体内活性氧与自由基生成—现代营养学成果

人类是严格需氧的哺乳动物，时刻也不能离开O2，呼吸系统从大气摄入体内的O2大部分（85%～90%）被用于线粒体的能量代谢过程。三羧酸循环是能量代谢的枢纽，能量代谢物在三羧酸循环中以4次脱氢的方式为后续的氧化磷酸化提供还原当量（H+和e），脱下的氢3次由NAD+接受，1次由FAD+接受，然后H+和e经电子传递链（呼吸链）和ATP合成酶进行氧化磷酸化，最后氧接受H+和e后还原成H2O并产生ATP。如果各种病理因素使呼吸链传递e的效能下降，NADH和FAD·H2处于还原状态，氧化磷酸化过程减弱，ATP生成减少，机体正常的还原/氧化的平衡状态被破坏，并由此而造成机体代谢功能的紊乱。由于呼吸链传递e的效能降低，没有足够的e使氧还原生成H2O，而是生成多种活性氧分子。O2在还原时，由于所获电子数的不同，可形成不同的产物：单电子还原产物、双电子还原产物H2O2、三电子还原产物OH·、四电子还原产物H2O。细胞内ROS的来源多种多样，除由线粒体呼吸链代谢产生外，还有其他途径，如NADH/NADPH氧化酶、一氧化氮合酶、环氧化酶、脂氧合酶、细胞色素P450氧化酶和黄嘌呤氧化酶催化的反应均伴有活性氧的产生。引起氧化应激的常见活性氧有以下5类。1.氧自由基　氧自由基包括超氧阴离子自由基和羟自由基（hydroxyl radical，OH·）。正常情况的主要来源是线粒体，此外，微粒体、细胞质、细胞膜也有少量生成。可通过酶促反应和非酶促反应两条途径生成。酶促反应有黄嘌呤氧化酶、NADPH氧化酶、谷胱甘肽还原酶、二氢乳酸脱氢酶等酶催化的酶促反应。某些蛋白质或低分子化合物在自氧化（autoxidation）过程中通过非酶促反应也可生成，即带一个负电荷，又具有1个未配对的电子，因此它既是阴离子又是自由基。它在水溶液中的存在时间为1秒，在脂溶性介质中约为1小时。的性质不很活泼，但可以从生成位置扩散到较远距离的靶位置，对机体造成更大范围的损伤。通过上述方式形成的又可经一些途径与周围的物质进行反应，生成更为活泼的氧自由基，进一步影响机体。如通过歧化反应生成H2O2，通过Fenton反应生成OH·，通过还原/氧化反应使细胞膜中的维生素E发生氧化，使细胞膜上的不饱和脂肪酸易于发生脂质过氧化反应等。

OH·的氧原子上含有1个未配对的电子，具有很强的夺取电子的能力，是已知的最强的氧化剂。虽然其作用范围小，其产生部位通常为其起作用的部位，而且寿命极短，在水溶液中仅能存在10-6秒，但其化学性质活泼，几乎可以和所有细胞成分发生发应，对机体危害极大。OH·一旦在体内形成，立即与其周围的生物分子如脂质、蛋白质、糖类、核酸等发生反应。反应可分为3类：电子转移（electrontransfer）、加成反应（additionreaction）、氢抽提（hydrogenabstraction）。通过电子转移OH·可以从获得电子而变为H2O，而则变为1O2。OH·通过加成反应常使DNA或RNA产生嘧啶自由基，相邻的嘧啶自由基经碳-碳键连接起来形成二聚体，导致DNA或RNA发生交联，影响遗传信息的准确表达。OH·通过氢抽提反应从多不饱和脂肪酸分子中夺取氢原子，使之成为脂质自由基（lipid radical，L·），L·与基态氧起反应产生脂过氧基（lipidperoxyradical，LCO·），LOO·又从其他多不饱和脂肪酸上抽提1个氢原子，形成脂氢过氧化物（LOOH），同时产生新的L·，此即脂质过氧化的链式反应。因此，OH·是脂质过氧化链式反应最主要的引发剂。

2.H2O2　H2O2是非自由基活性氧，由于其分子中含有较易断裂的过氧键，故其化学性质较为活泼。生物体内的H2O2常被过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）清除，如果不及时清除，它可透过细胞膜进入膜外，在Fe2+和Cu2+存在的条件下生成HO·，对机体造成损害。

3.单线态氧　单线态氧（1O2）不是自由基，而是激发态的分子氧。在体内可经多条反应途径产生，例如粒细胞、巨噬细胞在发生吞噬作用时，可通过髓过氧化物酶催化产生1O2。1O2是一个亲电子性很强的氧化剂，它在硬脂酸单层的半灭活扩散距离达11.5 nm，因此在生物膜中可扩散较长的距离，参与脂肪酸的自氧化过程。1O2能发生淬灭反应，将激发能转移到其他分子，使其他分子进入激发状态，而其本身转变为基态氧分子；它还可以发生合成反应，使脂类物质过氧化而产生氢过氧化物；1O2氧化体内的一些氨基酸，如色氨酸、蛋氨酸、组氨酸和半胱氨酸，对蛋白质具有损伤作用，同时还可损伤其他生物大分子，如DNA和RNA等。(www.xing528.com)

4.LOOH、LOO·、LO·　OH·和1O2等活性氧使不饱和脂肪酸发生脂质过氧化的链式反应，形成脂氢过氧化物LOOH，LOOH通过均裂或其他反应过程可生成LOO·、LO·等活性氧和其他非自由基脂类产物，如丙二醛（malondialdehyde，MDA）。

脂质过氧化反应可造成生物膜结构和功能的破坏，以及反应过程中形成的多种活性氧（LOOH、LOO·、LO·等），对酶和其他细胞成分也可造成损伤。特别是LOOH分解的醛式产物对细胞的各种成分具有毒性作用，这些都是构成氧化应激的生化基础。

5.氧化氮自由基（NO·）　氧化氮自由基是人体内非常活泼的自由基，是过去几年中颇为引人注意的一种ROS。它是精氨酸在酶作用下形成的一种信号化合物，能松弛血管壁平滑肌而导致血压降低。NO·过多会产生细胞毒性，NO·可与生物分子直接反应或与结合形成过氧亚硝酸盐。后者能诱导脂蛋白的脂质过氧化作用，但也可能通过使蛋白质中的酪氨酸残基亚硝化而干预细胞信号途径。