1、要点自由基理论的产生机理及来源自由基对机体活动的影响自由基清除剂的基本概念第四节 自由基清除剂英国人 Harman 于 1956 年提出了自由基学说。该学说认为，自由基攻击生命大分子造成组织细胞损伤，是引起机体衰老的根本原因，也是诱发肿瘤等恶性疾病的重要起因，其中的观点被越来越多的实验所证明。自由基与生命自由基（Free radical）是人体生命活动中各种生化反应的中间代谢产物，具有高度的化学活性，是机体有效的防御系统，若不能维持一定水平则会影响机体的生命活动。但自由基产生过多而不能及时地清除，它就会攻击机体内的生命大分子物质及各种细胞器，造成机体在分子水平、细胞水平及组织器官水平的各种损伤
2、，加速机体的衰老进程并诱发各种疾病。 自由基一、自由基的产生机理及来源自由基又叫游离基，它是由单质或化合物的均裂（Homdytic Fission）而产生的带有未成对电子的原子或基团。它的单电子有强烈的配对倾向，倾向于以各种方式与其他原子基团结合，形成更稳定的结构，因而自由基非常活泼，成为许多反应的活性中间体。自由基反应包含 3 个阶段，即引发、增长和终止阶段人体内的自由基 氧自由基非氧自由基(二) 人体内的自由基的种类氧自由基占主导地位，大约占自由基总量的 95%。氧自由基包括:超氧阴离子（ O2）过氧化氢分子（H2O2）羟自由基（OH）氢过氧基（HO2）烷过氧基（ROO）烷氧基（RO）氮氧
3、自由基（NO）过氧亚硝酸盐（ONOO）氢过氧化物（ROOH）单线态氧（1O2 ）等统称为活性氧（reactive oxygen species，ROS ） ，都是人体内最为重要的自由基。非氧自由基主要有:氢自由基（ H）有机自由基（R）人体细胞在正常的代谢过程中，或者受到外界条件的刺激（如高压氧、高能辐射、抗癌剂、抗菌剂、杀虫剂、麻醉剂等药物，香烟烟雾和光化学空气污染物等作用） ，都会刺激机体产生活性氧自由基。产生因素(二) 自由基的来源1、超氧阴离子自由基（O2 ）-非常重要，从黄嘌呤氧化酶、NADPH 氧化酶通过酶的电子还原作用释放的氧产生的或由呼吸链裂解生成的。人体利用的氧气中约有 1%
4、3% 转化为 O22、羟自由基（OH）-活性最强，其半衰期估计为 10-9 秒，其产生后能迅速起反应。在射线等高能辐射下，通过体内水的均裂作用或经金属催化过程由内源的过氧化氢分子形成。紫外线能将过氧化氢分子分裂成两个羟自由基分子3、过氧基自由基-半衰期比较长，可达数秒，在生物系统中扩散的途径相当长。在脂质过氧化过程中，从多不饱和脂肪酸去掉一个氢原子开始，能形成过氧基自由基。羟自由基能启动这一反应过程。4、烷氧自由基（RO）和有机的氢过氧化物（ROOH）- 脂质过氧化作用进一步产生，后者可能重排成为内过氧化物中间产物，然后分裂产生乙醛。5、单线态分子氧（1O2）-另一种非自由基的活性物，可能是体
5、内的组织暴露于光中形成的。其半衰期估计为10-6 秒，具体时间取决于周围基质的性质。它能通过转移其激发态能量或通过化学结合与其它分子相互作用。单线态分子氧优先发生化学反应的靶位为双键部位。6、氧化氮自由基（NO）-它是精氨酸在酶作用下形成的一种信号化合物，能松弛血小管平滑肌，防止血小板的凝集，从而降低血压。也可通过激活参与初级免疫的巨嗜细胞而产生。它的半衰期为650 秒，很容易与氧发生反应，反应产物 NO2 也是自由基。7、过氧化氢分子（H2O2）-一种重要的非自由基活性物，容易在活细胞中扩散。过氧化氢酶能有效地将其转变成水，生成氧自由基。8、分子直接反应或与 O2 结合形成过氧亚硝酸盐（ON
