氧自由基

氧自由基生成过多引起的病理变化
1．外源性直接因素：高压氧吸入可损伤肺中的巨噬细胞， 后者释放化学物质激活中性白细胞可产生O2 · 、H2O2等， 为氧中毒急性肺水肿的起始因素。吸烟的烟气含有多种 多量的活性氧。烷氧自由基直接损伤呼吸道粘膜、肺泡， 烟中多聚环芳烃经氧自由基氧化则成致癌物。
辐射损伤主要由于外源供能使体内水分子成不稳定激 发态，进而分解成O2- · ， O2- ·经衍化并扩大损伤。紫 外光通过眼球水晶体中的光敏物质如核黄素，使之氧 化 成晶体蛋白，形成聚合、交联的不溶性蛋白质，发 展为白内障。又如某些化学药品可使肝内羟化反应增
4．其他：如不适当的补充铁以致体内铁过多， 或先天性 血色沉着症对组织损伤的机理，很重要的是O2 —·使铁蛋 白释放出Fe2+ 促进HO·生成，已知HO·是对大分子损伤作 用最强的氧自由基，在中毒性肝损伤、炎症性疾病、类风 湿性关节炎都存在上述机理。又如创伤、出血与寒冷等可 使机体释出大量肾上腺素，后者通过自氧化可产生自由基， 血脂过高者血中过氧化脂质亦高，已知过氧化的低密度脂 蛋白(O·LDL）极易透过血管内皮沉积于骨膜，与动脉粥 样硬化形成有关。此外花生四烯酸代谢失常产生氧自由基 与多种疾病有关。
种膜功能，膜必须保持在最适当的态， 具有适当流动性。
脂质过氧化还可引起膜通透性增强、线 粒体膨胀、溶酶体酶的释放、酶的失活 等损伤。红细胞膜中含有大量多不饱和 脂肪酸，而且又直接暴露于氧，很易发 生脂质过氧化反应，使红细胞膜受到破 坏，发生溶血。
(2)在脂质过氧化过程中可以产生多种活泼自 由基，它 们可攻击细胞中的酶和其他成分，使 之丧失功能。
脂质过氧化对机体的损害，可引起多方面 的病变。在细胞内产生的脂质过氧化物，可以 破坏其有关的细胞，使局部组织受到损伤；脂 质过氧化物逸出细胞，可使血清过氧化脂质水 平升高，使末梢组织受到损害；通过抑制前列 腺环素的合成，引起血小板的聚集和血管挛缩； 通过形成脂褐素，使细胞老化。
因此，关于衰老、肿瘤、炎症、血栓 症、动脉硬化、溶血、玻璃体混浊、肝 和肺的一些疾病，都有人正在从脂质过 氧化反应来探讨其机制。
氧自由基与临床
活性氧与氧自由基
活性氧是指氧的某些代谢产物和一些 反应的含氧产物，主要有： ①氧的单电子还原物如O2·和O·，以及它们的质子
型HO2 ·和·OH； ②氧的双电子还原物H2O2； ③烷烃过氧化物ROOH及其均裂产物RO·，ROO·； ④处于激发态的氧，单线态氧和羰基化合物。
自由基: 指含有一个或一个以上不配对电子且能独立存在的原
子或原子团。 氧自由基：
活性氧中有一些是自由基，在这些自由基中，若不配 对的电子位于氧，则称为氧自由基。
活性氧中另一些则是非自由基的含氧物，非自由基的 活性氧的特点是可以在自由基反应中产生，同时还可以直
接或间接地触发自由基反应。
从化学的活性来说，氧自由基与活性氧 同义，但有例外，如基态氧虽是双自由 基，但其化学活泼性并不强，不属于活 性氧；激发态的分子氧，单线态氧虽不 是自由基，但其活性要比双自由基基态 氧和一些氧处于激发态的含氧有机物， 如激发态羰基化合物和二氧乙烷，以及 臭氧等也都属于具有生物学意义的活性。
NADPH﹢O2→NADP+﹢ O2-.
