活性氧自由基在動(dòng)物機體內的生物學(xué)作用＊
李建喜，楊志強，王學(xué)智
(中國農業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅蘭州 730050)
摘 要：自由基是近年來(lái)在基礎醫學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，研究較多的以氧(O)、碳(C)和氮(N)為中心的活性基團。其中活性氧是機體內最常見(jiàn)自由基，也是近年來(lái)對其體內外生物學(xué)作用闡述最多的自由基種類(lèi)之一。正常情況下，該類(lèi)自由基在抗菌、消炎和抑制腫瘤等方面具有重要意義。但是，在疾病或某些外源性藥物和毒物入侵后，機體抗氧化體系可能會(huì )發(fā)生紊亂，自由基代謝平衡因此失調，從而導致生物膜和大分子物質(zhì)發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化損傷。文章對活性氧自由基在動(dòng)物機體內的產(chǎn)生、性質(zhì)和生物學(xué)作用，以及天然清除劑在機體內對自由基的抗氧化作用、自由基與疾病間的關(guān)系做了較全面綜述。
關(guān)鍵詞：活性氧自由基；生物學(xué)作用；動(dòng)物
自Comberg (1900)提出有機自由基(organic free radical)以來(lái)，有關(guān)自由基在生命體系中生物學(xué)作用的研究相繼開(kāi)展了很多[1]。1956年，Harman等發(fā)現放射線(xiàn)誘導突變和誘發(fā)腫瘤的發(fā)病機理與自由基有關(guān)，該研究是自由基醫學(xué)(free radical medicine)史上的里程碑。1968年，McCord和Fridovich報道了超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)抗氧化的生物學(xué)作用，從而開(kāi)創(chuàng )了自由基生物學(xué)的新篇章。自由基是機體內的一種不可缺少的活性元素，對生物體既有益又有害。正常情況下，生物體內有一套完整的抗氧化體系，可以維持自由基的代謝平衡。但是，當機體在某些疾病或外源性物質(zhì)入侵后，自由基代謝可能會(huì )發(fā)生異常，從而誘發(fā)脂質(zhì)過(guò)氧化反應，并可能導致組織細胞發(fā)生氧應激性損傷[2-4]。
1 機體內的活性氧自由基及其性質(zhì)
1.1 自由基的產(chǎn)生和種類(lèi)
自由基(free radicals， FRs)是指帶不成對電子的原子、分子、離子或原子團。自由基的種類(lèi)很多，研究較多的以氧(O)、碳(C)、氮(N)為中心的活性基團，其中對活性氧(reactive oxygen species， ROS)及其產(chǎn)物的研究最為活躍，其占機體內總自由基研究報道的95%以上。自由基的形成有3種方式[2]：①共價(jià)鍵的均裂；②單電子丟失；③單電子獲得。機體內電子傳遞是自由基形成最普遍最易發(fā)生的途徑；如高溫、紫外線(xiàn)照射或電子輻射作用，也能導致分子裂解后形成自由基。生物體內自由基形成的機理非常復雜。氧化呼吸鏈是機體賴(lài)以存在的基礎，其中有多次分級電子傳遞，O2是電子受體，所以會(huì )形成多種活性氧自由基，如 O ，·OH，HO ，H2O2和1O2等。在活性氧的作用下，組織細胞會(huì )因脂質(zhì)過(guò)氧化(LPO)而產(chǎn)生許多脂自由基，如L·，LO·，LOO·，LOOH[5]。外源性化合物進(jìn)入機體后，也可能導致大量自由基生成，如腎上腺素、CCl4和乙醇等會(huì )誘導機體產(chǎn)生·CCl3和·OH等自由基。機體內生物活性物質(zhì)代謝異常后，也會(huì )導致自由基水平升高，如細胞內硫醇和對苯二酚等小分子物質(zhì)發(fā)生自氧化反應，或蛋白酶(如黃嘌呤氧化酶)等的催化反應中，都會(huì )生成自由基[6]。另外，在炎癥等病變過(guò)程中，白細胞發(fā)生呼吸爆發(fā)(respiratory burst)后，機體內O 和·OH水平會(huì )明顯升高。動(dòng)物體內硒等微量元素缺乏時(shí)，自由基水平也會(huì )升高。