6、OO） 。NO 过多会产生细胞毒性。 二、自由基对机体生命活动的影响（一）自由基积极的生物学功能1增强白细胞的吞噬功能，提高杀菌效果2促进前列腺素的合成3参与脂肪加氧酶的生成4参与胶原蛋白的合成5参与肝脏的解毒作用6参加凝血酶原的合成7参与血管壁松弛而降血压8杀伤外来微生物和肿瘤细胞 （二）自由基对生命大分子的损害1自由基对核酸的损害导致细胞死亡。2自由基对蛋白质的损害改变酶蛋白的化学结构，导致酶生物活性的丧失。3自由基对糖类的损害-自由基通过氧化性降解使多糖断裂，如影响脑脊液中的多糖，从而影响大脑的正常功能。4自由基对脂质的损害-脂质中的多不饱和脂肪酸由于含有多个双键而化学性质活泼，最易受自
7、由基的破坏，发生过氧化反应。引起膜中蛋白质及酶的交联或失活，导致膜通透性的变化，严重影响膜的各种生理功能。 OH 是最活泼的自由基，也是毒性最大的自由基。 O2的毒性是机体发生氧中毒的主要原因 （三）衰老自由基学说1生命大分子的交联聚合和脂褐素的累积2器官组织细胞的破坏与减少3免疫功能的降低 脂质过氧化损害膜结构，基因突变影响酶和蛋白质脂质过氧化引起蛋白质、核酸等生命大分子的交联聚合，形成脂褐素免疫系统受损，识别能力下降（四）自由基与疾病的关系 1自由基与心血管疾病 2自由基与癌症3自由基与肺气肿4自由基与缺血后重灌流损伤5自由基与眼病6自由基与炎症7自由基与贫血8自由基与癫痫1自由基与心血管
8、疾病过氧化脂质2自由基与癌症空白组模型组3自由基与肺气肿肺气肿是指终末细支气管远端(呼吸细支气管、肺泡管、肺泡囊和肺泡) 的气道弹性减退，过度膨胀、充气和肺容积增大或同时伴有气道壁破坏的病理状态。 自由基作用于肺部的巨噬细胞，释放蛋白水解酶类。4自由基与缺血后重灌流损伤缺血所引的组织损伤是致死性疾病的主要原因，诸如冠动脉硬化与中风。仅仅缺血还不足以导致组织损伤，而是在缺血一段时间后又突然恢复供血(即重灌流) 时才出现损伤。缺血组织重灌流时造成的微血管和实质器官的损伤主要是由活性氧自由基引起的。 5自由基与眼病晶体蛋白质聚合、沉淀6自由基与炎症炎症，就是平时人们所说的“发炎” ，是机体对于刺激的
9、一种防御反应，表现为红、肿、热、痛和功能障碍。炎症，可以是感染引起的感染性炎症，也可以不是由于感染引起的非感染性炎症。 自由基攻击异物的同时攻击白细胞本身7自由基与贫血地中海贫血缺铁性贫血红细胞膜过氧化8自由基与癫痫癫痫（epilepsy）是大脑神经元突发性异常放电，导致短暂的大脑功能障碍的一种慢性疾病。三、自由基清除剂少量的氧自由基- 促进细胞增殖，刺激白细胞和吞噬细胞杀灭细菌，消除炎症，分解毒物。人体内自由基的数量过多-就会对生物膜和其他组织造成损伤，破坏细胞结构，干扰人体的正常代谢活动，引起疾病，加速人体衰老进程。生命有机体内会产生一些物质能清除这些自由基，将它们统称为自由基清除剂（Sc
10、avenger） 。自由基清除剂分为酶类清除剂和非酶类清除剂两大类：酶类清除剂一般为抗氧化酶， 主要有超氧化物歧化酶（ SOD） 、过氧化氢酶（CAT） 、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）等几种。非酶类自由基清除剂一般包括黄酮类、多糖类、维生素 C 、维生素 E、- 胡萝卜素和还原型谷胱甘肽（GSH）等活性肽类。自由基清除剂大多为抗氧化剂自由基清除剂发挥作用必须满足三个条件：第一，自由基清除剂要有一定的浓度；第二，因为自由基活泼性极强，一旦产生马上就会与附近的生命大分子起作用，所以自由基清除剂必须在自由基附近，并且能以极快的速度抢先与自由基结合，否则就起不到应有的效果；第三，在大多数情况下，清除剂
