自由基和抗氧化剂

自由基和抗氧化剂的发现是医学科学的重要里程碑，与微生物和抗生素的发现一样重要，因为医生不仅获得了对包括衰老在内的许多病理过程的解释，而且还获得了对抗这些过程的有效方法。

近十年来，生物体内自由基的研究取得了长足进步。这些过程已被证明是人体正常功能中必不可少的代谢环节。它们参与氧化磷酸化反应、前列腺素和核酸的生物合成、脂质代谢活性的调节以及细胞分裂过程。在体内，自由基最常在不饱和脂肪酸的氧化过程中形成，而这一过程与脂质过氧化（LPO）密切相关。

什么是自由基？

自由基是一种分子或原子，其外层轨道上有一个不成对的电子，这使得它具有攻击性，不仅能够与细胞膜分子发生反应，还能将它们转化为自由基（自持雪崩反应）。

含碳自由基与分子氧反应形成过氧化物自由基COO。

过氧化物自由基从不饱和脂肪酸的侧链中提取氢，形成脂质氢过氧化物和另一个含碳自由基。

脂质氢过氧化物增加细胞毒性醛的浓度，含碳自由基支持过氧化物自由基等的形成反应（以链的形式）。

自由基的形成机制多种多样。其中之一就是电离辐射的作用。在某些情况下，在分子氧还原过程中，会添加一个电子而不是两个，从而形成高活性的超氧化物阴离子 (O)。超氧化物的形成是抵御细菌感染的防御机制之一：如果没有氧自由基，中性粒细胞和巨噬细胞就无法消灭细菌。

细胞内和细胞外空间均存在抗氧化剂，这表明自由基的形成并非由电离辐射或毒素作用引起的偶发现象，而是在正常条件下伴随氧化反应的持续现象。主要的抗氧化剂包括超氧化物歧化酶 (SOD) 类酶，其功能是催化将过氧化物阴离子转化为过氧化氢和分子氧。由于超氧化物歧化酶普遍存在，因此可以合理地假设超氧化物阴离子是所有氧化过程的主要副产物之一。过氧化氢酶和过氧化物酶将歧化过程中形成的过氧化氢转化为水。

自由基的主要特征是其非凡的化学活性。它们仿佛感到自卑，试图夺回失去的电子，积极地从其他分子中夺取电子。反过来，那些“被侵犯”的分子也会变成自由基，开始夺取电子，从邻近的分子中夺取电子。分子中的任何变化——无论是电子的丢失或增加，还是新原子或原子团的出现——都会影响其性质。因此，任何物质中发生的自由基反应都会改变该物质的物理和化学性质。

自由基过程最著名的例子是油脂腐败（酸败）。腐败的油脂具有特殊的味道和气味，这是由于自由基反应过程中产生了新的物质。最重要的是，蛋白质、脂肪和活组织的DNA都可能参与自由基反应。这会导致各种组织损伤、衰老以及恶性肿瘤的发生。

所有自由基中最具攻击性的是氧自由基。它们能够在活体组织中引发大量的自由基反应，其后果可能是灾难性的。在紫外线、水和空气中的一些有毒物质的影响下，氧自由基及其活性形式（例如脂质过氧化物）可以在皮肤和任何其他组织中形成。但最重要的是，在皮肤或任何其他器官发生的任何炎症或感染过程中，都会形成活性氧，因为它们是免疫系统消灭病原微生物的主要武器。

自由基是无法躲避的（就像细菌无法躲避，但可以保护自己免受其害一样）。有些物质的特点是，它们的自由基比其他物质的自由基攻击性更低。抗氧化剂将电子交给攻击性分子后，不会试图以牺牲其他分子为代价来弥补损失，或者更确切地说，只有在极少数情况下才会这样做。因此，当自由基与抗氧化剂发生反应时，它会变成一个完整的分子，而抗氧化剂则变成一个弱的、不活跃的自由基。这样的自由基不再具有危险性，也不会造成化学混乱。

什么是抗氧化剂？

“抗氧化剂”是一个统称，与“抗肿瘤药”和“免疫调节剂”等术语一样，并不意味着属于任何特定的化学物质类别。其特异性与一般意义上的自由基脂质氧化，尤其是自由基病理学密切相关。这种特性将不同的抗氧化剂统一起来，每种抗氧化剂都有其独特的作用特点。

