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發(fā)布日期：2009-05-22來(lái)源：動(dòng)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(duì)自由基的研究越來(lái)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的傷害作用，造成生物膜的脂質(zhì)過(guò)氧化損傷，引起酶、氨基酸、蛋白質(zhì)的氧化破壞，對(duì)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；疾病；應(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(kāi)展起來(lái)。20世紀(jì)50年代，Harman提出了“自由基學(xué)說(shuō)(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(bào)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(kāi)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(gè)或1個(gè)以上不配對(duì)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(duì)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。正常情況下，機(jī)體的氧化與抗氧化處于一種動(dòng)態(tài)平衡，但在患病或衰老等狀態(tài)下，會(huì)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(jià)鍵均裂法和電子俘獲法2種方式。前者是指共價(jià)化合物均裂時(shí)共用的電子對(duì)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(duì)電子的有機(jī)化合物或無(wú)機(jī)化合物俘獲了一個(gè)電子，就可因帶有不成對(duì)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(shí)也可產(chǎn)生自由基，如細(xì)胞硫醇和對(duì)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)非常活潑的物質(zhì)的總稱。氧自由基是由活性氧衍生而來(lái)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(guò)氧化氫H2O2，單線態(tài)氧1-O2，三線態(tài)氧3-O2等。它們對(duì)細(xì)胞膜、脂肪組織和蛋白質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生影響，從而引起疾病。
1.2.2脂類自由基和脂類過(guò)氧化物
在活性氧的作用下，組織細(xì)胞會(huì)因脂質(zhì)過(guò)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(guò)氧基ROO·，脂氫過(guò)氧化物L(fēng)OOH等。它們的性質(zhì)穩(wěn)定且壽命長(zhǎng)，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(guò)氧化，其反應(yīng)過(guò)程及產(chǎn)物脂質(zhì)過(guò)氧化物(lipid peroxidation，LPO)對(duì)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(guò)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(duì)機(jī)體的影響
2.1自由基對(duì)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(gè)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(shí)，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(guò)對(duì)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(jí)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(duì)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?yàn)樗芗せ钇交∨c血小板的鳥(niǎo)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(duì)生物膜的損傷
自由基學(xué)說(shuō)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(gè)弱鍵和不飽和鍵，自由基對(duì)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(guò)氧化連鎖反應(yīng)，從而造成生物膜的脂質(zhì)過(guò)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(guò)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(guò)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(shí)，線粒體膜在其作用下，鄰近的H2O2會(huì)分解為OH·，使膜腫脹甚至消失。
2.4自由基對(duì)內(nèi)臟器官的影響
已經(jīng)證實(shí)，自由基能引起多種器官功能異常或組織病變。脂質(zhì)過(guò)氧化物沉積于心、腎、腦等器官會(huì)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(huì)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(guò)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(shí)檢測(cè)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(guò)注射二惡英，發(fā)現(xiàn)二惡英染毒急性清潔級(jí)SD大鼠后，誘生過(guò)多的自由基，引起體內(nèi)自由基積累而對(duì)肝臟造成脂質(zhì)過(guò)氧化，膜酶受損，整個(gè)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)被擾亂，從而也證明了自由基對(duì)內(nèi)臟器官具有損傷作用。
2.5自由基對(duì)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(duì)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(duì)自由基都有不同程度的敏感性；自由基對(duì)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(duì)靶細(xì)胞的識(shí)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(duì)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(guò)程中釋放了大量自由基。當(dāng)中性粒細(xì)胞被激活時(shí)，細(xì)胞膜上的NADPH氧化酶也被激活，還將還原型NADPH的一個(gè)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(guò)剩的O2·-若得不到及時(shí)的分解便會(huì)滲入細(xì)胞周?chē)瑥亩茐恼５募?xì)胞。但炎癥過(guò)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(guò)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(guó)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(guò)程中都有產(chǎn)生自由基的中間過(guò)程。這些致癌化學(xué)復(fù)合物可通過(guò)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(guó)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(guò)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(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)、谷光甘肽過(guò)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(guò)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(guò)氧化反應(yīng)鏈遇到SOD，維生素A、E等抗氧化物后就會(huì)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(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)蜂毒肽對(duì)自由基作用的研究證明其對(duì)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(duì)“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(diǎn)。近年來(lái)的許多研究都證實(shí)很多疾病的發(fā)生都與自由基有關(guān)，如癌癥(cancer)，動(dòng)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(guò)量的ROS易誘發(fā)動(dòng)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(shí)，大量抗自由基藥物也正被開(kāi)發(fā)，如依達(dá)拉奉是一種針對(duì)腦梗死急性期的新型抗自由基劑，其通過(guò)捕獲自由基，抑制腦細(xì)胞的過(guò)氧化，從而減輕腦水腫和腦組織損傷。
雖然人們已認(rèn)識(shí)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(duì)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(gè)輔助指標(biāo)，對(duì)疾病做出初步診斷？能否通過(guò)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(guò)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?cè)谄渌矫媸欠褚灿幸欢ǖ姆e極作用？如何進(jìn)一步提高自由基清除劑對(duì)自由基損傷的防治效果？這些問(wèn)題都有待于進(jìn)一步的研究和探討。相信隨著對(duì)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(duì)自由基將有更多的認(rèn)識(shí)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。