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發(fā)布日期：2009-05-22來源：動物醫(yī)學(xué)進(jìn)展作者：牛博
摘要：
隨著基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的不斷發(fā)展，人們對自由基的研究越來越多，其中就有大量關(guān)于自由基與疾病的研究。自由基作為機(jī)體的正常代謝產(chǎn)物，在平衡狀態(tài)下，其在抗菌、消炎和抑制腫瘤等方面具有重要作用和意義；一旦平衡被打破，如機(jī)體受到疾病或某些外源性藥物和毒物的侵害，自由基便會產(chǎn)生強(qiáng)大的傷害作用，造成生物膜的脂質(zhì)過氧化損傷，引起酶、氨基酸、蛋白質(zhì)的氧化破壞，對內(nèi)臟器官、免疫系統(tǒng)的形態(tài)功能產(chǎn)生影響，從而引起機(jī)體疾病，甚至死亡。目前，研究發(fā)現(xiàn)很多疾病的發(fā)生發(fā)展都與自由基有關(guān)。文章就自由基的產(chǎn)生、種類、與疾病的關(guān)系及清除進(jìn)行了綜述。
關(guān)鍵詞：自由基；疾?。粦?yīng)用
1900年，Comberg提出了“有機(jī)自由基(organic free radical)”這一概念。此后，大量關(guān)于自由基的醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)研究迅速開展起來。20世紀(jì)50年代，Harman提出了“自由基學(xué)說(freeradical theory)”，并于1956年發(fā)現(xiàn)放射線誘導(dǎo)突變和誘發(fā)腫瘤的發(fā)病機(jī)理與自由基有關(guān)。1968年，McCord和Fridovich報道了超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)在抗氧化方面的生物學(xué)作用，開創(chuàng)了自由基生物學(xué)的新篇章。自由基(free radicals，F(xiàn)Rs)指的是那些游離存在的，含有1個或1個以上不配對電子的分子、離子、原子或原子團(tuán)，它們是機(jī)體正常代謝的產(chǎn)物，在體內(nèi)有很強(qiáng)的氧化反應(yīng)能力，易對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸等產(chǎn)生傷害，從而引起機(jī)體的損傷。自由基也是機(jī)體內(nèi)重要的活性物質(zhì)，它可作為第二信使參與細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。正常情況下，機(jī)體的氧化與抗氧化處于一種動態(tài)平衡，但在患病或衰老等狀態(tài)下，會出現(xiàn)由于自由基水平升高而導(dǎo)致的病理現(xiàn)象。
1機(jī)體中自由基的產(chǎn)生及種類
1.1自由基的產(chǎn)生
自由基的形成主要有共價鍵均裂法和電子俘獲法2種方式。前者是指共價化合物均裂時共用的電子對被雙方平均獲得，所形成的產(chǎn)物即為自由基，如A：B→A·＋B·。后者是指帶有成對電子的有機(jī)化合物或無機(jī)化合物俘獲了一個電子，就可因帶有不成對電子而成為自由基，如O2＋e→O2·-。體內(nèi)活性物質(zhì)代謝異常時也可產(chǎn)生自由基，如細(xì)胞硫醇和對苯二酚等發(fā)生自氧化或蛋白酶等的催化反應(yīng)都可引起自由基水平升高。
1.2自由基的種類
1.2.1活性氧及氧自由基
