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作者：寒冬

出版社：辽宁科学技术出版社

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自由基与健康试读：

前言

研究表明，自由基这种物质，与人体的健康、疾病、寿命等均有密切关系。虽然人类认识到这一点的时间还比较短，但是在今天，有关自由基的知识、应用与研究等越来越受到国内外医学界、病理学界、中医药学界、营养学界、生物学界、生物化学界、农林界、畜牧饲养界、饮食制造界、化妆品生产者和使用者等人士及大众的密切关注。然而，目前国内外这方面的专业书籍还比较少，尤其是国内更加匮乏。因而，作者结合自己多年来的学习收获以及在科学研究、教学所取得的成果与经验等，参考近年来国内外相关的资料编著了本书。

本书重点阐述和探讨了自由基与人体健康以及疾病等之间的关系，力求言简意赅、定义科学、概念清楚、结构严谨；反映现代科学研究的最新成果，注重文字表述的思想性、科学性、先进性、实用性，力求基础医学与临床医学紧密结合，有一定的应用价值。诚恳希望本书出版之后，能对科研工作者、医务工作者及其他对这方面知识感兴趣人士在科研、教学、临床、日常生活中等有所帮助；也希望人们了解相关知识后，采取积极有效的措施，保持体内自由基含量的相对平衡，预防自由基对机体的伤害，健康并幸福地工作、学习、生活。

在本书编写的几年过程中，几经修改和补充，克服了许多困难，并得到了亲友、同事以及相关人士的热情帮助和鼓励，借此机会向他们表示最诚挚的谢意。辽宁省科学技术协会和辽宁科学技术出版社的同志对本书的问世作出了重要的贡献，感激之情难以言表。由于作者的学识与能力有限，虽历经数年、几经修改才成书，但书中错误及不准确之处难免，恳请广大专业人士和读者批评指正。作者2012年2月

1　基础自由基理论

1.1　自由基

自由基（Free Radical）又称游离基，它是指在最外层电子轨道含有未配对电子的原子、原子团、特殊状态的分子等物质。由于电子有成对的自然趋向，所以，不配对的电子就有一种张力去“寻找伙伴”的现象发生。原子是由质子、中子等组成的原子核及存在于

[1-2]其周围轨道的电子所组成。通常，电子在一条轨道上各有2个呈对回转，根据原子的种类，也有一条轨道只存在1个电子的情况。因此，具有这种不配对电子的原子或分子就被称为自由基。如H·（氢自由基）、OH·（羟自由基）、CH·（甲基自由基）、LO·（烷氧自由基）、3LOO·（过氧自由基）等。前述的“·”表示1个电子。氧分子具有2个未配对的电子，为双自由基。氧分子得到1个电子后，既带1个负电荷，又带1个未配对的电子；既是阴离子，又是自由基，被称为超氧离子自由基（·O-Super-oxide Anion Radical）。自由基中危害最大的2是氧自由基（Oxygen Free Radical），它是一类具有高度化学反应的含氧基团。如超氧自由基、羟自由基、过氧化氢等。超氧自由基可以还原为过氧化氢（HO）。过氧化氢虽然不属于自由基，但可以形成22羟自由基。因而，凡是能产生过氧化氢的物质，就是可以导致自由基出现的危险因素。

在化学反应中，反应物的分子往往要发生共价键的断裂。共价键的断裂分为均裂与异裂。发生均裂时，原来的共用电子对变为分属于2个原子或原子团，即形成自由基。如水分子在放射线的作用下，发生辐射分解时，即通过均裂而产生氢自由基和羟自由基。发生异裂时，原来的共用电子由共价键一侧的原子或原子团独占，形成带正负电荷的离子。如水分子在通常条件下的电离，即通过异裂形成氢离子（H+-）和氢氧根离子（OH）。

自由基与离子不同，自由基在化学反应中，使共用电子对平均分属于两个原子或原子团或分子团即称为均裂。如HO→H·+OH·。2

若共用电子对为一方所占有，则形成带电荷的离子，即称为异裂。+-如HO=H+OH。2

1.2　自由基与活性氧

1.2.1　自由基

自由基在人体内广泛存在。它一般保持着相对的平衡，如果超过一定的界限，就会引起人体患病或者促进衰老的进程。在细胞的新陈代谢过程中，会产生多种自由基。人体内不停地进行着化学反应，由于有机物分子共价键断裂的方式不同，会产生不同的化学反应。一种是异裂产生离子，进行离子性反应；另一种是均裂产生自由基，进行自由基型反应。后一种反应，自由基的化学性质很活泼，掠夺其他物质的电子，破坏细胞、DNA、RNA、蛋白质等的正常结构，造成细胞、组织、脏器功能的障碍。一般来说，体内自由基过多会对人体健康有害，是造成疾病和衰老的重要原因。

人体内的一些生理活动，如吞噬作用、细胞分裂、能量代谢、免疫等都有自由基的参与。另外，在疾病的发生与发展过程中，如循环、呼吸、消化、内分泌、泌尿系统、血液以及肿瘤等疾病的发生与发展也与自由基的作用有关。

1.2.2　活性氧

活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是对基态氧而言，其比较活泼，包括氧自身的活性形式及一些含氧化合物，是指含氧性高的化合物。对机体造成损害的氧，也属于活性氧。活性氧包括超氧阴离子自由基、羟自由基、烷氧自由基、烷过氧自由基、有机过氧自由基等；也有非自由基含氧物，如过氧化氢（HOOH·）、有机氢过氧化物（ROOH）以及激发态分子氧（即单线态氧）。非自由基活性氧可在自由基反应中产生，同时，又可以直接或间接地引发自由基反应。因此，活性氧作用与自由基反应相关联。由氧诱发的自由基，被称为氧自由基（Oxygen Free Radical, OFR），可分为脂质自由基、非脂质自由基。巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、肥大细胞、上皮细胞均可产生氧自由基。氧自由基和许多相关物质及黄嘌呤氧化酶[1]（Xanthine Oxidase, XO）途径是产生活性氧的一个重要来源。XO利用分子氧作为电子受体各自氧化次黄嘌呤和黄嘌呤为黄嘌呤和尿酸，在此过程中产生超氧阴离子自由基（Superoxide Anion, O-）和2[2]过氧化氢。活性氧在正常生理或病理状态下均可产生。红细胞易遭[3]受自由基的攻击而发生脂质过氧化反应。氧自由基可直接引起脂质、[4-6]核酸的损害，造成血管内皮细胞损伤。过氧化脂质（LPO）反映脂质过氧化的程度，也间接反映氧自由基的生成量，它的含量高低反[7]映自由基诱发细胞膜脂质过氧化反应的程度。手术创伤后，红细胞[8]脂质过氧化增强，LPO水平上升是氧自由基损伤的依据。活性氧是器官再灌注损伤的重要调节因子。在低温的情况下，线粒体的活性降低，致使氧自由基增加。自由基活泼性很强，易与各种细胞成分发生反应，造成细胞的结构被破坏，使细胞的代谢及功能出现障碍。正常[9]情况下，活性氧的生成量占组织总耗氧量的1%～5%。内源性和外源性活性氧不断对机体进行攻击，然而，机体内丰富的抗氧化防御系统会起保护作用，机体的氧化—抗氧化之间维持在比较平衡的氧化[10]还原状态，使机体内环境保持相对稳定。也就是说，在正常的生理情况下，活性氧不断地产生，同时也不断地被清除，机体将这些活性物质维持在一个极低的水平，对健康有利而无害。

氧化应激（Oxidative Stress, OS）是机体受到各种不良刺激后，体内活性氧产生过多，其产生的速率大于清除的速率，使身体抗氧化能力下降，氧化系统和抗氧化系统之间的平衡出现紊乱，发生脂质过氧化反应等，导致组织或细胞损伤的病理过程。活性氧的产生和细胞[11]抗氧化能力的下降引起氧化应激，导致氧化损伤。这是一种应激性反应。如果体内活性氧自由基和活性氮自由基（Reactive Nitrogen Ppecies, RNP）产生过多，超出了机体清除自由基的能力，氧化系统与抗氧化系统之间的平衡就会被打破，就会导致组织细胞的损伤。氧化应激反应可诱导细胞凋亡，产生活性氧物质。活性氧所含的自由基造成其具有不稳定性和高反应性。由于环境污染、疾病、衰老等引起机体或细胞内氧自由基的产生与消除失去平衡，则导致活性氧在体内或细胞内蓄积造成分子、脂类、DNA、RNA的氧化，出现生物膜脂质过氧化、细胞内蛋白及酶变性、细胞内稳定环境被破坏、DNA损害，[12-14]最后导致组织器官损伤和疾病发生。氧化应激反应可导致哮喘和肥胖，哮喘炎症细胞释放各种炎症递质可产生大量自由基；肥胖者体内脂联素表达下降，巨噬细胞摄取乳酸脱氢酶增多，导致氧化应激反应增强。活性氧过多可损伤细胞的结构、造成脂质过氧化，引发心血管疾病、糖尿病等疾病。

超氧阴离子自由基是体内活性氧的主要来源，在细胞线粒体微粒体浆膜和胞浆等的酶系统和非酶系统中，通过分子氧的单电子还原而产生。正常情况下产生的氧自由基迅速被体内的酶系统所消除，不会产生损伤作用。体内清除超氧负离子自由基有超氧化物歧化酶（SOD），它可使超氧负离子发生歧化反应生成分子氧和过氧化氢：

由此生成的过氧化氢再经过氧化氢酶或谷胱甘肽过氧化酶（GSH-PX）的作用而分解：

由于酶系统的保护作用，正常体内很少产生氢氧自由基，而且，体内也具有清除氢氧自由基的能力。

在病理条件下，机体内物质代谢发生变化，酶的活性有所改变，清除自由基的能力降低，造成氧自由基大量产生，从而对机体产生不同程度的损伤。

活性氧是由氧形成含氧而性质活泼的几种物质的总称。活性氧对机体的损害作用一般分为以下4种：（1）氧化与构成细胞膜有关的脂肪酸，导致不饱和脂肪酸与蛋百质比率改变，造成膜运输过程紊乱，膜蛋白交联、脆性增加和细胞膜破坏。（2）活性氧与酶的巯基或色氨酸残基反应导致失活。（3）自由基与细胞膜上的酶或受体共价结合，改变膜的活性和结构。（4）破坏核酸结构，改变了其嘌呤碱和嘧啶的正常结构，导致变异的出现和蓄积造成遗传信息改变。[15]

体内过量的自由基造成组织与细胞的损伤，对人体健康危害极大的体内自由基主要有4个。

1.超氧化物阴离子自由基。超氧化物阴离子自由基即O-·HO·为22-+O·的质子化产物，其反应是：O-·+H=HO2。超氧化物阴离子自由22·基包括O-及HO，一般常用O-·代表超氧化物自由基。222

在有氧的条件下，细胞内的黄嘌呤次黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下形成尿酸过程中产生O-·。在红细胞内，血红蛋白的自身氧化也2可产生超过氧化物自由基。这种红细胞内血红蛋白稳定性降低而形成2+3+氧和血红蛋白时，血红蛋白分子内的Fe被氧化为Fe而形成高铁血红蛋白，同时，分子氧得到一电子形成超氧化物阴离子自由基。如先天性溶血性贫血即易出现产生超氧化物阴离子自由基：

吞噬细胞受到细菌等异物的刺激后，摄取氧的能力增强，摄取的氧在NADPH氧化酶的作用下，使氧分子得到一个电子形成超氧化物阴离子自由基。

体内化学物质的代谢过程中，经细胞内的单电子还原活化酶作用后也可产生超氧化物阴离子自由基。

光化反应、电离辐射、巯基氧化等过程中也可产生超氧化物阴离子自由基。

外源性化合物如百草枯的氧化还原循环及补骨脂素还原也能产生超氧化物阴离子自由基。

超氧化物阴离子自由基既具有氧化性又具有还原性，是一种弱碱，能自发或经SOD作用形成HO而毒性降低。超氧化物阴离子自22由基，一般来说，不与氧的毒性效应直接相关，但是，它可以导致产生其他活性物质。实际上，超氧化物发生歧化作用，随之，通过金属离子催化的Haber-Weiss反应产生活性更高的羟自由基，高活性的羟自由基能损伤DNA和蛋白质，并引起脂质过氧化等。

2.羟自由基（OH·）。羟自由基是化学性质最活泼的活性氧，寿-8命极短（10s）。是一个对生物体毒性最大、危害最大的自由基，参与膜脂质过氧化反应。它可以导致机体衰老、引发疾病等。羟自由基通过电子转移、加成、脱氢等方式与生物体内的多种物质发生反应，导致蛋白质、氨基酸、糖类、核酸、脂类等物质的氧化损伤，进而细胞发生突变甚至死亡。生物体的辐射损伤、肿瘤、凋亡、细胞吞噬等均与其有关。

羟自由基能使糖与磷酸盐结合的链断裂，使碱基从核苷、核苷酸中解离出来。它的产生过程如下：

Fenton反应型产生羟自由基在所有的需氧有机体里，总会产生超氧化物阴离子自由基，它在SOD的作用下产生过氧化氢，过氧化氢在GSH-PX作用下产生O和HO。但是，在铁盐存在下，超氧化物阴22离子自由基和过氧化氢作用则产生羟自由基：

以上是铁催化Harber-Weiss反应由超氧化物阴离子自由基产生·OH的Fenton型方法。当体内存在足够浓度的游离铁时，肯定会有显著的·OH由HO而产生。此外，一定的螯合剂使反应（1）和（3）发22生，乙二胺四乙酸钠（EDTA）能使Harber-Weiss反应进行很快。实3+际上，是EDTA与Fe形成的配合物Fe-EDTA催化（1）和（3）反应，而且，Fe-EDTA诱导产生OH·的量是FeSO和FeCO诱导产生OH·的43量的2倍。Fe-EDTA是比游离铁更有效的Harber-Weiss反应催化剂。

非Fenton体系中生成羟自由基在缺氧条件下，只要有合适的催化剂存在，过氧化氢和GSH就和其他的生物还原剂反应而产生·OH。Cu（I）的10-菲啉配合物，能有效地催化反应产生OH·，Fe-EDTA也能催化GSH-HO反应。22

