自由基生物学

第一章自由基的产生及其化学性质

一、什么是自由基

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）

其逆过程，即当一个共价键离解时，必须要供给能量（自由能）。反应式（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。

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 + e-R.

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（self-annihilation）（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：

R. + X-SH R-H + X-S.

2X-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. + O2RO2．

RO2．+ A-H R-OOH+ A.

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

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

＇

（6）链锁反应

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）

.（扩展）

从总体来说，反应起始时，引发阶段占主导地位，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. A-A

2C.C-C （终止）

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。

（-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