自由基与抗氧化剂

第 1 页 自由基与抗氧化剂 自由基是人类健康最凶恶的敌人，抗氧化剂是专门对抗自由基的健康“保护神”。本文对什么是自由基及其危害，抗氧化剂来源和种类，清除自由基的策略以及抗氧化剂的开发、评价和选用等问题做一综述。 一、自由基 （一）、什么是自由基？ 自由基是1832年德国化学家Baron Vonliebig在化学反应中首先发现并命名的，化学上也称游离基 。生物体系中的自由基直至20世纪50年代才得以确认。随着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医疗预防、卫生保健、疾病衰老等诸多学科，为疾病的病因、发病机制、诊断治疗、疾病预防、抗衰老等开辟了新的途径和发展前景。 什么是自由基？众所周知，物质（包括人体）都是由分子组成的，分子是由原子构成，原子是由带正电的原子核（中子+质子）和带负电的核外层电子组成（原子是中性的）。两个原子组成分子时各出一个电子，成为共价键后则分子很稳定，如果共价键中配对的电子因故缺一个或多一个时，就成为不稳定的自由基。现在公认的定义：任何包含一个未成对电子的原子团、分子或离子均称为自由基。 由于自由基呈现高度不稳定性，具有强烈愿望去抢夺别的物质的一个电子，使自己外围电子配对成为稳定状态，然而如此一来，被抢夺电子的原子（外围电子不配对了）也成了自由基，而它又从其他原子那里以同样方式抢夺电子，如此连锁反应的结果使体内产生了一连串的自由基。这种抢夺电子的现象，化学上称为氧化。 （二）自由基的来源和形成 自由基种类繁多，存在的空间无处不在，它们以不同结构特征在与其它元素结合时发挥不同作用，自由基生成过程复杂多样，加热、燃烧、光照，一种物质与另一种物质接触，或任何一种化学反应都会产生自由基。 自由基在生物体内普遍存在，是与生俱来的。按化学结构可分为三种类型：1.半酰类，如黄素半酰自由基；2.氧中心自由基，也称氧自由基，如超氧阴离子自由基（O2·－）、羟自由基（OH·）、过氧过氢自由基（HOO·）、烷氧自由基（RO·）、活性氮自由基（NO和NO2·）及其衍生物、脂质过氧化物（LOOH·）、单线态氧、臭氧等统称为活性氧(ROS)；3.其它含碳、氮、硫为中心的自由基。 人体中氧自由基占95%以上，其中以超氧阴离子（O2·－）和羟自由基（OH·）最主要，其它含氧自由基虽有不同来源，但O2·－ 起核心作用，许多活性中间产物的形成均起源于O2·－。人体每天所吸入的氧气中1—3%转化为O2·－。 人体自由基来源：一是內源性；二是外源性。外源性：如γ射线、χ射线、紫外线、汔車尾气的碳化氢、空气烟雾、氟利昂、臭氧、光分解产生多种碳元素、各种煎炒烹炸食物等均可产生大量自由基。过去对吸烟，只知焦油烟碱、尼古丁、苯并芘的危害，其实危害最大的又难以控制的是大量自由基的存在。还有农药、化肥、抗生素、镇静药、抗结核药、硝基化物、含酰式抗癌药、类固醇激素，以及化学合成食品添加剂、保健品等等，都第 2 页 可成为自由基的来源。 內源性自由基：氧气是人体新陈代谢过程中的最关键物质，是人体生命活动的第一需要，它在促进新陈代谢生化反应过程中，在细胞内的线粒体、内质网、细胞核、过氧化酶体、质膜、液泡中，都可产生氧自由基，其中有些是通过酶促反应，有些是非酶促反应。