在一定条件下，一些含巯基的有机物质发生自身氧化还原反应而产生OH·。

过氧化氢在紫外光的作用下产生OH·。

脂质过氧化过程中形成的脂质过氧化物（LOOH）可通过键的热解产生一定量的OH·。OH·对机体的损伤最严重，是引起细胞脂质过氧化的最重要基团，在自由基导致机体损伤中占重要地位。脂质过氧化作用能引起细胞膜功能的降低，膜酶损伤，最后导致细胞死亡。自由基或产生的活泼醛类也能同其他敏感细胞成分如核酸和蛋白质反应，这一过程是分子氧毒性的主要原因。

羟自由基的清除率是反映机体抗氧化作用的重要指标之一，可作为健康检查、临床研究、预防医学、生物学、生物化学、生物医学、药学等的检测方法。

3.过氧化氢（HO）。过氧化氢不是自由基，但它是活性氧的一22种形式，能发生继发的自由基反应，超氧化物阴离子自由基的歧化是过氧化氢的主要来源。在代谢过程中，氧分子经2个单带电子还原过程也可形成过氧化氢。

过氧化氢的产生主要靠O通过2次单电子接受反应或1次双电子2-2+接受反应转变为O，再与2H反应；但也可在有机化合物自氧化中2生成。

超氧化物阴离子自由基歧化反应O接受一个电子生成超氧化物2阴离子自由基；后者从超氧化物阴离子自由基中接受1个电子，就可+以与2H产生过氧化氢。

OH·与OH·相互反应OH·与OH·相遇，可反应成为HO。22

某些有机化合物的自氧化、酶促反应、氢醌氧化等均可产生过氧化氢。

一般情况下，生物体内产生的过氧化氢常被过氧化氢酶（CAT）和GSH-PX清除。如果得不到及时清除，它可透过细胞膜，在膜内可2++能与Fe或Cu生成·OH。

在过氧化氢的作用下，Cu/Zn-SOD可能失活。

过氧化氢高浓度时，可以杀灭细菌。它与紫外线照射可协同杀灭细菌。1

4.单线态氧（O）。基态分子氧吸收一定能量产生单线态氧2（在水溶液中单线态氧的半衰期仅为2μs）。O在吸收能量后，外层2电子旋转方向发生改变，形成了单线态氧。超氧化物阴离子自由基的自发歧化，过氧化氢在碱性条件下的氧化分解，Haber-Weiss反应，吞噬细胞的呼吸爆发等过程都有单线态氧的产生。

Cl于碱性溶液中，可产生次氯酸盐，过氧化氢与其混合即可产2生单线态氧。

单线态氧的清除剂有：色氨酸、蛋氨酸、维生素E、胆固醇、β-胡萝卜素、维生素A、还原型辅酶Ⅱ等，但这些清除剂也可以清除OH·，所以专一性不强。应当指出的是，单线态氧与胆固醇或色氨酸的反应产物和OH·与它们的反应产物不同。通过产物的鉴定，可以初步区别单线态氧与OH·谁在起作用。[16-20]

1.3　自由基的特性

①引发（Initiation）也可称为启动阶段，即在内、外源性引发剂的作用下，产生自由基。

②放大（Propagation）也可称为蔓延或扩大阶段。引发产生的自由基迅速与其他物质起反应，自身消灭的同时又产生新的自由基。

③终止（Termination）最后进入终止阶段，自由基受到酶或非酶的清除或自身碰撞而淬灭。

1.4　自由基的形成

近年来，国内外对自由基的研究非常活跃。但在1900年Gomberg发现三苯甲基以前，关于自由基是否存在的问题，学者们曾有过长时间争论。1931年，Michalis提出的某些氧化反应中间产物为自由基的学说，但在当时未被大多数学者所接受。现今，学者们普遍认为，自由基的研究与应用有重要的科学意义和实用价值。1968年，Mccord与Fridovich发现的超氧化物歧化酶有重要的生物学作用，此发现有划时代的科学价值和应用价值。我国科学界对自由基的研究大约于1978年开始，虽然比国外晚了10 a时间，但发展更为迅速，正处于广泛、深入发展的阶段。可以相信，认真、深入的科学研究必然会取得有益于社会和人类的成果。

体内自由基的生成来自两个方面：一个来源于内部，即内源性；另一个来源是外界，即外源性。

1.4.1　内源性自由基

内源性自由基主要是与氧代谢有关的几种自由基。体内产生的自由基主要是氧自由基，大约占机体内全部自由基的95%。在机体内，氧是最普遍的接受体，由于得到的电子个数不同而生成不同的产物，如超氧化物阴离子自由基、过氧化氢等。在细胞的新陈代谢过程中，会产生多种自由基，并会作为代谢的废物排泄到人体的内环境中。在正常的生理条件下，机体内会产生少量的氧自由基，其大约占机体总耗氧量的5%或以下，而且，可被体内的抗氧化物质加以清除。（1）线粒体。生物体内的心肌线粒体膜中产生各种各样的活性氧，以超氧化物阴离子自由基和过氧化氢为多。黄嘌呤氧化酶可以促使黄嘌呤氧化成尿酸，同时，使氧分子还原成超氧化物阴离子自由基和过氧化氢。

黄嘌呤氧化酶常以黄嘌呤氢酶的形式存在于体内，黄嘌呤脱氢酶的反应不产生自由基。但是，在组织局部缺血时，黄嘌呤脱氢酶可转化为黄嘌呤氧化酶，并发生形成超氧阴离子自由基的反应。

呼吸链由许多酶和辅酶组成。在进行电子传递时，呼吸链中就可以产生自由基。在呼吸链中的辅酶Q10就可以自由基的形式进行电子传递。辅酶Q10的氧化还原也可以生成半醌自由基。体内许多自由基反应都与超氧化物阴离子自由基有关。由于超氧化物阴离子自由基具有还原过氧化氢而形成·OH的能力，所以，对凡是也能产生过氧化氢的活性细胞便成为了一种非常危险的因子。身体内还有许多抑制活性氧的组织机构。然而，在细胞被破坏时，线粒体膜等遭受损害，活性氧漏出可以直接损害细胞本身。

线粒体是自由基产生的主要地点之一，因而，线粒体膜很容易受到氧自由基的攻击；其膜含有丰富的不饱和脂肪酸，更使这种攻击多[21]发，结果导致线粒体膜的通透性及流动性发生障碍。缺血再灌注损伤，导致线粒体呼吸链电子的传递异常，自由基明显增加。自由基[22]会损伤线粒体DNA，是线粒体的氧化磷酸化酶功能缺陷，干扰线粒体产生ATP的功能，引起细胞损伤、组织坏死。自由基激活有丝分裂激活蛋白激酶（MAPK）信号通路，如c-jun氨基端激酶激活影响了[23][24][25]能量代谢，并引发细胞凋亡、自噬。线粒体内脂质过氧化反应会产生MDA等自由基，如果数量过多，又没有得到及时的清理，可导致心血管疾病、呼吸系统疾病、神经系统疾病、消化系统疾病、内分泌系统疾病、血液系统、癌症等多种疾病。（2）微粒体。在生物体内的肝、肾和小肠细胞内含有多种酶，这些酶可催化相应基质提供电子给氧分子，生成过氧化氢。如（3）细胞核。细胞核内低速呼吸活动产能时，通过黄素蛋白单加氧酶生成一定数量的超氧化物阴离子自由基和过氧化氢。（4）胞浆。过氧化氢主要来源于体内NADH氧化酶和粗面内质网颗粒的酶促反应。超氧化物阴离子自由基主要由黄嘌呤氧化酶催化黄嘌呤和次黄嘌呤产生。其中一部分超氧化物阴离子自由基歧化成过氧化氢。（5）内质网。内质网与过氧化氢的生成有密切关系。（6）炎症。作为机体的防御反应，吞噬细胞受到刺激活化后，摄取氯的速率增加，同时，胞膜上还原型辅酶Ⅱ（NADPH）氧化酶活性增强。由于NADPH作为电子的供体，分子氧经单电子还原形成超氧化物阴离子自由基，生成的此物质在SOD的作用下歧化为过氧化氢和超氧化物阴离子自由基。活性氧及自由基的产生可以杀灭入侵的细菌。（7）缺血或缺血灌注。在缺血状态时，次黄嘌呤及黄嘌呤氧化酶增加。此时，超氧离子为主的多种活性氧产生。活性氧损害组织细胞。组织由于缺血又可陷入缺氧状态，使细胞内能量代谢系统控制的电子漏出，生成氧自由基，对组织造成损害。失血性休克及液体复苏会产生大量氧自由基，氧自由基的产生及其引起的脂质过氧反应是肝[26]缺血再灌注损伤的主要原因之一。（8）细胞色素C减少或缺失。此情况可直接导致呼吸链电子传递中断，进而抑制氧化磷酸酶，促进氧自由基生成，ATP含量减少，导[27-28]致细胞坏死。线粒体在细胞死亡调节中起重要作用。

1.4.2　外源性自由基

电离辐射及紫外线照射诱导机体产生大量的脂质过氧化物和[29]ROS，对身体造成危害；还可激活“内源性凋亡”或线粒体凋亡的途径。X射线辐射影响子鼠大脑的重量和皮层组织结构，这可能与[30]大脑中抗氧化酶活性降低和MDA含量升高有关。自然界的紫外线中，波长为280～320 nm的中波紫外线生物损伤性最强，可穿透角膜和房水，被晶体吸收，紫外线与晶体状体细胞发生光化学反应，产生大量活性氧自由基。自由基有很强的氧化活性，攻击晶状体脂膜产生脂质过氧化反应，膜结构被破坏，酶活性降低，晶状体肿胀混浊，引[31][32]发白内障。X射线可导致小鼠肝细胞内HO，MDA的含量增加。22因而，做好对电离辐射及各种射线的防护很有必要。（3）药物。许多药物及外源性化学物质经微粒体细胞色素P450的激活后也可转变成自由基，即可产生超氧阴离子自由基、过氧化氢、OH·。如某些抗肿瘤的药物：阿霉素、嘌呤霉素、氯霉素、卡那霉素、链霉素、解热镇痛剂、镇痛片、扑热息痛片、阿司匹林、索密痛、异烟肼、利福平、灭滴灵等多种药物的过量使用，可引起各种脏器细胞的损害。除草剂百草枯（paraguat）可经消化道、皮肤、呼吸道等吸收，在细胞内发生氧化还原反应，生成大量活性自由基，对组织细胞造成损害，并使SOD、CAT、GSH-PX含量减低，引起机体的肺水肿[33]等。由于该物质中的一些化学物质在肺内细胞色素P450作用下，产生超氧化物阴离子自由基及单线态氧。四氯化碳经细胞色素P450激活后，生成CCl及Cl自由基，引起肝脏的损害。有机磷农药及其代3谢产物可直接对组织器官损伤，使自由基生成增加，加速内皮细胞受损及微循环障碍，组织缺血缺氧明显。阿霉素在正常组织细胞内代谢成半醌自由基，直接损伤肌细胞核及线粒体，代谢产生羟自由基，改[34-35]变细胞膜通透性而造成细胞膜脂质过氧化，损伤细胞。因此，不轻信某些不良厂家或商家在药品方面的虚伪或夸大宣传，医务工作者遵守职业道德，不滥用药物、不过量用药、注意药物的副作用、科学地使用药物是十分重要的。（4）对人体有害的微量元素。在采矿、工业生产、机械加工、制造业、医疗卫生业等可产生对人体有害的微量元素，如镉（Cd）、铅（Pb）、水银（Hg）、铝（Al）、砷（As）、锂（Li）等元素的毒性产生自由基损害机体组织细胞。（5）大气中存在着氧化性污染物。如果被生物吸入体内也会促使自由基的产生；食物中那些含有亚硝酸胺的食品以及熏烤和油炸食品、含有乙醇的饮料等，均可产生自由基而损害食用者的健康。（6）生活用品及装修。一些有害污染物留存在某些生活用品或[36]装修材料中，人的密切接触会对健康造成危害。例如，甲醛（Form Aldehyde, FA）就是我国现今经常使用的化学品，是造成室内[37]污染最严重的有毒物质之一。甲醛有很强的挥发性，广泛存在于各种工业原材料及生活用品中。甲醛可引起脑组织脂质过氧化，降低神经组织内谷胱甘肽过氧化酶、过氧化物歧化酶的含量，抑制这些酶[38-39]的活性，升高丙二醛的浓度。甲醛可通过抑制肾组织的抗氧化能力，降低还原型谷胱甘的含量，引发脂质过氧化作用，导致脂质过氧[40]化物含量增加，从而造成肾组织的氧化损伤。甲醛污染可导致人患呼吸系统疾病、内分泌系统疾病、神经系统疾病等；甚至可引发癌症。挥发性有机化合物（VOCs）甲醛、甲苯、二甲苯对空气的污染比较常见，尤其是在新装修的房间。装修30 d的室内空气中的甲苯、二甲苯分别超过我国《室内空气质量标准》最高允许浓度的17.7倍、[41]14.1倍。甲醛、甲苯、二甲苯对大鼠胚胎肢芽细胞均有明显的细胞毒性，对细胞的增殖生长有明显的抑制作用；3种物质联合毒性表现[42]为相加作用。因而，加强对生产企业产品的检查与监管，以及人们对污染物的积极预防、怀疑污染物时的检测、发病后的早期治疗是很有必要的。

综上所述，存在于生物体内的自由基，并对健康危害极大而又常见的主要有以下几种：超氧化物阴离子自由基、·OH、R（有机自由·基）、HOO（氢过氧基）、ROO（有机过氧化基）、RO（烷自由基）···等自由基。

1.5　自由基的生理与病理作用

1.5.1　自由基的生理作用

自由基是致病之源，又是体内代谢的必然产物。自由基在体内既有益处，也有危害。当其在体内过量积累，会对正常的生理过程进行干扰。在正常的生理条件下，人体内虽有自由基不断产生，但又不断地被体内的一套有效机制所清除。这两种相对应的作用，使体内自由基的浓度始终维持在一种有利而无害的低水平的平衡状态。在此种稳定的平衡状态下，不会显示出对机体的损害。（1）人体内生物活性物质的合成、病原微生物的杀灭、癌细胞的杀伤以及细胞功能等诸多方面，自由基均可发挥极大的作用。如单核吞噬细胞和中性粒细胞的吞噬灭菌作用是凭借自由基来完成的。吞+噬细胞被激活后，膜上NADPH氧化酶使NADP/NADPH值增大，活化磷酸戊糖旁路代谢，耗氧量剧增，生成大量的超氧化物阴离子自由基、1过氧化氢、O、OH·、HOCl等，这也是吞噬细胞杀菌的重要机理。2