活性氧(reactive oxygen species，ROS)是指由氧形成并在分子組成上有氧的一類化學(xué)性質(zhì)非?；顫姷奈镔|(zhì)的總稱。氧自由基是由活性氧衍生而來的一類自由基。其約占機(jī)體總自由基的95%以上，包括超氧陰離子O2·-，羥自由基OH·，過氧化氫H2O2，單線態(tài)氧1-O2，三線態(tài)氧3-O2等。它們對細(xì)胞膜、脂肪組織和蛋白質(zhì)都會產(chǎn)生影響，從而引起疾病。
1.2.2脂類自由基和脂類過氧化物
在活性氧的作用下，組織細(xì)胞會因脂質(zhì)過氧化而產(chǎn)生脂類自由基，如脂自由基L·，烷自由基R·，脂氧基LO·，烷過氧基ROO·，脂氫過氧化物L(fēng)OOH等。它們的性質(zhì)穩(wěn)定且壽命長，可蔓延而發(fā)生連鎖反應(yīng)，造成更嚴(yán)重的損傷。生物和理化因素也可引起脂質(zhì)過氧化，其反應(yīng)過程及產(chǎn)物脂質(zhì)過氧化物(lipid peroxidation，LPO)對機(jī)體都有嚴(yán)重的損害。
1.2.3半醌類自由基
通常是指磺素類蛋白、輔酶Q(泛醌)的單電子還原形式或氧化形式。它們一般由苯醌和苯酚類化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生，且廣泛產(chǎn)生于許多生命過程之中。這兩類化合物在電子傳導(dǎo)中起特殊作用，此類自由基還是線粒體中執(zhí)行功能的主要自由基。
2自由基與疾病及其對機(jī)體的影響
2.1自由基對DNA的氧化損傷
OH·能與DNA堿基發(fā)生反應(yīng)而損傷堿基，主要表現(xiàn)為氫抽提、電子轉(zhuǎn)移和加成。抽氫反應(yīng)發(fā)生在胸腺嘧啶的甲基基團(tuán)和脫氧核糖的C原子上，5個C原子發(fā)生抽氫反應(yīng)的幾率一致。此外，OH·能與堿基發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，OH·轉(zhuǎn)變?yōu)镺H-，而堿基則變?yōu)橄鄳?yīng)的堿基自由基，從而損傷堿基。OH·能與DNA堿基雜環(huán)的雙鍵加成，在嘧啶堿基的C5和C6位，分別生成C5-OH和C6-OH加合物自由基；Dizdaroglu M等認(rèn)為，OH·攻擊嘌呤堿基時，加成反應(yīng)發(fā)生在C4、C5及C8位上。
DNA鏈的斷裂也是DNA損傷的表現(xiàn)之一。其主要是在OH·攻擊下脫氧核糖遭破壞，磷酸二酯鍵發(fā)生斷裂或堿基遭破壞或脫落。此外，電離輻射通過對生物大分子的直接和間接作用導(dǎo)致DNA損傷。輻射離子在體內(nèi)產(chǎn)生次級高能離子和自由基(如OH·，H·)，其作用于DNA，從而引起DNA鏈的斷裂。
2.2自由基對血管平滑肌的影響
血管內(nèi)皮細(xì)胞、腦細(xì)胞及吞噬細(xì)胞均可產(chǎn)生穩(wěn)定的一氧化氮自由基NO·。NO·是血管松弛因子的主要形式，因為它能激活平滑肌與血小板的鳥苷酸環(huán)化酶生成cGMP，cGMP可促進(jìn)血管平滑肌松弛并抑制血小板聚集黏附于內(nèi)皮細(xì)胞。
2.3自由基對生物膜的損傷
自由基學(xué)說認(rèn)為，在氧存在的情況下，自由基引發(fā)劑可氧化細(xì)胞內(nèi)外的多種生化成分。生物膜主要成分是脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和糖類，脂質(zhì)以磷脂為主，而磷脂則多由多聚不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFA)組成，PUFA有多個弱鍵和不飽和鍵，自由基對其有很高的親合力，因此生物膜易受自由基攻擊而發(fā)生過氧化連鎖反應(yīng)，從而造成生物膜的脂質(zhì)過氧化損傷。