例如O2·－的产生是通过线粒体中的辅酶Q10,内质网上细胞色素P450等氧化作用产生；OH·的产生是O2直接衍生而成；在吞噬细菌过程中活性氧的产生，是在吞噬细胞或炎症刺激物的刺激时，经氧化酶的介导等歧化反应而生成；机体通过酶促和非酶促反应产生的活性氧，能攻击生物膜磷脂中多聚不饱和脂肪酸，引发自由基连锁反应，产生脂质过氧化物。还包括在工作压力过大、生气上火、抑郁、失眠、过量运动、炎症，高热、应激等因素都可引发体内产生自由基。 （三）自由基对人体的损害 自由基是一把双刃剑，一般情况下生命活动离不开自由基，我们身体每时每刻都在运动，每一瞬间都在燃烧能量，而负责传递能量的就是自由基。它还可以杀灭细菌、寄生虫、参与肝脏解毒、促进前列腺素、凝血酶原、胶原蛋白的合成，在调节细胞分裂和生化反应中充当氧化还原的信号因子等功能。 人体在正常情况下，由于人类在漫长进化过程中形成的抵御自由基侵害的抗氧化体系，使自由基在体内不断产生又不断被清除，处于平衡状态，因而对生命是无害的。但是当身体处于免疫力低下时，或内外源性自由基大量生成和侵害时，加之内外源性抗氧化能力减弱，使自由基活动失去控制，生命秩序遭到了破坏，这就必然引发人体出现一系列健康问题。 大量资料显示，影响人体健康因素中的自由基占85%左右，其直接引发肿瘤、心脑血管病、糖尿病、血液病、炎症、衰老及肝、肺、肾、脑、皮肤等处疾病，约有100余种；间接引发的约有6000余种。 由于自由基的主要特点是强攻击性、连锁反应性和无专一性，并能快速传递与增殖，几乎与生物体内所有组织器官发生反应，所以在失控的情况下，对人体的损伤是全方位的，是危害人体健康的首恶分子。 自由基对人体的侵害，一是对生物膜的破坏：细胞核、亚细胞器膜都是双层结构，最易受攻击的是膜中间里的不饱和脂肪酸的脂类过氧化，使膜结构破坏，其流动性、通透性、离子转运及屏障受损，并引起溶酶体释放、线粒体膨胀、酶的失活、蛋白质合成被抑制等等，这是引发许多疾病的根源和病理基础；二是对蛋白质和酶的破坏：自由基可直接作用于蛋白质与最邻近的氨基酸反应使蛋白质过氧化，分子结构改变，蛋白质变性，细胞功能紊乱，如老年人皮肤皱纹斑点、骨骼变脆等都与胶原蛋白的变性有关；酶的化学本质多数是蛋白质，自由基通过破坏酶分子中的氨基酸以及酶分子中的金属离子反应，以影响酶的活性；三是对核酸和染色体的损害：自由基可与碱基或五碳糖发生反应，最终使核酸（DＮＡ）链断裂或碱基破坏、缺失、遗传信息改变，以及复制转录、翻译等过程发生错误，导致生物体基因突变，严重者造成细胞死亡；四是对脂肪组织的作用：氧自由基可以攻击遍布全身的脂肪组织。都知道过多的低密度脂蛋白（LDL）对人体有害，其实它致害与否不单纯是多与少的问题，而主要看是不是被氧化，当氧自由基攻击血液中的LDL被氧化以后，使胆固醇变得黏稠，以致黏附在其动脉壁粗糙的地方，使血栓形成，堵塞血管造成心梗、脑梗等。 自由基对细胞膜、蛋白质、DNA和脂质损伤后可导致动脉粥样硬化，引起心脑血管病，使神经退行性改变引发帕金森氏病、海默氏病、脂褐素在皮肤细胞堆积形成老年斑，在眼角膜引起白内障、在脑细胞中引起记忆减退、智力障碍、痴呆以及自身免疫性疾病如风湿、第 3 页 类风湿症等。