抗氧化酶可以把超氧化物阴离子自由基转变为无害的物质，例如：超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、过氧化氢酶等。抗氧化剂或抗氧化物能使超氧化物阴离子自由基活性降低，并使其排出体外。

NO自由基是中枢神经系统传递信息的分子，能把信息由中枢神经系统传递到任何靶细胞。它以两种方式完成防御功能：一是抑制细胞的代谢作用，使病菌无法生长与分裂；二是直接把细菌杀灭。NO是以左旋精氨酸（L-arginine, L-Arg）为底物，在一氧化氮合酶（Nitric Oxide Synthase, NOS）催化下合成的。（2）激素的合成及能量的产生均由自由基的参与才能完成。（3）物质的生化转化NK细胞和醌式抗癌药物通过超氧化物阴离子自由基作用后，才具有抗癌作用；放射治疗肿瘤也是射线作用体内HO分子，电离产生超氧化物阴离子自由基和·OH而起效应。2

自由基是有机体生命进化过程中所产生的一种物质，是生命活动所必需的物质。但是，体内存在大量极富活动性的自由基则对机体造成危害。

1.5.2　自由基的病理作用

人体的正常生理功能，自由基在整个过程中起着关键的作用。然而，在病理情况下，自由基的产生与清除失去了平衡，体内产生过量的自由基并蓄积在体内，出现自由基对组织损伤，其后的一系列反应所造成的病理改变则表现为多种疾病。在正常生理情况下，由于机体具有强大的自由基防御系统，因而，将机体代谢所产生的自由基及时清除出去。在病理情况下，自由基生成增加，清除率明显下降，体内的生理平衡被打破，造成自由基在体内堆积。自由基是一种活性极高的物质，它可以参与氧化和还原反应。所以，它对体内的大多数物质都具有很强的攻击性，能量也很高，由此会导致机能代谢紊乱和形态结构的变化。诱导型氮氧合酶产生大量的一氧化氮，细胞内一氧化氮[43]和超氧化物的结合物比两者本身更具有强的毒性；激活核因子-kB（nucleur factor-kB, NF-kB）可调控此酶产生一氧化氮，高价铁离子被还原量减少，低价铁离子的继续氧化能产生大量高活性氧自由[44]基，导致细胞死亡。可以通过检测体内脂质过氧化代谢产物——丙二醛来间接了解自由基对组织细胞的损伤程度。丙二醛是脂质过氧化的最终产物，其数值可直接反映自由基水平，是自由基导致组织、细胞损伤的重要标志，这是当今比较公认的检测氧化应激状态的方法。

自由基的病理学说理论是：人类的许多疾病的发生和发展是因自由基而引起的。自由基主要是对脂质、蛋白质、酶类、DNA等的作用，干扰细胞的正常功能或使结构遭受损害。自由基对组织的损伤一般是从细胞膜脂质过氧化反应开始。自由基首先攻击不饱和脂肪酸，使脂肪产生自由基，脂肪自由基又去攻击另一些不饱和脂肪酸，使之氧化。这种高能的连锁反应如同原子核反应那样，一旦启动，很难控制。自由基引起的组织损伤主要通过脂质过氧化过程，一旦脂质过氧化被引起，新生的自由基对组织的损伤占90%。现已证实，细胞膜系统富含脂质和蛋白质，膜脂是膜的基本物质，在维持细胞的正常结构和功能方面起重要作用。膜脂的主要成分是多聚不饱和脂肪酸，因此，它极易受到自由基的攻击，发生一系列脂质过氧化反应。蛋白质分子中的氨基酸残基可被自由基修饰，产生蛋白质分子自由基，导致肽键断裂。多肽链中含巯基的氨基酸如脯氨酸、蛋氨酸、组氨酸、胱氨酸等所生成的肽键易受自由基的破坏而断裂。自由基对蛋白质分子和氨基酸残基修饰的结果是氨基酸的丢失、蛋白质分子的伸展、断裂等。其结果，一方面增强了蛋白质对水解酶的敏感性；另一方面，由于蛋白质分子内SH暴露，易在蛋白质分子内形成新的二硫键，使蛋白质凝聚。自由基特别是羟自由基作用于DAN，可引起DNA链断裂、碱基改变、DNA解聚及分子交联等。这些改变是致癌、致畸形、致突变的基础。自由基引起DNA的改变中，以碱基损伤最常见，其次是单双键断裂及交联形成。自由基的损伤可导致基因突变和杂合子丢失，从而导致细[45-46]胞增殖和基因不稳。羟自由基、超氧阴离子自由基等自由基直接与DNA分子反应，导致DNA链断裂、碱基修饰和DNA蛋白交联等一系列氧化损伤。其中，最主要的致突变性损伤反应是鸟嘌呤上C-8与-OH的结合，产生8-OhdG；此物质是致突变、致畸性、致癌的启动因[47]子。过氧化氢在体内的增多，可能引发脱髓鞘性视神经炎的发[48]病。应用甲基强的松龙可清除过氧化氢。惊厥大鼠不同脑区5-HT[49]含量明显低于正常，而MDA的含量却明显高于正常，这说明，惊厥的发生与自由基的过度产生有一定的关系。晚期糖化终末产物（Advanced Glycation end Product, AGP）为蛋白质的糖化反应，常伴[50]有氧化反应产生氧自由基。体内自由基产生过多或清除障碍时，[51]对机体组织细胞造成氧化损伤，导致细胞结构和功能异常。病理性斑痕中的胶原沉积、瘢痕过度增生可能与自由基水平升高有关[52][53-54]。氧自由基的损伤是缺血再灌注早期损伤的主要机制。氧自由基容易与细胞膜性结构中的多价不饱和酸双链发生反应，夺取其电子，使脂质分子结构及功能发生改变，导致细胞膜流动性增大，通透性增高，破坏了细胞膜的完整性及功能性；氧自由基直接与蛋白质的氨基酸残基发生相互作用，改变其结构，造成细胞膜蛋白的一级结构受损，还可与细胞质膜上的酶蛋白分子的巯基发生反应，破坏膜的结[55]构。

自由基对脂质、蛋白质、DNA有损害作用，其对机体损伤的主要作用机理见图1。图1　自由基对机体损伤的主要作用机理

机体在正常的生理状况下，可产生内源性的抗氧化物质来消除自由基造成的细胞、组织损伤，达到氧化—抗氧化的基本平衡。如果机体出现代谢异常，而那些抗氧化物质不能对抗大量自由基时，就会导致氧化—抗氧化系统失去平衡，而对组织、细胞造成损伤，甚至是不可逆的损伤。体内自由基产生过多或清除能力的下降是引起多种疾病的生化机制。例如，丙二醛（MDA）会造成蛋白质、核酸、脂质发生交联，而导致生物膜变性、细胞突变、衰老甚至死亡。自由基可造成细胞氧化损伤，导致细胞异常变化，例如：骨质疏松、肌萎缩性侧索硬化症、肿瘤等均有自由基的参与。

自由基在动脉粥样硬化发生过程中也起到不良作用。胆固醇中含有大量不饱和脂肪酸，故易受到超氧化物阴离子自由基作用而生成胆固醇氧化产物。过量的自由基攻击细胞膜上的脂质，使血小板聚集红细胞老化，血管内皮细胞损伤，产生动脉粥样硬化，这一趋势将随年龄的增加而加重。

心脑血管疾病与自由基实验研究已经证实，在缺血和再灌注的动物心脏、脑中，其黄嘌呤氧化物含量的比例增加，超氧化物阴离子自由基及·OH的含量也显著升高，血中过氧化脂质增多。应用电子自旋共振技术直接测定氧自由基的含量，发现心肌在灌注后几秒到几分钟内，血液和心肌组织中的氧自由基含量可成倍地增加。再灌注时，中性粒细胞激活促使大量自由基产生；线粒体损伤引发细胞色素氧化酶系统功能失衡，产生氧自由基；儿茶酚胺自身氧化会产生自由基。因而，学者们认为此时发病是在自由基的作用下，使心、脑血管受到损害而致病。氧自由基可降低细胞膜电位的稳定性，导致严重的心律失常发生。氧自由基可直接导致心肌细胞死亡，并可使细胞数目减少，刺激间质胶原酶活化，破坏间质胶原网络，促进胶原的合成，导致心[56]肌纤维化。休克时，尤其是感染性休克时，血液中的内毒素、氧自由基等刺激因子增多，损伤血管内皮细胞和平滑肌细胞，导致血管收缩和舒张功能降低，微循环灌注量急剧减少，通透性升高、血液循环障碍、代谢发生紊乱。氧自由基通过生物膜脂质过氧化反应而破坏膜结构，使大量的心肌酶漏出，降低了膜结合酶的活性，导致心肌收缩力降低和再灌注心律失常；氧自由基大量产生是引起心肌再灌注损[57]伤的主要原因之一。研究表明，当心肌再灌注损伤时，体内的MDA的含量升高，SOD的含量则降低。线粒体是能量代谢和自由基产生的主要场所，也是反映心肌细胞缺血再灌注损伤程度的敏感指标[58]。急性动脉栓塞后，组织缺血、缺氧导致肌纤维内无氧代谢及某些毒素产生、肌纤维膜的通透性增加，患肢所产生的大量自由基进入血液，可出现患肢肿胀，重者则发生代谢性酸中毒、急性肾衰竭、高[59]血钾血症，甚至可导致死亡。体内自由基产生过多，又没有及时加以清除，则易患老年痴呆。癫痫状态下，患者体内可出现自由基过量释放。自由基所致的脂质过氧化反应可改变细胞膜电生理特性，导[60]致海马神经元损伤，并导致癫痫发生。

缺血再灌注造成的损伤与自由基有重要关系。缺血再灌注、氧自由基可以导致肠黏膜受损。肝脏缺血再灌注损伤与氧自由基、钙超载、一氧化氮、细胞黏附因子等有关，造成肝脏微循环障碍的病理生理变[61]化，也是肝脏移植后原发性移植肝脏无功能的主要原因。肝脏缺血再灌注时会产生大量自由基。氧自由基在肝脏缺血再灌注的病理生理中起重要作用，它降低膜的流动性，破坏蛋白质，引起线粒体、内质网、溶酶体、细胞管架系统及其功能的破坏。过量的氧自由基可以直接损伤肝脏的毛细血管内皮细胞，使肝脏毛细血管阻塞，引发肝细胞变性、坏死，甚至导致肝功能衰竭。自由基攻击细胞膜脂中的不饱和脂肪酸，使其发生氧化，脂质过氧化产物丙二醛就会升高。脂质过氧化是导致生物体氧化损伤的主要原因。可以通过检测体内丙二醛含[62-65]量来观察体内自由基对机体损害的情况。采取注射用内给氧干预肝脏缺血再灌注损伤，能有效提高肝脏内氧储备，改善肝脏组织的缺氧状态，促进有氧代谢，防止细胞水肿和肝脏微循环障碍的发生，消除肝脏缺血再灌注损伤的生化基础与病理基础，防治肝脏缺血再灌注[66]的损伤。乙酮可可碱（PTX）能减少肝脏生成iNOS，抑制NF-kB活化，减少肝脏自由基生成，提高SOD活性，降低肝缺血再灌注损伤[67]。

自由基与癌自由基造成DNA损伤，诱使姐妹染色体交换率增加而导致细胞癌变。在癌的发生过程中，反应性氧中间物和防御系统之间的平衡的转变起着重要作用，防御系统功能明显下降或崩溃，是引发癌症的重要原因。在引发和促进癌的发生中均有病理性自由基反应。自由基在体内过多时，一些酶类自由基清除剂明显减少。例如：Mn-SOD在恶性肿瘤内的活性明显降低，在多种肿瘤细胞株中也有此现[68-69]象。

肺损伤，肺组织中的MDA水平明显升高，SOD水平显著降低[70]。氧自由基是大鼠胰十二指肠肾脏联合移植后缺血再灌注损伤的[71]重要原因。

肾脏的血液供应比较丰富，占心输出量的20%～25%。在缺血后恢复灌注时，处于无氧状态的肾脏对于骤然增加的供氧难以适应，很容易出现氧化—磷酸化偶联，进而产生大量自由基，造成肾脏的严[72-73]重损伤。在慢性肾脏病患者的血清中，SOD活性降低，MDA含量升高；其抗氧化能力不断下降，清除自由基能力减弱，体内生成的脂质过氧化物堆积，损伤细胞及组织，导致血管内皮的功能障碍[74]。

自由基与生殖系统疾病自由基可以对睾丸生精功能和精子的内环[75]境造成损害，引发少精、精子的质量下降、死精，导致不育。生殖系统有问题的成年男性，其精浆中的过氧化氢和丙二醛的含量明显高于那些生育功能健康者，SOD、CAT、维生素E、维生素C等抗氧[76]化剂的含量明显降低。精索静脉曲张患者精索静脉内SOD、GSH-PX的含量明显低于肱静脉内这些物质的含量，并低于正常生育男[77]性；而正常生育男性精索静脉内SOD、GSH-PX无明显差异。MDA是体内脂质过氧化产物，可反映身体内的氧化应激状态。多囊卵巢综合征（Poly Cystic Ovary Syndrome, PCOS）患者血清MDA水平高于[78]对照组，提示她们体内的氧化应激水平增加。

在氧化应激时，体内的活性氧类自由基及活性氮类自由基会产生过多或清除过少。氧化应激与代谢综合征、糖尿病、心血管疾病的并[79]发症发生有密切关系。代谢综合征患者子代抗氧化酶活性低于正常人群子代，氧化应激可能在肥胖引起的各种代谢异常过程中起重要[80]作用。氧化应激可引发炎性反应。体内的炎性反应、肿瘤等的发生及发展，均与体内自由基过多及氧化应激有密切关系。由于氧化应激与疾病的发生及发展关系密切，因而，是现今病理生理学研究的重[81-82]点之一。一些药物的不正确使用会加大自由基对身体健康的损害。例如，缺铁性贫血合并炎症性肠炎患者胃肠道吸收铁及对口服铁剂的依从性差，口服铁剂会加大自由基的毒性而使病情恶化。因而，此时[83]应用注射铁剂比口服铁剂更安全、更有效。

