食物残渣被机体回收利用等。三、自由基的化学反应（1）湮灭反应两个自由基可发生自我湮灭反应（self-annihilation）（又称复合反应或复合作用）：R.+R.R-R但在正离子基和负离子基之间未见到这种反应，因为电荷相同时，二者由于静电相斥而发生排斥作用。（2）夺氢反应这是非常普遍的自由基反应，也是自由基致衰老的主要原因。R.+A-HR-H+A.夺氢反应在自由基清除剂的反应中也很重要，如硫醇类有机物（大蒜、姜、葱等具有辛辣味的蔬菜中富有）含有-SH基团，在溶液中可与自由基发生包括夺氢反应在内的一系列反应：R.+X-SHR-H+X-S.2X-S.X-S-S-X由此可见，硫醇类有机物在生物系统中是一种有效的自由基清除剂（详见第三章）。（3）耗氧反应R.+O2RORO+A-HR-OOH+A.这个反应是自由基使机体产生老年斑的主要原因。碘、硫和醌类可代替氧发生这个反应。（4）歧化反应有时一个自由基可从另一个自由基的β碳上夺取一个质子，变成安定的化合物，另一个自由基则变成不饱和化合物，其结果与复合作用一样，使自由基消灭，以终止自由基反应，例如：2CH3-CH2岐化酶CH2=CH2+CH3-CH3（5）加成反应R-X-C=C-X＇+R．X-C-C-X＇R-（6）链锁反应有时，一个自由基的反应产物成为另一个自由基反应的底物，从而引起一系列的自由基链式反应，称为自由基的链锁反应。自由基链式反应包括三个阶段，即引发、增长和终止阶段。其过程如下：A-A2A（引发）A+B-CA-B+CC+A-AA-C+A（扩展）从总体来说，反应起始时，引发阶段占主导地位，反应体系中的新生自由基形成许多链的开端，反应底物的浓度也很高。这时，反应体系中以扩展阶段为主体，如果起始时有n个引发自由基，那么在扩展阶段中就有n条反应链。当反应到一定阶段后，体系中的非自由基底物越来越少，自由基本身相互碰撞的机会也越来越多，于是终止阶段也就到来：2AA-A2CC-C（终止）A+CA-C当然，如果反应体系中从一开始就有抗氧化剂（自由基清除剂）存在，那么它很快就捕捉住由引发产生的自由基，使反应不能扩展，从而很快终止了自由基的链式反应。抗氧化剂在生产上很重要，主要有硫、磷、酚类、维生素E、维生素C、胡萝卜素等。（-CH=CH-CH2-）+R.RH+（-CH=CH-HC.-）O2（-CH=CH-CH2-）+（-CH=CH-HCO2.-）（-CH=CH-CH-）（败酸）O-OH图1-1老年斑形成过程（7）脂类过氧化作用自由基链锁反应的最好例子是脂类过氧化作用。生物膜中含有多种不饱和脂肪酸。如细胞膜、线粒体膜、溶酶体膜和内质网膜等，它们均含有种类繁多的不饱和脂肪酸，其特点是：当有自由基和氧存在时，就发生氧化变质，经常伴有一股难闻的酸败气味，并且使得食物不可口。这是食品过期变质的原理。这一作用对于理解自由基对细胞的损伤也是重要的。即R.可从不饱和脂肪酸分子上夺走氢，使其变成自由基，……不饱和脂肪酸自由基再吸收氧而形成败酸。败酸再和组织蛋白质结合形成脂褐质，俗称老年斑，即动物和人的神经细胞、心脏、肝及皮肤在老年时出现的点状或弥散状色素沉着。其反应通式如图1-1：第二章活性氧一、氧的毒性大约2×109年以前，地球上开始出现氧气，随着臭氧（O3）在高空的出现，以及臭氧和氧把有害的太阳紫外线吸收掉后，才使较复杂的陆生生物的进化成为可能。氧气是地球上一切需氧生物赖以生存的必备条件，但恰好又是最终导致其衰老或死亡的罪魁祸首。原因是氧具有毒性！正常人静脉血中氧的含量为40mmHg，当氧的浓度增高时，就会发生中毒现象，主要表现为慢性中毒。例如，1940年发现许多早产婴儿眼晶体纤维化，到了1954年才知道这是由于把早产婴儿放在高氧浓度的育婴箱中造成的。后来认真控制氧的浓度后，这种病就不常见了。高浓度氧常能抑制视网膜血管的生长，当回复到正常浓度时，血管就会过分生长，有时会造成视网膜脱落，随后失明。高浓度氧对内分泌也有影响，使畸胎率增高。二、活性氧及其在生物体内的产生1．活性氧的定义氧的毒性不是由于氧分子本身的反应能力，它的反应能力相对来说是微不足道。氧的毒性是由于氧分子还原成水时产生的许多中间产物，其中的绝大部分都是自由基，因此，把这些中间产物统称为活性氧（activeoxygenspecies），即氧分子被还原成水时所产生的中间产物的统称，它包括超氧阴离子（superoxideanion）O2、羟自由基（hydroxylradical）OH．、过氧化氢分子（hydrogenperoxide）H2O2、烷氧基RO．、烷过氧基ROO．、氢过氧化物ROOH和氧分子O2本身等等。其中ROO．和ROOH又称为脂类过氧化物。氧分子还原成水的全过程如下：O2+e-O22H+O2+e-H2O22H+H+H2O2+e-OH.+H2OH+H+OH.+e-H2OH+2．