人体内的自由基与抗氧化(抗衰老)

自由基(free radical)化学上也称为“游离基”,抑制消耗人体内自由基被证实具有较好的抗氧化抗衰老作用。自由基是含有一个不成对电子的原子团,其可以是带有正电或负电荷的离子,也可以是作为分子片段的基团,其共同特征是最外层的电子不成对。自由基本身大多极不稳定,寿命极短,化学活泼性很强。不论在溶液中或身体中自由基浓度总是很低。其中与人类密切相关的是氧自由基,主要包括超氧阴离子(·O2-)、羟自由基(OH·)、单线态氧(·02)、过氧化脂质和一氧化氮(nitric oxide.NO)自由基,加上过氧化氢和臭氧,通称活性氧。

自由基的来源

在正常生理生化反应过程中细胞通过多种途径产生自由基,在细胞损伤过程中可出现大量自由基。

自由基的来源

超氧阴离子自由基

超氧阴离子自由基(·O2-)是基态氧接受一个电子形成的第一个氧自由基,在水中可视为一个碱。它可以接受一个H+形成质子化的超氧阴离子自由基HOO·,是超氧阴离子自由基的共轭酸;它也可以再分解为超氧阴离子自由基和H+,并在水溶液中保持平衡,PI约为4.8。

$$ HOO^{\cdot }\longleftrightarrow ^{\cdot }O_{2}^{-}+H^{+} $$

在生理条件下,体内生成的主要是超氧阴离子自由基,只有少量转化为HOO·。超氧阴离子自由基在水溶液中的存活时间约为1秒,在脂溶性介质中的存活时间约为1小时。

过氧化氢和羟自由基

过氧化氢和羟自由基H2O2可由各种氧化酶直接产生·O2-。经自然发生或酶促歧化作用也生成H2O2。H2O2分子较小,缺乏电荷,因此能弥散到远处,并能跨过生物膜,是一个危险分子。OH·也可由H2O2接受一个电子被单价还原形成,此反应可被金属阳离子如Fe2+催化。

$$Fe^{2+}H_{2}O_{2}\longrightarrow Fe^{3+}+OH^{\cdot }+OH^{-}$$

OH·是寿命最短的自由基,但也是氧化性最强、杀伤力最大的自由基。迄今为止,尚未发现体内有清除OH·的酶系。

单线态氧

单线态氧是氧气的激发态。有两种激发单线态氧$^{1}\Delta gO_{2}$和$^{1}\Sigma  gO_{2}$。$^{1}\Sigma  gO_{2}$的能量特别高,极不稳定,一生成就衰减成$^{1}\Delta gO_{2}$,没有太大生物学意义。单线态氧虽不是自由基,但其反应性却极强。单线态氧同其他物质反应主要通过两种形式进行,一是同其他分子的结合反应,二是将它的能量转移给其他分子,自己回到基态,称为淬灭。

光敏剂吸收光可被激发,激发态光敏剂将能量传给O2产生1O2,自己回到基态。通常用于产生单线态氧的光敏剂有燃料丫啶红、甲基胺蓝、玫瑰红和亚甲蓝等。核黄素及其衍生物黄素单核苷(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷(FAD)、叶绿素a和b、视黄素和各种嘌呤也能在光照时产生单线态氧。血卟啉衍生物(HPD)是治疗肿瘤的一种光敏剂,光照射可以被HPD敏化杀伤肿瘤,这对那些可以照射的皮肤癌和肺癌是一种有效的治疗方法。光照HPD可以产生单线态氧和羟基自由基。

一氧化氮

一氧化氮(NO)不稳定,半衰期短,与氧气极易反应,生成NO2自由基。NO还可以与超氧阴离子自由基以极快的速率反应生成过氧亚硝基,质子化后生成NO2和类羟基自由基。这些化合物相互反应在生物体内生成一系列具有重要生物功能的自由基和硝基化合物。