流感病毒感染细胞后，产生细胞的氧化应激，生成的氧自由基攻击核苷酸产生各种氧化修饰碱基掺入DNA之中；病毒感染初期细胞发生氧化损伤，启动MTH1的上调来增加抗氧化能力，H1N1流感病毒感染的MTH1基因表达增加，可增加细胞对DNA氧化损伤的修复能力，在流感发生中起防御作用；而到病毒感染细胞的后期，随着细胞凋亡数量的增加，细胞MTH1的表达受到抑制，DNA氧化修复能力下降，随病毒感染的程度加重，应激的产物自由基的增多，导致细胞死亡[84-85]

。

此外，呼吸、消化、泌尿、骨与关节、运动与肌肉、血液、神经系统、代谢与内分泌等系统的疾病，以及衰老的发生均与病理性自由基反应有关。

1.6　自由基的清除

机体内自身产生的以及从外环境进入体内经代谢转化后生成的自由基非常多，但并未对机体的健康造成严重的后果。自由基从产生到消亡的过程是一个电子转移的过程，也就是一个氧化反应的过程，因而，清除自由基时的抗氧化作用十分重要。人体自身有较强的自然平衡自由基的机制，体内存在着许多清除自由基和抑制自由基反应的酶系统，构成了一个相应的防御系统。在体内可以减少自由基的产生、释放，以及加速自由基的转化、代谢来维持正常生理平衡的物质为自由基清除剂。其组成是酶类抗氧化剂、非酶类抗氧化剂及蛋白质类抗氧化剂等清除剂。

1.6.1　酶类抗氧化剂

[89]降低。

SOD根据其含有的金属成分而主要分为：Cu/Zn-SOD, Mn-SOD及Fe-SOD3种。机体细胞质中含有Cu/Zn-SOD，线粒体中含有Mn-SOD。Fe-SOD只存在于某种细菌之中。[90]

此外，在链霉菌属Streptomyces sp中还有一种Ni-SOD，此类SOD不如前述3种SOD多见。

SOD通过催化消除超氧化物阴离子自由基，使细胞和组织免受损害。（2）过氧化氢酶。过氧化氢酶，其分布在机体的红细胞肝脏及肾脏的细胞中，催化HO向HO的分解反应。CAT虽然不直接清除自222由基，但它可以降低细胞中过氧化氢的浓度，而过氧化氢是自由基的前体。（3）谷胱甘肽过氧化物酶。谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）在细胞之中，一部分存在于线粒体内。在线粒体及胞浆中所产生的过氧化氢常靠谷胱甘肽过氧化酶清除。脂类氢过氧化物可被GSH-PX或谷胱甘肽转硫酶清除。在这两种酶的作用下，所产生的GSSG（氧化型谷胱甘肽）在谷胱甘肽还原酶作用下，又可以还原为GSH（还原型谷胱甘肽），继续参加清除活性氧的作用。

GSH-PX不直接清除自由基，但它可以清除过氧化氢和脂质氧化物，抑制自由基的生成反应。

GSH-PX是含硒（Se）的部分在起主要作用，负责催化过氧化氢及有机氧化物的还原，消除细胞内有害的过氧化代谢产物，阻断脂质过氧反应维持细胞正常代谢。而GSH-PX的另一部分仅还原有机过氧化物。Se缺乏时，GSH-PX活性低下，导致组织损害。

GSH-PX在体内广泛参与清除自由基和处理过氧化氢脂质和脂氢过氧化物（LOOH）。其可以发挥清除自由基的作用，减少糖基化终产物引起的DNA氧化损伤。

1.6.2　非酶类抗氧化剂

维生素E在体内能起到捕获自由基的作用。主要是该物质能提供一个酚性氢原子给自由基，从而解决了自由基的未配对电子，成为比较稳定的分子，而维生素E本身被氧化成醌式自由基，迅速地降解为其他无活性的或非自由基产物。这种反应能有效地终止自由基引起的连锁反应，对维持膜的稳定性起重要作用。1

维生素E能清除超氧化物阴离子自由基、·OH、O脂质过氧自由2基及其他自由基。维生素E能防止脂质过氧化物的形成，降低其浓度，阻止脂质过氧化反应，保护生物膜。[69]（2）维生素C。维生素C是水溶性抗氧化物，它是具有确定的生物学作用水溶性化合物，也是重要的细胞外液抗氧化物，且在细胞内液也有重要的抗氧化性，能有效地清除超氧化物阴离子自由基、过-1氧化氢、HClO、OH、LOO、O等自由基。维生素C是重要的非特2异性抗自由基物质，除了有抗自由基的功效外，还可以有助于保持巯[91]基酶的活性及谷胱甘肽的还原状态。维生素C可显著减少应激状态下脑内产生的自由基，具有神经保护作用。维生素C能改善甲醛对小[92]鼠记忆损害的影响。

被氧化的维生素E（醌型）与在体内的维生素E相互作用时，又可以再被还原成酚型维生素E。所以，维生素C能间接发挥抗自由基的作用，在与维生素E合并使用时，其作用更为明显。也就是说，维生素E与维生素C抗氧化物的功能不同，可相互之间的协同作用在联合抗氧化中起到了关键性的作用。（3）BHT（2，6-ditect-butylhydroxytoluene，丁基-羟基甲苯）。此物质主要用于食品和药物的防腐剂，人们利用其抗氧化性的特性，使用极小的量就可以防止某些食品发生脂肪氧化。BHT有清除自由基的作用，可防止老年色素的形成，可降低某些化学致癌剂诱发肿瘤的发病率。（4）辅酶Q（COG）。辅酶Q存在于线粒体内以及浆膜、微粒体、溶酶体、高尔基氏体、过氧化物酶体膜中。辅酶Q对脂质过氧化有明显的抑制作用。辅酶Q也可作为β-生育酚自由基的还原剂，清除超氧化物阴离子自由基，其与维生素E有同样的作用。1（5）尿酸。尿酸在血浆中，是O和·OH的清除剂。尿酸可以抑2制脂类过氧化，而在细胞外液中SOD与过氧化氢都很低，尿酸可能和维生素C一样起到抗氧化剂的作用。图2　氢清除自由基的机制[93]（7）多糖。此物质是从天然植物中提取的抗氧化剂。多糖可[94]以清除羟自由基、超氧化物阴离子自由基，抑制脂质过氧化反应。多糖的抗氧化作用与其化学成分的构成有关，化学成分种类和含[95]量的不同决定了抗氧化性的差异。（8）乙酰唑胺。它是磺胺衍生物，为碳酸酐酶抑制剂，抑制CO2-转化为HCO，减少HCO的生成。乙酰唑胺能增加高原人群血清中233SOD、GSH-PX的含量，降低MDA的含量，具有清除自由基和抗氧化的作用；还可减轻缺氧导致的脑细胞氧化损伤，延长缺氧的耐受时间，[96]有防治急性高原反应的效果。（9）当归内酯。当归是伞形科植物的干燥根，主要的成分是挥发油和水溶性组分，而当归内酯是挥发油的主要成分，其对心脑血管、[97-98]循环系统、免疫功能等有比较强的药理作用。当归内酯有较强的还原能力，对1，1-二苯基苦基苯肼自由基（DPPH·）和·OH有良好的清除作用，能明显抑制亚油酸的自发氧化和HO诱导大鼠红细胞22氧化溶血产物丙二醛含量的升高，是一种比较强的自由基清除剂和抗[99]氧化剂。（10）葡萄子原花青素。原花青素（ProCyanidins, PC）是自然界中广泛存在的一类聚多酚类混合物，分布于葡萄、山楂、松树皮、银杏、野生刺葵、贯叶金丝桃等植物中。葡萄子和皮中有23种原花青素。葡萄子原花青素提取物含有80%～85%的原花青素、5%的儿茶素及表儿茶素、2%～4%咖啡酸。原花青素在体内抗氧化、清除自由基的能力是维生素E的50倍、是维生素C的20倍，是安全、无毒、[100]高效的天然抗氧化剂。葡萄子原花青素含有大量的活性酚羟基，是氢的供体，可有效地清除多种活性氧自由基，具有极强的抗氧化活[101]性。花青素类物质具有抗氧化、抗突变、抗高血糖以及抗肿瘤等作用，此外，其还有预防心血管疾病，改善视力，抑制流感病毒A、[102]B及单纯苞疹病毒等。（11）没食子酸（Gallic acid, GA）。化学名为3，4，5-三羟基苯甲酸，其广泛存在于葡萄、茶叶、五倍花、刺云实豆荚等植物中。GA在不同浓度时，对自由基的清除有一些差别。在对2，2-联苯-1-苦基肼（2，2，-Diphenyl-1-picrylhydrazyl, DPPH）自由基羟自由基的清除能力和对脂质过氧化反应的抑制作用比维生素C还要强。它抗氧化作用不是直接与过氧化物发生反应，可能是由于与自由基的亲和能力强，从而达到清除自由基的效果。CA在体外对不同自由基具有较强的清除能力，这可能是其在体内能起到抗氧化作用的重要因素之一[103]。（12）叶黄素。此物质是构成蔬菜、水果、花卉、玉米等植物色素的主要成分。叶黄素分子结构中含有共轭双键，有消灭单线氧的能力，可与自由基发生反应，形成无害物质；或通过破坏自由基链反应，将自由基清除。叶黄素在细胞及细胞膜中可与脂类结合而有效抑制脂质氧化，抗击游离自由基对细胞、组织器官的损伤。叶黄素的抗氧化、清除自由基、增强免疫功能等作用有助于预防和治疗心血管疾病、老[104]年性黄斑性疾病等。

1.6.3　蛋白类抗氧化剂

血浆铜蓝蛋白在血浆中可能是一种抗氧化剂。如能抑制维生素C或无机铁引起的脂类自氧化，能清除超氧化物阴离子自由基。但这种清除能力比较低。

1.6.4　其他抗氧化物质

总之，任何物质，只要能与自由基反应而又不会对细胞造成损害，都可用作自由基清除剂。细胞中的糖、含硫氨基酸及不饱和脂肪酸，有的也可以作用于自由基，使之形成比原来的自由基具有较小毒性的产物，从而对细胞起保护作用。N-乙酰半胱氨酸可有效清除自由基，对抗氧自由基引起的组织损伤，对各种急性肺损伤有较好的作用[105]。依达拉奉是一种有效的自由基清除剂，通过抑制黄嘌呤氧化酶和次黄嘌呤氧化酶的活性刺激前列腺素生成，降低羟自由基的浓度，[106]2+其临床应用效果较好，可抑制自由基的堆积、Ca超载、中性粒[107-108]细胞聚集，维持活性氧清除系统的平衡而保护再灌注器官。甘露醇、二甲基亚砜、氯普马嗪可清除OH·，金和钨有清除活性氧的作[109]用。胆红素能清除自由基，是体内一种天然抗氧化剂。有学者认为，其是内源性抗氧化系统成员之一，比维生素C、维生素E、β-胡[110-111]萝卜素有更强的抗氧化活性。迷迭香酸有清除自由基、抗氧化、抗炎、免疫调节、抗有害微生物等作用。薄荷中含有比较丰富的黄酮，从中提取的总黄酮类物质对羟自由基有比较好的清除作用；浓度越[112]高，清除率越大。黄酮类物质通过抗氧化作用来清除自由基，并[113]对缺血再灌注引起的损伤起保护作用。乌司他丁可以抑制NOS的表达，减少NO的生成，通过清除氧自由基来抑制内毒素诱导的急性[114]肺损伤发生。乌司他丁清除氧自由基的机制为：缓解对多形核白[115]细胞膜的刺激、抑制过量超氧化物生成并清除产生的超氧化物等；其还能够对抗在缺氧条件下EnaC-α表达的抑制作用，在急性肺损伤[116]的治疗过程中，具有缓解肺水肿、减轻肺损伤的作用。研究表明，手术后，患者体内LPO的含量增加，容易导致炎症反应及血栓形成。联合使用1，6-二磷酸果糖、维生素E能减少LPO的含量，有效预防手[117]术引起的红细胞脂质过氧化及减少术后深静脉血栓形成的发生。异丙酚（propofol）在氧化应激时，对细胞有明确的抗氧化保护作用，可部分缓解氧自由基对细胞所造成的损伤。由于异丙酚在化学结构与维生素E、丁化羟基甲苯等抗氧化剂十分相似，均具有一种酚羟基结构，可直接与氧自由基反应形成稳定的2，6-二异丙酚基苯氧集团而清除自由基。异丙酚具有良好的脂溶性，能积聚在细胞膜的膜质双分子膜上，提高细胞抗氧化的能力，清除自由基，保护细胞。异丙酚可抑制氧化应激引起的caspase-3活性的增加，降低内皮细胞的损伤和凋亡；通过激活细胞外信号调节激酶信号通路抑制促凋亡蛋白Bad和Bax的表达，相对增加抗凋亡蛋白的浓度，起到抑制细胞凋亡的作用。[118-120]异丙酚的上述作用减弱了氧自由基对细胞的损伤。3-甲基-1苯基-2-吡唑啉-5-酮（MCl-186）能显著抑制黄嘌呤氧化酶和次黄嘌呤氧化酶的活性，清除具有高度细胞毒性的羟基基团，阻止自由基。此外，MCl-186能够抑制肿瘤坏死因子-α等的分泌，抑制炎症中产生一氧化[121-123]氮合酶，起到抗炎作用；其高效清除自由基，保护神经细胞。栀子苷（jasminoidin）对多种自由基有抑制作用，可起到抗氧化的效[124]果。去甲肾上腺素预处理有增强心肌抗氧化能力，增加SOD的活性，降低MDA的含量，发挥其抗自由基的作用，从而减轻了心肌缺[125]血再灌注损伤，保护了心肌细胞。适量地应用亚硒酸钠及芦荟甙可以提高GSH-PX和SOD的活性，拮抗长波紫外线（UVA）造成的氧[126]化损伤等。枸杞子有提高生物耐缺氧、抗疲劳、延缓衰老、预防[127]肿瘤、抗自由基等作用，可根据需要应用。新疆红花有提高机体内NO水平、清除氧自由基、增强免疫能力、降低血脂及血压、改善心肌和脑组织微循环障碍、减少炎性渗出、抑制炎症及肉芽组织增生[128]等作用。茶有清除自由基的作用。例如：普洱茶提取物可以清除羟自由基并抑制一氧化氮自由基。绿茶、乌龙茶也有抑制一氧化氮自[129]由基的作用，但效果不如普洱茶。普洱茶生茶比普洱茶熟茶抗氧[130]能力强。普洱茶多糖的抗氧化活性比较好，其效果与维生素C相[131]近。学者们从东北红豆杉（T.Cuspita）心木和根中分离出多酚类成分，通过体外试验发现其有很强的抗氧化、清除自由基的能力，可[132]有效作用于各种心血管损坏因子，其毒性低、副作用极小。金银花是忍冬科忍冬属植物忍冬及同属植物干燥花蕾或带初开的花，又称银藤、鸳鸯藤、金藤花等，其提取物以绿原酸和黄酮类物质为主，其酚羟基结构易于自由基发生反应，使自由基失去活性，有很强的抗氧[133]化特性。