1.2 自由基的典型理化性質(zhì)
自由基典型物理性質(zhì)是順磁性(paramagnetism)，因此可以用電子自旋共振技術(shù)(electron spin resonance， ESR)對組織內的自由基進(jìn)行直接檢測。
由于自由基外層具有奇數價(jià)電子，因此其化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，它既是電子供體，又是電子受體[2，5]。
2 活性氧自由基對組織的損傷
2.1 生物膜損傷
生物膜是生命活動(dòng)的基礎，主要由脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類(lèi)組成，脂質(zhì)以磷脂為主，磷脂的主要成分是多聚不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids， PUFAs)，其中有多個(gè)弱鍵和不飽和鍵，自由基對其有很高的親合力，因此生物膜易受自由基攻擊[7]?；钚匝踝饔糜谏锬ず?，PUFA中LH會(huì )在R·的作用下，會(huì )啟動(dòng)LPO鏈式反應。但當LPO反應鏈遇到SOD、谷胱甘肽(Glutathione， GSH)、維生素E和維生素C等抗氧化物，或產(chǎn)生損傷效應后就會(huì )終止[8]。紅細胞膜發(fā)生LPO損傷后，通透性會(huì )增加，細胞變脆，易發(fā)生溶血。分析認為，這主要與紅細胞膜含有豐富的PUFAs，并與O2接觸機率高，以及循環(huán)中自由基的濃度相對較高等有關(guān)。在脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物中，醛類(lèi)(aldehydes)所占比例較大，其中丙二醛(MDA)被認為是LPO反應的代表性中間產(chǎn)物，有人認為它不會(huì )對組織造成損傷；也有人認為它與膜蛋白結合，會(huì )導致膜通透性增加，膜蛋白酶失活，或膜上的受體和供體被破壞，細胞代謝因此會(huì )發(fā)生紊亂[9]。線(xiàn)粒體膜在Fe2＋和Cu＋等作用下，其附近的H2O2分解成·OH，會(huì )導致膜腫脹甚至消失[10]。當微粒體、溶酶體發(fā)生LPO損傷后，多聚核糖體會(huì )解聚，蛋白質(zhì)合成可能被抑制。又如過(guò)氧化體膜組成發(fā)生LPO損傷后，大量的H2O2被釋放入血，也會(huì )加劇細胞的氧化損傷[9，11]。
2.2 蛋白質(zhì)的損傷
蛋白質(zhì)在細胞中分布廣，比例大，也是活性氧靶分子。如His，Pro，Trp，Cys和Tyr等是自由基的敏感型受體，自由基會(huì )使這些氨基酸殘基發(fā)生突變，蛋白多肽鏈也會(huì )隨之斷裂、聚合或交聯(lián)，蛋白質(zhì)的構象和活性位點(diǎn)改變，導致其功能的改變[11]。又如GSH-Px等富含巰基(－SH)的酶，活性氧使－SH轉變?yōu)?/span>-S-S-而失去活性。O 可激活線(xiàn)粒體順烏頭酸酶，并形成多量的·OH[12]。蛋氨酸(Met)氧化損傷后，一些抗蛋白酶如α-抗胰蛋白酶會(huì )失活?；钚匝踝杂苫?/span>O ，·OH，H2O2和3ΣgO3共同作用于蛋白質(zhì)的結果可能有以下5種：①疏水性的改變，從而影響膜受體和配體等；②酶活性降低或增強；③免疫原性改變，誘發(fā)自身免疫性疾??；④熱應激蛋白如HSP70的大量表達，導致特異性轉錄因子釋放；⑤蛋白水解作用增強，這也是細胞蛋白質(zhì)氧化降解的標志[9，11]。
2.3 核酸的損傷
