从自由基的角度看人类衰老

从自由基的角度看人类衰老
【摘要】衰老是生物体细胞、组织、器官在结构和功能上表现出来的种种衰退过程的总称。

对于人类而言, 指人在中年之后, 随着年龄的不断增加, 机体的新陈代谢逐渐进入衰老, 各器官功能开始降低而逐渐转入老化状态。

延缓衰老是人类千百年来孜孜以求的夙愿, 生命科学工作者从整体、器官、细胞和分子水平上对衰老和抗衰老进行了卓有成效的研究, 并获得了可喜的成果。

本文就自由基如何导致机体细胞衰老和死亡进而导致机体衰老和死亡进行探讨。

【关键词】自由基; 衰老; 脂褐素; 细胞凋亡
衰老之谜与生命起源之谜一样, 引起人类的极大兴趣。

因而人类对延缓衰老的原因就有各种不同的学说。

其中已被广泛接受的是损伤学说、交联学说, 而越来越多的研究显示, 人体衰老主要是人体的保养与修复系统有缺陷或功能的减退引起的。

目前具有本源性解释的衰老机制是自由基学说。

1956 年Harman 最先提出了自由基可引起衰老的设想,此后随着研究的不断深入, 现已形成了较为系统的“自由基学说”。

该学说认为: 在正常的生物代谢过程中细胞不断产生自由基, 但它们可被细胞内的防御系统迅速地清除, 因而不会对细胞造成大的伤害。

但是, 许多因素如电离辐射、氧化性环境污染等常会诱导异常自由基的生成, 而大量自由基的堆积则将对许多生物大分子产生随机损伤, 从而引致衰老。

1 自由基的特性
1 . 1 自由基的生成与淬灭
自由基( free radical)又称游离基。

多数化学物质在其电子运行轨道中含有相对旋转的配对电子。

自由基是指在最外层含有未配对电子
的原子、原子团, 特殊状态的分子, 由于电子有成对的自然趋向, 所
以不成对的电子就有一种“张力”去“寻找伙伴”。

也就是具有未配对的原子、原子团、分子或离子叫自由基。

机体在活动过程中( 如细胞呼吸作用、线粒体内的氧化过程)会产生超氧阴离子自由基(·O -
) 、羟离子自由基( ·OH) 、过氧化氢自由基( O·OH) 、氢自由2
基( ·H) 、脂质自由基( L) 、脂质过氧化自由基( LOO) 、有机自由基( R) 、有机过氧化自由基( ROO) 等。

其中与生命关系密切的是·O -2 , 自由基在人体代谢中发挥着重要的作用, 许多生理过程, 如线粒体和微粒体的氧化还原反应, 白细胞对病原体及肿瘤细胞的杀伤作用均需·O -2参与。

正常情况下, 体内的自由基可被机体内的防御系统抗氧化酶( 超氧化歧化酶, SOD) 和抗氧化剂(如维生素E) 清除而不会造成危害。

1 .
2 自由基在衰老发生发展中的作用
人类年龄≥50a 体内的活性开始降低, ≥60 岁下降更明显。

谷胱甘肽过氧化物酶( GSH - PX) 和过氧化物酶也有类似的情况。

抗氧化酶的活性降低导致机体内自由基的清除减慢, 而许多因素如紫外线、X 射线、γ射线、香烟烟雾、氧化性污染物、电子辐射等都会诱发正常代谢以外的异常自由基的产生。

过多的自由基可造成机体内的DNA、蛋白质和脂类的损伤, 损伤的积累导致细胞衰老或死亡。

生物个体的诞生、生长、发育一直到衰老一系列现象都是复杂的, 但复杂的现象有其共同的规律。

在很多衰老现象的背后, 都隐藏着自由基反应的机理。

因此很多衰老现象与自由基相关。

2 自由基引起衰老的机制
2 . 1 脂褐素的形成
自由基性质活泼, 且极不稳定, 容易与其他物质发生反应而生成新的自由基及高氧化物。

尤其是·O -2和·OH, 它们是最活泼也是最具有危害性的自由基, 它们可以与相邻的任何生物分子起反应。

过量的·O -2和·OH 氧化细胞膜中不饱和脂肪酸引起脂质过氧化、交联、聚合成脂褐素( 一种难以消除的惰性废物) , 它堆积在细胞内毒害细胞, 阻止细胞内物质和信息的传递[ 2 ]。