生物体具有清除自由基的能力，把自由基在抗氧化剂作用下转变为原来的生物分子，可使生物分子避免受到自由基的损伤，使机体内自由基的产生与清除维持在一个正常的生理需要水平，保持机体的健[134]康。生物适度限食可以延长寿命，此做法会使机体的氧负荷、氧自由基生成与氧化减少，血糖水平、非酶糖基化、代谢速率降低，代[135]谢潜力保持。

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1.7　自由基与酶

生物体内所有重要的化学反应实际上都是由酶催化的。因此，自由基与酶以及疾病的发生和发展均有密切的关系。例如，循环系统疾病：动脉粥样硬化、心肌梗死；神经系统疾病：脑出血、脑梗死以及消化系统、内分泌系统、癌症等方面，酶在其中扮演着难以替代的作用。再灌注时，黄嘌呤氧化酶和NADPH氧化酶激活促使O.-进一步增2[1]加。

组织和细胞中酶的分布是有规律的。某一组织成分中的某个酶促反应的产物，对同一组织其他成分中个别的酶促过程或者对那些完全不同组织的酶促反应，可能有着重要的影响。因此，了解有关酶在细胞内的分布以及酶的化学和功能方面的问题，对于深入了解自由基与疾病的发病机制的真正原因有非常重要的意义。

酶是活组织产生的生物催化剂，能提高组织内存在的生化反应的速度。当酶缺乏时，相同的或相应的反应速度太慢，以至于难以维持生命活动，也不能满足非生理条件的要求。

酶作用的催化机制是：产物的自由能必须低于反应物的自由能，这是化学反应的唯一推动力。任何自然发生的化学反应，产物自由能总是低于反应物的自由能。催化细胞化学过程的酶促反应也是如此。

浸润的炎性细胞内还原型辅酸Ⅱ氧化酶浓度增高，形成超氧阴离子速率加快，产生大量自由基，进而激发自由基连锁反应，使脂质过[2]氧化，对人体健康造成危害。

人的生命过程是一种特有的氧化方式，也就是一般所说的生物氧化过程。下面介绍常见的几种氧化酶。

1.7.1　自由基与超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶（Super Oxide Dismutase, SOD）是一种广泛存在于生物体内与细胞氧化代谢密切相关的蛋白质，是金属抗氧化酶。1938年，Mann和Keiln首次从牛血中分离出SOD，但当时尚未对其活性及作用有所认识，直到1969年McCord和Fridorich发现并证明SOD能抑制超氧化物阴离子自由基对高铁细胞色素、四硝基甲烷的还原作用以来，人们才对它的结构、种类、特异性以及临床应用等进行了一系列的研究。我国经过普查和研究，于1989年确定了SOD在血液中的正常值范围。

根据SOD所含金属元素的不同，可将其分为3类：Cu/Zn-SOD, Mn-SOD, Fe-SOD。同时，还存在多种同工酶。3种酶都可以催化超氧化物阴离子自由基，将其歧化为过氧化氢与O，但性质有所不2同。其中，Cu/Zn-SOD与其他两种SOD的差别较大，而Mn-SOD与[3]Fe-SOD之间的差别却比较小。（1）Cu/Zn-SOD。动物与植物体内都存在着Cu/Zn-SOD。Cu/Zn-SOD主要存在于细胞浆中，分子量为32000，由2个亚基组成，每个亚基各含1个Cu和1个Zn，亚基和亚基间由二硫键相连，Zn与稳定分子的结构有关，但与酶的催化活性无关。Cu处于酶的活性中心部[3]分，直接与酶的催化活性相关。酶的活性不仅决定于酶蛋白，而且2+2+还决定于Cu与Zn。在一般的实验条件下，该酶的蛋白质颇稳定，[1，3-4]其根据如下：

能耐受Tsuchihashi氏反应步骤，不致被乙醇氯仿品破坏。不易受蛋白水解酶的影响。在37℃，pH7.0，0.05 mol/L磷酸钾缓冲液中，SOD不受8.0 mol/L尿素的影响（以元二色谱判断）。用4%SDS处理，Cu/Zn-SOD解聚为亚基，而且活性也不受影响。

但是，在特定条件下，实验结果显示酶活性下降，甚至完全丧失。如氯化胍、氰化物、过氧化氢等，可使Cu/Zn-SOD活性减低，甚至完全丧失。[3-7]（2）Mn-SOD。Mn-SOD存在于真核细胞的线粒体和原核细胞内，一般由2个亚基组成，每个亚基各含1个Mn，分子量在4000左右；来自真核细胞内线粒体的Mn-SOD由4个亚基组成，分子量约为8万。Mn-SOD的性质与Cu/Zn-SOD比较，除催化超氧化物阴离子自由基的性能与Cu/Zn-SOD相同外，其他均有较大的差异。Mn-SOD可以将超氧化物阴离子自由基歧化为HO，过氧化氢可分解为HO，达到细胞222内生理功能的平衡；它对细胞氧化还原反应保持正常状态有重要意义。

Mn-SOD的活性与Mn有关，其稳定性取决于酶蛋白。该酶对热的稳定性能显示其酶蛋白特性。Mn-SOD酶蛋白稳定性，从耐热菌提纯的高于其他来源，即保持酶的活性。

Mn-SOD主要通过影响细胞内氧化还原反应抑制肿瘤的发生与发展；它的表达和肿瘤分化程度及恶性表型有密切的关系。Mn-SOD是一种新的肿瘤抑制剂，其过度表达抑制肿瘤细胞的生长。通过基因、转染的方法提高细胞内Mn-SOD的表达可显著抑制胃癌、黑色素瘤、乳腺癌、纤维肉瘤等细胞的增殖和在裸鼠体内的成瘤性。

氰化物抑制Cu/Zn-SOD的活力，但在一定浓度范围内，不能抑制Mn-SOD。（3）Fe-SOD。Fe-SOD存在于原核细胞中，分子量约为38000，也是由2个亚基组成，每个亚基各含一个Fe。

Fe-SOD催化超氧化物阴离子自由基，将其歧化为过氧化氢与O，2理化性质类似Mn-SOD。Fe-SOD的催化下超氧化物阴离子自由基歧化反应为二级反应，其反应速度常数随pH增加而下降，催化反应速度也很高。但Fe-SOD的活性大小与其来源有关。也就是说，Fe-SOD的耐热性受酶的来源影响。

Fe-SOD对过氧化氢类似Cu/Zn-SOD，过氧化氢对于Fe-SOD，既是还原剂，又是致失活剂。但Fe-SOD对过氧化氢的敏感性决定于酶的来源。

SOD与一般的酶不同之处是，其底物是一种寿命很短的自由基——超氧化物阴离子自由基。但SOD与一般的酶一样，在结构与功能上是高度统一的，任何结构上改变必然影响催化活性，即引起失活。引起酶蛋白分子的结构改变，均可影响酶的活性。SOD能有效清除自由基，阻止脂质过氧化反应，保护细胞发挥正常功能。如果体内自由基清除剂SOD缺乏，或体内自由基产生的过多，这种动态平衡就被破坏。SOD的活性下降，则机体清除自由基的能力下降，导致脂质过氧化物含量大量增加，对细胞、组织等的损伤加大。体内自由基[8]过量增加，容易引发生物患多种疾病，对机体健康造成严重的损伤。高剂量X线照射会诱导机体产生自由基，导致抗氧化酶消耗性降低，[9]过量的自由基攻击细胞，破坏了SOD的防御系统，其活性降低。急[10]性阑尾炎患者血清SOD明显下降，MDA明显上升。然而，三叉神[11]经痛患者脑脊液中SOD的含量增高。小鼠经模拟高原缺氧后，其脑组织和血清中的脂质过氧化物含量明显增加，SOD的活性含量则降低。这说明，高原缺氧可引起机体抗氧化系统紊乱，抗氧化酶的活性降低，因而导致机体清除自由基的能力下降，造成自由基大量堆积[12]而加速了细胞膜脂质过氧化的损伤。活性氧通过不饱和脂肪酸脂质过氧化反应攻击线粒体膜，破坏膜的完整性，活性氧及其导致的LPO等毒性物质，尤其是丙烯醛（acrolein）和羟基壬烯醛（hy-droxynonenal, HNE）是脂质过氧化反应最具有毒性的副产品会对线粒体造成损伤。膜脂质过氧化反应是引起神经细胞功能障碍和死亡的[13-14]原因之一。成年甲状腺功能减低的大鼠血清及海马组织中的[15]SOD活性均显著降低，MDA含量明显增加。SOD可以保护肝脏免[16]受自由基的攻击，是重要的抗氧化物质。检测SOD的活性、MDA的含量，可以反映出机体氧化—抗氧化状态的程度，间接反映机体[17-18]组织和细胞损伤及受保护的程度[19-25]

1.7.2　自由基与谷胱甘肽过氧化物酶

谷胱甘肽过氧化物酶（L-Y-谷氨酰—L-半胱氨酰—甘氨酸，glutathione perox-idese, GSH-PX），其普遍存在于动植物细胞和细菌中。分子量平均约为85000。它是一种水溶性四聚体蛋白质，4个亚基相同或为类似。其含硒的量为3.5～4.24 g/mol，这表明每个亚基有1个原子。

GSH-PX可使过氧化氢转变为水或是许多有机氢过氧化物（ROOH）还原为ROH，但在催化反应中需要GSH作为氧供体，其反应如下：

GSH-PX主要分布在细胞和线粒体中。红细胞含硒的量（Se-GSH-PX）占人体全部贮存量的10%。GSH-PX分为含硒GSH-PXh和不含硒谷胱甘肽（Non-Se-GSH-PX）2种。Se-GSH-PX以过氧化氢和有机过氧化物为基质，而Non-Se-GSH-PX只能以有机过氧物为基质。

GSH-PX是含有敏感的必需的—SH集基团的酶，是细胞内天然的酶激活剂。在细胞内能较容易地得到前体而迅速合成。GSH是少数酶的特异的辅酶，包括顺丁烯二酰乙酰乙酸异构酶，此酶参与氧化分解芳香族氨基酸就需要—SH作特异辅酶。因此，通过控制细胞内GSH的浓度，也可以达到调控某些酶的活性的目的。

通过GSH的代谢途径可将细胞外的氨基酸转入细胞内。现已发现，这种氨基酸转运方式存在于多种组织。结合在质膜上的r-谷氨酰转肽酶（r-GT）使GSH或GSSG中的r-谷氨酰基转移到受体氨基酸上，形成r-谷氨酰氨基酸，后者转入细胞后，再由r-谷氨酰环化转移酶催化，释放出自由氨基酸。

GSH-S-转移酶能催化多种药物（溴磺酞钠、环氧萘等）和内源性代谢物（前列腺素、雌激素白细胞三烯等）与GSH形成GSH结合物。该结合物先在膜外被r-GT转变为s-取代半胱氨酰甘氨酸，然后，再分解为甘氨酸和s-取代半胱氨酸，后者接受GSH的r-谷氨酰基后形成r-谷氨酰—s-取代半胱氨酸并转入细胞。进入细胞的s-取代半胱氨酸被乙酰化为硫醚氨酸类，最终经粪便排出体外。

在细胞内，GSH通过GSSG可逆转变参与低分子二硫化物和蛋白质二硫键的还原。

正常代谢过程中不断产生过氧化物和自由基。GSH在GSH过氧化物酶的作用下，可还原过氧化氢，破坏自由基，防止脂质过氧化物的形成；还可以通过与体内自由基结合，降低血浆内皮素水平，保护血管内皮细胞，减轻微血管的损害，并使细胞免受自由基和过氧化物的损害。它的耗竭和ROS的过剩可以启动细胞凋亡。GSH可以通过抑制多种炎症因子的活化产生抗炎效应。

GSH是体内重要的抗氧化剂，可清除体内过量的自由基。GSH在机体生化代谢过程中起着多种重要作用。如在丙酮酸转变成乳酸及甲醛氯化成甲酸等的过程中，均可作为特殊的辅酶起作用。此外，还能保护含有巯基的酶或蛋白质免受过氧化物及重金属的侵害，并参与肝脏的解毒功能。GSH是ROS清除酶的重要还原底物之一，能被氧化生成氧化态GSH，从而有效清除过量生成的ROS，保护细胞的正常功能，通常细胞内氧化还原物质处于平衡之中，平衡决定了细胞的[22]生存状态。

由于GSH-PX的作用，使GSSG的浓度逐渐增加。但在正常细胞中，GSH/GSSG的比例高且恒定，因此，必须有一种机制使GSSG还原为GSH，这就是谷胱甘肽还原酶的作用。它的催化反应如下：

所以，足够的NADPH亦为维持机体足够强的抗氧化机能所必需。NADPH由磷酸戊糖途径提供。葡萄糖-6-磷酸脱氢酶与6-磷酸果+糖脱氢酶均使NADP变成NADPH。

GSH-PX的主要作用是清除脂类氢过氧化物，清除的速度决定于GSH-PX的浓度。

脑与精子中几乎不含有过氧化氢酶，而含有较多的GSH-PX。因此，尽管在代谢反应中产生过氧化氢，但仍可被GSH-PX清除。在正常情况下，GSH能在神经传递中发挥某种作用，或对大脑具有某种保护机能。因而，GSH缺乏也可能引起大脑机能障碍。另外，GSH合成酶或r-谷氨酰半胱氨酸合成酶缺乏时，溶血倾向增加；还会因此出现周围神经疾病、肌病、氨基酸尿等。一般认为，溶血倾向增加是红细胞失去GSH保护的缘故。

