7 活性氧解析

小常识：日常生活或饮食上有哪些物质易产 生自由基？
如香烟、酒精、工厂或汽车所排放的废气、酸 雨、水污染、农药、除草剂、洗洁剂、杀虫剂、 紫外线、X光射线等等; 食用过氧化脂肪食品; 过度运动; 动脉粥样硬化、糖尿病、癌症患者 体内也会产生大量自由基。
7.3 氧自由基对大分子造成的损伤
7.3.1 自由基对核酸的损伤
O2−·
Fe(III)EDTA
VCred
实质：铁配合物催化下抗坏血酸的单电子氧化
− (二)通过O2 · 的歧化，产生H2O2 2 O2−·+ 2H+ O2 + H2O2
有单电子氧化还原趋势的过渡金属离子(如Cu2+/Cu+)可 催化此反应。过渡金属催化一方面是因为金属离子与 O2 − · 结合中和了负电荷；一方面金属离子发挥电子传递 功能： H2O2 O2−· Cu2+
O CH3O CH 3 CH 3 CH3O O (CH 2 CH C CH 2)nH
e
CH 2)nH
coenzyme Q e + 2H
· OH ←H2O2← O2

coenzyme Q •
semiquinone radical
+
O2
−·
OH CH3O CH3 CH3 CH3O OH (CH2 CH C CH2)nH
coenzyme QH2
在白细胞受到刺激时，细胞膜上的NADPH氧化酶被激活， 推动O2对NADPH的单电子氧化，同时产生O2−· ，这也是白 细胞发挥吞噬作用所需要的。 NADPH氧化酶是一个锰酶。锰在三价和二价之间的转化 推动O2的单电子还原与NADPH单电子氧化的偶联。 NADP· ④ O2 ③
OOH ROOH
MDA(malondialdehyde)：

脂肪遇氧化的最终产物
可以长期存于人体，对 人体造成伤害
O−O键均裂 OOH ROOH
(4)ROOH的变化
O· RO· ＋ · OH
O−H键处断裂
OOH ROOH OO· ROO·
＋ · H
当ROOH周围有金属离子存在时发生Fenton反应
蔬菜和水果是最佳的抗氧化选择。他们含有一些自然 的植物化学成份，例如黄酮类(Flavonoids)、吲哚类 (Indoles)物质、蕃茄红素(Lycopene)等等。
RSH + · OH → RS·+ H2O 2RS·→ RSSR
在一个细胞里，可以产生ROS的地方很多，参 与这个过程的生物分子也很多。大体可以划分 在以下几个部位：
线粒体内膜 电子传递链 膜 细胞溶胶 O2
−·
7.2 活性氧物种的体内形成
NADPH氧化酶
黄嘌呤氧化酶 小分子还原剂
内质网
细胞色素P450
7.4 抗氧化防御系统
7.4.1 非酶抗氧化剂
在自然的饮食中，被称为三大抗氧化物质 的是维生素E、维生素C和-胡萝卜素。
(一)维生素E(VE) 脂溶性——重要的膜 抗氧化剂
VE
VC还原
VE自由基
醌式
(二)抗坏血酸(又称维 生素C，VC)
O
O
OH CHCH2OH −e O
O
−
R
· O O HO OH 歧化 水溶性的抗坏血酸在 半去氢抗坏 细胞内外都能存在，能 血酸自由基 与O2 − · 、H2O2、· OH作用， 去氢抗坏血 O 是最重要的生物抗氧化 酸还原酶 O R 剂，特别是细胞外抗氧 去氢抗坏血酸 化剂。 O 水解 O VC的重要性还在于配 合VE工作，一方面它和 COOH COOH VE分工，它管细胞内外 O C CHOH O2, 2H+ COOH 介质，VE管细胞膜；另 O C HO CH COOH, 一方面，它的电势较低， CHOH CH2OH 草酸 负责把一部分氧化了的 R 三羟基丁酸 VE再还原回来。 二酮古隆酸
自由基在DNA和核蛋白中会产生各种损伤，如碱基修饰、 糖修饰、单键断裂、碱基去除和DNA蛋白交联等。
自由基与碱基部分的反应 60％
胸腺嘧啶二醇
3 5 1
30％
1 3
5
7 8
主要
1 3
5
7 8
甲酰氨基嘧啶 7-氢-8-羟基嘌呤
主要
8-羟基嘌呤
鸟嘌呤C8-羟基加成自由基的后续反应
因此，采用HPLC从尿或其他生物样品中分析出8-羟基嘌呤、 胸腺嘧啶二醇、甲酰氨基嘧啶等可以作为DNA自由基损伤 的生物标记物(biomarker)。
自由基与多不饱和脂肪酸作用的基本反应过程 (1)引发——抽氢反应生成碳中心自由基(RH→R· ) · OH, O2−· · RH R ·
(2)加氧生成过氧自由基(R· →ROO· )
·
R ·
O2
OO· ROO ·
(3)过氧自由基的反应
与另一氢原子供体R’H进行氢交换 R’H OO· ROO· • 分子内氧化生成MDA R’·
7.1 ROS的生成、转化和性质
7.1.1 初级活性氧物种的形成
氧分子的单电子还原中间物O2−· 、H2 O2 和· OH是初级ROS。 e e O2 · OH ④ ② ③ ① 基态氧 超氧阴离子 过氧离子 羟自由基 O2 O2
−· 2−
e
e
OH−
.. .. O .. ::O ..