脂褐素在皮肤细胞中堆积, 形成老年斑; 在脑细胞中堆积, 则会引起记忆减退或智力障碍, 甚至导致老年性痴呆症; 在心肌细胞中堆积, 心脏功能减退[ 6]。

胶原蛋白聚合则引起皮肤失去张力和弹性, 皱纹增多以及老年性骨质增生。

这些都是衰老的基本特征。

2 . 2 线粒体DNA 突变
人类线粒体DNA( mtDNA) 为一环状双链超螺旋DNA, 存在于线粒体基质中。

mtDNA 与核DNA( nDNA) 相比, 其特殊性是:mtDNA 裸露, 无组蛋白保护且缺乏有效的修复系统, 因此其突变率比nDNA 高10 ～100 倍, 并且能在细胞内不断积累; mtDNA 具有极其经济的基因排列, 没有内含子, 却有部分区域基因重复使用, 因此任何突变都可能造成重要功能的病理性变化。

·O -2和·OH 能与mtDNA 分子中的胸腺嘧啶、尿嘧啶、鸟嘌呤等发生反应, 引起mtDNA 的碱基替换、重组或片段缺失, 造成生殖细胞系与体细胞系mtDNA突变。

生殖细胞系mtDNA 突变, 可引起遗传性氧化磷酸化( OXPHOS) 能力
缺陷而导致过早发生退行性疾病。

体细胞系mtDNA 突变的积累与人类组织器官( 脑、心、骨骼肌、肝、卵母细胞及精子) , 机体的衰老及许多老年性退行性疾病密切相关。

现已发现mtDNA 片段缺失或点突变, 可导致机体老化、心肌缺血、老年心衰等老年性心脏疾病的发生; 衰老心肌中片段缺失和OXPHOS 中酶活性下降可导致自由基介导的脂类过氧化反应加速[ 7], 这可能是形成动脉粥样硬化斑块的原因之一。

另有研究表明: 以渐进性痴呆和大脑皮质萎缩为特征的老年性疾病如阿尔采默病( Alzheimers disease, AD) 和亨廷顿病( Hunting on disease, HD) 等的发展均与mtDNA 突变和OXPHOS 缺失有关。

2 .
3 诱导细胞凋亡
细胞死亡的方式有两种: 即细胞坏死与细胞凋亡。

细胞坏死: 是指在其他因素的影响下, 组织细胞新陈代谢的终止。

细胞凋亡: 是指细胞程序化死亡, 它是一个主动的、有控的、在调节细胞数量上起着与有丝分裂互补作用的重要的生理学过程。

细胞的衰老性死亡就是细胞凋亡。

体内的自由基特别是·O -2和·OH 主要产生于那些具有重要功能、高度活动性、耗氧量高的组织细胞如脑细胞、神经细胞、心肌及内分泌细胞内, 并造成过度堆积, 它们通过氧化作用攻击生命大分子物质, 导致这些组织细胞内DNA、蛋白质、脂膜的损伤[ 2, 6 , 7] , 诱导细胞凋亡, 加速机体老化。

2 . 4 蛋白质合成减少
自由基通过其强氧化作用对核酸进行氧化和交联, 使发生断裂、突变[ 4 ], 从而严重影响蛋白质遗传信息的正常转录和翻译, 使蛋白
质表达量降低甚至消失, 或者产生突变蛋白质,而蛋白质合成减少正是老年性记忆减退、智力障碍及肌肉萎缩的重要原因。

2 . 5 自由基对糖类的损伤[ 3]
碳水化合物( 多糖或单糖) 是机体的主要必需营养素, 也是构成机体组织细胞的重要成分。

因此,同多不饱和脂肪酸一样, 碳水化合物也很容易受到自由基的攻击。

自由基通过氧化性降解使多糖断裂, 如影响脑脊液中的多糖, 从而影响大脑的正常功能。

特别是自由基能使核糖、脱氧核糖形成脱氢自由基, 导致DNA 主链断裂或碱基破坏, 还可使细胞膜寡糖链中糖分子羟基氧化生成不饱和的羰基或聚合成双聚物, 从而破坏细胞膜上的多糖结构, 影响细胞免疫功能的发挥。

但是目前就自由基对糖类损伤的作用机制尚不是很明朗, 这里就不在做过多的阐述。

312 自由基对核酸的损伤[ 3 ]
核酸, 尤其是脱氧核糖核酸( DNA) , 是生物体中的重要成分, 它带有生物信息编码, 能够控制多种生物功能, 如蛋白质的合成和遗传性状等。

