自由基

自由基

台大郑剑廷助理教授演讲后心得分享

壹、什么是自由基

究竟什么是自由基呢？无论是活蹦乱跳的动物，还是静止不动的岩石；无论是奔流不息的河水，还是触摸不到的空气，地球上的所有物体都是由分子构成的，例如氧分子、氢分子、水分子、醣类、蛋白质、脂质．．．，一个稳定的分子，它所包含的电子应该都是成双成对的，即是电子的总数必定是偶数，但是有时由于某些原困，分子或电子内出现了一个落单的电子或分子，使总数变成单数，此种分子很不稳定它们十分活泼，与原物质相比，衍生而来的分子是具有更高的自由能及高度的活动性，我们把它命名为﹝自由基﹞（Free Radical），自由基以它特有的氧化作用进攻邻近的分子，以抢夺或者分享它们的电子，尤其是生物大分子，这称之为自由基的活跃性。而这种使自己电子配对，造成对方失去电子的过程，是种『氧化』作用，在『氧化』过程中，能产生大量的加成物，使分子发生交联作用，因此具有极大的破坏性，特别当它失去电子，就会积极的主动地寻找对象进行反应，这就形成了损伤组织的连锁反应，因此自由基形成的氧化反应对生物体可以导致严重地生理衰老和病理性变化。

自由基的活跃性有强弱的不同，通常越小，越简单的自由基活性越大，氢氧自由基（OH或羟）就是最具破坏力的。自由基也有好坏之分，有些免疫细胞释放自由基以杀死入侵的细菌，病毒或癌细胞，有些自由基则参与了细胞内的重要代谢功能，而一氧化氮(NO)却对人体在适当量时是有帮助的。例如男人的阴茎勃起是靠一氧化氮(NO)来使阴茎充血的，威尔刚的作用是使一氧化氮(NO)作用时间延长而达到勃起。它们多属于『好』自由基，而有害的自由基是指具有破坏性的自由基，它们攻击毁坏正常分子，包括DNA、蛋白质、脂质等等，如果细胞不断地受到有害自由基的攻击而导致了永久性的损伤，细胞正常的运作就会受到影响，长期下来细胞的损坏积少成多，直至总体无法修复的程度，造成了老化现象，而且不可避免的疾病丛生，最后导致死亡。

贰、自由基的种类：

一、生物合成的：人体内因需要而由胺基酸而合成的，譬如一氧化氮(NO)是由L-精胺酸在一氧化氮(NO)合成酸下合成的。

二、新陈代谢产物：在新陈代谢过程中产生的，例如氧自由基，包括超氧化物及羟基自由基。

三、污染物：包括空气、水质、辐射、食品、药物、农药及防腐剂。环境污染物本身就是自由基。例如烟烟，只要一口烟烟就会有上千万的自由基产生。有些进入人体才形成自由基，例如水质污染重金属会促进羟基自由基形成。

四、广义的自由基还包括一些氧化力或还原力强的物质，他们本身虽然没有自由电子，但进入人体后却会经化学反应产生自由基。这类物质如农药中的巴拉刈(paraquat)，在过去很多人失恋时会喝巴拉刈自杀，巴拉刈进入人体后会提供血液中的氧分子一个电子，因此产生很多氧自由基。氧自由基则进一步引起严重肺水种，导致呼吸困难，若来不及救治则将因缺氧而死亡．我们四周存在很多自由基的来源，燃烧的烟草．工业污染或汽机车排放的废气、农药、酒精、化学药品、油炸食品、煮菜时的油烟、强烈紫外线的照射等等，都是自由基的重要来源。

参、自由基的产生途径

自由基的产生途径有很多种，遗憾的是其祸首是我们吸入体内的氧气及食物在体内发酵所产生的废气，氧气是人类生存所必须的养分，但也是人类难逃老化病死的命运的慢性毒药，细胞内产生能量的工厂，是粒线体，当粒线体进行氧化作用而产生能量时，有时会因电子传递系出现漏网之鱼而产生自由基，科学家估算，粒线体内约有５％的氧气转化成含氧的自由基，因此每天每个细胞会产生大约一兆个自由基，人体产生的自由基主要有氢氧自由基（Hydroxyl Free Radicals-OH-羟）和过氧化物自由基（Superoxide Free Radicals.O2）除此之外，过氧化氢（Hydrogen Peroxide-H2O2.俗称双氧水）虽然本身不是自由基，但是如果受到紫外光激发或者二价铁离子（Fe++）的催化，就会产生羟自由基（OH），故双氧水必须用深色塑料容器盛装，道理在此。活跃性高的自由基存在的时间都很短，只有约亿分之一秒，因为它们对邻近分子的攻击易如反掌。