活性氧可直接作用于DNA的核苷酸而激活原癌基因，造成原癌基因突变，发生DNA重排，包括易位、缺失、插入和扩增，都可造成细胞异常增殖，最终形成癌肿。在活性氧作用下：①可使营养胰岛血流量下降；②直接损伤胰岛β—细胞使之结构改变功能降低；③损伤胰岛素受体功能。上述三者均可导致胰岛素分泌量下降、血糖升高、致糖尿病产生。 二、抗氧化剂 抗氧化剂是自由基的克星，为了对抗过多的自由基的过氧化，其途径一是利用内源性清除自由基系统；二是开发外源性抗氧化物质。 （一）、内源性抗氧化系统 大量研究证实，清除体内多余的自由基主要靠内源性抗氧化系统，包括抗氧化酶系统，如超氧歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH—PX）、过氧化氢酶（Catalase）、谷胱甘肽转移酶、血红素加氧酶、铜兰蛋白（具有亚铁氧化酶活性）等；内源性抗氧物有谷胱甘肽、辅酶Q10、硫辛酸、尿酸等。 SOD属于金属酶，有三种类型：含铜和锌SOD（Cu.Zn—SOD）、含锰SOD(Mn—SOD)、含铁SOD(Fe—SOD),均可催化超氧化物阴离子自由基变成无毒的过氧化氢和氧气。SOD是人类对抗自由基的第一道防线，是一次性清除体内过剩自由基最有效的酶，功效是维生素C、維生素E的几十倍，它具有清除、激活、再生、修复、自愈、供养人体细胞六位一体的功能。特别是能激活神经干细胞分化、促进脑神经及组织细胞再生，修复因免疫力低下对心、肾、大脑、皮肤等人体组织的损伤，增强机体伤后自愈能力等。 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH—PX）也是金属酶，每一个分子中含4个硒原子，硒是GSH—PX组成部分，它可使有毒的过氧化物成为无毒的羟基化合物，从而保护细胞膜、核酸等的结构和功能不受侵害。 辅酶Q10，又称泛醌，是人类生命不可缺少的重要元素之一，具有提高免疫力、增强抗氧化、延缓衰老等功能。外源性辅酶Q10广泛用于动脉粥样硬化等心血管系统疾病。 硫辛酸（辅酶）是存在细胞内线粒体的酶，类似维生素，自然界中广泛存在，在人体肝脏和酵细胞中含量极为丰富，在食物中常与維生素B1同时存在，它是人体内可自行合成的重要内源性抗氧化物之一。 这里要特别提到网络抗氧化剂的问题。研究发現尽管己知抗氧化剂有几百种，但在机体中只有維生素E、維生素C、辅酶Q10、硫辛酸、谷胱甘肽这五种抗氧化剂之间存在－种动态的相互作用，能够彼此再生的机制。这种相互再生作用可使抗氧化功效异常强大，所以把它们称之为网络抗氧化剂 （二）、外源性抗氧化剂 外源性抗氧化剂种类繁多，按化学结构和生物活性可分为：类胡萝卜素、植物固醇、皂甙、芥子油甙、多酚和黄酮类、硫化物单帖类、植物雌激素、蛋白抑制剂、植物血凝素，多糖及其衍生物等；还包括維生素A、E、C及组成抗氧化酶的微量元素锌（Zn）、（铜（Cu）、锰（Mn）、硒（Se）等。 1、 多酚和黄酮类：如今已发现有4000余种黄酮类化合物，广泛存在于蔬菜水果中，如在橘子、柠檬、来檬、葡萄、柚子和猕猴桃中特别丰富。蔷薇果、樱桃、青椒、甘蓝、洋葱、番茄和许多草药中（越桔、银杏、乳薊）都含黄酮类化合物。 