脂质的自由基氧化过程具有普遍的生物学性质，许多作者认为，当其急剧活化时，是膜水平上细胞损伤的普遍机制。在这种情况下，在生物膜的脂质相中，脂质过氧化过程会导致膜双层的粘度和有序性增加，改变膜的相性质并降低其电阻，同时促进两个单分子层之间的磷脂交换（即所谓的磷脂翻转）。在过氧化过程的影响下，膜蛋白的迁移率也会受到抑制。在细胞水平上，脂质过氧化伴随线粒体的肿胀、氧化磷酸化的解偶联（以及在高级过程中 - 膜结构的溶解），这在整个生物体水平上表现为所谓的自由基病理的发展。

自由基与细胞损伤

如今，人们已经清楚地认识到，自由基的形成是各种细胞损伤的普遍致病机制之一，其中包括：

• 缺血一段时间后的细胞再灌注；
• 某些药物引起的溶血性贫血；
• 某些除草剂中毒；
• 四氯化碳管理；
• 电离辐射；
• 一些细胞衰老机制（例如，细胞中脂质产物的积累 - 蜡样质和脂褐素）；
• 氧中毒；
• 由于动脉壁细胞中的低密度脂蛋白氧化而导致动脉粥样硬化形成。

自由基参与以下过程：

• 老化;
• 致癌作用；
• 化学和药物对细胞的损害；
• 炎;
• 放射性损伤；
• 动脉粥样硬化形成；
• 氧气和臭氧毒性。

自由基的影响

细胞膜中不饱和脂肪酸的氧化是自由基的主要作用之一。自由基还会损伤蛋白质（尤其是含硫醇的蛋白质）和DNA。细胞壁脂质氧化的形态学结果是极性通透性通道的形成，这增加了细胞膜对Ca2+离子的被动通透性，过量的Ca2+离子会沉积在线粒体中。氧化反应通常受到疏水性抗氧化剂（例如维生素E和谷胱甘肽过氧化物酶）的抑制。新鲜蔬菜和水果中含有能够破坏氧化链的维生素E类抗氧化剂。

自由基也会与细胞内离子和水环境中的分子发生反应。在离子环境中，还原型谷胱甘肽、抗坏血酸和半胱氨酸等物质的分子仍具有抗氧化潜力。当分离细胞中的抗氧化剂储备耗尽时，由于细胞膜脂质的氧化，会出现特征性的形态和功能变化，这时抗氧化剂的保护作用就显现出来了。

自由基造成的损害类型不仅取决于产生的自由基的攻击性，还取决于靶标的结构和生化特性。例如，在细胞外空间，自由基会破坏结缔组织主要成分的糖胺聚糖，这可能是关节破坏的机制之一（例如，在类风湿性关节炎中）。自由基会通过形成通透性增强的通道来改变细胞质膜的通透性（从而改变屏障功能），导致细胞水离子稳态被破坏。人们认为有必要为类风湿性关节炎患者补充维生素和微量元素，特别是用寡维生素E纠正维生素缺乏和微量元素缺乏。这是因为已经证明过氧化过程的明显激活和抗氧化活性的抑制，所以在复合疗法中加入具有高抗自由基活性的生物抗氧化剂非常重要，其中包括抗氧化维生素（E、C和A）和微量元素硒（Se）。研究还表明，使用合成剂量的维生素E比天然剂量的吸收更差。例如，每天服用高达800和400 IU的维生素E可降低心血管疾病的发病率（降低53%）。然而，抗氧化剂的有效性还有待于1997年进行的大规模对照研究（8,000至40,000名患者）才能揭晓。

将脂质过氧化物（LPO）速率维持在一定水平的保护机制包括抑制过氧化的酶系统和天然抗氧化剂。自由基氧化速率的调节分为三个阶段。第一阶段是抗氧阶段，它维持细胞内相对较低的氧分压。这主要包括竞争氧的呼吸酶。尽管体内O3的吸收和CO2的释放存在很大差异，但动脉血中的pO2和pCO2通常保持相对恒定。第二阶段是抗自由基阶段，它由体内存在的各种物质（维生素E、抗坏血酸、某些类固醇激素等）组成，这些物质通过与自由基相互作用来阻断LPO过程。第三阶段是抗过氧化物阶段，它通过适当的酶或非酶促方式破坏已经形成的过氧化物。然而，对于调节自由基反应速率的机制以及确保脂质过氧化最终产物利用的保护机制的作用，目前尚无统一的分类和统一的观点。