多聚核苷酸也是活性氧和其他自由基攻擊的靶分子。DNA雙螺旋外側的嘌呤和嘧啶對自由基最為敏感，被損傷后會(huì )導致堿基被修飾，氫鍵斷裂，雙鏈或單鏈也發(fā)生斷裂。雖然DNA有強大的修復功能，但修復后的突變率會(huì )升高，有時(shí)也出現永久性破壞[13]。氧應激時(shí)細胞內Ca2＋增多，核苷酸因此會(huì )發(fā)生羥化反應，從而導致細胞凋亡。Fe2＋和 Cu＋或其它過(guò)度金屬離子可提高H2O2轉化為·OH的速率，從而間接地對DNA帶來(lái)?yè)p傷。當DNA發(fā)生LPO損傷后，會(huì )因基因突變可能導致癌癥或遺傳病[2-3]。另外，DNA損傷后，會(huì )導致ADP核酸轉移酶所依賴(lài)的NAD＋/NADH的丟失，從而阻斷其修復通路。線(xiàn)粒體由于和活性氧接觸比較頻繁，而且缺乏修復功能，所以它的DNA損傷率極高，但修復率較低。肝微粒體發(fā)生氧損傷后，UDP-葡萄糖醛酸轉移酶表達下降，從而影響DNA的結構和功能[9]。
3 機體對自由基的利用
活性氧是細胞生命活動(dòng)不可缺少的活性物質(zhì)。研究表明，低劑量輻射增強機體免疫力的機理可能與自由基生成有關(guān)；紅斑狼瘡患者，在一定范圍內機體的免疫機能會(huì )因自由基水平的上升而增強。自由基在體內的適量增多可提高部分酶的活力，如核酸還原酶發(fā)揮作用時(shí)需自由基參與。自由基還參與機體內一些活性物質(zhì)(如前列腺素、凝血酶原和膠原蛋白)的合成；核苷酸的合成和肝臟的解毒過(guò)程中，自由基可激活某些合成酶或解毒酶[4-5]。炎癥過(guò)程中，自由基可促進(jìn)炎性細胞吞噬細菌或殺死細菌，如中性粒細胞發(fā)生呼吸爆發(fā)時(shí)，細菌會(huì )因自由基水平升高而逐漸消失。炎癥過(guò)程中髓過(guò)氧化物(Myeloperoxidase， MPO)和一些鹵素作用能起到殺滅細菌的作用。NO作為一種信號分子，對神經(jīng)系統的多種功能有調節作用[1]。自由基能促進(jìn)細胞內單加氧酶的活性，進(jìn)而使許多化學(xué)物質(zhì)發(fā)生羥化反應而易于排泄。
4 活性氧自由基清除劑
4.1 酶類(lèi)抗氧化劑
酶既是自由基攻擊的靶分子，又是自由基的天然清除劑。當自由基水平升高時(shí)，SOD，過(guò)氧化氫酶(Catalase， CAT)，GSH-Px，MPO和乳酸脫氫酶，還有硫轉移酶、肌酸激酶的活性都會(huì )或多或少發(fā)生變化[2，5-6]。哺乳動(dòng)物細胞內有兩類(lèi)SOD，一類(lèi)為Cu，Zn-SOD，另一類(lèi)為Mn-SOD，前者主要分布于細胞質(zhì)中，后者主要分布于線(xiàn)粒體內。SOD在輻射、炎癥、缺血再灌和實(shí)驗性皮膚癌等病變過(guò)程中，均有明顯抗脂質(zhì)過(guò)氧化作用。CAT不但能阻止H2O2轉變?yōu)?/span>·OH，還能使之分解為H2O和O2，這是CAT抗炎和抗UV照射損傷的機理。SOD和CAT在脂質(zhì)過(guò)氧化方面有協(xié)同作用。GSH-Px也能催化H2O2的分解，降低機體內·OH的水平。GSH-PX有直接保護組織免受LPO損傷的作用，其機理是可使LOOH分解，從而保護生物膜。葡萄糖-6-磷酸脫氫酶能維持NADPH在體內清除活性氧的能力。乳酸脫氫酶和肌酸激酶也有抗氧化作用，但機理尚不清楚[12]。
4.2 維生素類(lèi)抗氧化劑
(1)維生素E。維生素E是6-OH-苯并二氫呋喃衍生物，C6上的羥基比較活潑，在活性氧的作用下，α-TOH會(huì )轉變?yōu)?/span>α-TO·。維生素C等活性物質(zhì)又能使其還原為α-TOH，從而被重復利用[8]。維生素E能猝滅1O2，是1O2良好的清除劑。由于維生素E是脂溶性維生素，既能附著(zhù)在膜上，又能透過(guò)膜而進(jìn)入細胞，所以它對細胞膜的氧化損傷有很好的頡頏作用，能與LOO·反應而終止LPO鏈式反應[3，8]。
