發布日期：2009-05-22來源：動物醫學進展作者：牛博
摘要：
隨著基礎醫學和生命科學的不斷發展，人們對自由基的研究越來越多，其中就有大量關于自由基與疾病的研究。自由基作為機體的正常代謝產物，在平衡狀態下，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，自由基便會產生強大的傷害作用，造成生物膜的脂質過氧化損傷，引起酶、氨基酸、蛋白質的氧化破壞，對內臟器官、免疫系統的形態功能產生影響，從而引起機體疾病，甚至死亡。目前，研究發現很多疾病的發生發展都與自由基有關。文章就自由基的產生、種類、與疾病的關系及清除進行了綜述。
關鍵詞：自由基；疾病；應用
1900年，Comberg提出了“有機自由基(organic free radical)”這一概念。此后，大量關于自由基的醫學和生命科學研究迅速開展起來。20世紀50年代，Harman提出了“自由基學說(freeradical theory)”，并于1956年發現放射線誘導突變和誘發腫瘤的發病機理與自由基有關。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作用，開創了自由基生物學的新篇章。自由基(free radicals，FRs)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，它們是機體正常代謝的產物，在體內有很強的氧化反應能力，易對蛋白質、脂質和核酸等產生傷害，從而引起機體的損傷。自由基也是機體內重要的活性物質，它可作為第二信使參與細胞信號轉導。正常情況下，機體的氧化與抗氧化處于一種動態平衡，但在患病或衰老等狀態下，會出現由于自由基水平升高而導致的病理現象。
1機體中自由基的產生及種類
1.1自由基的產生
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，所形成的產物即為自由基，如A：B→A·＋B·。后者是指帶有成對電子的有機化合物或無機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·-。體內活性物質代謝異常時也可產生自由基，如細胞硫醇和對苯二酚等發生自氧化或蛋白酶等的催化反應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性質非常活潑的物質的總稱。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，單線態氧1-O2，三線態氧3-O2等。它們對細胞膜、脂肪組織和蛋白質都會產生影響，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，組織細胞會因脂質過氧化而產生脂類自由基，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LOOH等。它們的性質穩定且壽命長，可蔓延而發生連鎖反應，造成更嚴重的損傷。生物和理化因素也可引起脂質過氧化，其反應過程及產物脂質過氧化物(lipid peroxidation，LPO)對機體都有嚴重的損害。
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生氧化還原反應而產生，且廣泛產生于許多生命過程之中。這兩類化合物在電子傳導中起特殊作用，此類自由基還是線粒體中執行功能的主要自由基。
2自由基與疾病及其對機體的影響
2.1自由基對DNA的氧化損傷
OH·能與DNA堿基發生反應而損傷堿基，主要表現為氫抽提、電子轉移和加成。抽氫反應發生在胸腺嘧啶的甲基基團和脫氧核糖的C原子上，5個C原子發生抽氫反應的幾率一致。此外，OH·能與堿基發生電子轉移，OH·轉變為OH-，而堿基則變為相應的堿基自由基，從而損傷堿基。OH·能與DNA堿基雜環的雙鍵加成，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等認為，OH·攻擊嘌呤堿基時，加成反應發生在C4、C5及C8位上。
DNA鏈的斷裂也是DNA損傷的表現之一。其主要是在OH·攻擊下脫氧核糖遭破壞，磷酸二酯鍵發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致DNA損傷。輻射離子在體內產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
血管內皮細胞、腦細胞及吞噬細胞均可產生穩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化酶生成cGMP，cGMP可促進血管平滑肌松弛并抑制血小板聚集黏附于內皮細胞。
2.3自由基對生物膜的損傷
自由基學說認為，在氧存在的情況下，自由基引發劑可氧化細胞內外的多種生化成分。生物膜主要成分是脂質、蛋白質和糖類，脂質以磷脂為主，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生過氧化連鎖反應，從而造成生物膜的脂質過氧化損傷。氧自由基是機體內的主要自由基，其可引起肝細胞膜、線粒體膜、微粒體膜和溶酶體膜發生脂質過氧化，產生LPO，LPO及其降解產物(醛類及烴類)可加重生物膜的損傷，破壞膜的穩定性和完整性，使其通透性增加，終導致肝細胞的壞死。此外，紅細胞膜發生脂質過氧化損傷后，通透性增加，細胞變脆，易發生溶血；當有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自由基對內臟器官的影響