二、·OH的产生
·OH的化学性质非常活泼，寿命极短，产 生部位经常为其起作用的部位。如果在生物体 内重要生物分子如核酸不处在 ·OH产生部位， 则不会受到损伤。虽然至今难于用现有的技术 直接检查出生物体内的·OH，但是已有很多事 实间接证明生物体内确有·OH产生。
这说明，DNA的被破坏既涉及O2 -·的作用，又 涉及到H2O2的作用，并且很可能与两者相互反 应而产生的OH·有关。若加入能作为金属离子 络合剂的DETAPAC (diethyl triaminepenta acetic acid)，亦能使DNA的破坏受到抑制。这进一步 说明，DNA的破坏与OH·的作用有关，因 DETAPAC可以抑制在Fe2+-EDTA催化下由 O2 -·与H2O2产生OH·的反应。
强。氧自由基生成增多，此与该药的毒副作用有关。
2．吞噬细胞数增多，呼吸爆发增强的病理变化： 如局部有大量吞噬细胞浸润，则可由补体、脂肪酸、白
三烯、细菌、内毒素、免疫复合 物、干扰素、二脂酰甘油 及血小板因子等因子激活白细胞膜上NADPH氧化酶，启动 呼吸爆发，这个过程中生成多种氧自由基。如感染、创伤、 炎症以及有抗原抗体复合物生成的免疫反应性疾病时，其 中氧自由基对疾的发生发展起了促进作用。 呼吸爆发：当吞噬细胞进行吞噬作用时，氧化代谢会突然 增长，这一现象称之为呼吸爆发。
自由基对脂类和细胞膜的破坏——脂质过氧化反应 脂质过氧化对机体的损害，可引起多方面的病变：
自由基对蛋白质和酶的损害
一、自由基可以使蛋白质变性
例如，脂质过氧化反应中产生的自由基，就可使蛋白质 变性。将易发生脂质过氧化反应的不饱和脂肪酸(18:2、 18:3、20:4、22:6等)与提纯的蛋白质(蛋白酶、过氧化氢 酶、细胞色素C、血红蛋白、血清白蛋白等)混合(水溶液 或干燥状态)放置，蛋白质就逐渐变为不溶于水的聚合物。 通过凝胶过滤可以看出，其聚合物的分子量约为原来蛋 白质的2倍、3倍、甚至数倍。而且在变性蛋白质中，还 含有一些牢固结合的脂质，同时，变性蛋白质还具有荧 光。
(一)通过Fenton型Haber—weiss反应产生·OH (二)某些药物在体内代谢中可能产生·OH (三)某些酶或其复合体系可产生·OH (四)某些生理或病理生理作用中产生·OH
三、H2O2的产生
O2获得两个电子就可成为过氧自由基 （O2-2），在H+的存在下可转变为H2O2，但事实 上O2难于同时接受一对电子。虽然通过或 HO2·的自动歧化反应可以产生H2O2，但是在pH 为7.4的生理条件下，主要还是O2 ·。 O2- ·的歧 化反应速度是较低的，因此在生物体内，通过
非酶反应产生的H2O2可能性是很小的。在生物 体内H2O2的产生是通过酶促反应的。
氧自由基的毒性作用
一、自由基对脂类和细胞膜的破坏 细胞中的脂类受到自由基的作用时，很易发
生脂质过氧化反应。因为： 1．脂类的多不饱和脂肪酸具有易与自由基作用
的结构；多不饱和脂肪酸的碳链上常含有位 于两个双键之间的亚甲基，此亚甲基的氢原 子比较活泼，自由基可以夺取其氢原子，使 之形成脂质自由基，引发脂质过氧化反应。
一、 O2·的产生 (一)非酶反应：在需氧的生物体内到处存在 着O2。如果在O2参与的非酶反应中O2能从还原 剂接受一个电子，就可以转变为O2·。
(二)酶反应：需要氧维持生命的生物 包括细菌等微生物以及人，其体内一定 会有 氧代谢。在氧的代谢反应中常有酶 促氧化与还原。这表明有些酶促反应中 可能有O2·的 产生。
(1)脂质过氧化可使细胞的脂质受到破坏，从 而影响到细胞膜的功能。细胞膜的主要成分是极 性脂质(磷脂和胆固醇等)和膜蛋白。膜磷脂中的多 不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应，则可使不饱 和脂肪酸减少。
不饱和脂肪酸的减少，又可使膜的流动 性降低，因为磷脂的不饱和脂肪酸对膜 的流动性起着重要的调节作用，饱和脂 肪酸可使膜变为坚硬状态，不饱和脂肪 酸可使膜变为柔软的状态。为了实现各
二、自由基可影响酶的活性
已有许多实验表明，自由基或自由基反应的产物，往 往可以影响酶的活性。许多自由基和自由基反应可以使 酶失活。如，正进行过氧化反应的脂质可使核酸酶失去 活性，同时在反应混合液中出现荧光。将其产物进行凝 胶过滤，可以得到失活并具有荧光的核糖核酸酶、二聚 物和高聚物，以丙二醛作用于核糖核酸酶，也可以使之 失活，出现荧光，而且凝胶过滤也可得到相似的结果。 这表明，正在进行过氧化的脂质使核糖核酸酶失活，可 能涉及脂质过氧化产物中丙二醛的作用，丙二醛可使核 糖核酸酶发生分子内和分子间的交联。
