活性氧自由基在动物机体内的生物学作用

活性氧自由基在动物机体内的生物学作用＊

李建喜，杨志强，王学智

(中国农业科学院兰州畜牧与兽药研究所，甘肃兰州 730050) 

摘　要：自由基是近年来在基础医学和生命科学领域的研究热点，研究较多的以氧(O)、碳(C)和氮(N)为中心的活性基团。其中活性氧是机体内最常见自由基，也是近年来对其体内外生物学作用阐述最多的自由基种类之一。正常情况下，该类自由基在抗菌、消炎和抑制肿瘤等方面具有重要意义。但是，在疾病或某些外源性药物和毒物入侵后，机体抗氧化体系可能会发生紊乱，自由基代谢平衡因此失调，从而导致生物膜和大分子物质发生脂质过氧化损伤。文章对活性氧自由基在动物机体内的产生、性质和生物学作用，以及天然清除剂在机体内对自由基的抗氧化作用、自由基与疾病间的关系做了较全面综述。

关键词：活性氧自由基；生物学作用；动物

自Comberg (1900)提出有机自由基(organic free radical)以来，有关自由基在生命体系中生物学作用的研究相继开展了很多^[1]。1956年，Harman等发现放射线诱导突变和诱发肿瘤的发病机理与自由基有关，该研究是自由基医学(free radical medicine)史上的里程碑。1968年，McCord和Fridovich报道了超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)抗氧化的生物学作用，从而开创了自由基生物学的新篇章。自由基是机体内的一种不可缺少的活性元素，对生物体既有益又有害。正常情况下，生物体内有一套完整的抗氧化体系，可以维持自由基的代谢平衡。但是，当机体在某些疾病或外源性物质入侵后，自由基代谢可能会发生异常，从而诱发脂质过氧化反应，并可能导致组织细胞发生氧应激性损伤^[2-4]。

1　机体内的活性氧自由基及其性质

1.1　自由基的产生和种类

自由基(free radicals， FRs)是指带不成对电子的原子、分子、离子或原子团。自由基的种类很多，研究较多的以氧(O)、碳(C)、氮(N)为中心的活性基团，其中对活性氧(reactive oxygen species， ROS)及其产物的研究最为活跃，其占机体内总自由基研究报道的95%以上。自由基的形成有3种方式^[2]：①共价键的均裂；②单电子丢失；③单电子获得。机体内电子传递是自由基形成最普遍最易发生的途径；如高温、紫外线照射或电子辐射作用，也能导致分子裂解后形成自由基。生物体内自由基形成的机理非常复杂。氧化呼吸链是机体赖以存在的基础，其中有多次分级电子传递，O₂是电子受体，所以会形成多种活性氧自由基，如 O ，^·OH，HO ，H₂O₂和¹O₂等。在活性氧的作用下，组织细胞会因脂质过氧化(LPO)而产生许多脂自由基，如L^·，LO^·，LOO^·，LOOH^[5]。外源性化合物进入机体后，也可能导致大量自由基生成，如肾上腺素、CCl₄和乙醇等会诱导机体产生^·CCl₃和^·OH等自由基。机体内生物活性物质代谢异常后，也会导致自由基水平升高，如细胞内硫醇和对苯二酚等小分子物质发生自氧化反应，或蛋白酶(如黄嘌呤氧化酶)等的催化反应中，都会生成自由基^[6]。另外，在炎症等病变过程中，白细胞发生呼吸爆发(respiratory burst)后，机体内O 和^·OH水平会明显升高。动物体内硒等微量元素缺乏时，自由基水平也会升高。

1.2　自由基的典型理化性质

自由基典型物理性质是顺磁性(paramagnetism)，因此可以用电子自旋共振技术(electron spin resonance， ESR)对组织内的自由基进行直接检测。

由于自由基外层具有奇数价电子，因此其化学性质非常活泼，它既是电子供体，又是电子受体^[2，5]。

2　活性氧自由基对组织的损伤

2.1　生物膜损伤

生物膜是生命活动的基础，主要由脂质、蛋白质和糖类组成，脂质以磷脂为主，磷脂的主要成分是多聚不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids， PUFAs)，其中有多个弱键和不饱和键，自由基对其有很高的亲合力，因此生物膜易受自由基攻击^[7]。活性氧作用于生物膜后，PUFA中LH会在R^·的作用下，会启动LPO链式反应。但当LPO反应链遇到SOD、谷胱甘肽(Glutathione， GSH)、维生素E和维生素C等抗氧化物，或产生损伤效应后就会终止^[8]。红细胞膜发生LPO损伤后，通透性会增加，细胞变脆，易发生溶血。分析认为，这主要与红细胞膜含有丰富的PUFAs，并与O₂接触机率高，以及循环中自由基的浓度相对较高等有关。在脂质过氧化产物中，醛类(aldehydes)所占比例较大，其中丙二醛(MDA)被认为是LPO反应的代表性中间产物，有人认为它不会对组织造成损伤；也有人认为它与膜蛋白结合，会导致膜通透性增加，膜蛋白酶失活，或膜上的受体和供体被破坏，细胞代谢因此会发生紊乱^[9]。线粒体膜在Fe^2＋和Cu^＋等作用下，其附近的H₂O₂分解成^·OH，会导致膜肿胀甚至消失^[10]。当微粒体、溶酶体发生LPO损伤后，多聚核糖体会解聚，蛋白质合成可能被抑制。又如过氧化体膜组成发生LPO损伤后，大量的H₂O₂被释放入血，也会加剧细胞的氧化损伤^[9，11]。