已經證實，自由基能引起多種器官功能異常或組織病變。脂質過氧化物沉積于心、腎、腦等器官會影響它們的結構、形態和功能。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；心血管疾病的發病機理與自由基水平有關。姜昕等通過注射內毒素，建立多臟器衰竭模型，發現心、肺、肝、腎均出現淤血、出血、變性和壞死等病理變化；同時檢測到各臟器內自由基和丙二醛含量均有明顯升高，認為自由基參與了感染性多臟器衰竭的發生發展。敖平星等通過注射二惡英，發現二惡英染毒急性清潔級SD大鼠后，誘生過多的自由基，引起體內自由基積累而對肝臟造成脂質過氧化，膜酶受損，整個細胞穩態被擾亂，從而也證明了自由基對內臟器官具有損傷作用。
2.5自由基對免疫系統功能的破壞
研究表明，自由基抑制淋巴細胞的增生分化，抑制其對刺激原的反應性及細胞的功能。T，K，NK等細胞亞群對自由基都有不同程度的敏感性；自由基對T細胞的抑制是可逆的，是一種非細胞破壞性的作用。自由基作用于K細胞，使其結構功能均發生改變，減弱其對靶細胞的識別能力；此外，其參與的抗體依賴性細胞介導的細胞毒作用也受到抑制。受自由基影響，NK細胞對腫瘤細胞的殺傷能力顯著減弱。
2.6自由基與炎癥的關系
炎癥發生的主要原因是ROS的產生。中性粒細胞具有吞噬和殺滅細菌的功能，但其在抗感染過程中釋放了大量自由基。當中性粒細胞被激活時，細胞膜上的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，大量的中性粒細胞發生趨化，產生大量的氧自由基，過剩的O2·-若得不到及時的分解便會滲入細胞周圍，從而破壞正常的細胞。但炎癥過程中，自由基在一定程度上也可促進炎性細胞吞噬或殺滅細菌；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
腫瘤的發生與多種因素有關，如物理、化學、生物、遺傳等，但以化學因素尤為重要。國際癌癥研究中心曾提出80%～90%人類腫瘤是由化學物質所引起。大部分的化學致癌物在其代謝為致癌產物的過程中都有產生自由基的中間過程。這些致癌化學復合物可通過單電子的轉移產生以C，H，O或S原子為中心的自由基。國外研究還發現腫瘤細胞可產生超氧陰離子，而許多腫瘤病人的瘤細胞中氧自由基清除系統存在障礙。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在人體內的擴展和連鎖反應，攻擊DNA造成多種形式的損傷，從而誘發腫瘤形成。
3自由基的清除
3.1大分子酶促自由基清除系統
主要是指一些酶類物質，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，從而達到消除自由基的作用。GSH-Px中的巰基能與活性氧結合，抑制脂質過氧化物的生成而保護組織細胞。
3.2小分子抗氧化劑及其他自由基清除系統
自由基清除系統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。當脂質過氧化反應鏈遇到SOD，維生素A、E等抗氧化物后就會終止。有研究還發現，從天然中草藥如黃芪、當歸、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均有很強的抗氧化作用，能增強機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”概念的提出到現在，科學界已有大量的研究。對“自由基與疾病”關系的探討更是成為了醫學和生命科學領域的一大熱點。近年來的許多研究都證實很多疾病的發生都與自由基有關，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索硬化癥(amyotrophic lateal sclerosrs，ALS)等。而過量的ROS易誘發動物消化道疾病，引起腸道損傷及腸黏膜通透性升高，導致消化系統功能異常和腸源性感染，給畜牧業造成巨大損失。同時，大量抗自由基藥物也正被開發，如依達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，抑制腦細胞的過氧化，從而減輕腦水腫和腦組織損傷。
雖然人們已認識到自由基參與了許多疾病的發生發展并起重要作用，但對其中的本質和細節并非了解透徹。自由基與多種疾病有關，可否將其作為疾病診斷中的一個輔助指標，對疾病做出初步診斷？能否通過調節其含量達到治療相關疾病的目的？因此，炎癥過程中自由基可促進炎性細胞吞噬或殺滅細菌，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一步的研究和探討。相信隨著對自由基在基礎醫學、臨床醫學和生物科學等方面研究的不斷深入，人們對自由基將有更多的認識并在自由基與相關疾病的診斷、治療方面取得更大的突破。