博文

活性氧种类和选择性抗氧化5.4

已有 15202 次阅读 2014-3-22 08:59 |个人分类:氢气生物学书|系统分类:科普集锦|关键词:学者

活性氧是含有氧原子并且氧化或还原能力很强的数十种物质的总称，其中有代表性的为超氧阴离子自由基、羟自由基、过氧脂基和一氧化氮等，它们属自由基；另外一些活性氧例如过氧化氢、脂过氧化物、次氯酸和过氧亚硝酸等是普通分子。

一、活性氧的来源

活性氧在体内的生成方式有很多种，主要的途径有：

1.黄嘌呤氧化酶

黄嘌呤氧化酶可催化黄嘌呤或次黄嘌呤氧化反应，同时生成超氧阴离子。其中次黄嘌呤被两分子氧气氧化产生黄嘌呤，同时生成两分子超氧阴离子；黄嘌呤被一分子氧气氧化产生尿酸，同时生成一分子超氧阴离子。

2.蛋白激酶C

蛋白激酶C（PKC）可催化NADPH与一分子氧气产生氧化反应产生NADP+，同时生成两分子超氧阴离子。

3.髓过氧化物酶

中性粒细胞的溶酶体内含大量髓过氧化物酶（MPO）。当中性粒细胞激活时，溶酶体释放MPO，MPO可催化过氧化氢与卤化物反应，产生次卤酸，次卤酸与超氧阴离子反应，产生羟自由基。

4.一氧化氮合成酶

一氧化氮合成酶（NOS）广泛分布在血管内皮细胞、血小板、神经组织细胞等处，NOS可催化L-精氨酸氧化反应，并同时生成一氧化氮和胍氨酸。

上述反应可以看作活性氧产生的源头反应，当这些活性氧产生后，可在另外一些酶的催化下，或直接发生继发反应，产生其他类型的活性氧。例如，在SOD的催化下，超氧阴离子可发生自身氧化还原（歧化）反应，产生过氧化氢。在二价铁离子存在的情况下，过氧化氢可以被氧化成羟自由基。

从某种意义上讲，生物体内活性氧的产生源头是氧气，没有氧气几乎就没有活性氧产生的可能。由于氧气是需氧生物生存的基础，那么活性氧产生就是需氧生物的必然结果，也可以这样说，活性氧是需氧生命现象的必然伴随现象，没有活性氧，只能是没有氧气，也就没有需氧生物。

二、活性氧的类型

活性氧的类型非常多，把所有活性氧进行罗列并不能帮助我们进一步理解活性氧的作用。对活性氧进行适当划分有助于全面了解，按照是否属于自由基划分，可分为自由基活性氧和非自由基活性氧。自由基活性氧包括超氧阴离子、羟基自由基、一氧化氮等；非自由基活性氧包括过氧化氢、次卤酸等。按照是否含有氮元素，可分成活性氧和活性氮。因此，活性氮也是活性氧。

如果按照毒性或者活性进行划分，可以把活性氧分成三类，一是具有信号作用为主的活性氧，例如一氧化氮、超氧阴离子和过氧化氢，这类活性氧的特点是毒性作用只有在浓度非常高，或者转化成毒性强的活性氧的情况下才会出现，在正常生理情况下是作为功能分子发挥信号调节作用。第二类是以毒性分子为主的活性氧，例如羟基自由基、亚硝酸阴离子和次氯酸等，这些活性氧活性非常强，在体内的浓度低，一旦大量产生，就会对机体造成伤害。许多非毒性活性氧的毒性作用实际上是经过转化成这类毒性活性氧才会发生，例如一氧化氮和超氧阴离子反应可产生亚硝酸阴离子；超氧阴离子和过氧化氢可在金属离子存在的情况下转化成羟基自由基。第三类就是没有信号作用，也没有毒性作用的活性氧，主要包括生物大分子与上述活性氧反应产生的继发产物，主要是由于这些物质的含量比较低，不足以产生明显的信号或毒性效应。当然，另外一个原因有可能是这些物质受到人们关注比较少，有些作用没有被发现。根据这个分类，我们可以重新认识活性氧，甚至应该重新评价过去抗氧化治疗的策略，就是不应该以干扰正常生理功能为代价，过分清除活性氧，特别是对正常人，更不应该使用各类具有强还原作用的维生素、药物或食品进行所谓的抗氧化保健。大量研究表明，长期使用各类具有抗氧化作用的维生素不仅不能发挥抗衰老抗肿瘤的作用，而且有可能具有促进衰老和肿瘤的作用。