活性氧的产生细胞在正常代谢过程中，或者受到高能辐射时，以及由于高压氧，药物（抗癌药、抗生素、杀虫剂、麻醉剂等）代谢、吸烟和受到光化学空气污染物等作用都能产生活性氧。三、活性氧的毒性1．羟自由基的毒性OH．非常活泼，几乎能与活细胞中任何分子发生反应，且反应速率极快。能反应的物质遍及糖、氨基酸、磷脂、核酸和有机酸等。OH．是最活泼的自由基之一，在活性氧中也是最活泼的。它的反应可分为三大类：夺氢、加成和电子转移。其中夺氢和加成反应是OH．导致生物机体细胞损伤、衰老或死亡的重要原因。夺氢反应：OH．可从醇类上夺走一个氢原子，并与之结合生成水，使醇碳原子带有一个不成对电子。以乙醇为例：CH3CH2OH+OH.CH3C.HOH+H2OCH3CH3CHOHCH3CHOHCH3C.HOH+CH3C.HOHOH．与生物膜上的卵磷脂就是通过夺氢反应产生碳自由基而造成膜损伤的。当OH．攻击糖，例如DNA中的脱氧核糖时，能产生许多不同的产物，其中有些具有致突变作用。加成反应：OH．可与DNA中嘌呤或嘧啶的-C=C-发生加成反应，生成嘌呤或嘧啶自由基，这些自由基再发生一系列的反应，最终引起DNA链的断裂，严重损伤DNA，以至于不能修复，使细胞死亡。即使活着也会发生突变（或癌变）。电子转移：OH．可与无机物或有机物发生电子转移。如：Cl-+OH.Cl.+OH-以上各种反应可见，OH．如果在机体内产生，那么它可以立刻与周围的任何生物分子发生反应，生成活性各异的次级自由基，从而导致机体不同程度的损伤。2．超氧阴离子的毒性O2是氧分子被还原成水时所产生的第一个活性氧自由基，其化学反应性质较OH．弱，具有双重性质，既可作为电子供体（还原剂），又可作为电子受体（氧化剂）。当其作为弱碱起作用时，可以成为电子供体，即还原剂，例如它能还原细胞色素（一种含血红素的蛋白质）和血红蛋白，使血红素中心的Fe3+还原成Fe2+：细胞色素C（Fe3+）/血红蛋白（Fe3+）+O2O2+细胞色素C（Fe2+）/血红蛋白（Fe2+）当它作为电子受体起作用时，可以成为弱氧化剂，能氧化抗坏血酸：抗坏血酸（维生素C）+O2+H+H2O2+抗坏血酸（维生素C）自由基（剧毒）也能使与NADH结合的酶（如乳酸脱氢酶）形成NAD自由基：酶-NADH+O2+H+H2O2+酶-NAD由此可见，因光化学和酶反应所产生的O2能使酶失活、使红细胞溶血、杀菌、使DNA降解和破坏动物细胞等。此外，O2还可与细胞内的过度性金属离子发生反应，生成更活泼的OH．。3．过氧化氢分子的毒性H2O2本身的毒性很低，常温下可自发生成水和氧气。它是一个弱氧化剂，常被用作消毒剂，细菌对它十分敏感，它能使动物细胞损伤。H2O2能迅速穿过细胞膜，而O2不能。在细胞内的H2O2能与Fe2+或Cu+等过度性金属离子生成毒性更大的OH．，这是H2O2具有毒性的真正原因：Fe2++H2O2Fe3++OH．+OH-Cu++H2O2Cu2++OH．+OH-当H2O2与紫外线结合使用时，对细菌和病毒的杀伤能力比单独使用时强。这是由于紫外线可使H2O2发生均裂而生成OH．的原因：H2O2紫外线2OH．4．脂类过氧化物的毒性生物膜具有流动性，这是由于膜脂中含有多种多不饱和脂肪酸的原因，其流动性与脂肪酸的不饱和程度有关，不饱和程度越大，流动性就越大。如果多不饱和脂肪酸遭到破坏，则膜的流动性就下降，这对膜的功能会产生严重的影响，从而导致严重的疾病，如高血压、冠心病、脑血栓等。生物膜的损坏往往是由于自由基攻击膜脂，使其形成过氧化物而致的。脂类过氧化物的形成破坏了生物膜的流动性，导致细胞损伤、衰老或死亡。脂类过氧化物可使红细胞膜失去变形能力，不再能挤过微血管，导致溶血，从而产生尿血症。脂类过氧化物进一步和组织蛋白相结合、沉积，可导致功能蛋白失活、形成老年斑或产生肿瘤等。脂类过氧化物本身还具有致癌作用，经常食用含有脂类过氧化物的食品可导致食管癌或肠道癌的发病机率增大。脂类过氧化物与衰老及肿瘤的具体关系分别见其后相关章节。第三章自由基清除剂自由基对生物膜和其它组织都有损伤作用，自由基也会引起一系列病理过程，因此有机体在长期进化过程中必然产生一些物质能清除体内的自由基，这些物质就统称为自由基清除剂（scavenger）。自由基清除剂与抗氧化剂密切相关，在某种程度上属于同义词，在最广泛的意义上，抗氧化剂能抑制各种物质的氧化变性，例如食物中的不饱和脂肪酸的酸败过程，这种氧化性变质反应包括自由基链锁反应的各个阶段，即自由基引发阶段、扩展阶段和终止阶段，抗氧化剂能降低链锁反应中扩展阶段的效率，这是通过它的清除作用降低活泼的自由基中间体的浓度而实现的，因此这里的抗氧化剂是名副其实的自由基清除剂。但有时，有些抗氧化剂是通过清除自由基引发剂来起作用的，例如清除某些能引发自由基的金属离子（如Fe2+或Cu+）来达到目的。从这个意义上讲，抗氧化剂就不属于真正的自由基清除剂了，但它却直接阻止了自由基的产生，达到清除自由基的目的。因此，广义上讲，凡具有直接清除自由基的作用，或者具有阻止自由基产生的作用的一切物质都称为自由基清除剂。