.. ..− · O .. ::O ..
抗坏血酸的负面作用： 它能把铁由三价变为二价，促进亚铁离子催化 超氧阴离子和羟自由基的形成，所以抗坏血酸 与铁剂联合用药应该特别注意。
抗坏血酸自由基本身也有破坏作用。一度主张 使用极大剂量VC是不合理的。
O2 Fe(II)L VCox H2O2 Fe2+ VCox
O2−·
Fe(III)L
O2
Cu+
O2−·
超氧化物歧化酶
(三)通过金属离子催化的Haber-Weiss反应， 产生羟自由基
O2−·+ H2O2 · OH + O2 + OH− (1) Fe2+ + H2O2 Fe3+ + · OH + OH− Fenton反应
(2) O2−·+ Fe3+
H2O2 Fe2+
Fe2+ + O2
第7章 自由基生物医学
相关概念
• 自由基：

指那些最外层电子轨道上含有不配对电子 (单电 子)的原子、离子或分子，如· CH3, · Cl, NO, O2−· 。它们 性质极不稳定，具有抢夺其他物质电子以使自己原本不 成对的电子变得成对(较稳定)的特性。按照单电子所在 的原子，自由基分为碳中心、硫中心、氧中心自由基等。 由氧分子单电子还原生成的初级产物 (如超氧阴离子O2−· ， H 2O 2, · OH)和由这些初级活性物质与生物大分子作用生成 的次级活性物种(如ROOH，RO· )大部分是自由基，但并不 都是自由基，被称为活性氧物种(reactive oxygen species, ROS)。
7.3.3 自由基对蛋白质的损伤
半胱氨酸残基是蛋白质对ROS最敏感的基团。
SH
SH ROS
S·
S·
S
S
酪氨酸残基也易与自由基反应
O-tyrosine和o,o’-dityrosine可用来作为体内蛋白质氧化程度 的marker，o,o’-dityrosine会随年龄增长而累积在生物体的骨 骼、心肌细胞中，因此 可以作为人体老化程度的指标。
( 一 ) 初级活性氧物种的反应 自由基与自由基间的结合
· CH3 + · CH3 CH3 −CH3 相同自由基结合 −O−O−N−O 不同自由基间的作用 ·O−O− ＋·N−O + H+ · OH + ONO· • 自由基与非自由基间的反应——原子-电子交换， 生成新的自由基 · R + H:R’ RH + ·R’ 抽氢反应 • 自由基参与的加成反应——生成新自由基
OOH ROOH
+ Fe2+ + H+
Fe3+ +
O· RO·
+ H2O
蛋白质是ROS进攻的主要靶分子，功能蛋白的 氧化性损伤所引起的功能丧失是活性氧疾病群 最多见的关键事件。 ROS可以进攻细胞外的蛋白质、膜蛋白(包括膜 上的酶、受体、通道蛋白)、细胞溶胶内的蛋 白、细胞骨架以至各种细胞器(包括核)内的蛋 白质。 自由基引发的蛋白质损伤主要有三方面：氧化 性交联、氧化性降解和侧链的氧化性修饰。
3
1 5 · O H
注意：生成的羟基核苷可以经尿排出，因此 可以从尿中检查出某种羟基核苷来判断是否 有体内的自由基造成的损伤。
(3)简单电子转移：当与羟自由基反应的物 质既无可转移的原子，也无双键时，还会发 生单纯电子转移反应。
羟自由基和巯基化合物作用时，先生成硫中心 自由基，然后两个自由基硫共价键合成二硫键：
O H N O
次黄嘌呤 HX
百度文库
N 黄嘌呤氧化酶 O H XO
N 黄嘌呤氧化酶 O H XO
N H
N H
尿酸
在氧对次黄嘌呤过量时，生成O2−· ：
HX+ 2O2 +H2O→X+ 2O2−· +2H+ X+ 2O2 +H2O→尿素+ 2O2−· +2H+
如果氧分子供应不足，则生成H2O2：