常态下, 细胞每消耗200个分子氧就会产生一分子氧化核酸。

ROS 能使DNA的双链和( 或) 单链断裂使DNA 的碱基变成自由基并生成稳定的氧化产物, 自由基能与核酸的碱基和核糖- 磷酸支架反应, 使之改变或断裂, 破坏核酸分子的完整性和空间构型。

这些改变都将使细胞发生深刻的功能性变化或遗传性变化, 甚至造成细胞的癌变和死亡。

自由基通过其强氧化作用对核酸进行氧化和交联, 使DNA 发生断裂、
突变, 从而严重影响蛋白质遗传信息的正常转录和翻译, 使蛋白质表达量降低甚至消失, 或者产生突变蛋白质。

而蛋白质合成减少正是老年性记忆减退、智力障碍及肌肉萎缩的重要原因[ 10 ] 。

自由基可以破坏DNA, 使蛋白质合成下降, 造成体细胞突变, 进而导致老化现象的产生, 同时还可以在体内产生过氧化体质, 损伤细胞膜, 造成血小板凝集( 血栓) 、红细胞膜损伤( 溶血) 、动脉硬化、肝功能异常、肺气肿等, 甚至引起基因突变增加癌症与肿瘤的发生率。

而自由基还能够损伤从基因层面决定细胞衰老和死亡的端粒的长短[ 11 ] , 端粒是指染色体末端由核酸重复序列与蛋白质( 含特定酶类) 组成的特殊结构, 主要包括Ku70、Ku80 、依赖DNA 的蛋白激酶和端粒重复序列结合因子2 ( TRF2 ) 等。

端粒可防止两条染色体末端的DNA 链互相作用, 造成染色体畸变。

端粒富含碱基G 的重复串联结构更易受到氧化应激的损伤。

氧化应激( 尤其强烈的氧化应激)可使端粒的碱基G 被氧化, 造成其严重损伤, 引起端粒在非复制条件下断裂并缩短。

目前认为, 染色体末端复制可造成端粒缩短, 而氧化应激使其缩短加速, 从而加快细胞的衰老与死亡, 进而加速机体的衰老和死亡[ 12 ] 。

同时某些化学物质进入生物体内后, 经体内的酶系活化, 可产生某些具有强烈亲和性的中间代谢产物, 这些代谢物可以与脂类蛋白RNA 或DNA 的亲核中心发生反应, 形成稳定的或不稳定的加合物,而体内不能及时修护时, 其特有的遗传性质就会受到影响。

这些DNA 损伤中一部分也是由自由基介导产生的。

【参考文献】
1 Harman DJ . Gerontol, 1957, 11 : 298.
2 Limoli CL, Kaplan MI, Giedzinski E, et al. At tenuation of radiation
3 海春旭. 自由基医学: 过氧化损伤. 西安: 第四军医大学出版社,2006, 35240.
4 赵克然, 杨毅军, 遭道俊, 等. 氧自由基与临床. 北京: 中国医药科技出版社, 2000 , 21 - 55.
5 孙存普, 张建中, 段绍瑾, 等. 自由基生物学导论. 安徽: 中国科学技术大学出版社, 1999, 258 - 264.
6 邓锡伟, 罗德诚. 生脉饮对心绞痛患者左室功能运动耐量和氧自由基的影响. 中华内科杂志, 1992, 31: 113.
7 和永祥. 自由基在病毒性肝炎中的作用及其防治. 中国实用内科杂志, 1994, 14 ( 11 ) : 679.
8 修晓娜, 史远刚, 关伟军, 马月辉.自由基与人类衰老,中国现代中医学杂志，2008.
9 李德才, 何晓玉, 雷辉. 自由基导致细胞衰老进而导致机体衰老的作用机制中国现代临床医学杂志，2009.
10 Turpaev KT. Reactive oxygen species and regulation of gene expression. Biochemi stry( Mosc) , 2002, 67 ( 3) : 2812292 .
11 Marusic L, Anton M, Tidy A, et al. Reprogramming of telomerase by expression of mutant telomerase RNA template in human cells leads to altered telomeres that correlate with reducde cell viability. Mol Cell Biol , 1997 , 17 : 639426498.
12 Harly CB, Futcher AB, Greider CW. Telomeres shorten during aging of human fibroblasts . Nature, 1990, 345: 458 2460.。