一、天然的自由基清除剂动植物组织中有许多物质起自由基清除剂的作用，但是往往在正常生理浓度时不起作用。这些物质可分为水溶性和脂溶性两大类。1．水溶性清除剂①维生素C(VitC)：又称抗坏血酸，水溶性，它是一个温和的还原剂，在体内能有效抑制脂类过氧化作用。其生理功能主要是抗氧化和抗坏血，具有抗辐射、抗癌和抗衰老等作用。VitC广泛存在于各种蔬菜和水果中，其中含量最丰富的是芒果和橙子。抗坏血酸在空氧中易被氧化，尤其有过渡性金属离子存在时（例如：Cu+、Fe2+），但在整体或水溶液中不易被破坏。由于VitC具有自由基清除剂的作用，所以常被加入食物中以防止氧化性变质。但需要注意的是，外源维生素C不能过量摄入，否则会引起中毒。因为：维生素C（大量）+O2+H+Fe2+/Cu+H2O2+维生素C自由基（剧毒）②含硫化合物：含硫化合物包括组织中的谷胱甘肽（GSH）、麦角硫因、半胱氨酸以及葱和大蒜中的含硫活性成分，通式为Rn-SH。它们都是有名的自由基清除剂。其中有些具有较高的防辐射能力，如GSH和半胱氨酸。GSH是一种由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸缩合而成的小分子肽，具有很强的还原活性，广泛存在于各种动物组织中，是机体中的主要还原力，是细胞的必要成分之一，因此它是维持生命所绝对必需的。其主要功能是给机体提供还原力，保护机体其它重要组织或成分免受自由基的氧化。许多蔬菜和嫩芽中都含有丰富的含硫化合物。在正常情况下，机体本身可合成生理水平的GSH。Rn-SH可通过给氢过程而抑制自由基引发反应：Rn-SH+R．Rn-S．+R-H而新形成的自由基Rn-S．却不能催化链锁反应：2Rn-S．Rn-S-S-Rn2．脂溶性清除剂天然的脂溶性清除剂主要有：维生素E、维生素A、胡萝卜素类和泛醌。①维生素E（VitE）：又称生育酚，其主要生理功能是抗衰老和抗不育。蜂蜜、鸡肉、蘑菇、香蕉、花生和木瓜中广泛含有。VitE的缺乏可引起皮肤癌和乳腺癌，甚至导致孕妇流产。VitE是脂溶性的，可有效清除膜内过氧化脂类自由基。而VitC是水溶性的，存在于细胞外液和细胞质中，起电子传递的作用，主要清除细胞外液和细胞质内的自由基。两种维生素密切配合，有效地清除细胞内外的自由基，抑制了细胞中的脂类过氧化作用，维持其正常生理状态。必须指出的是，尽管整体的动物实验已经证明了VitE和VitC是一种重要的自由基清除剂，但在生理浓度的人体离体试验时未发现其保护作用。因此，在商业上把维生素E加到面部化妆品中和作为抗衰老药物使用，其效果是值得怀疑的。②泛醌类：泛醌是哺乳动物肝线粒体呼吸链中组成之一，具有抗氧化作用，能有效防止因氧化代谢所产生的自由基对细胞膜不饱和脂肪酸的攻击。③维生素A（VitA）：存在于谷物及其皮中，其生理功能与上皮组织的发育有关，具有抗氧化和保护视力作用。VitA的缺乏可导致上皮细胞角质化，皮肤变得粗糙、干燥，甚至衰老。④胡萝卜素类：胡萝卜素广泛存在于萝卜、胡萝卜和多种海藻中，具有很强的抗氧化能力。β-胡萝卜素由2个VitA分子单体构成，裂解后可获得2分子VitA。β-胡萝卜素可有效清除由光辐射产生的OH．自由基，因此具有保护视力和抗衰老的功效。二、外源性自由基清除剂——食品中的抗氧化剂罐头食品中常加入低浓度的丁化羟基甲苯，没食子丙酯或乙氧基喹作为抗氧化剂（或防腐剂），以防止食物的氧化性变质（主要是清除自由基，抑制脂类过氧化作用）。在食品管理法中对这些添加剂的用量控制都有严格规定，这样可避免其有害作用。例如：在苹果和李的保存中，乙氧基喹的最高允许量为3ppm。食品保存中所用的抗氧化剂（AH2）主要都是通过供氢来发挥作用的。AH2对脂类过氧化作用的抑制是由于过氧化自由基从抗氧化剂得到氢而消灭了自由基本身。其作用机理如下：R-O-O．+AH2R-OOH+AH．2AH．AH2+AR-O-O．+AH．R-OOH+A三、中药的自由基清除作用近年来发现许多中药具有清除自由基的作用，如甘草能清除O2，具有抗脂类过氧化的作用；柚皮有很强的抗氧化能力；五味子和女贞子具有保肝护肝作用等等。以酒精为例，当它进入血液后，可被活性氧氧化成乙醇自由基，其过程如下：CH3CH2OH+OH.CH3C.HOH当乙醇自由基进入到肝脏时，能迅速诱发生物膜脂类过氧化作用，或与肝细胞的大分子如蛋白质和脂类进行共价结合，破坏膜结构和功能的完整性，导致肝细胞坏死，胞浆中可溶性酶释放入血液，使血清中转氨酶升高。中药五味子和女贞子能迅速清除血液和肝脏中的乙醇自由基，因此具有保肝护肝作用。四、常见水果蔬菜中的抗氧化能力我们日常生活食用的许多水果和蔬菜都具有一定的自由基清除作用，简要介绍如下：（1）未经煮沸的豆角、韭菜、茄子、香蕉、油菜、土豆和四季豆汁的抗氧化力强，一经煮沸则效果减弱；（2）黄瓜、葡萄和番茄汁经煮沸后，效果反而增强；（3）陈皮、大枣、山楂、生姜、大蒜和茶叶的水提物有较强的抗氧化作用；（4）在以下7种常见的蔬菜和水果汁中，抗氧化能力的大小依次为：茄子汁＞豆角汁＞青椒汁＞黄瓜汁（煮沸）＞葡萄汁（煮沸）＞番茄汁＞桃汁。