《動脈粥樣硬化》 二、自由基的來源

機(jī)體在代謝中不斷地產(chǎn)生自由基，在酶催化的電子轉(zhuǎn)移及氧化還原反應(yīng)中，有許多自由基中間體參與；某些藥物在體內(nèi)以自由基中間體的活性形式發(fā)揮作用；在光化學(xué)反應(yīng)及放射中多以自由基發(fā)揮作用。生物體的自由基可通過下面幾種方式產(chǎn)生。

（一）放射線照射

放射性可直接或間接地對生物體發(fā)生作用，α-射線具有高能粒子作用，γ-射線具有電磁波作用，使生物體組織成分的分子激勵(lì)或離子化；最終是化學(xué)鍵被切生成自由基，使機(jī)體被損害，這是放射線對生物直接作用的結(jié)果，這種方式是少量的。生物體內(nèi)含有大量水，放射線首先使水分解，產(chǎn)生反應(yīng)性非常高的自由基如H·和·OH等，H·和·OH可產(chǎn)生多種效應(yīng)如破壞機(jī)體各組織細(xì)胞等，這是放射線對生物間接作用的結(jié)果。

生物體還被外部宇宙線、倫琴射線以及β射線包圍，使生物體沐浴在大量射線之中，因而組織易遭損傷，加快老化的過程。

（二）機(jī)體周圍自由基前身物的轉(zhuǎn)變

我們周圍環(huán)境有各種自由基或產(chǎn)生自由基的多種物質(zhì)存在，如較穩(wěn)定的氮氧化合物NO、NO2自由基，在大氣中還有汽車排出的碳化氫，空氣煙霧中的氟利昂等經(jīng)太陽紫外線照射及光分解產(chǎn)生多種碳的自由基及鹵原子；大氣中的臭氧也可能轉(zhuǎn)變成過氧化物自由基。食物中某些成分如茶葉在空氣中放置過久，自由基含量會升高，還有一些脂類含有自由基的前身物以及過氧化物、某些藥物、激素和類固醇等經(jīng)機(jī)體攝取后，在代謝過程中也容易產(chǎn)生自由基。

（三）生物體內(nèi)活性氧的生成

機(jī)體在代謝中不斷產(chǎn)生的自由基，種類繁多，其中以活性氧最多。

1．活性氧種類：氧是偶電分子，分子中存在一個(gè)σ鍵和兩個(gè)三電子π鍵，其簡化結(jié)構(gòu)式為。O2可呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，即單線態(tài)（singlet state）又稱為激發(fā)態(tài)，以1O2表示；另一種為三線態(tài)（triplet state），又稱為基態(tài)，以3O2表示，3O2可吸收能量變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)；

3O2+hυ→1O2

氧化能力的指標(biāo)是以氧分子的還原分子之間的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（E1）而定，如圖9-1所示。

圖9-2 氧分子及活性氧相互間的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（pH7.0）O:1.0Atm

圖9-3 脂質(zhì)過氧化反應(yīng)及其脂質(zhì)自由基的生成（LOOH、LOO、LO·）

氧是一個(gè)重要的電子受體，因所得電子數(shù)不同，氧可產(chǎn)生多種還原產(chǎn)物：O2-、·OH及H2O2，他們的E1均比O2高，具有強(qiáng)的氧化能力。

O2+e→O2-

O2+2e+2H+→H2O2

O2+3e+3H+→·OH+H2O

O2+4e+4H+→2H2O

不飽和脂肪酸在1O2等作用下，被氧化成過氧化脂（LOOH），LOOH又可進(jìn)一步使脂肪酸氧化，脂質(zhì)過氧化反應(yīng)及其脂質(zhì)自由基的生成如圖9-3示。

以上所述的1O2、O2-、H2O2、·OH及LOOH等統(tǒng)稱為活性氧，但是體內(nèi)不能產(chǎn)生活性的O2+及原子氧。

基態(tài)氧本身毒性很低，但是O2-、H2O2、·OH、1O2及LOOH毒性較大，這種活性氧的毒害作用稱為氧的毒性。

2．活性氧的生成性質(zhì)

（1）超氧化物自由基（O2-）：O2-也可以HO2形式存在，HO2的pKa為8.4，在生理pH為7.45條件下，大部分以O(shè)2-形成存在，即HO2

H++O2-。O2-是O2被一個(gè)電子還原生成，再由O2-產(chǎn)生其它活性氧，O2-是造成氧毒性的主要物質(zhì)，在pH7.0時(shí)，O2-/O2和（2H+、O2-）/H2O2的E1相應(yīng)為-330毫伏和+940毫伏，O2-既可起氧化作用，也可作為還原劑，當(dāng)O2-作為還原劑時(shí)，產(chǎn)物為H2O2。