三、活性氧的含量和半衰期

正常情况下，机体在代谢过程中不断产生自由基，例如重要的氧化磷酸化过程就是典型的自由基反应，因此自由基反应是生命现象的重要基础，在自由基反应过程中，一些中间产物，往往是自由基，会从反应中释放到周围，而这些自由基再经过转化，就形成了一定浓度和种类的活性氧。

对生物体内不同类型的活性氧，人们常借助氧气的代谢来描述，氧气在身体细胞内主要的代谢方式是促进氧化磷酸化过程，在这一经典的作用中，氧气在细胞色素c还原酶的作用，将氧化磷酸化上游的电子传递链输送来的四个电子同时给一个氧分子，结合2个氢离子形成水。也可以简化为，一个氧分子同时获得四个电子被还原成水。但在细胞内有大约2-3%氧气不是获得4个电子，而是只获得一个电子（不是2个），就把氧气变成了超氧阴离子。这种情况广泛发生在粒体氧化磷酸化过程中的电子泄露，例如还原性辅酶Q直接还原氧气分子，也可以发生在细胞膜上的氧化酶催化的利用NADPH提供电子还原氧气分子。超氧阴离子是一种典型的自由基，也是一种离子，由于离子不能自由穿过细胞膜，容易导致局部浓度过高，当局部超氧阴离子浓度过高时，就可以引起氧化损伤。

在长期的进化过程中，细胞内所有可产生超氧阴离子的部分都具有产生SOD的作用，SOD能够迅速把超氧阴离子催化成过氧化氢，而过氧化氢是脂溶性分子，可以自由穿过细胞膜，这样的改变意义就是可以减少局部超氧阴离子过高时引起氧化损伤，发挥一定的解毒或抗氧化作用，其本质是利用过氧化氢的扩散能力通过降低局部浓度实现。由于细胞内SOD的分布广泛，活性比较强，这造成细胞内过氧化氢的浓度是超氧阴离子1000倍。因此从浓度的角度考虑，在组织细胞内，过氧化氢是活性氧的真正代表。细胞内也存在可以使过氧化氢继续改变的酶，例如过氧化氢酶可以将过氧化氢转变成水和氧气，这样就可实现把超氧阴离子，经过过氧化氢，最终转变成水和氧气的完美解毒过程。不过在组织细胞发生缺氧或炎症的病理状况下，细胞内会出现过多游离的金属离子，例如铁或铜，在铁或铜离子存在的情况下，过氧化氢会变成具有超级活性的羟基自由基，而这种羟基自由基是必然引起氧化损伤的自由基类型。某些细胞，例如巨噬细胞在发生炎症反应时，不仅可产生大量超氧阴离子，同时会因为诱导型一氧化氮合酶的激活产生大量一氧化氮，而超氧阴离子和一氧化氮结合会变成另一个毒性强的亚硝酸阴离子。

由于第一类活性氧的氧化作用比较弱，相对不活泼，在身体的浓度往往比较高，例如一氧化氮和过氧化氢的浓度都可以达到10^-9M，比较特殊的是超氧阴离子，由于细胞内存在大量SOD，导致其浓度为10^-12M。而毒性强大的第二类活性氧羟基自由基等浓度极低，在一般的检测手段无法检测（表5.1）。

表5.1 不同活性氧的半衰期和生理浓度。

活性氧	半衰期（秒）	生理浓度（M）
羟基自由基	10^-9	无法检测到
亚硝酸阴离子	0.05 – 1.0	无法检测到
一氧化氮	1 - 10	10^-9
过氧化氢	数小时或数天有酶催化可加速	10^-9- 10^-⁷
超氧阴离子	数小时或数天 SOD存在时10^-6	10^-12- 10^-¹¹