五、活性氧的清除需氧生物时刻不停地利用氧气进行呼吸代谢，而氧分子被还原成水的过程中产生了大量的活性氧自由基，反过来对机体本身又造成致命的伤害。需氧生物一面需氧，同时又受到氧的损伤，机体如何解决这一矛盾呢？所幸的是，为了维持正常的生命活动，需氧生物在漫长的生物进化过程中已演化出一整套完整的能迅速清除因氧的代谢而产生的活性氧系统，即活性氧清除酶系统。主要由超氧化物岐化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽（GSH）和谷胱甘肽过氧化酶（GP）组成。SOD能清除O2，同时生成H2O2。H2O2又可被CAT清除，生成H2O和O2。除CAT外，GP也可清除H2O2，而且还可清除脂类过氧化自由基RO及ROOH（R－OOH）。其作用机制如下：O2+O2SODH2O2+O2CATGPH2O2H2O+O2CATGPR-OOH+GSHGPR-OH+GSSG+H2O至今还不知道有何种酶能清除OH．。由于它的氧化能力极强，一旦产生就迅速与邻近物质反应，似乎不可能有什么酶来得及在它氧化其它物质之前起清除作用。所以细胞只能利用SOD和CAT去阻止O2或H2O2生成更活泼的OH．，以防患于未然。因为在O2被还原成水的过程中，首先生成O2，其次生成H2O2，第三才生成OH．。第四章自由基的生理功能生物机体内各种不同的自由基的产生和清除应处于动态平衡之间。自由基过多或不足都对机体不利。自由基产生过多或清除过慢固然会促进机体衰老，引起各种疾病。如果生物机体不能维持一定量的自由基水平，也会给生命活动带来不利影响，甚至不能进行正常的代谢活动，或者发生另外一些类型的疾病。因此认为自由基总是对机体有害的观念是错误的。本章主要阐述一些自由基对生物机体有益的方面，即自由基的生理功能。一、吞噬作用动物细胞的白细胞碰到细菌及其它微生物时会把它们包围起来并吞入细胞内，这一过程称为吞噬作用（phagocytosis）。机体受病毒或病菌入侵后，就会发炎。在发炎的晚期，单核白细胞（成熟白细胞的前体）就进入发炎区。它们的代谢率和吞噬功能原来都比较小，但一旦进入发炎区后，这些单核白细胞就会受到病菌的刺激而变成巨噬细胞（成熟白细胞的一种）。这时，巨噬细胞的代谢率和吞噬功能都大大地增加，从而能大量地吞噬病菌。吞噬作用的整个过程为：当病菌碰到巨噬细胞时，细胞膜首先凹陷，然后把整个病菌包围，并形成吞噬体转移入细胞质内，这样细胞膜的外表面就成了吞噬体的内表面。此时，巨噬细胞就象整个生命机体消化食物一样，对吞噬体进行彻底的消化作用，这种消化作用需要消耗大量的O2，这一现象称为呼吸爆发（respiratoryburst）。巨噬细胞消耗氧的同时可在其胞内产生大量的活性氧自由基，从而达到对病菌的杀灭作用。当然，大量的活性氧自由基对巨噬细胞本身也是致命的，因此，这一过程也是巨噬细胞（严格来说，应当是白细胞）自杀性的行为。这就是发炎部位往往化脓的原因。二、凝血作用凝血酶原是凝血酶的前体。凝血酶可激活血中的纤维蛋白原形成纤维蛋白，因而在凝血过程中起作用。凝血酶原又是它的前体凝血酶原前体在超氧阴离子的氧化作用下才生成凝血酶原的。在生成凝血酶原时，维生素K是必不可少的因子。凝血过程的作用机制如下：维生素K维生素K还原酶维生素K半醌维生素K半醌+O2维生素K还氧化物+O2凝血酶原前体超氧阴离子凝血酶原超氧阴离子凝血酶纤维蛋白原凝血酶纤维蛋白（凝血）三、生殖过程1．受精作用受精作用是一个与活性氧有关的有趣现象，其一系列的变化与吞噬作用所引起的变化很相似。当受精作用进行时，就会诱导氧消耗的突发并在卵表面立即形成一层受精膜，该膜含有大量交联的过氧化物。膜的形成可阻止更多精子的进入，即排除多精受精现象。交联是由存在于卵子中的卵过氧化物酶催化完成的。大部分额外吸收的氧被用来生产上述反应所需的过氧化氢。因此，这种“呼吸爆发”具有另一种不同的目的。受精膜的形成机制如下：2R-H+O2过氧化物酶2R．+H2O2过氧化物酶2R-OOH2．精子的激活人的精液（碱性）具有SOD酶活性，它与精子的活动能力有直接关系，同时具有保护精子免受脂类过氧化作用。由于SOD酶的存在，因此正常情况下，精子的游动能力相对较弱。当精液进入女性的生殖道时，SOD酶在生殖道的酸性环境中失活，精子受到一定程度的脂类过氧化作用，此时精子的活动能力加强，游动速度加快，从而增加其受精机率的作用，这一过程称为精子的激活。精子被激活后，可继续沿着输卵管向卵巢方向快速游动，直到受精为止。然后受精卵顺着输卵管回到子宫里定居，继续进行胚胎发育。这一过程称为“着床”。四、肝脏的解毒作用解毒作用实际上是肝细胞中的细胞色素p450催化的各类“外来物质”的羟化作用。