2.2　蛋白质的损伤

蛋白质在细胞中分布广，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体，自由基会使这些氨基酸残基发生突变，蛋白多肽链也会随之断裂、聚合或交联，蛋白质的构象和活性位点改变，导致其功能的改变^[11]。又如GSH-Px等富含巯基(－SH)的酶，活性氧使－SH转变为-S-S-而失去活性。O 可激活线粒体顺乌头酸酶，并形成多量的^·OH^[12]。蛋氨酸(Met)氧化损伤后，一些抗蛋白酶如α-抗胰蛋白酶会失活。活性氧自由基如O ，^·OH，H₂O₂和³ΣgO₃共同作用于蛋白质的结果可能有以下5种：①疏水性的改变，从而影响膜受体和配体等；②酶活性降低或增强；③免疫原性改变，诱发自身免疫性疾病；④热应激蛋白如HSP70的大量表达，导致特异性转录因子释放；⑤蛋白水解作用增强，这也是细胞蛋白质氧化降解的标志^[9，11]。

2.3　核酸的损伤

多聚核苷酸也是活性氧和其他自由基攻击的靶分子。DNA双螺旋外侧的嘌呤和嘧啶对自由基最为敏感，被损伤后会导致碱基被修饰，氢键断裂，双链或单链也发生断裂。虽然DNA有强大的修复功能，但修复后的突变率会升高，有时也出现永久性破坏^[13]。氧应激时细胞内Ca^2＋增多，核苷酸因此会发生羟化反应，从而导致细胞凋亡。Fe^2＋和 Cu^＋或其它过度金属离子可提高H₂O₂转化为^·OH的速率，从而间接地对DNA带来损伤。当DNA发生LPO损伤后，会因基因突变可能导致癌症或遗传病^[2-3]。另外，DNA损伤后，会导致ADP核酸转移酶所依赖的NAD^＋/NADH的丢失，从而阻断其修复通路。线粒体由于和活性氧接触比较频繁，而且缺乏修复功能，所以它的DNA损伤率极高，但修复率较低。肝微粒体发生氧损伤后，UDP-葡萄糖醛酸转移酶表达下降，从而影响DNA的结构和功能^[9]。

3　机体对自由基的利用

活性氧是细胞生命活动不可缺少的活性物质。研究表明，低剂量辐射增强机体免疫力的机理可能与自由基生成有关；红斑狼疮患者，在一定范围内机体的免疫机能会因自由基水平的上升而增强。自由基在体内的适量增多可提高部分酶的活力，如核酸还原酶发挥作用时需自由基参与。自由基还参与机体内一些活性物质(如前列腺素、凝血酶原和胶原蛋白)的合成；核苷酸的合成和肝脏的解毒过程中，自由基可激活某些合成酶或解毒酶^[4-5]。炎症过程中，自由基可促进炎性细胞吞噬细菌或杀死细菌，如中性粒细胞发生呼吸爆发时，细菌会因自由基水平升高而逐渐消失。炎症过程中髓过氧化物(Myeloperoxidase， MPO)和一些卤素作用能起到杀灭细菌的作用。NO作为一种信号分子，对神经系统的多种功能有调节作用^[1]。自由基能促进细胞内单加氧酶的活性，进而使许多化学物质发生羟化反应而易于排泄。

4　活性氧自由基清除剂

4.1　酶类抗氧化剂

酶既是自由基攻击的靶分子，又是自由基的天然清除剂。当自由基水平升高时，SOD，过氧化氢酶(Catalase， CAT)，GSH-Px，MPO和乳酸脱氢酶，还有硫转移酶、肌酸激酶的活性都会或多或少发生变化^[2，5-6]。哺乳动物细胞内有两类SOD，一类为Cu，Zn-SOD，另一类为Mn-SOD，前者主要分布于细胞质中，后者主要分布于线粒体内。SOD在辐射、炎症、缺血再灌和实验性皮肤癌等病变过程中，均有明显抗脂质过氧化作用。CAT不但能阻止H₂O₂转变为^·OH，还能使之分解为H₂O和O₂，这是CAT抗炎和抗UV照射损伤的机理。SOD和CAT在脂质过氧化方面有协同作用。GSH-Px也能催化H₂O₂的分解，降低机体内^·OH的水平。GSH-P_X有直接保护组织免受LPO损伤的作用，其机理是可使LOOH分解，从而保护生物膜。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶能维持NADPH在体内清除活性氧的能力。乳酸脱氢酶和肌酸激酶也有抗氧化作用，但机理尚不清楚^[12]。