过敏性紫癜（Schonlein-Henoch Purpura, SHP）患儿体内GSH-[24]PX水平明显低于对照组，MDA较对照组明显增高。

与正常细胞含有过量的GSH相反，一些癌细胞和寄生虫体内的GSH刚能满足细胞生存的需要。有的学者发现，对放射线治疗不敏感的肿瘤细胞内GSH的浓度较高。在这种情况下，通过用r-谷氨酰半胱氨酸合成酶或GSH合成酶抑制剂（甲硫氨酸磺酰亚胺或异丁基硫氨酸磺酰亚胺）抑制GSH合成，可使癌细胞对放疗的敏感性有一个较大的增强。

给予r-谷氨酰半胱氨酸合成酶或GSH合成酶的底物（四氢噻唑），可促进GSH的合成，这对于细胞免受过氧化物和自由基的损害以及多种药物或毒物的解毒都具有重要意义。

预防脂类过氧化可延缓细胞的衰老。现已证实，GSH-PX在预防衰老方面有一定的重要作用。GSH还原酶与G-6-PD脱氢酶起到协同作用。如果这两种酶之一受到损害或生物合成受到抑制，则GSH的生物学作用也会相应受到某种程度的影响。

谷胱甘肽转流酶是不含硒的GSH-PX（Non-Se-GSH-PX）。它是一种多功能的酶。其分子量为4万～5万的二聚体蛋白质。随着亚基的不同组合而有多种同工酶。

在Non-Se-GSH-PX的作用下，GSH可与许多亲电荷药物结合，如GSH与I-氯-2，4-二硝基苯结合成为I-巯基-2，4-二硝基苯与HCl。

Non-Se-GSH-PX可清除脂类过氧化物，但不能催化过氧化氢分解。

Non-Se-GSH-PX与许多亲电性药物相结合，则可发挥其解毒作用，并有减轻脂类过氧化作用，Non-Se-GSH-PX与Se-GSH-PX有协同作用，这一点非常重要。

1.7.3　自由基与过氧化氢酶

过氧化氢酶（Catalase, CAT）存在于哺乳动物的各器官中，在肝脏及红细胞中含量最丰富，在脑、心脏及骨骼肌中的含量比较少。CAT的活性表现，主要见于单层膜围绕的细胞器微体内。

大多数来源不一的过氧化氢酶是分子量为6.5万～8万的亚基所组成。它是由4个亚基组成，每个亚单位有一个活性中心，在活性中心有一个血红素分子与之相联。在储存、冷冻干燥或接触碱时，CAT分解为4个亚单位时活性丧失。其催化反应是：

CAT也可以与乙醇等氧化，但速率很低，因此，CAT是抗过氧化氢的细胞内的主要防御系统之一。红细胞中的过氧化氢可以氧化血红蛋白成为高铁血红蛋白，但由于CAT清除了过氧化氢，故不发生这样的反应。

CAT是一种活性氧清除剂，能将过氧化氢分解成无毒的水及分子氧，它是细胞内活性氧清除系统的重要组成成分，对维持细胞活性氧[26]代谢有重要作用。在微粒体中，尿酸酶、D-氨基酸氧化酶、黄嘌呤氧化酶、α-羟酸氧化酶的反应都可产生过氧化氢，但可被CAT及时清除。

细胞内其他细胞器，如线粒体产生的超氧化物阴离子自由基可经过SOD的催化转变为过氧化氢与O，而过氧化氢可以进入微粒体2中，被CAT清除。需要明确的是，线粒体中产生的少量过氧化氢可被GSH-PX清除。

电离辐射会在短时间内使机体内产生大量羟自由基，造成抗氧化酶无法及时清除氧化修饰CAT的氨基酸残基从而破坏CAT的结构，降[27]低其与底物结合的能力，最终导致CAT活性降低。

用CAT处理不育男性的精液后，发现精液的质量明显好转。这说[28]明，CAT对男性不育有治疗作用，可选择应用。有学者发现，在二乙基亚硝胺诱发大鼠肝癌时，其血浆及肝组织中LPO含量明显增加，而CAT及GSH-PX则从原来的高值下降到低水平，癌组织的减少也更为明显。这说明，肝癌的形成过程中，抗氧化系统受到了严重损害。学者测定了肝癌细胞组织中的CAT，并与正常组织和癌旁组织相比，结果显示，癌组织中CAT均显著低于正常肝组织和癌旁肝组织，而与GSH-PX的活性无关。

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1.8　自由基与脂质过氧化

机体内存在着大量不饱和脂肪酸，它们极易受到过氧化作用的损伤，产生有细胞毒性的过氧化物。破坏线粒体、微粒体和溶酶体等生物膜的结构，使其通透性增高、膜肿胀、融合、甚至会造成细胞死亡，继而这些部位或血清中的酶的活性改变，脂质过氧化质同样也能与蛋白质结合造成细胞的变性死亡。

脂质过氧化物（lipid peroxide, ROOH）具有高度活泼的反应性，易与各种蛋白质、脂质体、糖、DNA发生反应，造成细胞和组织的氧化损伤。脂质过氧化作用形成的过氧化物对细胞的毒害作用于：一方面，它可以再均裂产生烷氧自由基和烷过氧自由基能非特异性对蛋白质发生氢抽提及加成作用，形成蛋白质自由基，后者再形成蛋白质二聚体和多聚体。另一方面，脂氢过氧化物可分解产生丙二醛（MDA），后者是活泼的交联剂，可迅速与磷脂酰乙醇胺生成荧光色素，然后与蛋白质、肽类、脂类结合形成层状脂褐素沉积在细胞、组织，使机体内多种生物大分子变性、断裂，引起细胞结构和功能被破坏。这些毒害作用使膜结构中的蛋白质和酶分子发生重大的改变，使细胞膜的流动性、通透性发生障碍，以致影响整个膜的结构和功能，甚至使细胞破裂、死亡。一些物质可导致体内发生脂质过氧化反应；例如，百草枯可诱导线粒体内膜的脂质过氧化反应而造成机体一系列病理生理变化。

过氧化氢可刺激细胞通过“呼吸爆发”等途径生成大量自由基，并与生物膜内磷脂中的多不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应，生成脂质过氧化物。在氧自由基引发的脂质过氧化反应，产生的脂质过氧化物MDA会与DNA、蛋白质发生交联，导致细胞膜的结构和功能发生[11]改变，出现细胞坏死或凋亡。脂质过氧化是自由基引起的一系列反应。多价不饱和脂肪酸，特别是廿碳四烯酸与廿二碳六烯酸的过氧化是许多情况下细胞损伤的一个共性，过氧化反应中产生的自由基超出了机体局部防护所具有的抗拒这种破坏的能力。以酯化形式存在于磷脂中的不含游离羧基的多价不饱和脂肪酸也同样能起过氧化反应。2+自由基产生过多、脂质过氧化反应增强、细胞内Ca超载等均可造成心肌缺血再灌注损伤。氧自由基引起的脂质过氧化反应是导致心肌缺血再灌注损伤的主要原因。

机体对脂质过氧化有2类防御系统：一类是酶促防御系统，包括SOD, CAT, GSH-PX, GSH-R, POD（过氧化物酶）等，这些酶可以有效地清除超氧化物阴离子自由基过氧化氢LOOH等活性氧，并有终止自由基连锁反应的作用；另一类是非酶促反应，包括维生素E、维生素A、维生素C、辅酶Q、硒、谷胱甘肽、半胱氨酸等。

总之，脂质过氧化作用对细胞的损伤是：膜脂不饱和脂肪酸的损伤导致膜功能障碍和细胞膜酶的损伤；脂质过氧化过程中，生成的氧自由基对酶类及其他成分的损伤以及扩散性醛的毒性效应共同作用的结果。以上作用以协同的方式进行，同时或相继发挥作用。

各种疾病的病因与病理的发生可能都有脂质过氧化参与，而各种疾病的损伤程度及临床症状的表现可因脂质过氧化反应的膜和脏器的不同而表现得不同。（1）脂质过氧化产物与遗传毒性。正如许多醛类一样，4-羟基壬烯醛可显著增加微核数，产生姊妹染色体互换及染色体畸变等作用。从遗传毒性的研究中可以看出，通过脂质过氧化作用产生的内源性4-羟基壬烯醛及其他可能脂质氧化的产物可能确实是DNA损伤的原因。（2）脂质过氧化与癌症。脂质过氧化致癌的机制是，通过影响核酸的复制，造成核酸突变成为致癌基因。实验证明，化学物质致癌时，体内自由基含量增加。有的学者认为，高度活泼的自由基反应特异性差，反应范围局限，中等活性的自由基如脂过氧基LOO·、有机烷自由基L·等易于穿透并扩散进入细胞核，直接攻击DNA或RNA，可能引起癌变。（3）脂质过氧化与动脉粥样硬化。实验表明，动脉粥样硬化会引起自由基的代谢紊乱，促使大量自由基产生。动脉硬化者的过氧化脂质含量升高。过氧化脂质可引起血管内皮细胞形态损伤与功能障碍，促进和加重动脉粥样硬化病变的形成。动脉硬化时，活化的肾素—血管紧张素系统（Renin Angiotensin System, RAS）导致血管紧张素原（An Gio Tensinogen, AGT）过度表达，进而产生大量AngⅡ，后者与AT1R结合后，可激活NADH/NADPH氧化酶系统，诱导氧化应激，[12]促进超氧化物的形成，产生大量氧自由基，损伤血管内皮。但从内皮细胞脂质过氧化损伤到动脉粥样硬化形成的过程，有待进一步的研究。高脂血症可以激活内皮细胞、单核细胞等因此引发心肌细胞不能发挥正常的功能，并发生脂质过氧化反应，产生大量自由基，进而[13]损伤心肌细胞。痛风患者体内氧化与抗氧化体系失衡，容易发生[14]脂质过氧化反应，这可能是其易于出现动脉硬化的原因之一。（4）脂质过氧化与衰老。老化过程是一个多因素、多途径的复杂生理过程。在新陈代谢过程中，随着年龄的增长，机体内会产生不同程度的自由基。自由基的增多，必然形成过多的脂质过氧化。因而，体内的氧化活动增加及抗氧化活动减少，均会导致细胞衰老。脂质过氧化既是细胞膜衰老的诱因，也是细胞衰老的结果。随着增龄，磷脂酰乙醇胺量大大降低，而磷脂酰胆碱稍有增加。这是由于，前者最富有多价不饱和脂肪酸，并有游离氨基，所以最易受到脂质过氧化的损伤。衰老时，线粒体内膜自由基含量增加，膜脆性增加，影响其正常功能。随着年龄的增长，溶酶体不仅数量大增，而且，因膜的损伤使很多分解酶类漏入细胞质，造成其他细胞器的损害，进而，使整个细胞机能发生障碍，细胞因此死亡。另外，脂褐素也来自溶酶体，说明溶酶体在机体衰老中有重要意义。脂褐素是细胞内的不饱和脂质过氧化的产物和其分解的产物与许多其他成分共价缩合而成的不溶性残渣，是次级溶酶体内进行消化后所残留的物质，堆积在细胞内的颗粒团块。在机体逐渐老化的过程中，很多细胞，特别是丧失分裂能力的心肌细胞、神经细胞以及内分泌细胞中的脂褐素的蓄积量随着年龄的增长而逐渐增多。由此可见，脂质过氧化反应以及产生的一系列自由基无论是与细胞的衰老及死亡，还是与个体的衰老过程都是密切相关的。（5）脂质过氧化与病毒性肝炎。肝脏作为机体的生化代谢中心，是脂质过氧化最敏感的器官之一。有学者测定了临床型肝炎患者的血清、淋巴细胞及红细胞膜的脂质过氧化水平，结果表明：各型肝炎患者血清、红细胞膜脂质过氧化均明显高于健康人；慢性活动期肝炎患者和重型肝炎患者的淋巴细胞脂质过氧化也高于健康人，3种类型中脂质过氧化水平都以重型肝炎升高最为显著。提示肝炎患者确实存在脂质过氧化，且病情愈重，脂质过氧化越高，说明自由基和脂质过氧化在病毒性肝炎的肝细胞损害中起一定的作用。肝细胞受损，使血脂质过氧化增多。脂质过氧化增多又可进一步加重细胞病变，形成恶性循环。因而，病毒性肝炎患者中确有脂质过氧化损伤，这可能是肝炎患者的重要发病机理之一，为抗氧化剂治疗疾病提供了理论依据。（6）脂质过氧化与脑创伤。创伤性脑损伤后，脑继发损害与内源性氧自由基增多破坏了氧化与抗氧化剂系统的平衡有密切关系，主要是引发了脂质过氧化反应。纯观赏创伤性脑损伤早期（＜72 h）脑组织即发生脂质过氧化反应引起神经细胞死亡，并持续一周。脂质过氧化物在创伤性脑损伤中起重要作用。

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1.9　自由基与细胞凋亡

细胞凋亡、凋谢、凋零和吞噬作用（Apoptosis）一词是1972年[1]首次由美国亚伯丁大学病理教研室的Kerr等提出来的。该词源于古希腊，本意是指花瓣或树叶从花或树上掉落、衰落或凋落。作者认为，凋零的名词较为适宜。如上所述，凋零一词是指花瓣、叶片的脱落；秋风乍起，虽然花自飘零叶自落，而整个植株或植物仍保持着其生命，与其含义相似。细胞凋亡有：程序性细胞死亡（Programmed Cell Death, PCD）、程序性细胞缺失（prograammed cell deletion）和程序性细胞自杀（programmed cell suicide）。

细胞凋亡（cell apoptosis）与细胞死亡（cell necrosis）的不同点是：它不是因遭受严重的损伤所致的细胞全面崩溃与溶解，而是以凋亡体的形式被邻近的组织或实质细胞吞噬和消化。正在凋亡的细胞不会引起炎性反应。细胞凋亡可在生理或在病理情况下发生，无论生理或病理现象都不会像细胞坏死那样给机体造成危害。相反，它为维持机体正常生理功能所必需。细胞凋亡是程序性的而非意外性的细胞死[2]亡，是一个主动的、有控的过程，是一种正常的细胞死亡机制；是[3]按照自身程序，自我结束生存的一种方式。细胞凋亡是由细胞内与凋亡有关的基因直接控制，并受细胞外信号影响，有着复杂分子调控机制的一种细胞死亡形式。也就是说，细胞凋亡不同于细胞坏死的生理死亡过程，它受基因编码的细胞主动“自杀过程”，是有核细胞在生理条件下，通过启动其自身遗传机制，主要是通过内源性DNA内切酶的激活发生的自动死亡过程，所以被称为程序性细胞死亡。它在胚胎发育造血免疫系统的成熟以及维持正常组织和器官的细胞数目恒定与生长平衡，乃至机体衰老方面起着重要的作用。

