自由基与疾病

自由基与疾病

自由基作为一类化学实体在20世纪初就已被人们所认识，生物体系中的自由基的存在，在20世纪50年代才得以确认。随着分析方法特别是近代生物物理检测技术的发展，许多生命现象的自由基机制逐渐被揭示，目前已形成了自由基医学和自由基生物学等新兴学科。自由基理论已渗入到临床诸多学科，为疾病的病因，发病机制提供了新的理论依据，为许多疾病的诊断与防治开辟了新的途径与前景。

第一节自由基的生化基础

一、自由基的概念与种类

自由基(free radical)是指能独立存在，含有未成对电子的原子，原子团、分子或离子。如含有不成对电子的氧则称为氧自由基(oxygen free radical，OFR), 占机体内自由基的95%以上。一般在自由基前面或后面(也可在右上角)用一个圆点"·"表示未成对电子。自由基的不成对电子具有配对趋向，夺取或失去一个电子构成配对电子。因此自由基十分活泼，极易与周围分子发生反应，它存在的时间极短，其半寿期以毫秒或毫微秒计。

自由基在生物体内普遍存在，按其化学结构自由基可为分为三种类型：①半醌类自由基，如黄素类半醌自由基；②氧中心自由基，简称氧自由基，包括超氧阴离子自由基(O2 )、羟自由基(·OH)、烷氧自由基(RO·)、烷过氧自由基(ROO·)、氢过氧自由基(HOO·)。近年来研究较多的活性氮自由基(NO和NO2－)也可算作氧自由基。③其他碳、氮、硫中心自由基。上述氧自由基及其衍生物H2O2、脂质过氧化物(LOOH)及单线态氧(1O2，singlet oxygen)等统称为活性氧(reactive oxygen species, ROS)，它是指氧的某些产物和一些反应的含氧产物，它的特点是含有氧，化学性质较氧活泼。ROS对生物机体可产生一系列的有害作用，其毒害作用称为氧的毒性。种种有害后果与许多疾病的发生密切相关，因此生物体内ROS的生成与清除的平衡对生命过程的正常进行具有重要作用。

一氧化氮(nitric oxide, NO)是20世纪80年代发现的一种自由基，它是体内重要的信使分子和效应分子，是当代医学研究的热点和前沿之一。NO的化学性质活泼，可迅速与O2、O2 、铁、铜、镁等反应，其中与O2 反应可生成过氧亚硝基阴离子(ONOO－)，后者是一强氧化剂。在生物体内，与NO有关的自由基和化合物有数十种，NO及其相关产物相互反应，在机体内生成一系列具有重要生物功用的自由基和硝基化合物，即所谓的生物活性氮。

NO在生物体内主要是由NO合酶(NO synthase, NOS)催化合成与释放的，即NOS 催化L-精氨酸和O2为底物生成NO和L-瓜氨酸。根据NO的表达与调节，NOS分成两大型：一是组成型NOS(constitutive NOS, cNOS)，其活性依赖于Ca2+和钙调蛋白，可间歇性不断表达，根据存在部位，又分为神经元型和内皮细胞型。二

是诱导型NOS(inducible NOS,iNOS), 其活性不依赖于Ca2+和钙调蛋白, 但受细胞因子和特殊的信号分子刺激和诱导，在生理条件下不表达，细胞受刺激时才高表达。主要存在于巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞等。

NO可作为信号分子在体内起重要生理作用。它可作用其靶受体---可溶性的鸟苷酸环化酶，激活该酶使GTP环化为cGMP，后者再刺激cGMP依赖的蛋白激酶，调节磷酸二酯酶和离子通道，发挥一系列生物效应：松弛平滑肌、舒张血管，抑制平滑肌细胞增殖，抑制血小板粘附和聚集，保护细胞、增加神经递质释放。NO 还可介导炎症时巨噬细胞和中性粒细胞杀灭微生物的作用。

除此之外，NO还可作为细胞毒分子，参与多种疾病的病理过程。

二、自由基的产生

人体内自由基的来源有外源性和内源性两种。

(一)外源性自由基

1．电离辐射及大气污染如γ和X射线、紫外照射可使人体内产生·OH；汽车排出的碳化氢，空气烟雾中的氟利昂等经太阳紫外线照射及光分解产生多种碳的自由基及卤原子；大气中的臭氧也可能转变成过氧化物自由基。香烟燃烧的烟气可产生大量的自由基。