HX+ O2 +H2O→X+ H2O2 X+ O2 +H2O→尿酸+ H2O2
7.2.2 细胞膜上的NADPH氧化酶推动的ROS的形成
NADPH
Mn3+ NADPH氧化酶 H2O2
NADP+
O2
Mn2+ e O2− ① ·
②
7.2.3 细胞溶胶内ROS的形成(病理条件下)
O HN N N
O2 ＋ H2O O2−· ＋ H2O2
O HN N H
黄嘌呤 X
N
O2 ＋ H2O
O2−· ＋ H2O2 H N
基态氧分子受激发后的高能氧分子。
S=2(1/2+1/2)+1=3
S=2[1/2+(−1/2)]+1=1
危害：1O2会与· OH攻击脂肪分子 基态氧3O2(又称三线态氧) 单线态氧1O2
7.1.2 初级活性氧物种的反应和次级活性氧 物种的生成反应
初级ROS与各种大小有机分子进行电子转移反应，产生 新的自由基或非自由基的活性物种，称为次级ROS。 次级ROS中相当多都是化学活泼的，也有些是相对稳定 的。
H H R· ＋A－C＝C－B
H H A－C－C－B · R
(二)初级活性氧物种参与的次级活性氧物种的形成 以在体内造成损伤最 大、最广泛的· OH为例 (1)由抽氢引发的链 反应：与含有活泼氢 的有机化合物作用再 获得一个电子并抽去 一个氢原子。
(2)由加成引发的链反应：主要是自由基在双 键上的加成。
O2 金属离子催化的 Haber-Weiss反应
· OH + OH−
Fe3+
O2−·
( 四 )· OH得到一个电子，变成水(OH−)
在生物体内，· OH生成后很容易与靶分子作用得到一 个电子变成OH−。 · OH在体内造成的损伤最大、最广泛。
(五)单线态氧1O2(singlet oxygen)的生成
磷脂中的多不饱和脂肪酸是易受ROS攻击的靶结 构。由于多不饱和脂肪酸和ROS反应过程中都经 过过氧化物中间物，所以这类反应过程统称为 脂质过氧化(Lipid peroxidation, LPO)。
7.3.2 自由基对脂类的损伤
脂质过氧化是一个多步过程，· OH和O2−· 都能引 发，后续反应及反应产物复杂，但是其基本反 应差不多，中间活性氧物种无非是R· 、 RO· 、 ROO· 、ROOH等；而终产物则是丙二醛(MDA)等羰 基化合物以及烷、烯等。
过氧化物酶体
7.2.1 线粒体内膜上产生ROS的过程——电子传递 链上的“电子漏”
e e
(一)NADH的自氧化和氧分子的单电子还原
NADH脱氢酶
−e
+e +e
−e
FMN O2 · OH ←H2O2← O2−·
(二)辅酶Q的自氧化生成O2−·
O CH3O CH 3 CH 3 CH3O O (CH 2 CH C
VCred
· OH + OH−
Fe3+
VCred
(三)-胡萝卜素(-carotene, CR)
脂溶性抗氧化剂。 它在单电子氧化还原有两面性：在氧分压高时， 它能够自氧化，有促氧化作用；在氧分亚低时， 才是抗氧化剂。 与ROS反应的机理还不完全清除，可能为： ROO· + CR→ ROO−CR·
.. .. 2− :O .. :O .. :
.. · O H · .. ·
(一)氧分子得到第一个电子，生成 −· O • 某些过渡金属离子的配合物如 2 Fe(II)EDTA具有单电子
还原性，可将氧分子转变成O2−· 。如果同时再有一个还 原剂把由此生成的Fe(III)再变回Fe(II)，Fe(II)重新 去还原氧分子，产生更多的O2−· 。 • 例如Fe(II)EDTA+抗坏血酸(维生素C，VC)就构成了一 个推动O2−· 生成的反应体系。 O2 Fe(II)EDTA VCox