目前已知中枢和外周神经细胞、肺、肝、胃肠道、血管、免疫系统和皮肤都能产生NO。NO的生物合成是在NO合成酶催化下,辅助因子(黄素单核苷酸、黄素腺嘌呤、原卟啉Ⅸ血红蛋白和四氢生物蝶呤)存在下由L精氨酸与氧分子反应而来。NO合成酶分为原生型(cNOS)和诱生型(iNOS),前者又分为神经型(nNOS)和内皮型(eNOS)。iNOS在生理条件下几乎不表达。

NO的半衰期极短,但因其微小又具双亲性(亲水和脂),能在细胞内外自由通过,所以它既能以自分泌又能以旁分泌方式迅速对靶细胞发挥作用。NO发挥不同效应主要与其浓度和与结合的分子有关。其作用机制有cGMP依赖和非依赖途径。研究表明人类皮肤各种类型细胞如角质形成细胞、黑素细胞、朗格汉斯细胞、成纤维细胞、内皮细胞均能产生NO。皮肤中小部分NO可能来源于非NO合成酶依赖途径,汗液中硝酸盐可能在含硝酸盐还原酶的皮肤正常寄生茵作用下,被还原成亚硝酸盐,再在酸性条件下被还原成NO。

自由基的生物学作用

自由基与组织细胞损伤

在一定条件下,自由基具有损伤(杀伤)作用。多数研究表明,自由基连锁反应机制可能是许多因素致细胞损伤的最终的共同途径。在病理过程中,由于自由基产生过多或自由基清除剂减少、缺乏,自由基则会在组织细胞内积聚而引起损伤。自由基引起细胞损伤的基本机制是出于其上的不配对电子既不稳定,又具有高度的反应活性,在清除剂不足的情况下,便可与邻近的无机物及有机物如蛋白质、脂质、碳水化合物等起反应,使这些物质氧化、变性、消耗,因而产生一系列损伤变化。另外,自由基能启动自身催化反应,使与自由基发生反应的分子转化为新的自由基,形成自由基反应链,使损伤不断扩大。

自由基诱导细胞及组织损伤最重要的机制是使生物膜中的不饱和脂肪酸过氧化,由此产生的脂质过氧化物(lipid peroxide.LPO)可引起膜流动性、通透性和完整性破坏,进而使其双层结构发生断裂,破坏细胞膜。溶酶体膜受损破坏释放出溶酶体酶,引起基质水解。细胞损坏后释放出大量LPO可引起血小板凝集,血管内壁损伤造成继发性损害。IPO还能通过花生四烯酸代谢途径产生中性粒细胞趋化因子而放大炎症反应。

抗感染

氧自由基和反应性氧媒介物组成—个杀伤微生物的非细胞因子系统。单核细胞/巨噬细胞、中性粒细胞和嗜酸性粒细胞的炎症活性均与自由基有关。NO也是强效的细胞毒素,既能保护机体抵御外来病原体入侵和杀伤肿瘤细胞,也能杀伤正常组织和细胞,在宿主免疫防御、免疫调节和自身免疫组织损伤中起重要作用。

免疫和炎症反应的调节

NO对多种免疫活性细胞功能具有调节作用。巨噬细胞产生的NO能增强巨噬细胞吞噬细菌和肿瘤细胞的活性。许多学者都发现NO在免疫系统中的作用,包括影响T细胞增殖和调节细胞因子及炎症介质的产生。如高浓度NO抑制T细胞增殖,而低浓度NO则为T细胞增殖所需。角质形成细胞和朗格汉斯细胞合成NO能影响皮肤免疫反应。

自由基与信号传导

NO与生物体的自由基反应关系不太密切,不过,它在内皮细胞与神经细胞中的信使作用深受关注。一些氧自由基也可能起细胞内信使作用,O2·和H2O2等活性氧既可直接影响生长,又可作为细胞的信使去活化与生长或分化有关的基因。研究表明细胞产生的活性氧较低时可促进细胞生长,过多时则促使细胞死亡。