在有氧的条件下，以丝裂霉素加氢硼化合物 作用于噬菌体PM-2共价环状闭合的DNA，可使 之发生环的裂开。若加入超氧化物歧化酶、过氧 化氢酶、苯甲酸盐可使DNA受到保护。这也说明， DNA的破坏可涉及到O2 -·和H2O2的反应而产生的 OH·的作用。
脂质过氧化反应也可以使核酸受到破坏。例 如，将未氧化或已经氧化的亚油酸甲脂与DNA 混合，于室温或37℃保温，在不同时间取出样 品，以电子自旋共振法检测自由基，可以发现 类似于γ-射线或UV辐射引起的信号。脂质过氧 化还可以产生丙二醛，丙二醛可使DNA发生交 联。试管实验和组织培养实验均已证明，丙二 醛很易使DNA与富于游离氨基的组蛋白发生交 联。
氧自由基过多引起的病理变化
生理情况下，人体内约有1％-5％的分子氧通过多种 途径产生氧自由基，但其生成与清除是处于动态平衡 的。当某种因素使氧自由基生成过多或超出清除能力 或／及清除能力减弱时，则氧自由基就过多。过多的 氧自由基通过损伤生物大分子，破坏细胞的结构与功 能，促使疾病的发生与发展。氧自由基引起的疾病， 已超过100余种，但引起的病理变化则是多种疾病共同 有的基础。
3．组织缺血再灌注的病理变化：缺血时组织中的ATP 分解，腺嘌呤分解为黄嘌呤。再灌注时氧分压与pH 增高，黄嘌呤脱氢酶转变为氧化酶，O2经单电子还 原生成O2 ·。心肌的缺血再灌注损伤研究得较早， 以后发现缺血再灌注对肝、脑、肾及肠等都可造成 类似损伤。近来检测证明血管内皮细胞含有丰富的 黄嘌呤氧化酶，可能解释不同器官受损的相似性， 缺血再灌注损伤实质上也发生于多种疾病，只是严 重程度可有差异，所以也为氧自由基与多种疾病相 关的一个联系点。
1．黄嘌呤或次黄嘌呤氧化为尿酸：在黄膘呤氧化酶 的催化下， 黄嘌呤(或次黄嘌呤)可通过将单电子 或双电子给予O2的方式氧化为尿酸。
2．醛氧化酶：醛氧化酶也具有2个FAD、2个Mo及8 个Fe。它还含有1个或2个分子的辅酶Q10。
3．线粒体呼吸链有关的某些酶： 线粒体呼吸链为 NADH、黄素蛋白、铁硫蛋白、泛醌与细胞色素 类组成的一系列氧化还原系统。
例如，在脂质过氧化反应中形成的过氧自由 基，可从蛋白质分子夺取氢原子，使蛋白质分 子变为自由基，发生自由基反应，导致蛋白质 的变性、酶的失活。
(3)脂质过氧化产物中醛类化合物，对细胞也有 毒性作 用。例如，脂质过氧化产物中的丙二醛， 是1个双 功能基化合物，可作交联剂，能与蛋 白质、核酸、 脑磷脂等含氨基化合物反应，使 之发生交联，丧失 其功能。
2．氧较易溶于非极性溶剂：氧在非极性溶剂中 的溶解度，比在水中的溶解度大7倍。细胞 膜中，由磷脂酰基链和胆固醇组成的区域， 是细胞中极性最小的区域。因此， 在细胞 膜内，具有较高的浓度，有利于脂质过氧化 反应的进行。
脂质过氧化可使细胞受到多方面损害，机制很 复杂，至今尚未完全弄清。但其最基本的损害作 用机制，大致有以下3个方面；
但是，自由基也可以使酶激活，例如， OH·虽然能使许多酶失活，但在细胞内却可 提高磷酯酶A2的活性，导致花生四烯酸的释 放和多种过氧化物的形成；OH ·还可以 激 活鸟苷酸环化酶，促使GTP转变为cGMP。
自由基对核酸和染色体的破坏
一、自由基对核酸的破坏 已有许多实验表明，自由基可以破坏核酸，
并产生严重的不良后果。例如：以60Co的γ射线 作 用 含 有 甲 酸 盐 的 噬 菌 体 Фx--174DNA 的 溶 液 ， 可使DNA受到损伤。若加入超氧化物歧化酶和 过 氧 化 氢 酶 则 可 使 DNA 受 到 保 护 。 这 说 明 ， DNA的被破坏涉及到O2 ·和H2O2的作用。
4．微粒体电子传递系统有关的某些酶：微粒 体不是细胞内存在的实体组织名称，而是用 差速离心分离细胞器所得到的核蛋白体与内 质网膜。前者为蛋白质生物合成的场所。后 者的功能虽随细胞不同而异但都存在电子传 递系统，其中某些酶反应产生O2•。（CYP）
5．其他酶体系：产生O2-.的酶反应尚有 多种酶；二氢乳清酸脱氢酶、NADPH氧 化酶、铁氧还蛋白一 NADPH还原酶、红 氧还蛋白一NADPH还原酶、非特异性过 氧化物酶、硝基丙烷双氧酶、吲哚胺双 氧酶、色氨酸双氧酶、半乳糖氧化酶等。
常用的氧自由基
氧自由基对人体有特殊的意义，据估 计人体内总自由基中约95％以上属氧自由 基。氧自由基往往是其他自由基生成的起 因。
为了便于掌握，现将常用的氧自由基列表如下：
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生物体内氧自由基的产生
生物体内产生的自由基主要是O2·(或HO2·) 与·OH及其活性衍生物如H2O2、1O2、 RO·、 RO2·、及ROOH。