11、与自由基反应后会变成新的自由基，这个新的自由基的毒性应小于原来自由基的毒性才有防御作用。人为地由膳食补充自由基清除剂，从而达到防御疾病、延缓衰老的目的四、酶类自由基清除剂（一）超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）超氧化物歧化酶（SOD）是目前研究得最深入、应用得最广泛的一种酶类自由基清除剂。1种类、结构及分布1968 年，美国人 McCord 在 Fridovich 指导下，从牛红细胞中提取 CuZn 的酶蛋白质，并发现它能催化 O2歧化，所以把这种酶蛋白命名为超氧化物歧化酶，英文简称为SOD。SOD 存在于几乎所有靠氧呼吸的生物体内，包括细菌、真菌、高等植物、高
12、等动物和人体中。SOD 是一类含金属的酶，按其所含金属辅基不同可分为含铜锌 SOD（CuZn-SOD ） 、含锰 SOD（Mn-SOD）和含铁 SOD（Fe-SOD）3 种。含铜锌金属辅基的 CuZn-SOD 是最为常见的一种酶，主要存在于真核细胞的细胞质中或高等植物的叶绿体基质、类囊体内以及线粒体膜间隙中。在动物血液、牛肝、猪肝、牛心、豌豆、麦叶等动植物组织中均有存在，是目前应用最广泛的一类酶。该酶由两条肽链组成，每条肽链含有铜、锌原子各一个，活性中心的核心是铜。Fe-SOD 主要存在于原核细胞中，一些真核藻类甚至高等植物如银杏、柠檬、番茄等组织内也有存在。此酶也由两条肽链组成，一般每个二聚
13、体含有一个铁原子。Mn-SOD 主要存在于原核细胞和真核细胞的线粒体中，在植物的叶绿体基质、类囊体内也会存在，在人体肝脏中含量较高。此酶的纯品呈粉红色，由两条或四条肽链组成。SOD 属酸性蛋白酶，对 pH、热和蛋白酶水解等反应比一般酶稳定。又由于 SOD 属于金属酶，其性质不仅取决于蛋白质，还取决于结合到活性部位的金属离子。三类 SOD 的活性中心都含有金属离子。如采用物理或化学方法除去金属离子，则酶活丧失；如重新加上金属离子，则酶活又恢复。 SOD 是生物体内防御氧化损伤的一种十分重要的金属酶，对氧自由基有强烈清除作用，特别对于超氧阴离子（O2 ） ， SOD 可将其催化歧化而生成 H2O2
14、 和 O2，故 SOD 又称为清除超氧阴离子自由基的特异酶。2理化及生物学特性3SOD 的生理功能及应用（1）清除体内产生的过量的超氧阴离子自由基，保护 DNA、蛋白质和细胞膜免遭O2的破坏作用.（2）提高人体对自由基外界诱发因子的抵抗力，增强机体对烟雾、辐射、有毒化学品及医药品的适应性；（3）增强人体自身的免疫力，提高人体对自由基受损引发的一系列疾病的抵抗力治疗由于免疫功能下降而引发的疾病；（4）清除放疗所诱发的大量自由基，从而减少正常组织的损伤，（5）消除疲劳，增强对剧烈运动的适应力。SOD 已广泛地应用于人们生活的各个方面SOD 在医疗上的应用,对治疗关节炎和类风湿性关节炎疗效显著。此外
15、，SOD 对治疗癌症、缺血后重灌流损伤、肺气肿、白内障、糖尿病、贫血等疾病均有疗效。SOD 在食品方面的应用也极为广泛.SOD 应用的局限性：（1）半衰期短。SOD 的体内半衰期为 6-8 分钟，体外半衰期（25时）为 9-10 天；（2）代谢速率快。（3）酶分子量大，均在 32000 以上。因此，透皮或透膜吸收困难，体内或细胞内作用弱；（4）酶制剂不宜口服，口服易被胃酸变性、胃蛋白酶和胰蛋白酶水解破坏（5）大分子异性蛋白，不宜大剂量、长时间使用（6）对靶细胞或靶部位的亲和力低，药用趋向性不明显。因此，对疾病的疗效缺乏特异性作用；（7）酶的稳定性不高，对理化因素较为敏感（8）药物作用单一性大、
16、常规剂量单独使用疗效欠佳。 4 SOD 的制备SOD 广泛存在于动、植物和微生物体内，但目前我国主要是从动物血液中提取。受到血源和得率的限制，影响了 SOD 的生产成本和推广应用。 （二）过氧化氢酶（catalase， CAT）过氧化氢酶是另一种酶类清除剂，又称为触酶，是以铁卟啉为辅基的结合酶。它可促使H2O2 分解为分子氧和水，清除体内的过氧化氢，从而使细胞免于遭受 H2O2 的毒害，是生物防御体系的关键酶之一。CAT 作用于过氧化氢的机理实质上是 H2O2 的歧化，必须有两个 H2O2 先后与 CAT 相遇且碰撞在活性中心上，才能发生反应。 H2O2 浓度越高，分解速度越快。几乎所有的生物