细胞凋亡的形态学特征表现为：细胞萎缩、染色质浓集并常伴随胞核片段化、胞核内陷及包裹包内成分形成凋亡小体。最突出的形态学特征是染色质的有控降解。DNA双链在核小体连接部位断裂而形成的180～200 bp的片段，其凝胺电泳呈现为梯状图形。相应的形态学改变为染色体固缩分块，附着于核膜上，细胞质凝缩，细胞膜形成突起，细胞最后变成数个含或不含染色质的有膜包裹的凋亡小体，被周围的细胞所吞噬。细胞凋亡不伴有细胞崩溃及内容物的释放，也不会引起炎性反应。

线粒体是细胞能量代谢的场所，也是参与细胞凋亡的重要细胞器。线粒体膜电位（MMP）是线粒体功能的重要参数，为评价线粒[4]体功能的敏感指标，其大小直接反映线粒体的功能和数量。学者们的研究表明，细胞凋亡的最早阶段，在细胞核病理改变出现前，线粒[5]体膜电位就已经下降，其降低是细胞凋亡不可逆转的标志。氧化损伤造成谷胱甘肽消耗，进而导致线粒体功能被破坏，过氧化物及羟基[6]游离基等自由基产生，自由基的过量产生会引起细胞的凋亡。线粒体是多种促凋亡信号的作用靶点，在细胞凋亡过程中起着枢纽作用。作用于线粒体的不良因素，如化学毒素、缺血、缺氧、能量障碍、炎症因子等可作用于线粒体导致细胞凋亡。肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis fac-tor-alpha, TNF-α）作用于内皮细胞后，可引起细胞浆中的钙离子浓度持续升高及氧自由基的持续积累，前者引发线粒体跨膜电位崩解，后者导致膜脂质氧化损伤，造成线粒体膜通透性转运孔道不可逆开放大量细胞色素C从线粒体中释放到胞浆内并与凋亡蛋白酶活化因子形成复合体，募集并活化胞质中的Caspase-9启动Caspase[7]级联反应，引起细胞凋亡。

细胞凋亡的生物化学变化：在凋亡的早期，转谷氨酰胺的基因被上调，它能催化细胞质内蛋白质发生交联，在质膜下形成蛋白质网，阻止细胞内容物外溢。胞质的浓缩与细胞内水分的丢失有关。液体丢2+2+失之外，细胞凋亡还和最早的细胞内Ca浓度升高有关，Ca的螯合剂是有效的细胞凋亡抑制剂。DNA裂解是由于细胞内钙-镁依赖的核酸内切酶的活化，使得双链DNA在核小体连接区域被切断而形成的。2+也可通过Ca激活谷氨酰胺转化酶、蛋白激酶（PKC）、周期蛋白等使细胞骨架断裂，细胞蛋白交叉联合而使细胞凋亡。发生凋亡的细胞有蛋白质或RNA合成功能，有某些特殊基因表达，显示主动自杀性特点。细胞凋亡是由半胱天冬蛋白酶（cysteinyl aspartatespecific proteinase, caspase）介导的蛋白酶级联反应引起的细胞程序性死亡。Caspase是一群含有半胱天冬氨酸的蛋白酶，其底物包括Caspase自身、聚ADP-核糖聚合酶、白介素1-β前体、DNA依赖的蛋白激酶、PKC、Actin和某些细胞因子等，通过对这些底物的水解，Cas-pase传导凋亡信号或直接作为凋亡的效应分子，促进细胞骨架[8]降解和DNA片段化，最终导致细胞凋亡。Caspase-3是Caspase引起细胞凋亡的最下游分子，是细胞凋亡信号转导中关键的效应分子。在正常情况下，细胞质中的Caspase-3无活性以酶原形式存在。当细胞[9]受到刺激时，它被一系列反应激活，从而引发细胞发生凋亡。

细胞凋亡的生物学意义：细胞凋亡是生命过程中不可缺少的组成部分，是多个细胞生物借以生存的需要，如5%以上的神经元在胎儿完全发育前将消亡。神经细胞的死亡是为了某一神经元群体的大小与某靶细胞获得神经生长因子，形成突触连接的神经元才能存活下来。凋亡细胞是保证个体正常发育成熟以及维持正常生理过程所必需的。凋亡细胞不破坏整个组织结构就能使活组织中的许多细胞被清除，从而维持机体在正常或疾病情况下的细胞形成与细胞破坏之间的平衡，维持了自身的稳定。细胞凋亡在生物的发育和维持自身相对稳定过程中起重要作用。在神经管发育过程中，自身遗传、母体营养、环境中理化因素等容易影响细胞凋亡。这些因素可直接或间接凋亡基因的正常表达，使细胞凋亡发生紊乱，打破细胞增殖和凋亡的动态平衡，最终影响机体的正常发育，引起神经管闭合异常，导致神经管畸形发生[10]。

细胞凋亡既可以是生理的过程，也可以是病理的过程。内皮细胞[11]增殖与凋亡的动态平衡维持着内皮细胞的正常功能。细胞凋亡是一种受到严格调节的细胞死亡方式，与机体的发育、组织的自身稳定、[12]肿瘤、自身免疫疾病和神经退行性疾病的发生有密切的关系。细胞凋亡率的升高及生存率都是内皮细胞受到损伤的敏感指标。现已证实，在许多的细胞、组织、器官以及肿瘤中均可观察到细胞凋亡。自噬是细胞清除细胞体内受损伤的结构、衰老的细胞器以及不需要的生物大分子等物质的主要途径，其典型过程是通过膜结构包裹需降解物形成自噬体，与溶酶体融合以降解自噬体内物质，降解产物可作为新[13]合成蛋白质和细胞器的原料，对维持细胞内稳定起着重要作用。细胞凋亡对胚胎的发育、器官发育、变态反应、保证生理功能平衡以及在控制细胞增殖、肿瘤发生和生长等方面有重要关系。细胞凋亡过程的调控异常在肿瘤形成过程中有十分重要的作用，它涉及促进或阻止细胞凋亡的多种凋亡相关蛋白的参与。肿瘤的发生是细胞凋亡与增殖失衡导致，肿瘤细胞凋亡调控引起的细胞凋亡抑制是肿瘤发生的主要原因之一。肝癌癌前病变及原发性肝癌其凋亡率比正常的肝组织增加，随着增殖细胞的增多，凋亡细胞的数量也增多，肝癌时肿瘤细胞[14]的增殖指数与凋亡指数呈正相关。细胞的凋亡过程、启动与实施涉及一系列复杂的生化反应，并被多种分子调节，这些分子的异常表达及功能异常与肿瘤的发生、发展有关，也影响肿瘤的治疗效果。X射线可诱导肿瘤细胞出现凋亡，提高了肿瘤细胞的免疫原性，更好地被抗原递呈细胞获取，加工递呈给T淋巴细胞，激发机体的抗肿瘤的[15]免疫应答能力。凋亡是迟发型细胞死亡的重要步骤，在脑缺血再灌注损伤中起重要的作用。学者们还发现，磷脂酰肌醇-3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase, PIK）及其下游激酶—蛋白激酶3B（Akt）信号通路是调节细胞增殖、分化、凋亡的重要信号转导通路[16-18]

。

氧化型低密度脂蛋白、活性氧、血管紧张素（Ang）等均能诱导[19]内皮细胞凋亡，也是易于诱发动脉粥样硬化的因素。细胞毒性T细[20]胞通过诱导心肌细胞凋亡造成病理损伤。当心力衰竭发生时，出现广泛的心肌细胞凋亡，心肌细胞凋亡发生参与了心力衰竭的心肌重[21]塑，并在心力衰竭的发生、发展中起重要作用。心脏功能的严重衰竭，是导致生物死亡的主要原因。在心脏的生理、病理过程以及发展进程中，细胞凋亡起着重要作用；其与许多心血管疾病的发生、发展有密切的关系，是心脏由代偿性变化向生理性、病理性变化、发展的细胞学基础。心肌细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞等都存在凋亡的现象，上述细胞在各种刺激因素的诱导下，参与了心血管的生理及心血管疾病的病理过程。炎症细胞因子可诱导心肌细胞凋亡、促进心[22]肌重构而加速心力衰竭恶化。高脂血症可以诱导心肌细胞凋亡，这可能与内质网应激（Endoplasmic Reticu-lum Stress, ERS）途径有[23]关。

1.9.1　活性氧与细胞凋亡

活性氧是机体正常有氧代谢的必然产物，活性氧也可以由外界的化学或物理因素诱导产生。其作为细胞凋亡调控的信使分子，通过调控细胞的氧化还原状态及基因表达调控发挥作用。自由基与细胞凋亡有密切关系。需氧细胞具有较强的抗氧化防御机制，可防御自由基所致的损伤效应，细胞的生存取决于ROS与抗氧化之间的平衡。然而，ROS虽是一种高度活性和非特异性的分子，却可调节高度有序调控变化的程序性细胞凋亡（Programmed Cell Dealth, PCD）。

ROS升高或耗竭内源性抗氧化剂可导致细胞凋亡，其原因是能产生自由基（ROS）的许多化学和物理因素均可导致细胞凋亡。细胞外过氧化氢酶水平与过氧化氢诱导的细胞凋亡的敏感性有关。另外，GSH-PX、SOD、CAT的含量减少也可导致细胞凋亡。SOD活性下降会引发脂质过氧化物在金属离子存在下催化裂解产生MDA，而后者对细胞有毒性作用，可与蛋白质分子内和分子间交联，诱发细胞凋亡[24]。细胞凋亡可被内源性或外源性抗氧化剂所抑制。但细胞内ROS增加时，同样损害细胞。其ROS的主要来源是细胞进行正常需氧代谢时的线粒体呼吸链产生的副产物：超氧化物阴离子自由基、过氧化氢、·OH。巨噬细胞吞噬细菌和病毒感染细胞时呼吸爆发的产物：NO、超氧化物阴离子自由基、过氧化氢、Cl。脂肪和其他大分子降解时会产生副产物，如过氧化氢。细胞色素P450系统在发挥其对食物的解毒作用时，产生ROS。凋亡细胞内ROS的增加可能是由于细胞清除ROS和抗氧化能力下降所致。产生过量的ROS，如超氧化物.阴离子自由基、过氧化氢、OH制止过氧化物等可引起不同程度的细胞毒性，并导致瞬时的不可逆的损伤。抗氧化剂在机体内通过有效的抗氧化防御系统来防止氧及其代谢物对机体的毒性效应。

预防性抗氧化剂的作用是：①清除ROS，防止自由基反应。有SOD、GSH-PX、CAT、硫氧蛋白等。②自由基链反应阻断剂：能阻断脂质过氧化链式反应，如胡萝卜素、维生素C、维生素E等。③具有氧化金属离子活性的蛋白性抗氧化剂：如铜蓝蛋白、乳铁蛋白、转铁蛋白等。因此，氧化和抗氧化的平衡是决定细胞生存状态的重要因素。而氧化和抗氧化不平衡状态则可导致细胞凋亡。此理论的依据是：加入ROS或减少细胞内抗氧化剂可导致细胞凋亡，加入抗氧化活性的物质可阻止细胞凋亡。

ROS可通过引起细胞脂质过氧化或调节细胞凋亡相关基因而诱导细胞凋亡。抗氧化剂可保护ROS或活化所诱导的细胞死亡。ROS虽然可以诱导细胞凋亡，但ROS并非是程序性细胞死亡所必需的物质。如将细胞培养在近乎厌氧的环境中，这时ROS不可能产生，却仍然可产生程序性细胞死亡。

正常细胞会有生理性死亡，但ROS与细胞凋亡常常会给人类造成疾病。如神经系统退化症、缺血性损伤（冠心病-心肌梗死、缺血性脑病、肾小管肾炎）、肝病、血液系统、呼吸系统、消化系统疾病以及肿瘤、艾滋病等的发生和发展有密切关系。

1.9.2　一氧化氮与细胞凋亡

一氧化氮（Nitric Oxide, NO）对生物体具有十分重要的作用。一氧化氮是一种活性极高的气体自由基，分子中有一个未配对的电子，容易与氧、超氧化物自由基反应，广泛分布于人体的各组织、器官，它溶于水，又溶于脂，具有非常活泼的化学性质。一氧化氮有活泼的性质，半衰期极短，在体内生物半衰期仅数秒。其通过生物膜扩散到血管内皮下平滑肌及血管腔内，产生多种生物学效应；可通过多种途径传递神经元信息，调节脑血流，保护神经元的作用，如果过量则有广泛的细胞毒作用。一氧化氮在细胞凋亡的过程中起重要作用。细胞内源性和外源性一氧化氮的增加可导致细胞凋亡。内源性一氧化氮是由一氧化氮合酶（Nitric Oxide Synthase, NOS）催化底物L-精氨酸（L-Arg）生成瓜氨酸后释放的。外源性一氧化氮来自一氧化氮的产生剂（NO donor），硝普钠即是其中之一。一氧化氮的合成部位极广，几乎遍及所有细胞。NOS在体内有3种异构体：①神经元型一氧化氮合酶（Neuronal Nitric Oxide Synthase, nNOS）。②内皮细胞型一氧化氮合酶（Endothelial Nitric Oxide Synthase, eNOS）。③诱导型一氧[25]化氮合酶（Inducible Nitric Oxide Synthase, iNOS）。其中，nNOS主要存在于神经元和血管内皮细胞内，参与机体防御免疫功能，调节心血管功能和脏器血流，参与神经信息的传递等。iNOS几乎分布于所有组织中。eNOS和nNOS又合称结构型NOS（cNOS）。正常情况下，诱导酶的基因不表达，在病理状态下可大量产生，继之产生大量一氧化氮，一方面有杀菌、杀病毒和肿瘤细胞等有益作用；另一方面，可损伤正常组织，造成细胞死亡。

一氧化氮的毒性作用机制可能在于它能和蛋白质的硫醇基及铁硫蛋白相互反应，或能直接损伤DNA，而对DNA的损伤可导致细胞凋亡。神经元细胞、胰腺细胞、巨噬细胞似乎对一氧化氮的毒性作用尤为敏感。NOS作为一个一氧化氮的供体，可通过一个时间浓度依赖性的方式诱导许多细胞发生凋亡，包括巨噬细胞、胰腺细胞等。一氧化氮的细胞毒性作用，如巨噬细胞的非特异性免疫与其内iNOS的诱导有密切关系。iNOS合成而在免疫系统杀灭肿瘤细胞和微生物的过程中[26]起作用。