O2-的消除主要經(jīng)超氧化物歧化酶（SOD）催化生成O2和H2O2：

k=2.37×109M-1S-1,O2-也可自身進(jìn)行歧化反應(yīng)，反應(yīng)速度相當(dāng)慢：

H2O2與O2-反應(yīng)可生成反應(yīng)性更高的HO·及1O2：

O2-可被維生素C還原生成H2O2，維生素C使O2-還原的速度常數(shù)為2.7×109M-1S-1，與SOD催化的反應(yīng)速度常數(shù)相當(dāng)，細(xì)胞內(nèi)維生素C濃度高，因此維生素C有與SOD同等程度消除O2-的作用。O2-還可被維生素E及谷胱甘肽（GSH）還原生成H2O2，GSH的-SH還原作用約相當(dāng)于SOD的10%。

由于O2-壽命短，檢測有一定困難，只能用電子順磁共振波譜（ERR）檢出。

（2）過氧化氫（H2O2）：H2O2可由O2-的歧化反應(yīng)生成，在D-氨基酸氧化酶、L-氨基酸氧化酶、葡萄糖氧化酶及亞硫酸鹽氧化酶等作用下，把O2作為電子受體，經(jīng)兩個(gè)電子還原生成H2O2，在線粒體中也能直接生成H2O2。H2O經(jīng)放射線照射，一次生成·OH，再生成H2O2。

H2O2較穩(wěn)定，反應(yīng)性低，在體內(nèi)濃度也比較低，（大鼠肝臟中為10-9M），對機(jī)體幾乎無毒性；H2O2可與鐵離子生成反應(yīng)性非常高的·OH：

H2O2+Fe2++H+→OH+Fe3++H2O

H2O2的消除依賴于兩種酶，一是過氧化氫酶，催化H2O2歧化反應(yīng)：2H2O2→2H2O+O2；二是谷胱甘肽過氧化物酶。在GSH參與下使H2O2分解，GSH則變成氧化型谷胱甘肽。這兩種酶可消除體內(nèi)H2O2及過氧化物，防止血紅蛋白及肝細(xì)胞膜部分被氧化破壞的可能。

（3）氫氧自由基（·OH）：體內(nèi)·OH從O2直接生成的反應(yīng)尚不清楚，機(jī)體可由O2-生成系與H2O2生成系共同形成·OH自由基。水經(jīng)放射線照射后的一級反應(yīng)產(chǎn)物是·OH，由于·OH氧化能力很強(qiáng)，因此對機(jī)體毒性很大。

H2O2+Fe2++H+→OH+Fe3++H2O

H2O2+O2-+H+→·OH+H2O+O2-

·OH在水中壽命很短，一般不易以自旋共振（ESR）方法檢出，有人利用DMPO（5，5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物）作自旋捕獲，成功地檢出白細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的·OH，因DMPO與·OH形成一個(gè)較穩(wěn)定的加成物DMPO-HO·。另外也可采用生物反應(yīng)檢出。

（4）單線態(tài)分子氧（1O2）：1O2是一個(gè)強(qiáng)的親電子性的氧化劑，可用化學(xué)方法生成，也可由H2O2經(jīng)氧化生成，即H2O2由次氯酸氧化生成1O2：

NaClO+H2O2→1O2+NaCl+H2O2

1O2可與芳香族碳?xì)浠衔镞M(jìn)行一系列的反應(yīng)。

1O2可將能量轉(zhuǎn)移給其他物質(zhì)而變成3O2，在此過程中，物質(zhì)（A）作為1O2的淬滅劑，接受能量變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)（A*），然后以熱的形式放出能量回到基態(tài)A。水也可作為1O2的淬滅劑。

由于1O2在水中壽命短，要檢測出1O2有一定困難，最直接的證明是經(jīng)1O2→3O2+hυ的化學(xué)發(fā)光觀察，1O2單分子發(fā)光波長為1269微米及760微米。1O2的壽命在D2O中比在水中長10倍，以此均可證明1O2的存在。最近有人利用光子計(jì)數(shù)器檢測微粒體中產(chǎn)生的1O2已獲得成功。

（5）過氧化脂類：人體內(nèi)主要有亞油酸、亞麻酸及花生四烯酸，多以磷脂形式存在于質(zhì)膜等生物膜中。這些不飽和脂肪酸可受1O2氧化，也可經(jīng)·OH氧化生成過氧化脂質(zhì)，生物膜上脂類既可在O2-作用下生成過氧化脂質(zhì)（LO·、LOO·、LOOH），也可經(jīng)放射線照射生成脂類自由基（L·），這種在脂類中微量存在的L·，在氧參與下進(jìn)行鏈鎖反應(yīng)，加速過氧化過程，如圖9-3所示。過氧化脂質(zhì)化學(xué)性質(zhì)活潑，易進(jìn)一步使脂類分解引起自由基反應(yīng)，也可使GSH氧化，而本身變成較穩(wěn)定的脂類羥基化合物（LOOH）。

氧自由基的生成、氧化還原及激發(fā)過程如圖9-4所示。