17、机体都存在过氧化氢酶。其普遍存在于能呼吸的生物体内，主要存在于植物的叶绿体、线粒体、内质网、动物的肝和红细胞中，其酶促活性为机体提供了抗氧化防御机理。 （三）谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）是在哺乳动物体内发现的第一个含硒酶，它于 1957 年被Mills 首先发现，但直到 1973 年才由 Flohe 和 Rotruck 两个研究小组确立了 GPX 与硒之间的联系。研究表明，硒是谷胱甘肽过氧化酶（Se-GPX）的活性成分，是 GPX 催化反应的必要组分，它以硒代半胱氨酸（Sec）的形式发挥作用，摄入硒不足时使 Se-GPX 酶活力下降。在体内处于低硒水平时，活力与硒的
18、摄入量呈正相关，但到一定水平时，酶活力不再随硒水平上升而上升。Se-GPX 存在于胞浆和线粒体基质中，它以谷胱甘肽（GSH ）为还原剂分解体内的氢过氧化物，能使有毒的过氧化物还原成无毒的羟基化合物，并使过氧化氢分解成醇和水，因而可防止细胞膜和其它生物组织免受过氧化损伤。它同体内的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）一起构成了抗氧化防御体系，因而在机体抗氧化中发挥着重要作用。五、非酶类自由基清除剂 （一）维生素类 维生素不仅是人类维持生命和健康所必需的重要营养素，还是重要的自由基清除剂。对氧自由基具有清除作用的维生素主要有维生素、维生素及维生素的前体 -胡萝卜素。（二）黄酮类化合物 黄
19、酮类化合物泛指两个苯环通过中央三碳链相互联结而成的一系列 C6-C3-C6 化合物，主要是指以 2-苯基色原酮为母核的一类化合物，在植物界广泛分布。黄酮是具有酚羟基的一类还原性化合物。在复杂反应体系中，由于其自身被氧化而具有清除自由基和抗氧化作用。其作用机理是与2-反应阻止自由基的引发，与金属离子螯合阻止OH 的生成，与脂质过氧化基 ROO反应阻断脂质过氧化。黄酮及其某些衍生物具有广泛的药理学特性，包括抗炎、抗诱变、抗肿瘤形成与生长等活性。黄酮在生物体外和体内都具有较强的抗氧化性，具有许多药理作用，对人的毒副作用很小，是理想的自由基清除剂。目前已发现有 4000 多种黄酮类化合物，可分为如下几
20、类：黄酮、儿茶素、花色素、黄烷酮、黄酮醇和异黄酮等。 六、富含自由基清除剂的食品对此类食品的研究大致有两个方向:一是从天然动植中提取有效成分，添加于各种饮料或固态食品中作为功能性食品的功能因子或食品营养强化剂。目前已有添加 SOD 的蛋黄酱、牛奶、可溶性咖啡、啤酒、白酒、果汁饮料、矿泉水、奶糖、酸牛乳、冷饮类等类型的功能性食品面市。二是利用微生物发酵或细胞培养，得到自由基清除剂含量丰富的产品。在许多天然动植物中含有抗自由基的活性成分。如姜含挥发油和姜辣素，其成份有姜酚、姜酮和姜烯酚。绿茶的主要成分茶多酚，银杏、竹叶的有效成分黄酮和酚类，各种果品蔬菜中的维生素，还有一些中药如白首乌、五味子、葛根、小叶女贞、柴胡、车前子等也含有多种活性成分。另外，党参、灵芝等真菌中的多糖也是有效的活性成分。在动物的肝脏等器官，血液中也可提取有关的活性成分。利用微生物发酵或细胞培养生产功能因子，也是目前研究的热点。如在固体培养基上人工培育冬虫夏草，由预处理的大豆经少孢根霉短期固态发酵生成丹贝异黄酮，用大蒜细胞培养或深红酵母生产 SOD。这些方法不受气候、季节的限制，可实现工业化的连续生产。1.自由基理论的核心内容是什么？2.自由基对人体有哪些危害？怎样消除或减少这些危害？3. 什么叫自由基清除剂？各有哪些种类？4. SOD 在食品中有哪些应用？