“外来物质”可包括许多不同种类的东西，从药物到毒物，如各种药物、抗生素、脂肪酸，各种致癌物质，各种麻醉剂、杀虫剂、除草剂、烷烃系列石油产品及其燃烧产物等等。这些“外来物质”在一定剂量内可被羟化而排出体外，即被解毒。因剂量过大使机体忍受不住，就会中毒。机体对“外来物质”的解毒作用主要在肝细胞中进行，该过程需要超氧阴离子的参与。其解毒过程如下：H+p4503++底物（S）p4503+-Sp4502+-S+O2S-OHH2O2H+p4503+-S-O2p450-O2图4-1肝脏的解毒过程五、果实的成熟和植物组织创伤的影响1．果实的成熟和老化果实的成熟和老化是一个严格控制氧化的过程。在成熟过程中，水果或果实中的游离-SH基团降低，同时大量积累了H2O2和脂类过氧化物。由此可见，成熟过程可用增加水果中H2O2的含量的处理方法来进行催熟。2．植物对创伤的“响应”植物组织中含有几种特殊的氧化酶类，当组织受伤时，这些酶被释放出来，在氧的作用下，氧化酶对受伤部位组织的不饱和脂肪酸进行过氧化作用，使它变成脂类过氧化物及其降解产物——醛类物质。植物组织受破坏形成的脂类过氧化物和醛类物质在杀死企图进入伤口的细菌和真菌方面起着重要作用。六、其它自由基的生理功能还有许多方面，如前列腺素的的合成，木脂素的形成与毁坏，植物的光合作用等。第五章缺血重灌流——自由基对组织的损伤缺血引起的组织损伤是致死性疾病的主要原因，例如冠状动脉病和中风。但有许多证据说明仅仅缺血还不足以导致组织损伤，只有在一段时间后，血流又突然恢复（即重灌流）时才出现损伤。缺血组织重灌流时所造成的微血管和实质器官的损伤主要是由活性氧起作用的，这在多种器官的损伤中已得到证实。如在创伤性休克、外科手术、器官移植、烧伤、冻伤和血栓等血液循环障碍时都出现缺血——重灌流损伤。一、缺血重灌流的活性氧自由基产生机制黄嘌呤氧化酶是缺血重灌流时活性氧自由基产生的主要原因。它存在于机体的各种组织中。机体在正常情况下所摄取的食物一般不能直接提供能量，其中一部分能量直接转化为热能，以维持我们机体的正常体温，另外一部分则转化为生物能，然后以生物能的形式向各组织提供所需的能量，以维持机体的正常生理功能。这种能量的转化方式需要一种能量的中转载体，即ATP（三磷酸腺嘌呤核苷，简称三磷酸腺苷）。其供能方式如下：ATP有氧ADP（二磷酸腺嘌呤核苷）+Pi（磷酸）+能量当机体缺血时，缺血的组织处于临时缺氧状态，此时ATP的供能方式为：ATP缺氧AMP（磷酸腺嘌呤核苷）+能量缺氧腺嘌呤核苷缺氧次黄嘌呤核苷缺氧次黄嘌呤由此可见，机体缺血时组织中就会积累大量的次黄嘌呤。当血液恢复供应时（即重灌流），氧分子重新进入组织，与组织中积累的次黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶发生反应，生成大量的活性氧O2、H2O2和OH．。这些具有细胞毒性的自由基或活性氧使细胞膜脂类过氧化，使组织中的透明质酸和胶原蛋白降解，改变了细胞的结构和功能，造成组织损伤。其全过程如下图所示：ATP组织损伤AMPLOOHLH缺LH腺嘌呤核苷血OH．次黄嘌呤核苷Fe2+次黄嘌呤黄嘌呤氧化酶尿酸+O2+H2O2重灌流图5-1缺血重灌流导致组织损伤示意图二、缺血时间与重灌流的组织损伤效应由图5-1可以看出，缺血重灌流时活性氧自由基的产生与组织中积累的次黄嘌呤有关。即活性氧自由基主要由组织中积累的次黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶在有氧情况下发生反应生成，而次黄嘌呤是缺血时组织中的ATP代谢形成并积累在组织中的。因此，组织缺血时间越长，所积累的次黄嘌呤就越多，当血液重新供应时，生成的活性氧自由基也就越多，对组织的损伤程度就越大。所以，组织的损伤程度与其缺血时间成正比。当然，当组织长时间缺血时，因为细胞得不到氧气而死亡，从而导致组织或器官的坏死，这就谈不上自由基的损伤了。三、缺血重灌流对组织器官的损伤（实例）1．小肠和胃例：剧烈运动后喝冷饮，空腹饮酒或饥饿后暴饮等，均可导致小肠和胃的缺血重灌流损伤（慢性损伤）。2．脑例：饭后立即冲凉，中风（急性损伤），低血糖等。3．心脏例：冠心病、心肌梗塞、血管硬化、心力衰竭等（急性损伤）。4．皮肤最典型的例子是烧伤（急性损伤）。皮肤移植等。5．肌肉人在剧烈运动后会感到肌肉酸痛，即疲劳。当注射SOD后，疲劳症状就会减轻或消除。原因是运动过程中肌肉处于暂时缺氧状态，当停止运动时，供氧得到恢复，这是一种典型的缺血重灌流，此过程中产生大量的活性氧自由基会损伤肌肉，导致肌肉酸痛。由于SOD是活性氧的有效清除剂，因此注射SOD后可减轻运动后的疲劳症状。由此可见，在大运动量时，如及时供给维生素E、GSH或SOD等抗氧化剂可能解除疲劳或损伤。这对军事和体育运动的适宜运动量提出了质疑。6．肺例：高原缺氧和肺气肿。