4.2　维生素类抗氧化剂

(1)维生素E。维生素E是6-OH-苯并二氢呋喃衍生物，C₆上的羟基比较活泼，在活性氧的作用下，α-TOH会转变为α-TO^·。维生素C等活性物质又能使其还原为α-TOH，从而被重复利用^[8]。维生素E能猝灭¹O₂，是¹O₂良好的清除剂。由于维生素E是脂溶性维生素，既能附着在膜上，又能透过膜而进入细胞，所以它对细胞膜的氧化损伤有很好的颉颃作用，能与LOO^·反应而终止LPO链式反应^[3，8]。

(2)维生素C。维生素C是许多酶的辅助因子，机体缺乏时血管脆性会变大，创伤难以愈合。它是多羟基五元环，每一个OH都有接受活性氧的能力^[8]。维生素C是水溶性维生素，能很好的作用于细胞质中的极性氧自由基和被活化了中性白细胞释放的活性氧，从而起到抗氧化和抗炎作用^[14]。体外试验发现，维生素C通过抗氧化作用，能对组胺引起的休克起到治疗作用。维生素C和维生素K₃协同作用时，能抑制DNA的氧化损伤。维生素C还可促进维生素E的再生，如果二者结合使用，其抗氧化效果更好。

(3)β-类胡萝卜素。β-类胡萝卜素是维生素A的前体物质，其分子构成是多不饱和烃，所以易受活性氧自由基的攻击。因此可防止机体内LDL的过氧化损伤，并能提高HDL的含量^[2，6]。β-类胡萝卜素能使¹O₂转变为³O₂和NADH合用还能使LOO^·、L^·转变为LH，从而终止LPO反应链。研究发现，β-类胡萝卜素对动脉粥样硬化有预防作用，可降低心血管疾病发病率。给动物饲喂β-类胡萝卜素，可防止皮下和皮肤瘤的形成或延缓发展^[14]。

4.3　其他抗氧化剂

(1)微量元素。许多微量元素都有抗氧化作用，如Se，Cu，Zn，Mn和Ge等。Se以GSH-Px的活性中心而发挥作用，能提高GSH-P_X活力，加快GSH与自由基反应速率^[15]。含Se的有机制剂Ebselen是GSH-Px结构类似物，对^·OH有直接清除作用。Se还可抑制联胺诱导的细胞内LOOH的蓄积，从而保护生物膜。Se和维生素E协同作用时，抗氧化效果更好。Cu，Zn和Mn可通过改善SOD活性，发挥抗氧化作用。据报道，Ge也能通过提高SOD活性，从而降低MDA含量，并起到抗氧化作用^[10]。

(2)中草药对自由基的清除作用。迄今为止，人工合成的抗氧化剂的数量和效果非常有限，所以从天然动药物中提取和分离一些活性成分，筛选有效、无毒的自由基清除剂则是研究的热点。研究发现，有许多天然药物中含有大量抗氧化有效成分，如人参皂甙、丹参酮、茶多酚、黄芪、枸杞、赤芍、何首乌、五味子、大蒜、党参和类胡萝卜素等，这些药物在动物试验中有显著的抗氧化和保健作用。其中黄酮类、黄芪类、单宁类、倍单萜类、甾体类和蒽醌类等中药有效成分，抗氧化和保护生物膜完整性方面均有良效^[16-17]。

5　自由基与疾病

自由基能引起多种器管功能异常或组织病变，如癌症和衰老的发病机理与脂质过氧化有关。脂质过氧化产物褐色素沉着于皮肤会出现老年斑，沉着于心、肾、脑等脏器会影响它们的结构、形态和功能。矿物质和维生素代谢紊乱时氧损伤有时也会加重，如克山病就是因为硒(Se)严重缺乏，结果GSH-Px，SOD和CAT的活性降低，MDA水平升高^[18]。当机体内维生素E，维生素C，维生素A等缺乏时，也会出现氧应激反应。肾小球肾炎的发病机理与自由基代谢紊乱有一定关系^[8，14]。肝炎、肝硬化患者LPO产物和自由基的水平有明显升高^[19-20]。心血管疾病和糖尿病的发病机理也与自由基有关^[20-21]。另外，象烧伤、休克等引起的缺血再灌是自由基产生的温床。关节炎、脊髓灰质炎的发病过程中，也有自由基的参与^[22]。小鸡渗出性素质、肉鸡肺动脉高压、动物缺硒病等的发病机理也可能与自由基有密切关系^[23-24]。