目前研究较多的是NO,它参与多种生物学功能。NO可作为信使分子参与细胞间通讯。通过这种作用,NO介导血管舒张、神经传导、阴茎勃起、肠蠕动等自主功能。

此外,NO可能参与皮肤黑素生成、汗腺分泌、织织修复等方面的调节。自由基尚与使精子获能和超激动性运动、保障男性生育力有关,并参与黄体萎缩和溶解。合适的氧浓度使胚胎能正常发育,NO合成不足造成胎儿宫内生长发育迟缓。

机体对自由基损伤的防御

正常人体内存在着强大的抗氧化系统,可防止过量自由基对组织和细胞造成损伤。这种防御机制可分两大类:酶系统和非酶系统。

酶系统

超氧化物歧化酶(superoxide dimutase,SOD)是一类金属酶,其作用是移除细胞中的·O2-。按金属辅基成分不同分为三类:

  1. Cu/Zn-SOD,主要存在于真核细胞的细胞质中;
  2. Mn-SOD,存在于真核细胞的线粒体和原核细胞中;
  3. Fe-SOD,只存在于原核细胞内。

近年还在哺乳动物的细胞外液中发现一种具有SOD活性的因子,简称EC-SOD。这几类SOD都能催化发生歧化反应·O2-。其反应产物是H2O2和O2,尚需其他酶清除H2O2。人皮肤中也含有SOD,但活性较低,只有心、肝、肾的1/5~1/10。

过氧化氢酶(catalase,CAT)存在于细胞过氧体中,肝及红细胞中最丰富,脑、心脏及骨骼肌中含量较少。可催化H2O2为H2O和O2

谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase,GP)可清除有机的和无机的过氧化物,它分为三种:一种是以含硒半胱氨酸为亚基的四聚体蛋白质;一种是存在于血浆中的糖苷化硒蛋白质;另一种是位于膜上磷脂过氧化物中的蛋白质。在清除过氧化物时需消耗谷胱甘肽(GSH),只有GSH得到源源不断的补充,GP的清除作用才能充分发挥,谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)就配合着供给GSH。

非酶系统

主要是一些低分子量抗氧化剂,其主要作用是提供电子使自由基还原。维生素E是人体中主要的脂溶性抗氧化剂,由8种天然的生育酚组成,其中90%为α-生育酚。主要存在于细胞膜、肾上腺及血液脂蛋白内,可以有效地清除1O2·O2-,又能抑制不饱和脂肪酸过氧化,与维生素C协同作用时,抗氧化能力更高。

维生素C是电子供体,能迅速与·O2-、OH·、ROO·反应,变为半去氢抗坏血酸盐。后者是不大活跃的自由基,能变成去氢抗坏血酸,再通过去氢抗坏血酸盐还原酶的催化变为抗坏血酸(维生素C)。

尿酸盐能与单线态氧和OH·反应,保护红细胞免受过氧化损伤和溶血。人血浆中尿酸盐达300 μmol/L,是体内重要的抗氧化剂。

β-胡萝卜素可与单线态氧和其他自由基作用,β-胡萝卜素与维生素E的作用可互补。

含硫化合物包括谷胱甘肽、硫辛酸、辅酶A和半胱氨酸等含硫氢基(-SH)或二硫键(-S-S-)的物质,可清除有机自由基和·OH。胆红素能清除脂过氧基LOO·,以抑制与白蛋白相结合的脂肪酸过氧化。褪黑激素也是有效的抗氧化剂,尤其对·OH。

自由基与皮肤病

自由基与光损伤

紫外线(ultraviolet rays,UV)照射皮肤能产生自由基,已证实UV照射皮肤后能产生LPO、脂类自由基、黑素自由基和NO,并能使皮肤细胞抗氧化防御能力降低。