人们认为，根据强度和持续时间的不同，LPO反应调节的变化可能：首先，可逆并随后恢复正常；其次，可导致向另一个自我调节水平的转变；第三，某些效应会破坏这种自我调节机制，从而导致调节功能无法实现。因此，了解LPO反应在极端因素（尤其是寒冷）下的调节作用，是开发科学方法以管理适应过程以及对常见疾病进行综合治疗、预防和康复的必要研究阶段。

最常用且最有效的抗氧化剂之一是抗氧化剂复合物，其包含生育酚、抗坏血酸和蛋氨酸。通过分析每种抗氧化剂的作用机理，我们得出以下结论：微粒体是外源生育酚在肝细胞中的主要积累部位之一。抗坏血酸被氧化为脱氢抗坏血酸，可以作为质子供体。此外，抗坏血酸还具有直接与单线态氧、羟基自由基和超氧阴离子自由基相互作用以及破坏过氧化氢的能力，这一点已被证实。还有证据表明，微粒体中的生育酚可以通过硫醇，特别是还原谷胱甘肽再生。

因此，体内存在许多相互关联的抗氧化系统，其主要作用是维持酶促和非酶促氧化反应处于稳定状态。在过氧化物反应发展的每个阶段，都有一个专门的系统执行这些功能。其中一些系统具有严格的特异性，而另一些系统，例如谷胱甘肽过氧化物酶和生育酚，则具有更广泛的作用范围和较低的底物特异性。酶促和非酶促抗氧化系统相互作用的加和性确保了身体对具有促氧化特性的极端因素的抵抗力，即能够在体内创造有利于产生活性氧形式和激活脂质过氧化反应的条件。毫无疑问，在多种环境因素对身体的影响下以及在各种性质的病理过程中都会观察到脂质过氧化反应的激活。根据 V. Yu. Kulikov 等人的研究。 （1988）根据LPO反应的激活机制，所有影响身体的因素都可以以一定的概率分为以下几类。

导致组织前体增加和 LPO 反应直接激活剂的物理化学性质的因素：

• 加压氧气；
• 臭氧;
• 一氧化氮；
• 电离辐射等

生物性质的因素：

• 吞噬过程；
• 细胞和细胞膜的破坏；
• 产生活性氧形式的系统。

决定人体酶和非酶抗氧化系统活性的因素：

• 与酶促抗氧化系统诱导相关的过程的活性；
• 与调节脂质过氧化反应的一种或另一种酶的抑制有关的遗传因素（谷胱甘肽过氧化物酶，过氧化氢酶等缺乏）;
• 营养因素（食物中缺乏生育酚、硒、其他微量元素等）；
• 细胞膜结构；
• 酶促抗氧化剂和非酶促抗氧化剂之间的关系的性质。

可能激活 LPO 反应的风险因素：

• 激活身体的氧气系统；
• 应激状态（寒冷、高温、缺氧、情绪和痛苦的冲击）；
• 高脂血症。

因此，体内LPO反应的激活与氧运输和利用系统的功能密切相关。适应原值得特别关注，包括广泛使用的刺五加。这种植物根部的制剂具有普遍的滋补、适应原、抗应激、抗动脉粥样硬化、抗糖尿病等特性，可降低包括流感在内的一般疾病发病率。在研究抗氧化剂在人类、动物和植物中的生化作用机制时，使用抗氧化剂治疗的病理状况范围已显著扩展。抗氧化剂已成功用作适应原，用于防护辐射损伤、治疗伤口和烧伤、结核病、心血管疾病、神经精神疾病、肿瘤、糖尿病等。自然而然地，人们对抗氧化剂这种普遍作用的潜在机制的兴趣日益浓厚。

目前，实验已证实抗氧化剂的功效取决于其抑制脂质过氧化的活性，这种抑制作用是由于过氧化物和其他引发脂质过氧化（LPO）的自由基相互作用，以及抗氧化剂对膜结构的影响，从而促进氧气进入脂质。LPO还可以通过神经激素机制，随着抗氧化作用介导系统的变化而变化。研究表明，抗氧化剂会影响神经递质和激素的释放、受体敏感性及其结合。反过来，激素和神经递质浓度的变化会改变靶细胞中LPO的强度，从而导致脂质分解代谢速率的变化，并进而导致其成分的变化。LPO速率与膜磷脂谱变化之间的关系起着调节作用。在动物、植物和微生物的细胞膜中也发现了类似的调节系统。众所周知，膜脂的成分和流动性会影响膜蛋白、酶和受体的活性。通过这一调节系统，抗氧化剂作用于修复生物体病理状态下的膜，使其组成、结构和功能活性正常化。抗氧化剂作用引起的大分子合成酶活性和核基质组成以及膜脂组成的变化，可以通过其对DNA、RNA和蛋白质合成的影响来解释。同时，关于抗氧化剂与大分子直接相互作用的数据也已出现在文献中。