氧自由基是機(jī)體內(nèi)的主要自由基，其可引起肝細(xì)胞膜、線粒體膜、微粒體膜和溶酶體膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化，產(chǎn)生LPO，LPO及其降解產(chǎn)物(醛類及烴類)可加重生物膜的損傷，破壞膜的穩(wěn)定性和完整性，使其通透性增加，終導(dǎo)致肝細(xì)胞的壞死。此外，紅細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化損傷后，通透性增加，細(xì)胞變脆，易發(fā)生溶血；當(dāng)有Fe2+，Cu+等存在時，線粒體膜在其作用下，鄰近的H2O2會分解為OH·，使膜腫脹甚至消失。
2.4自由基對內(nèi)臟器官的影響
已經(jīng)證實，自由基能引起多種器官功能異常或組織病變。脂質(zhì)過氧化物沉積于心、腎、腦等器官會影響它們的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能。自由基代謝的紊亂一定程度上會影響腎小球腎炎的發(fā)生；肝炎、肝硬化患者LPO和自由基的水平有明顯升高；心血管疾病的發(fā)病機(jī)理與自由基水平有關(guān)。姜昕等通過注射內(nèi)毒素，建立多臟器衰竭模型，發(fā)現(xiàn)心、肺、肝、腎均出現(xiàn)淤血、出血、變性和壞死等病理變化；同時檢測到各臟器內(nèi)自由基和丙二醛含量均有明顯升高，認(rèn)為自由基參與了感染性多臟器衰竭的發(fā)生發(fā)展。敖平星等通過注射二惡英，發(fā)現(xiàn)二惡英染毒急性清潔級SD大鼠后，誘生過多的自由基，引起體內(nèi)自由基積累而對肝臟造成脂質(zhì)過氧化，膜酶受損，整個細(xì)胞穩(wěn)態(tài)被擾亂，從而也證明了自由基對內(nèi)臟器官具有損傷作用。
2.5自由基對免疫系統(tǒng)功能的破壞
研究表明，自由基抑制淋巴細(xì)胞的增生分化，抑制其對刺激原的反應(yīng)性及細(xì)胞的功能。T，K，NK等細(xì)胞亞群對自由基都有不同程度的敏感性；自由基對T細(xì)胞的抑制是可逆的，是一種非細(xì)胞破壞性的作用。自由基作用于K細(xì)胞，使其結(jié)構(gòu)功能均發(fā)生改變，減弱其對靶細(xì)胞的識別能力；此外，其參與的抗體依賴性細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒作用也受到抑制。受自由基影響，NK細(xì)胞對腫瘤細(xì)胞的殺傷能力顯著減弱。
2.6自由基與炎癥的關(guān)系
炎癥發(fā)生的主要原因是ROS的產(chǎn)生。中性粒細(xì)胞具有吞噬和殺滅細(xì)菌的功能，但其在抗感染過程中釋放了大量自由基。當(dāng)中性粒細(xì)胞被激活時，細(xì)胞膜上的NADPH氧化酶也被激活，還將還原型NADPH的一個電子傳遞給氧分子而形成O2·-。其次，大量的中性粒細(xì)胞發(fā)生趨化，產(chǎn)生大量的氧自由基，過剩的O2·-若得不到及時的分解便會滲入細(xì)胞周圍，從而破壞正常的細(xì)胞。但炎癥過程中，自由基在一定程度上也可促進(jìn)炎性細(xì)胞吞噬或殺滅細(xì)菌；此外，髓過氧化物(myeloperoxidase，MPO)和一些鹵素作用也能起到相同效果。
2.7自由基與腫瘤
腫瘤的發(fā)生與多種因素有關(guān)，如物理、化學(xué)、生物、遺傳等，但以化學(xué)因素尤為重要。國際癌癥研究中心曾提出80%～90%人類腫瘤是由化學(xué)物質(zhì)所引起。大部分的化學(xué)致癌物在其代謝為致癌產(chǎn)物的過程中都有產(chǎn)生自由基的中間過程。這些致癌化學(xué)復(fù)合物可通過單電子的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生以C，H，O或S原子為中心的自由基。國外研究還發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞可產(chǎn)生超氧陰離子，而許多腫瘤病人的瘤細(xì)胞中氧自由基清除系統(tǒng)存在障礙。自由基參與人體的癌變過程，主要是自由基能引起致癌物質(zhì)在人體內(nèi)的擴(kuò)展和連鎖反應(yīng)，攻擊DNA造成多種形式的損傷，從而誘發(fā)腫瘤形成。