来自大豆、亚麻籽、坚果和全壳类植物中的异黄酮类物质，由于化学结构与雌激素相似，所以能结合到细胞表面上的雌激素受体，从而能激活抗癌机制，有效预防乳腺癌、子第 4 页 宫内膜癌、前列腺癌等风险。 原花青素（OPC）是法国波尔多大学化学医学博士马斯魁勒于1974年最先命名，20世纪70年代首次从葡萄籽中提取OPC，它是一种具有特殊结构的生物类黄酮，其抗氧化能力远远超过維生素C、E和β胡萝卜素。 绿茶中的儿茶素和槲皮素化学结构相似，均具抗突变能力，保护DNA不受氧化损伤。流行病学研究表明，饮用绿茶可预防胰腺癌和直、结肠癌的风险。 2、 类胡萝卜素：是具有多个共扼键的菇烯基团类化合物，迄今已发现600多种。近年研究较多的主要有番茄红素、β胡萝卜素和虾青素等。番茄红素是成熟番茄中的主要色素，是不含氧的类胡萝卜素。其抗氧化能力远大于β胡萝卜素，一个分子可消除数千个单线态氧分子。虾青素是类胡萝卜素中合成的一种最高级别化合物，而β胡萝卜素、叶黄素、角黄素、番茄红素等都不过是类胡萝卜素合成的中间产物，故虾青素是现今最强的抗氧化物。 3、 多糖类及衍生物：多糖类是来自高等植物动物细胞膜中的天然大分子化合物，是一切生命有机体重要组成部分。如灵芝多糖能够增强GSH－PX的活性，促进清除过氧化氢自由基功能。海洋生物多糖，有海藻、鼠尾藻、单栖菜、海参、紫菜、螺旋藻多糖等，其中螺旋藻多糖具有显著抗氧化功能，是目前研究较多的热门课题。 4、 不饱和脂肪酸中的20碳五烯酸（EPA）和25碳六烯酸（DHA）主要来源于海洋生物，可提高肝、脑组织中SOD活性，发挥抗氧化作用。 5、 褪黑素（MT）：是大脑松果体分泌的一种神经内分泌激素，具有抗氧化功能。外源性MT的研究已引起国内外学者高度重视。MT既可直接清除自由基；又可促进抗氧化酶活性，发挥间接抗氧化作用。 6、 硒和硒化合物：硒是GSH-PX重要组成部分。有机硒化合物抗氧化功能是维生素E的50-100倍。硒能改善胰岛素功能，对抗衰老作用正日益受到学者的重视。目前已开发出富含硒的食用菌、鞭藻、酵母、贻贝等，以及大蒜硒多糖、木耳硒多糖、微藻类多糖。 三、清除自由基的策略 （一）、降低自由基数量和活性 1、保持良好的积极心态是降低人体内源性自由基的最关键因素。人在紧张、愤怒、恐惧、压力等不良情绪时，会使交感神经过度兴奋，肾上腺分泌大量去甲肾上腺素，引起血管突然收缩，血压上升，大脑处于缺血状态，当缺血再恢复的瞬间就会产生大量自由基；但是当人体大脑在心情愉悦时能分泌脑啡肽（ENK），而它确是消除过多压力激素和自由基危害的良剂。 2、适度有氧运动、防止剧烈运动产生的过多自由基。 3、不吸烟、远离吸烟场所。 4、抵制污染物从空气、水、食品等入侵体内。 5、防止和减少紫外线、χ射线、家用电器的电离辐射污染。 6、远离煎、炸、烧烤、腌制食品，尽可能少用或不用含大量添加剂的方便食品及高热量、高脂肪食物。 （二）食用含Zn、Se、Mn、Cu、Fe离子高的食物，促进内源性抗氧酶的合成 含Zn高的食物有瘦肉、肝、蛋类、牡蛎、花生、核桃、苹果、豆腐皮、黄豆、白木耳等；含Se高的有海参、鲅鱼、猪肝、蛋黄、松口蘑、豌豆、榛子、松子、花椰菜、西兰花、大蒜、洋葱、百合等；含Mn高的有红茶、绿茶、砂仁、黑芝麻、干姜、黑木耳、莲子、