光照损伤激活一氧化氮合酶（nNOS），产生一氧化氮，后者激活鸟苷酸环化酶，导致cGMP的生成增加。cGMP依赖性阳离子通道[27]开放，导致感光细胞内钙离子浓度增高。细胞内钙离子增加和cGMP增加导致活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）产生增加[28]。长时间的应激反应导致感光细胞内核转录因子NF-kB和AP-1的活[29-30]化，最终诱导细胞走向凋亡。

1.9.3　一氧化氮与疾病

在心血管系统中，一氧化氮的生物学效应对调节心脏和血管功能以及维持机体血流动力学的恒定均有重要意义。高脂血症是导致动脉粥样硬化（AS）发生的危险因素，它能损害内皮细胞的功能。细胞内胆固醇酯的水平受制于：①由细胞特殊受体控制的多重输入途径。②由高密度脂蛋白或特异性更高的载脂蛋白A-I控制的输出途径。脂质积聚与否取决于两者间的平衡。而构成血管壁的细胞同样也受上述机制的调节。因此，脂质聚集及动脉粥样硬化使血管壁脂蛋白的代谢异常。在动脉粥样硬化的早期，血流中的低密度脂蛋白（LDL）被捕获进入有损害倾向的动脉内皮下，并受到了内皮细胞、平滑肌细胞以及单核-巨噬细胞的氧化，生成氧化型低密度脂蛋白（Oxidized Low Densi-ty Lipoprotein, OX-LDL）。OX-LDL能直接降解和灭活一氧化氮，使基础性一氧化氮产量减少，引起白细胞黏附、血小板聚集和血管平滑肌增殖，诱导或促进动脉粥样硬化的形成。胆固醇通过提高氧自由基的含量，抑制一氧化氮合成酶的表达，降低一氧化氮的活性，增强氧化应激反应来损伤内皮细胞。较高浓度的胆固醇促进LDL-C及OX-LDL的形成，并通过OX-LDL诱发细胞膜上原有的一些自由基，使其成为氧自由基；OX-LDL使细胞本身的抗氧化酶类（如GSH-PX等）防御系统受到抑制或损伤，清除自由基的能力下降，细胞脂质过氧化的最终产物MDA含量增加，进而使细胞受损。刺激内皮细胞导致血管内皮屏障结构与功能改变，诱导内皮细胞发生凋亡，促进动脉粥样[32]硬化的发生和发展。在治疗心肌梗死时，血流的恢复可能导致缺[33]血再灌注损伤。nNOS具有加重心肌缺血再灌注损伤的作用，这可[34]能与激活P38有关。高胆固醇饮食加球囊损伤，导致颈动脉内皮损伤，结构型一氧化氮合酶（cNOS）活性及表达下降，NO产生减少，静止期血管平滑肌细胞（VSMCs）的iNOS活性和表达增加，产生自[35]由基等物质，加重血管损伤。急性缺氧时，大鼠左右心室心肌血流量增加，一氧化氮和内皮素-1（endothelin-1，ET-1）参与了急性缺氧时的心肌血流量调节；急性缺氧刺激内皮细胞分泌NO，舒张冠状血管，增加心肌血流量；虽ET-1和NO均增加，但以NO扩张血管作[36]用为主。

严重感染时，细菌内毒素刺激前炎细胞因子的产生，激活巨噬细胞和血管平滑肌细胞的iNOS，产生大量一氧化氮，导致败血症休克特征性的血管舒张性低血压。大量产生的一氧化氮还减弱血管对去甲肾上腺素能神经的反应及对缩血管因子如多巴胺的反应，细胞因子也诱导心室肌iNOS细胞表达，产生过量的一氧化氮，对心脏有负性肌力作用，因而参与休克过程。

延迟缺血预适应（Ischenmic Proconditioning, IPC）的早期阶段，内皮细胞生成一氧化氮的量增加，自由基减少，保护后期再灌注损伤中的一氧化氮、自由基处于一个相对平稳的状态，SOD的活性和内皮细胞型一氧化氮合成酶的表达增加。因而，eNOS生成的NO在延迟预适应对缺血再灌注冠状内皮的保护过程中有一些积极作用。

心肌缺血再灌注损伤过程可刺激超氧化物阴离子自由基和一氧化-氮产生，二者反应生成强氧化剂ONOO（超氧亚硝酸根离子）。说明-再灌注损伤引起的ONOO有害心血管。但SOD能减轻缺血后损伤，-因它能抑制ONOO形成必需的超氧化物。

原发性高血压患者的血管内皮无论是处于休眠或激活状态，都有一氧化氮释放减少。可能是由于内皮细胞合成或释放一氧化氮机能受损的结果。一氧化氮与细胞凋亡在心血管系统的生理和病理作用中有非常重要的意义，参与动脉粥样硬化、血管再狭窄、高血压病、心力[28，37]衰竭等疾病的病理过程。1.9.3.2　中枢神经系统疾病

一氧化氮是体内重要的效应分子，与血管内皮损伤和脑梗死时的[38]神经毒性反应等密切相关。一氧化氮产生过多时，可以抑制细胞的呼吸和能量代谢，还可以通过与氧自由基反应形成活性更高的毒性基团，通过脂质过氧化作用、酶灭活及DNA硝化作用导致神经细胞死[39]亡。一氧化氮对脑神经细胞神经元、神经胶质和鞘磷脂有毒害作用，可引起脑动脉硬化脑神经退行性变化等器质性改变。在缺血性脑病发生时，血管内皮细胞可产生eNOS而使NO在缺血部位的合成增加，进而扩张脑血管，增加脑血流，达到对脑的保护作用。再则，在梗死灶内，神经元分泌的nNOS可造成NO的大量释放而产生细胞毒作用，表现为NO与超氧化物阴离子自由基结合生成氧化亚硝基阴离子-（peroxynitrite, ONOO），生成物进一步介导包括蛋白质多肽链中酪[26]氨酸残基硝基化等多种细胞氧化损伤的过程。急性脑梗死患者体内NO含量升高与脑内病灶的病理生理变化存在着一定的关系，因而，在脑梗死的急性期抑制一氧化氮合酶以及降低脑和血浆内的一氧化氮的浓度，可取得一些治疗效果。过量NO会以自由基的形式对神经细胞产生毒性。颅脑损伤时，神经毒性常占主导作用。

当脑缺血再灌注后，大鼠海马iNOS-mRNA表达增加，NO生成增加，而SOD的活性降低，GSH的含量降低，MDA的含量增加。这表明，在NO增加的同时，海马组织脂质过氧化的程度增加，机体清除自由基的能力下降，电镜观察可见神经细胞线粒体变性率增高。iNOS抑制剂在脑缺血再灌注损伤过程中对神经细胞有保护作用。[40]iNOS/NO体系在脑缺血再灌注损伤中起重要作用。

星形胶质细胞是中枢神经系统内最多的大胶质细胞，与神经细胞之间通过离子流、神经介质、黏附分子等途经相互影响；其为中枢神经系统代谢及营养提供支持，维持正常的神经细胞功能等。活化的星形胶质细胞在脑缺血再灌注后，有两种迥然不同的作用：其一，通过增强能量代谢能力，调节细胞内外离子的浓度，清除自由基及兴奋毒性物质，释放营养成分和细胞因子，合成大量的载脂蛋白E等途径，重建神经细胞的完整性，修复神经功能，发挥神经保护作用；其二，活化的星形胶质细胞可产生大量NO，通过对大分子尤其是DNA的修[41-43]饰，可导致细胞的凋亡与坏死。星形胶质细胞可分泌巨噬细胞炎[44]性蛋白，参与炎性反应。

在持续性局灶性脑缺血或较长时间缺血后再灌注所致脑细胞死亡，以及全脑或前脑短暂性缺血后的迟发性脑细胞死亡中，均有细胞凋亡。这就说明，脑缺血再灌注损伤中可使细胞发生明显的细胞凋亡。脑缺血再灌注可诱发细胞凋亡，脑缺血再灌注后脑组织中凋亡的细胞多数是神经细胞。迅速恢复脑缺血周围区的血液供应，可抑制缺血神经元凋亡，改善神经元的生存环境，有助于对缺血性脑损伤的保护[45]。1.9.3.3　消化系统疾病

在患消化系统疾病时，因iNOS活性增高是一氧化氮过量产生，引起组织损伤。如患急性胰腺炎、急性肝炎、急性肠炎等疾病时，细胞内cNOS合成一氧化氮减少，使血管收缩，脏器血流量减少，微血管通透性增加，白细胞黏附于游出组织，加之被活化的巨噬细胞和淋巴细胞对iNOS表达增加，产生大量不受控制的一氧化氮对组织的细胞产生毒性作用，导致胰腺、肝脏、肠道发生病理变化。重症急性胰腺炎可导致iNOS表达增高，从而产生高浓度的NO，加重胰腺组织的

[46]损伤。1.9.3.4　泌尿系统疾病

一氧化氮是一种重要的生物调节剂，有强烈的扩张血管的作用，也是肾血流动力学调节的重要因子。在缺血损害中，内皮中的一氧化氮使血管扩张，血流灌注量增加，肾血流量增加。肾炎时大量产生的一氧化氮不仅改变肾小球滤过，而且，也引起肾组织的损害。尤其是浸润的巨噬细胞诱导iNOS的产生对肾组织更加有害。一氧化氮本身具有强烈的毒性作用，其与肾炎的发病机理有关。体外冲击波碎石术（Extracor-Pore-al Shock-wave Lithotripsy, ESWL）是治疗上尿路结石的首选治疗方法，效果显著，但对人体各组织、细胞有不利影响，可导致自由基形成、肾血流量下降，肾脏受损。在ESWL后早期一氧化氮生成增加可能是由于高能冲击波作用与肾脏组织时，组织缺血缺氧、机械刺激及肾脏血管内皮细胞钙离子内流等使NO-cGMP信号系统被激活，导致NO蛋白表达，血浆NO水平升高。缺血损伤后期诱导型一氧化氮合酶引起NO产生；肾脏组织氧化应激产生的高浓度脂多糖使iNOS基因表达增加，可催化生成高浓度的NO, NO可在几小时、[47]几天，甚至更长的时间保持持续生成功能。ESWL导致肾结石患者[48]血浆NO水平显著升高。1.9.3.5　呼吸系统疾病

呼吸道及肺部有炎症时，细胞因子诱导气道上皮细胞和肺泡巨噬细胞iNOS表达，使一氧化氮大量产生。由于一氧化氮的毒性，导致微循环障碍，气道黏膜损伤。一氧化氮氧化成二氧化氮再进一步生成亚硝酸和硝酸，引起呼吸道高反应性。高浓度的一氧化氮或二氧化氮也可引起肺水肿，也可导致充血、细支气管炎等。一氧化氮对呼吸系统疾病有明显的不良作用。因为一氧化氮是非肾上腺素胆碱能神经的递质之一，是引起支气管扩张的唯一神经机制。一氧化氮导致疾病发生的机制有待进一步研究。1.9.3.6　肿瘤[49]

有学者发现，一氧化氮参与肿瘤诱导的免疫抑制现象。这是否与一氧化氮诱导巨噬细胞等免疫细胞的凋亡有关以及其调控机制如何，尚需进一步研究。子宫肌瘤患者瘤体内iNOS和eNOS的表达高于正常子宫组织，nNOS则低于正常子宫组织，这可能与子宫肌瘤的发[50]生、发展有关。

1.9.4　蛋白激酶C与细胞凋亡

蛋白激酶C（PKC）在细胞增殖分化信号传递肿瘤发生等生理和病理过程中发挥着重要作用。[51]

蛋白激酶C共分为3组。第一组为经典的蛋白激酶C（CPKC），包括α，β，β，r；第2组为新蛋白激酶C（nPKC），111β包括δ，ε，η，θ；第3组为非典型蛋白激酶C（aPKC），包括ε，λμ，L。这些同工酶在分子量大小、激动剂的需求、不同组织和生长发育时期的表达上都有自己的特点。在调节细胞凋亡等细胞活动中，它们担负着各自的功能。

蛋白激酶C是促癌剂PMA（phorbol 12-myristate-13acete）的受体，PMA类似与蛋白激酶C活化剂二乙酰甘油（DAG）。蛋白激酶C的主要作用是促进细胞的增殖和分化，抑制细胞凋亡。实验表明，PMA等PKC活化剂能阻止细胞凋亡的发生。

蛋白激酶C抑制剂Staurosporine和tamoxifen能促进神经胶质瘤细胞凋亡。Stauro-sporine能引起Burkitt淋巴瘤细胞的凋亡。有学者报道，PMA能诱导神经胶质瘤细胞的凋亡，可能是由于PMA高浓度、长时间对细胞的处理能下调PKC的活动。

蛋白激酶C的活化有可能阻止细胞凋亡，也有可能促进细胞凋亡。近年来，对蛋白激酶C同工酶的研究比较多，但关于其与细胞凋亡和增殖的关系，仍未全部搞清除，需进一步加以研究，了解其作用机制，将基础研究与临床实践相结合，早日应用于预防和治疗疾病过程中。

表面活性物质相关蛋白A（surfastant-associated protein A, SP-A）能增加巨噬细胞内的超氧自由基和NO，促进杀菌作用；还可激活磷脂酰肌醇-3（PI-3K）途径而抑制肺泡Ⅱ型细胞（AT-Ⅱ）的凋[52]亡；能降低肺表面张力，防止肺泡萎缩和肺不张。

细胞的凋亡是细胞自发的、程序化的死亡，细胞凋亡可以清除衰老的细胞，用新生的细胞加以取代，此过程对维持机体相对稳定的细胞数量和发挥功能有重要意义；异常的细胞凋亡则会导致肿瘤、病毒[53]性疾病、动脉硬化等多种疾病的发生和发展。

黄芪、当归、枸杞子等可以诱导白细胞介素-2（IL-2）、干扰素（IFN）等细胞因子，诱导LAK细胞凋亡或增加肿瘤坏死因子（TNF）[54]诱导凋亡的能力。TNF在体外可引起肿瘤细胞的凋亡。因而，一些中药有预防与治疗肿瘤的作用。[55]

可对细胞凋亡情况进行检测与研究。

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