根据上述关于自由基和活性氧的阐述，我们知道，自由基或活性氧首先是对机体有利的功能分子，当在缺血、炎症等某些疾病状态下，自由基或活性氧过渡增加，特别是毒性强的自由基增加更明显，并引起氧化损伤，这是许多疾病的重要病理生理学基础，而动员内源性抗氧化能力是有效减少氧化损伤，从而治疗许多疾病的潜在手段。另外，自由基或活性氧的种类非常多，大部分自由基或活性氧是对机体有利的功能分子，少部分自由基是活性过强，对机体可以导致损伤。

目前学术界认为，氢气治疗疾病的主要原因是选择性抗氧化，其主要依据是根据氢气可以中和羟基自由基和亚硝酸阴离子等毒性强的自由基，但不影响具有生物活性的一氧化氮、过氧化氢和超氧阴离子等(图5.1)。最近几年，关于氢分子生物学效应机制的研究不断深入，许多学者根据研究结果提出各种作用机制，例如信号分子假说认为氢气和一氧化氮等信号气体分子一样，是第四种气体信号分子，但该假说的主要依据是氢气可以影响一些重要的信号通路，但没有明确氢气影响这些信号途径的分子细节。也有学者根据氢气对某些基因表达有影响提出氢气具有基因调节效应，这方面的证据也不全面。总之，关于氢分子生物学效应的作用机制，尽管存在许多疑问和缺陷，氢气的选择性抗氧化仍是被学术界普遍接受的观点。

图 5.1 氢气的选择性抗氧化。氢气可以中和羟基自由基和亚硝酸阴离子，但不影响具有信号作用一氧化氮、过氧化氢和超氧阴离子等活性氧。

参考文献

1. McCord JM, Keele BB, Jr., Fridovich I. An enzyme-based theoryof obligate anaerobiosis: The physiological function of superoxide dismutase.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States ofAmerica. 1971;68:1024-1027

2. Gutierrez J, Ballinger SW, Darley-Usmar VM, Landar A. Freeradicals, mitochondria, and oxidized lipids: The emerging role in signaltransduction in vascular cells. Circulation research. 2006;99:924-932

3. Halliwell B. The wanderings of a free radical. Free radicalbiology & medicine. 2009;46:531-542

4. Davies MJ, Fu S, Dean RT. Protein hydroperoxides can giverise to reactive free radicals. The Biochemical journal. 1995;305 ( Pt 2):643-649

5. Rahmanto AS, Morgan PE, Hawkins CL, Davies MJ. Cellulareffects of peptide and protein hydroperoxides. Free radical biology &medicine. 2010;48:1071-1078

6. Narwaley M, Michail K, Arvadia P, Siraki AG. Drug-inducedprotein free radical formation is attenuated by unsaturated fatty acids byscavenging drug-derived phenyl radical metabolites. Chemical research intoxicology. 2011;24:1031-1039

7. Yamada K, Yamamiya I, Utsumi H. In vivo detection of freeradicals induced by diethylnitrosamine in rat liver tissue. Free radicalbiology & medicine. 2006;40:2040-2046

8. Leonarduzzi G, Gamba P, Gargiulo S, Biasi F, Poli G.Inflammation-related gene expression by lipid oxidation-derived products in theprogression of atherosclerosis. Free radical biology & medicine. 2012;52:19-34

9. Halliwell B, Gutteridge JM. The definition and measurement ofantioxidants in biological systems. Free radical biology & medicine.1995;18:125-126

10. Valko M, Leibfritz D,Moncol J, Cronin MT, Mazur M, Telser J. Free radicals and antioxidants in normalphysiological functions and human disease. The international journal ofbiochemistry & cell biology. 2007;39:44-84

11. Afanas'ev IB. Signalingfunctions of free radicals superoxide & nitric oxide under physiological& pathological conditions. Molecular biotechnology. 2007;37:2-4

12. Droge W. Free radicals inthe physiological control of cell function. Physiological reviews.2002;82:47-95

13. Boveris A, Navarro A.Systemic and mitochondrial adaptive responses to moderate exercise in rodents.Free radical biology & medicine. 2008;44:224-229

14. Syu GD, Chen HI, Jen CJ.Severe exercise and exercise training exert opposite effects on humanneutrophil apoptosis via altering the redox status. PloS one. 2011;6:e24385