  1. 晒斑细胞和细胞凋亡:UV照射皮肤后一个重要的组织病理学特征是出现晒斑细胞。自由基参与晒斑细胞及角质形成细胞凋亡的形成。SOD、过氧化氢酶和GP能抑制USB辐射所致的晒斑细胞形成。USB通过产生氧自由基介导角质形成细胞凋亡。细胞金属多巯基蛋白富含半胱氨酸残基,通过清除过氧化物和羟自由基而在对UVB的防御中起重要作用。NO也参与晒斑和水肿的形成.UVB辐射后,角质形成细胞NO合成酶活化并保持较长一段时间。此外,NO以自分泌和旁分泌作用方式在UVB诱导的色素形成中起一定作用。在内源性光敏反应中氧自由基起重要作用,该反应是氧依赖的光敏反应。致敏物包括:卟啉、黄素、黑素、色氨酸代谢物。
  2. 皮肤肿瘤:UV辐射可导致皮肤肿瘤发病率增加,如皮肤基底细胞癌、鳞状细胞癌和某些恶性黑素瘤。自由基参与致癌过程,涉及诱导皮肤致癌的自由基为·O2-1O2或其次级氧化产物。许多不活泼分子在细胞内转变为氧自由基,再与DNA的碱基形成牢固的共价结合而致癌变。已证实光照产生的CAE为致癌物。UVA照射能产生氧自由基,并与黑素瘤形成有关。在许多恶性肿瘤中,均可见到SOD的明显减少。NO在肿瘤诱导的免疫抑制中起重要作用。
  3. 光线性皮肤病:自由基在某些光线性皮肤病的病理过程中起一定作用,包括卟啉症、PUVA治疗和许多药物(噻嗪类利尿剂、四环素类)的光毒性反应。在卟啉症的光照所致皮损中,原卟啉吸收光能后,在氧存在下发生光化学反应,生成过氧化物和氧自由基,引起组织损伤。噻嗪类利尿剂所致光敏症状,是因药物吸收光能并转换给O2,形成单线态氧。在光接触性变态反应中,一般认为光过敏原为半抗原,经过光照后所产生的自由基与载体蛋白结合才能成为全抗原,启动迟发性超敏反应。UV照射系统性红斑狼疮(SIE)病人的淋巴细胞,产生的·O2-活化淋巴细胞的致断裂因子,引起染色体损伤及细胞死亡而出现SLE的光敏性症状,使用SOD可阻抑染色体的损害。

炎症性皮肤病

在炎症过程中,因局部代谢障碍及中性粒细胞、巨噬细胞等聚集产生自由基造成组织破坏。炎细胞能释放NO,NO对正常细胞和一些肿瘤细胞具有直接的细胞毒性,此外对免疫反应和炎症反应还具有调节作用。这些自由基还能发出信号,使更多的中性粒细胞游走到损伤部位。NO在炎症性皮肤病如银屑病、特应性皮炎、过敏性接触性皮炎和系统性红斑狼疮中也起一定作用。

缺血再灌注损伤

器官组织缺血一定时间后,再恢复血液供应,组织损伤反而加重,细胞从可逆损伤转为不可逆损伤。这种现象叫缺血再灌注损伤。在皮肤移植和整形外科,缺血再灌注损伤引起严重后果。在缺血期间,毛细血管内皮细胞储存的ATP耗竭,导致降解产物如次黄嘌呤增加。黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶。后者以分子氧为电子受体,生成·O2-。在再灌注时,氧的供应超过实际需求,产生超氧自由基及其衍生物。NO在缺血再灌注损伤中也起重要作用。

自由基与皮肤老化

机体衰老的机制还不完全清楚。有关衰老的学说主要有两大类:基因学说和随机损伤学说。细胞老化过程中生物膜的脂质含量与成分不断发生改变。皮肤直接暴露于紫外线和氧环境中,随时受到自由基的冲击,除了引发各种皮肤病外,还能加速衰老。太阳光辐射导致角质层过氧化氢酶和超氧化歧化酶比例的失调导致了角质层的屏障结构更容易被氧化破坏。自由基还可抑制腺苷酸环化酶,改变cAMP和cGMP浓度,使正常细胞的接触抑制丧失,无限分裂而产生肿瘤。