现代人享受到文明的益处，但同时也在不知不觉中付出了代价，我们比老祖先受了更多自由基的迫害，例如各种环境污染、紫外线、放射线、吸烟、杀虫剂及许多化学药品，尤其是环境污染（汽车的废气，HC工厂的SO2）都会增加体内大量有害的自由基。

根据美国加洲柏克莱大学布鲁斯.艾姆斯博士（Bruce N Ames Ph.D）的估算，每天每个细胞内的遗传基因DNA大约会受到十万个自由基的攻击，所幸的是；细胞里的抗氧化脢系统修补脢系统可以修复９９％一９９．９％的伤害，尽管如此，每天每个细胞内的遗传基因仍然会增加大约一千个新伤口，到了老年之时，伤口总数将达到数百万个，在我们迈入五十岁时钿胞内大约３０％的蛋白质已经被自由基击毁而报废。另外，构成细胞膜主要成分之一的脂质，以及血液中的胆固醇，也有不少因为受到自由基攻击而变成如同酸败的奶油一般，当这些人体内的主要成员由于自由基的破坏，而逐渐失去各自的机能时，我们的身体和精神也日渐衰老，科学家们估计大约80％一90％的老化性，退化性疾病都与自由基有关，其中包括癌症.老人痴呆症，帕金森氏症、肌肉营养不良、皮肤黑班沈积、皱纹生成、气喘、肺气肿、白内障、黄班、退化心脏病、中风、溃疡、类风湿性关节炎、多发性硬化等等。

肆、细胞对自由基的防御机制

细胞对自由基所带来的破坏并非视若无睹，相反地由细胞合成的各种抗氧化脢，如麸胱甘太过氧

化脢（Glutathione Peroxidase）触脢（Catalase），过氧化物转化脢（Superoxide Dismutasc简称SOD）这种酵素能将超氧阴离子清除2O2- +2H+ H2O2 + O2等，以及体内自然产生的一些物质，如麸胱甘太（Glutathione）、尿酸（Uric Acid）等组成了人体内对抗自由基的第一道防线，科学家发现，长寿动物体内的SOD含量比较高，而人类是目前所知体内SOD含量最高的动物。然而，举凡年长老化、体质改变、环境因素等，我们体内的抗氧化脢都可能出现供应不足的情况。

不过，我们可藉由呼吸方法，吸入大量的正常氧（02）及单氧（0）与有害的自由基接触后，会将有害的自由基转化为稳定安全的分子，而自已则变成活跃性很低的自由基，（恢复总数为偶数的电子荷）这种低活跃性的自由基，不易攻击其它正常分子，而会有较多机会排出体外，或者与另一个邻近的自由基结合，而双双变成安定分子，人体内必须随时保持足够的抗氧化物质，以切保有害自由基维持在可控制的程度。如此人体的免疫系统就会增强，就不至于容易感染各种疾病。

小分子抗氧化物质则包括维他命E，维也命C，β-胡萝卜素等，这些抗氧化物来自吾人日常饮食的蔬菜水果当中，唯有自由基的产生系统与抗氧化系统发生不平衡时，过剩的自由基才会对人体产生伤害。

伍、避免自由基的伤害以防止老化

﹝自由基理论﹞是目前科学界最为一致认同的老化理论，1954年美国林肯大学医学院丹汉哈曼博士（Denham Harmam M.D.，Ph.D.）首次提出该理论时，并未受到重视，走过漫长的二十年后，『自由基理论』才逐渐被接受，如今已成为老化理论的主流之一，哈曼教授在1995年荣获提名诺贝尔医学奖。

追求长生不老是自有人类以来的梦想，古代秦始皇虽然统一天下贵为至尊，最后遗留的心愿仍是寻求长生不老的秘方。究竟人类为什么会老化呢？至目前为止，科学家们提出了很多有关老化理论的学说。其中最被广泛接受的有两个理论，一是遗传理论，另一个则是自由基的理论。所谓遗传理论乃认为人类之所以老化与遗传基因有关。人体细胞内的染色体中有许多老化基因，当这些老化基因逐渐浮现时，细胞会走向自我凋亡（apoptosis）的途径。由于每个人体内老化基因多寡有所不同，因此我们可以观察到，有些家族的人很容易变老，四十几岁却已白发苍苍，可是有些家族的人就像「小玉型」品种的西瓜，看起来总是那么年轻。因此「老化」多少与遗传有关，既然有「老化基因」，也就有「抗老化基因」。故寻找「抗老化基因」来阻止老化的进行，正是生物科学家努力的方向。遗传学说的一个未解决的问题是，为何这些「老化基因」会逐渐浮现？有些人原来看来很年轻，可是生了一场大病后突然变得很苍老，究竟是什么后天的因素导致老化现像加速？自由基（Free radical）理论可以解释这些问题，含氧的自由基，包括有超氧阴离子O2-、过氧化氢H2O2、氢氧基自由基OH-，都统称为活性氧分子。