肺气肿的特点是支气管和肺泡管的破坏，肺泡面积缩小，导致气体交换困难，血氧过少。7．眼眼是动物唯一的光感受器，它直接暴露于光和氧气中，按理最易产生光氧化反应，也最易遭受到氧化性损伤。但事实并非如此，这与眼晶状体的生物化学特征有关。1、晶状体无直接的血液供应，因此氧的浓度极低；2、晶状体无线粒体，所以不能通过氧化而自行产生活性氧自由基；3、晶状体具有高浓度GSH，前房液中含有高浓度抗坏血酸。以上三点使得眼中氧化性代谢产物既难于生成，也难于积累。只有老年动物的光学功能才受到损伤，或是眼睛直接受到光辐射（如紫外线、射线辐射等）和暴露在光化学污染的气体中时才受到损伤。白内障是人类致盲的首位原因，据世界卫生组织1982年调查，全世界每年有1700万人因白内障而失明。对白内障的发病机制目前尚未十分清楚（可能与长期受光辐射、接触光化学污染物和受病毒及病菌感染所致），而且也无特效药防治。白内障（特点：角膜水肿，细胞通透性功能障碍）造成的眼睛失明是由缺血重灌流产生的活性氧自由基损伤眼角膜和晶状体而导致的。许多眼药水中均含有多种活性氧自由基清除剂，如SOD、甘露醇、GSH、叔丁基羟基茴香醚和β-胡萝卜素等。根据不同的职业类型、工作环境或生活习惯选用这类眼药水，或者直接通过膳食或药物适量地补充活性氧自由基清除剂，对眼睛会有一定的保健作用。8．循环性休克及其治疗循环性休克是由于剧烈旋转或高空严重失重状态下产生的周身血液循环紊乱而导致的一种有活性氧参与的病理过程。这是一种典型的缺血重灌流现象，因此自由基清除剂，尤其是活性氧清除剂都具有防治循环性休克的作用。第六章自由基与癌症长期以来，人们曾从不同角度来探讨癌症发病的原因，但未取得突破性进展。自从自由基化学揭露了自由基的高度活泼性，且能引起迅速扩展的链锁反应后，人们才把自由基的这些性质与癌症的诱发及其快速生长联系起来。此后，有关癌症发病机制的研究才取得长足的进展。一、自由基的致癌机制一个正常细胞发生癌变必须经历两个阶段，即诱发和促进阶段，称为两步致癌学说。1、诱癌阶段癌症的诱发是由致癌物引起的。致癌物要么直接损伤DNA，要么和DNA结合，使其发生结构上的不可逆改变，导致DNA结构和功能发生紊乱，最终使细胞突变或死亡，这种突变了的细胞在多次接触致癌物（这种致癌物也具有促癌作用）或促癌物时会发生转化，变成癌细胞，从而导致癌症。这就是致癌物的诱癌阶段。2、促癌阶段诱癌阶段是致癌所必需的，但不是充分的，如只停留在此阶段一般不会发生癌症，但是多次重复受到促癌物的作用时就转变成癌症。这就是癌症的促进阶段。例如，在小鼠身上涂小剂量的致癌物不会使小鼠发生皮肤癌，但在此基础上多次重复使用一些非致癌物质后（如酒精，具有促癌作用），就可制成小鼠皮肤癌模型。促癌的作用机理目前不是十分清楚，但有人认为，这可能与促癌物质诱发与DNA结合的致癌物产生自由基有关。这种自由基化作用可继续引发一系列的自由基链锁反应，从而扩大了受损DNA的损伤程度，加速细胞的转化作用。3、自由基的致癌和促癌作用自由基本身具有很强的攻击DNA的能力，它可以直接和DNA结合，使其发生结构上的不可逆改变，导致DNA突变，也可以使DNA变成自由基，然后产生一系列的自由基链锁反应，最终造成DNA的损伤或突变，这就是自由基的致癌作用。少量的自由基对DNA的损伤或突变作用是永久性的，具有转化成癌症的可能，即使暂时不得癌症，但如多次重复地受到同样的或其它自由基的攻击后，DNA的损伤或突变作用就会增加，这时，受损细胞转化成癌细胞的可能性就会大大地提高，这就是自由基的促癌作用。从这一意义上讲，自由基的促癌作用主要是通过扩大受损DNA的损伤程度，增加细胞转化的可能来实现其致癌作用的。如经常接受强日照会使人得皮肤癌，多次重复接触放射源（X射线、α、β、γ射线等）会引发白血病，习惯于油腻和烘烤饮食的人得肠道癌的机率会增加等等。二、致癌物和促癌物凡能和DNA发生不可逆结合或直接损伤DNA，导致其产生永久性损伤或突变作用的物质，都具有致癌作用，我们把这些具有致癌作用的物质统称为致癌物。如化学性质活泼的自由基、脂类过氧化物、苯并芘（a）、多环芳烃、芳胺、羟胺、多种农药、亚硝基和硝基化合物等。有些致癌物本身就是自由基，如脂类过氧化物；大多数非自由基致癌物在体内活化或分解后也产生危害性很强的自由基，如苯并芘（a）、多环芳烃、芳胺、羟胺、亚硝基、硝基化合物、农药等等。但不管是哪一类致癌物，其致癌机制都是使DNA产生永久性损伤或突变，从而导致细胞的转化。有些物质本身不致癌，但多次重复作用于已经诱发的细胞就会导致其转化，从而引发癌症。这类能促使DNA受损的细胞转化而引起癌症的物质称为促癌物。促癌剂种类繁多，包括酒精、甲醛、巴豆油、巴豆脂、酚类、脂酸甲酯、直链烷、表面活性剂（十二烷基磺酸钠和吐温60）、柑橘油、碘乙酸、未燃烧的烟草提取物和香烟烟雾凝聚物等等。值得提出的是，许多致癌物兼有致癌和促癌的双重作用，如自由基和含磷农药等，这类物质少量即可使DNA损伤或突变，大量接触则可引发癌症的产生。