其他

  1. 黄褐斑:在生理情况下,体内有许多氧自由基清除剂,如超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽、谷胱甘肽过氧化酶等,当脂质过氧化增强或自由基水平增高时,在基因调控的保护下,体内氧化与抗氧化之间处于动态平衡。由于黄褐斑患者这一调节体系发生障碍,致使抗氧化酶系统的活性不能随脂质过氧化增多而增加,造成脂质过氧化的蓄积,脂质过氧化的增多,使色素细胞损伤,促进酪氨酸的一系列氧化过程,导致黑素形成过多,从而产生或加重色素障碍性皮肤病。
  2. 白癜风:有研究发现白癜风患者单胺氧化酶(monoamrne oxidase,MAO)的活性增加。MAO是一种含铜酶,广泛存在于各种脏器中,MAO-A活性增加可引起H2O2聚集。在白癜风皮损处存在着淋巴细胞的浸润,这些细胞被激活后通过氧爆发或呼吸爆发,大量摄取和消耗氧,产生活性氧(ROS)。浸润细胞被激活后摄取的氧经NADPH氧化酶和NADH氧化酶的作用,生成O2-。O2-自动歧化或在SOD的作用下生成H2O2,而H2O2又能与O2-相互反应或与含铁的分子反应生成具有更高活性的羟自由基(OH·)。OH·与膜磷脂中的不饱和脂肪酸反应生成脂质过氧化物,并进一步分解形成多种自由基。白癜风患者血清中铜、锌元素低下,自由基清除系统受损,自由基增多,这也许会促进黑素细胞的破坏。

抗氧化疗法

自由基清除剂,包括酶类和非酶类,如维生素A、维生素C、维生素E、半胱氨酸、谷胱甘肽等,经服用或局部外用自由基清除剂可消耗自由基而减少氧化损伤。

以脂质体为载体的SOD内用制剂已在皮肤病治疗中试用。SOD治疗红斑狼疮、皮肌炎、类风湿关节炎、放射线引起的炎症及肺气肿和氧中毒都取得了一定效果。

皮肤外用抗氧化剂也被证明有一定的抗光线损伤和抗炎症作用。外用以脂质体为载体的SOD制剂也已用于治疗放射性皮损、自身免疫性疾病的皮肤损害、放射性黏膜炎、克罗恩病、雷诺病和放疗后纤维组织形成。

糖皮质激素是皮肤科应用最广泛的药物之一,现认为它的作用部分与减少氧自由基有关。研究发现糖皮质激素可抑制中性粒细胞·O2-和H2O2的释放,同时又可减缓SOD的降解速度,增加SOD的活性。维A酸对氧自由基的产生也有抑制作用。糖皮质激素、环孢菌素A和维A酸均能抑制iNOS的转录,从而抑制NO的合成。

常用于治疗炎症的药物,如二甲胺四环素、四环素、甲硝唑、青霉胺、氯喹、布洛芬、头孢拉定、异搏定、三氟拉嗪、氨苯砜、沙利度胺、土霉素、红霉素和碘化钾及秋水仙碱均被实验证实有抑制或清除氧自由基的作用。

多数中药含有蛋白质和各种氨基酸、脂类、多糖类、果胶、维生素、微量元素、有机酸、生物碱、皂苷等多种营养物质,具有清除体内自由基,提高SOD活性,增强机体抗氧化能力,提高皮肤胶原纤维及胶原蛋白含量等作用。

绿茶多酚是绿茶叶中含有的一类多羟基酚类化合物,为一种高效的天然抗氧化剂。其抗氧化和抗自由基能力大大超过目前已知的抗氧化剂维生素C和维生素E。绿茶多酚可清除活性氧自由基和有抗脂质过氧化的作用,直接防止胶原蛋白等生物大分子免受氧自由基的损伤。

已阐明许多抗衰老天然药物如大豆异黄酮、二精灵、木立芦荟粗多糖、人参茎叶总皂苷、仙人掌茎粗多糖等可提高实验动物体内谷胱甘肽过氧化物酶和SOD活性,降低动物体内不同部位如心、肝、脑等丙二醛和脂褐素的含量,具有较好的抗氧自由基和抗衰老作用。

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