2．药物解热镇痛药、抗结核药、硝基化合物药物、含醌式结构的抗癌药(如博莱霉素)、类固醇激素等进入体内可产生O2 、·OH及H2O2等。

3．其他如环境污染的镉、水银、铅等重金属离子及杀虫剂的毒性与自由基相关；茶叶和植物油在空气中放置过久，自由基含量增加。

(二)内源性自由基

细胞内线粒体、内质网、细胞核、过氧化物酶体、质膜及胞液等都可产生自由基。其中有些是酶促反应，有些是非酶促反应。

1．O2 的产生通过线粒体中的辅酶Q·半醌、内质网膜上细胞色素P450和血红蛋白、肌红蛋白、肾上腺素等自氧化作用均可产生O2 。

SQ·+O2────→ Q + O2

胞液中的黄嘌呤氧化酶与醛氧化酶、线粒体中的黄素蛋白酶、内质网中的NADPH-细胞色素P450还原酶和质膜上的NADPH氧化酶等酶促氧化过程中均可产生O2 。黄嘌呤氧化酶

黄嘌呤＋2O2＋H2O ───────→尿酸＋2O2 ＋2H+

2．·OH的产生机体内中的·OH的生成主要是通过Fenton反应由O2直接衍生形成，该反应是先由歧化反应(既可自发歧化，也可酶促歧化)催化O2生成H2O2，后者再与O2在过渡金属离子存在下转变为毒性更强的·OH，这是体内·OH的主要来源。

O2 + O2 + 2H+ ────────→H2O2+O2 (歧化反应)

过渡金属离子

O2 ＋H2O2 ────────→O2＋·OH＋OH－(Fenton反应)

歧化反应是指反应中的某种底物既能作为还原剂供应电子，又可作为氧化剂接受电子。上述反应中的O2 就承担这种角色，故属于歧化反应。

过氧化物酶体中多种需氧脱氢酶催化生成的H2O2，如不迅速被分解，在Fe2+的催化下也可生成·OH。

H2O2＋Fe2++H+ ──→·OH＋H2O＋Fe3+

3．吞噬细胞中活性氧的产生粒细胞、单核细胞、巨噬细胞在吞噬细菌或炎症刺激物的刺激时，由NADPH氧化酶介导生成的O2 ，经歧化反应生成H2O2。后者除可生成·OH外，在Cl－存在时，经髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)的作用，生成活性很强的次氯酸(HOCl)和1O2，1O2是一个强的亲电子性的氧化剂。MPO

H2O2＋Cl－───────→ H2O＋OCl－

MPO

OCl－＋H2O2 ──────→ H2O＋1O2＋Cl－

4．脂质过氧化作用机体通过酶促反应和非酶促反应产生的活性氧，能攻击生物膜磷脂中的多聚不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)引发一种自由基链式反应，链式地产生脂质过氧化物(又称脂氢过氧化物)，这种作用就称为脂质过氧化作用(lipid peroxidation)。即在光或某种射线或自由基的作用下，可使PUFA脂质分子(用LH表示)脱去1个氢原子形成脂质自由基(L·)，此脂质自由基与氧反应形成脂质过氧自由基(LOO·)，后者再进攻其他脂质分子，夺取其氢原子，再生成新的自由基和LOOH，此反应可反复进行，从而导致PUFA分子的不断消耗和LOOH的大量产生。在过氧化条件下，它们是不稳定的，能分解成一系列复杂产物，包括小分子的醛、酮、醇、醚、羧酸、烷烃和烯烃产物以及氧自由基。通常以小分子降解产物的数量表示脂质过氧化的程度。

三、自由基的清除机制

机体内的自由基在不断地产生，同时也不断地被清除。体内存在着抗氧化酶及小分子抗氧化剂两类对自由基的清除系统，以保护机体免遭损害。从而保证在正常生理情况下，各种自由基的浓度维持在一个有利无害的、生理性低水平。

（一）抗氧化酶类

1．超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD) SOD的作用催化歧化反应以清除O2 。

SOD

2O2 + 2H+ ──────→H2O2+O2

SOD是金属酶，包括三种同工酶，在真核细胞胞液中，以Cu2+-Zn2+为辅基，称