三、吸烟致癌论1、吸烟致癌的证据1962年英国皇家内科学院指出“吸烟是肺癌的重要原因”，1964年美国外科医生咨询委员会根据15个国家的一百多个调查以及实验性研究指出“吸烟导致肺癌，其作用远远超过其它病因”。1982年美国卫生部提出“吸烟能引起多种癌症”，“吸烟是目前人类健康的最大威胁之一，然而是一种可以避免的死亡因素”，同时又指出“每天吸烟2包以上者，死于肺癌的机会比不吸烟者高15~20倍，不吸烟者由于被迫吸入吸烟者喷出的烟雾而患肺癌的机会正在上升。吸烟者的咽、喉、食道、肾、膀胱和胆的癌变率都高于不吸烟者。戒烟达12~15年者肺癌发病率可以降到不吸烟者的水平”。这个报告对吸烟者是个严重警告，对戒烟者是个鼓励。那些与吸烟者常接近的家庭成员和同事们都是受害者。1986年中国卫生部的调查报告表明，中国男人吸烟者达61%，名列世界各国之首，而且大多数在15~24岁就开始吸烟；妇女占7%。调查指出吸烟百分数与受教育水平呈相反关系。我国每年死于肺癌者达10万人，如不采取戒烟措施，到2025年预计将有200万人死于肺癌。据世界卫生组织报告，工业化国家男女吸烟为30%，而第三世界国家里，男子吸烟者占50%，女子占5%。随着工业化国家反对吸烟运动势头的增强，卷烟厂以邻为壑正企图向第三世界倾销。反对吸烟的最大障碍不是来自吸烟者，而是来自烟草工业的惊人利润。1986年我国烟草业收入为432亿元，仅次于石油工业的收入。但是如果考虑到因吸烟而投入的医疗费用，以及因早逝而丧失的人才，那么发展烟草工业无异于饮鸠止渴。因此，宣传戒烟，寓禁于征，降低烟毒都是明智的办法。把烟油涂到小鼠和兔子上皮组织上能致癌。让田鼠生活在稀释的烟雾中（1:7）每天2次，每次10分钟，共18个月以上，则胰腺癌发病率为30%、喉癌为10%、食道癌为5%。香烟烟雾颗粒可使小鼠皮肤、狗及大鼠支气管上皮以及大鼠结缔组织致癌。这些结果已被十多个国家的100个以上的研究机构所证实。2、烟的致癌物香烟的烟雾可分为气相和颗粒相两部分。气相能通过玻璃纤维滤膜，而颗粒相则吸附在膜上，直径大于0.1μm，称为焦油。气相中的致癌物以亚硝基化合物为主，如二甲基亚硝胺、二烷基亚硝胺、亚硝基吡咯烷、亚硝基哌啶等；此外还含有多种促癌剂，如甲醛等。颗粒相（焦油）含有3000种以上化合物，可分为中性和酸性成分，中性成分致癌，主要以甲基化多环芳烃类化合物为主，如苯并芘（a）等；酸性成分本身不致癌，只能加强中性成分的致癌作用（类似于促癌剂，但不是促癌剂）。3、烟的自由基许多有机物在焦化时能产生大量的种类繁多的自由基。如香烟点燃时，中心温度达850~900℃，边缘达1200℃之高。下表列出了各种焦化物中的自由基含量。焦化物中的自由基含量（自由电子/克）家庭烟囱油烟5×1018柴油油烟2×1019香烟支流烟雾5×1014香烟主流烟雾1×1015香烟的自由基含量不因其价格、等级或有无过滤嘴而变化。在香烟的自由基中，气相中的比固相中的更易与细胞发生反应，因为焦油中自由基常被较大的颗粒紧紧地束缚着。香烟自由基对水和光及敏感，当香烟烟雾通过水过滤时，固相成分及自由基几乎留在水中，此时经过滤出来的烟雾已几乎没有自由基。与此现象巧合的是以色列也门旗埃洛亚人不吸香烟，只吸水烟，他们不患肺癌。4、香烟的生物学作用香烟的生理作用是极为有害的。香烟烟雾中的自由基可以直接攻击DNA，也可把体内的O2还原成H2O2或O2，进而生成活性更强的OH．去间接地攻击DNA，最终导致DNA链的损伤或突变。此外，香烟烟雾及其冷凝物中的非自由基成分可以和血红素及肺组织中的磷脂反应，形成稳定性自由基，从而导致血相异常及肺功能损害。四、空气中的自由基空气飘尘中自由基主要来源于烟囱排出物、机动车尾气和香烟烟雾。城市上空自由基占分子污染物总量的1~10%，造成严重危害。工业城市的光化学烟雾也是通过自由基反应形成的。即在特定的气象及地理条件下，日光照射空气污染物，发生光氧化反应，形成光化学烟雾。光化学烟雾的产生要求空气中污染物必须达到一定浓度，当地表空气温度低于上层空气温度的逆温层条件下，污染物不能通过空气流动而自然稀释，就易于积聚。工业和发动机废气中含有CO、NO和未燃尽的烃类，例如烷烃、烯烃和芳香类化合物，以及烃类的不完全氧化物，如甲醛和乙醛等，在日光照射下，通过光氧化反应生成CO2、O3、NO2、醛、酮、过氧硝酸乙酰酯RCO—OONO2（PAN）以及烷基硝酸盐。它们构成了光化学烟雾。光化学烟雾在日光的继续照射下可发生一系列的自由基链锁反应，这对身体健康造成极大的伤害：NO2+O2hvO3+NO在潮湿的大气中亚硝酸光解可生成OH．，烃氧化后也可生成OH．，OH．复合生成H2O2：HONOhvOH．+NO2OH．H2O2PAN在日光照射下迅速分解成过氧乙酰自由基，后者与NO反应又可生成一个新的自由基：RCO—OONO2hvRCO—OO．