这些数据以及最近发现的有关皮摩尔浓度抗氧化剂有效性的数据突出了受体途径在其影响细胞代谢中的作用。在 VE Kagan (1981) 关于生物膜结构和功能修饰机制的研究中，结果表明生物膜中 LPO 反应速率的依赖性不仅取决于其脂肪酸组成（不饱和度），还取决于膜脂质相的结构组织（脂质的分子迁移率、蛋白质-脂质和脂质-脂质相互作用的强度）。研究发现，由于 LPO 产物的积累，膜中会发生脂质重新分布：生物层中液态脂质的量减少，被膜蛋白固定的脂质的量减少，生物层中有序脂质的量（簇）增加。V.

在研究抗氧化系统的性质、组成和稳态机制时，结果表明，复杂的多组分抗氧化系统（AOS）能够抑制自由基和过氧化物的破坏作用，该系统能够结合和修饰自由基，从而防止过氧化物的形成或破坏。它包括：具有还原性的亲水性和疏水性有机物质；维持这些物质稳态的酶；抗过氧化物酶。天然抗氧化剂包括脂质（类固醇激素、维生素E、A、K、黄酮类和多酚类、维生素P、泛醌）和水溶性（低分子硫醇、抗坏血酸）物质。这些物质可以捕获自由基或破坏过氧化物。

组织抗氧化剂的一部分具有亲水性，另一部分具有疏水性，这使得可以同时保护功能重要的分子免受水相和脂质相中的氧化剂的侵害。

生物抗氧化剂的总量在组织中形成了一个具有一定容量的“缓冲抗氧化系统”，而促氧化剂和抗氧化系统的比例决定了生物体所谓的“抗氧化状态”。我们有充分的理由相信，硫醇在组织抗氧化剂中占有特殊的地位。以下事实证实了这一点：巯基的高反应性，因此某些硫醇的氧化速率非常高；巯基的氧化修饰速率取决于其分子中的自由基环境。这些因素使我们能够从各种硫醇化合物中筛选出一类特殊的易氧化物质，它们具有抗氧化剂的特定功能：巯基氧化成二硫键的反应可逆性，这原则上使得能够在不激活硫醇抗氧化剂的生物合成的情况下，在细胞内维持其稳态；硫醇同时具有抗自由基和抗过氧化物的作用。硫醇的亲水性决定了其在细胞水相中的含量较高，并有可能保护酶、核酸、血红蛋白等重要的生物分子免受氧化损伤。同时，硫醇化合物中非极性基团的存在确保了其在细胞脂质相中发挥抗氧化活性的可能性。因此，硫醇化合物与脂质物质一起，在保护细胞结构免受氧化因子作用方面发挥着重要作用。

抗坏血酸在体内组织中也容易被氧化。与硫醇类似，它是AOS（活性氧）的一部分，参与自由基的结合和过氧化物的分解。抗坏血酸分子中同时含有极性和非极性基团，与SH-谷胱甘肽和脂质抗氧化剂表现出密切的功能相互作用，增强后者的作用并防止脂质过氧化。显然，硫醇抗氧化剂在保护生物膜的主要结构成分（例如磷脂或位于脂质层中的蛋白质）方面发挥着主导作用。

反过来，水溶性抗氧化剂——硫醇化合物和抗坏血酸——主要在水性环境——细胞质或血浆中发挥其保护作用。需要注意的是，血液系统是一个内部环境，在人体防御的非特异性和特异性反应中起着决定性的作用，影响着人体的抵抗力和反应性。

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病理学中的自由基

脂质过氧化强度变化与疾病发展动态之间的因果关系问题仍在文献中探讨。一些作者认为，该过程平稳性的破坏是导致上述疾病的主要原因；而另一些人则认为，脂质过氧化强度的变化是由完全不同的机制引发的病理过程共同作用的结果。

近年来的研究表明，各种成因的疾病都伴随自由基氧化强度的变化，这证实了自由基损伤细胞的普遍生物学性质。已有充分证据表明，自由基损伤参与了分子、细胞、器官乃至整个身体的致病过程，并且具有抗氧化特性的药物可以有效治疗此类疾病。