3自由基的清除
3.1大分子酶促自由基清除系統(tǒng)
主要是指一些酶類物質(zhì)，包括SOD、過氧化氫酶(catalase，CAT)、谷光甘肽過氧化物酶(glutathione peroxides，GSH-Px)等。其中SOD廣泛存在于各種組織細(xì)胞中，它可歧化O2·-形成H2O2。而H2O2在CAT、GSH-Px的作用下分解為H2O，從而達(dá)到消除自由基的作用。GSH-Px中的巰基能與活性氧結(jié)合，抑制脂質(zhì)過氧化物的生成而保護(hù)組織細(xì)胞。
3.2小分子抗氧化劑及其他自由基清除系統(tǒng)
自由基清除系統(tǒng)主要是指非酶類清除劑，包括維生素A和E，高濃度的抗壞血酸，β-胡蘿卜素，尿酸，次氯酸，微量元素Fe、Se、Mn、Cu、Zn等。當(dāng)脂質(zhì)過氧化反應(yīng)鏈遇到SOD，維生素A、E等抗氧化物后就會終止。有研究還發(fā)現(xiàn)，從天然中草藥如黃芪、當(dāng)歸、五味子、枸杞、人參、杜仲、茯苓等中可篩選提純大量抗氧化有效成分。張嘉麟等通過實驗證明三七中的人參皂甙Rb1和Rg1均有很強(qiáng)的抗氧化作用，能增強(qiáng)機(jī)體防御自由基損傷的能力。吳珍紅等通過蜂毒肽對自由基作用的研究證明其對自由基也有清除作用。
4展望
從“自由基”概念的提出到現(xiàn)在，科學(xué)界已有大量的研究。對“自由基與疾病”關(guān)系的探討更是成為了醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域的一大熱點。近年來的許多研究都證實很多疾病的發(fā)生都與自由基有關(guān)，如癌癥(cancer)，動脈粥樣硬化癥(atherosclerosis，As)，老年癡呆癥(Alzheimer’sdisease，AD)、帕金森綜合癥(Parkinson’s disease，PD)以及肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateal sclerosrs，ALS)等。而過量的ROS易誘發(fā)動物消化道疾病，引起腸道損傷及腸黏膜通透性升高，導(dǎo)致消化系統(tǒng)功能異常和腸源性感染，給畜牧業(yè)造成巨大損失。同時，大量抗自由基藥物也正被開發(fā)，如依達(dá)拉奉是一種針對腦梗死急性期的新型抗自由基劑，其通過捕獲自由基，抑制腦細(xì)胞的過氧化，從而減輕腦水腫和腦組織損傷。
雖然人們已認(rèn)識到自由基參與了許多疾病的發(fā)生發(fā)展并起重要作用，但對其中的本質(zhì)和細(xì)節(jié)并非了解透徹。自由基與多種疾病有關(guān)，可否將其作為疾病診斷中的一個輔助指標(biāo)，對疾病做出初步診斷？能否通過調(diào)節(jié)其含量達(dá)到治療相關(guān)疾病的目的？因此，炎癥過程中自由基可促進(jìn)炎性細(xì)胞吞噬或殺滅細(xì)菌，在抑制腫瘤方面也有一定意義，那么它們在其它方面是否也有一定的積極作用？如何進(jìn)一步提高自由基清除劑對自由基損傷的防治效果？這些問題都有待于進(jìn)一步的研究和探討。相信隨著對自由基在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和生物科學(xué)等方面研究的不斷深入，人們對自由基將有更多的認(rèn)識并在自由基與相關(guān)疾病的診斷、治療方面取得更大的突破。