+NO2RCO—OO．+NORCOO．+NO2NO和NO2本身就是有毒且稳定的自由基。因此，光化学烟雾中含有活性氧、无机和有机自由基，容易引发脂肪酸的过氧化作用，从而产生一系列疾病。兰州市为我国化工中心之一，位于两山夹峙的河谷，风力极小，雨量少，阳光充足，有很厚的逆温层，这此综合因素构成了生成光化学烟雾的良好条件。通过对空气自由基信号的测量发现，空气中的自由基含量为：工商业区＞文教区＞农村＞南极，工商业区比农村高13倍左右，农村比南极高3倍左右。世界卫生组织（WHO）曾作出如下结论：“汽车尾气、工业和供热系统的烟可能是引起肺癌的病因”。流行病学研究所也指出：“冶炼厂、石油化业厂和核工业区周围居民的癌死亡率比其他的高”。关于空气负离子的问题：空气负离子具有杀菌和使空气清新的作用。这已广为人知，但至今不知其作用机理，甚至没有确切的定义。许多人提出空气负离子可能与自由基有一定的关系。Kellogg等人研究发现，空气负离子的杀菌作用可因加入SOD而减弱，因而认为超氧阴离子至少是空气负离子的组成之一。我国已有多个单位从事相关的研究。五、癌症预防1、保护DNA免受自由基攻击普遍认为，生物体内DNA的损伤是导致癌变或突变的分子基础。物理的化学的因素常能诱发产生非常活泼的自由基，致癌物（C）也能经细胞活化生成自由基C．，这些自由基都能使细胞的DNA转变为DNA．，随后与C．形成DNA—C加合物，这种加合物可能是癌变诱发阶段的关键。我们设想一下，如果某种非致癌物N与致癌物C竞争而生成DNA—N加合物，保护DNA免受C的攻击，则可能阻止癌变。所幸的是，自然界中有许多物质都具有这种功能，如含氮抗癌药物及所有自由基清除剂。既然大量的事实已经说明了自由基和活性氧在诱癌和促癌方面都起着重要的作用，因此，避免自由基直接对DNA的攻击才是最有效的癌症预防措施。2、提高机体组织的抗氧化力机体组织的抗氧化力指的是整个机体抗氧化能力的总和。主要以自由基清除剂或抗氧化剂的形式存在。如SOD、GSH、GP、CAT、NADPH、多种维生素和各种各样的自由基清除剂等。自由基清除剂或抗氧化剂具有清除自由基的能力，因此，机体组织抗氧化力的提高在某种程度上可以防止或减轻自由基对DNA的攻击，甚至可以修复已经被自由基损伤的DNA，从而可以预防癌症的发生。日常生活中，我们可通过加强营养和饮食调理的方法来达到提高组织抗氧化力的目的，这是一个长期而艰巨的过程。第七章自由基与衰老1955年，Harman第一次提出自由基与衰老和疾病有关（即衰老的自由基学说），接着于1957年发表了第一篇有关自由基与衰老的研究论文，他用含有0.5~1%自由基清除剂的饲料喂养小鼠，可使寿命增加。1980年cutler等经一系列研究后指出，需氧生物在进行氧化代谢过程中产生的氧自由基、醛类和过氧化物都具有高毒性，可导致衰老。此后，有关衰老的各种学说相继提出，但所有这些学说几乎都与自由基发生直接或间接的联系。一、自由基致衰老机制1、脂类过氧化作用自由基攻击生物膜中的不饱和脂肪酸，引发自由基链锁反应，导致细胞损伤、衰老或死亡。其最终结果是引起整体组织或器官的退行性死亡（或者说慢性消耗性衰退）——衰老（参见P3）。2、DNA损伤作用DNA是遗传物质，主要由四种碱基组成，即腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）组成的共价多聚物。自由基对DNA的损伤主要是通过与DNA中的胸腺嘧啶作用，生成过氧化物（即胸腺嘧啶过氧化物TO和TOOH），导致DNA的损伤或突变，从而引起机体生理功能的广泛紊乱，最终导致衰老或引发癌症（这种作用与引发癌症的机制是一样的）。反应机制如下：R．RH2OH+O2TT．T—OH．TOOH+TO自由基并非只攻击DNA中的T，而是DNA的四种碱基中，T对自由基比较敏感，敏感程度依次为T＞C＞A＞G，上式只代表DNA的主要损伤方式。所以，当自由基攻击DNA时，DNA并不是受到点式损伤，而是整条链同时受到不同程度的损伤。二、衰老的直观标志——老年斑动物和人的神经细胞、心脏、肝以及皮肤等组织在老年时出现的点状或弥散状色素沉着，这种色素称为脂褐质，俗称老年斑。它是不饱和脂肪酸受自由基作用后产生的脂肪酸过氧化物与机体组织蛋白质结合而形成的复合物。老年斑的形成与组织老化、视力减弱、学习和记忆衰退有关。如大鼠脑组织中脂褐质含量随年龄增多；当大鼠缺少维生素E时，脂褐质明显增加，脂类过氧化物也同时增多，在饲料中补充维生素E时，情况得到改善；人脑中脂褐质也随年龄而增加，25~34岁增加最快，心肌脂褐质从45岁起逐年增多。三、生物抗氧化剂与寿命的关系1、SOD：SOD是超氧阴离子最有效的清除剂，机体可自行合成。研究表明，SOD的含量与寿命无关，但其活性与可期寿命有关，即SOD活性越高，防御超氧阴离子的能力越强，衰老越缓慢，可期寿命就长。2、尿酸：尿酸是嘌呤代谢产物，一