(2)維生素C。維生素C是許多酶的輔助因子，機體缺乏時(shí)血管脆性會(huì )變大，創(chuàng )傷難以愈合。它是多羥基五元環(huán)，每一個(gè)OH都有接受活性氧的能力[8]。維生素C是水溶性維生素，能很好的作用于細胞質(zhì)中的極性氧自由基和被活化了中性白細胞釋放的活性氧，從而起到抗氧化和抗炎作用[14]。體外試驗發(fā)現，維生素C通過(guò)抗氧化作用，能對組胺引起的休克起到治療作用。維生素C和維生素K3協(xié)同作用時(shí)，能抑制DNA的氧化損傷。維生素C還可促進(jìn)維生素E的再生，如果二者結合使用，其抗氧化效果更好。
(3)β-類(lèi)胡蘿卜素。β-類(lèi)胡蘿卜素是維生素A的前體物質(zhì)，其分子構成是多不飽和烴，所以易受活性氧自由基的攻擊。因此可防止機體內LDL的過(guò)氧化損傷，并能提高HDL的含量[2，6]。β-類(lèi)胡蘿卜素能使1O2轉變?yōu)?/span>3O2和NADH合用還能使LOO·、L·轉變?yōu)?/span>LH，從而終止LPO反應鏈。研究發(fā)現，β-類(lèi)胡蘿卜素對動(dòng)脈粥樣硬化有預防作用，可降低心血管疾病發(fā)病率。給動(dòng)物飼喂β-類(lèi)胡蘿卜素，可防止皮下和皮膚瘤的形成或延緩發(fā)展[14]。
4.3 其他抗氧化劑
(1)微量元素。許多微量元素都有抗氧化作用，如Se，Cu，Zn，Mn和Ge等。Se以GSH-Px的活性中心而發(fā)揮作用，能提高GSH-PX活力，加快GSH與自由基反應速率[15]。含Se的有機制劑Ebselen是GSH-Px結構類(lèi)似物，對·OH有直接清除作用。Se還可抑制聯(lián)胺誘導的細胞內LOOH的蓄積，從而保護生物膜。Se和維生素E協(xié)同作用時(shí)，抗氧化效果更好。Cu，Zn和Mn可通過(guò)改善SOD活性，發(fā)揮抗氧化作用。據報道，Ge也能通過(guò)提高SOD活性，從而降低MDA含量，并起到抗氧化作用[10]。
(2)中草藥對自由基的清除作用。迄今為止，人工合成的抗氧化劑的數量和效果非常有限，所以從天然動(dòng)藥物中提取和分離一些活性成分，篩選有效、無(wú)毒的自由基清除劑則是研究的熱點(diǎn)。研究發(fā)現，有許多天然藥物中含有大量抗氧化有效成分，如人參皂甙、丹參酮、茶多酚、黃芪、枸杞、赤芍、何首烏、五味子、大蒜、黨參和類(lèi)胡蘿卜素等，這些藥物在動(dòng)物試驗中有顯著(zhù)的抗氧化和保健作用。其中黃酮類(lèi)、黃芪類(lèi)、單寧類(lèi)、倍單萜類(lèi)、甾體類(lèi)和蒽醌類(lèi)等中藥有效成分，抗氧化和保護生物膜完整性方面均有良效[16-17]。
5 自由基與疾病
自由基能引起多種器管功能異?；蚪M織病變，如癌癥和衰老的發(fā)病機理與脂質(zhì)過(guò)氧化有關(guān)。脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)物褐色素沉著(zhù)于皮膚會(huì )出現老年斑，沉著(zhù)于心、腎、腦等臟器會(huì )影響它們的結構、形態(tài)和功能。礦物質(zhì)和維生素代謝紊亂時(shí)氧損傷有時(shí)也會(huì )加重，如克山病就是因為硒(Se)嚴重缺乏，結果GSH-Px，SOD和CAT的活性降低，MDA水平升高[18]。當機體內維生素E，維生素C，維生素A等缺乏時(shí)，也會(huì )出現氧應激反應。腎小球腎炎的發(fā)病機理與自由基代謝紊亂有一定關(guān)系[8，14]。肝炎、肝硬化患者LPO產(chǎn)物和自由基的水平有明顯升高[19-20]。心血管疾病和糖尿病的發(fā)病機理也與自由基有關(guān)[20-21]。另外，象燒傷、休克等引起的缺血再灌是自由基產(chǎn)生的溫床。關(guān)節炎、脊髓灰質(zhì)炎的發(fā)病過(guò)程中，也有自由基的參與[22]。小雞滲出性素質(zhì)、肉雞肺動(dòng)脈高壓、動(dòng)物缺硒病等的發(fā)病機理也可能與自由基有密切關(guān)系[23-24]。
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