自由基生物学

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（ active oxygen species），即氧分子被还原 成水时所产生的中间产物的统称。
自由基生物学与人体健康
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 自由基的产生及其化学性质 活性氧 自由基清除剂 自由基的生理功能 缺血重灌流——自由基对组织的损伤 自由基与癌症 自由基与衰老
第一章 自由基的产生及其化学性质
一、自由基的定义 二、自由基的产生 三、自由基的化学反应
一、自由基的定义
（-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
第二章
一、氧的毒性
活 性 氧
二、活性氧及其在生物体内的产生
三、活性氧的毒性
一、氧的毒性
大约2× 10 9 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
- 能使酶失活、使红细胞溶血、杀菌、使 O2· -还 DNA降解和破坏动物细胞等。此外， O2·
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。
-不能。在细胞 H2O2能迅速穿过细胞膜，而O2·
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：
Cu+ + H2O2
Cu 2+ + OH· + OH-
Fe2+ + H2O2
Fe3+
+ 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
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-A 2A· （引发）
A· +
B-C
A-B
A-C
+
+
C·
A· （扩展）
C· + A-A
从总体来说，反应起始时，引发阶段占主导地位，
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
血红蛋白（Fe3+） + O2·
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：
维生素C + O2·
H+
H2O2 + 维生素C· （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
- （superoxide 活性氧主要包括超氧阴离子O2·
anion）、羟自由基OH源自文库 （hydroxyl radical）、过 氧化氢分子H2O2 （hydrogen peroxide）、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。
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．等都是自由基。
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。
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：
2A·
2C·
A-A
C-C （终止）
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-H R-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：
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+）+ O2·
O2 + 细胞色素C（Fe2+） O2 + 血红蛋白（Fe2+）
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
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 （ selfannihilation）（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
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）
逆过程：
当一个共价键离解时，必须要供给能量（自由能）。反应式
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 + eR·
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
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。
R·+ X-SH
2X-S·
R-H + X-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· + O2 A-H RO2· R-OOH + A·
RO2· +
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
A·+ C·
A-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。
（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
CH3CHOH
OH· 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
（ 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（free radical），用R· 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
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 + H2O
两个碳自由基可通过不成对电子构成共价键而生 成非自由基产物： CH3C· HOH + CH3C· HOH
CH3CHOH
氧分子还原成水的全过程如下：
O2
O2·
+ +
eee2H+
O2·
H2O2 OH· + H2O
H2O2 +
H+
OH· +
e-
H+
H2O
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。有氧代谢条件 下都能产生活性氧。
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
- 是氧分子被还原成水时所产生的第一个活 O2·
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
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。
脂类过氧化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：
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
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
X-C= C-X＇+
R·
X-C- C-X＇ R
（6）链锁反应