自由基定义

由基作为一类化学实体在20世纪初就已被人们所认识,生物体系中的自由基的存在,在20世纪50年代才得以确认。随着分析方法特别是近代生物物理检测技术的发展,许多生命现象的自由基机制逐渐被揭示,目前已形成了自由基医学和自由基生物学等新兴学科。自由基理论已渗入到临床诸多学科,为疾病的病因,发病机制提供了新的理论依据,为许多疾病的诊断与防治开辟了新的途径与前景。

自由基(free radical)是指能独立存在,含有未成对电子的原子,原子团、分子或离子。如含有不成对电子的氧则称为氧自由基(oxygen free radical,OFR), 占机体内自由基的95%以上,它是人体内氧化过程中释放的一种活泼的有害物质。它在体内肆意掠夺其它分子的电子,破坏了细胞、DNA、RNA和蛋白质的结构,使体内细胞组织、器脏的功能降低、并不能被再修复,使体内的免疫系统功能下降,从而导致各种疾病的发生、甚至死亡。

在正常情况下,人体内的自由基主要有:过氧基 Peroxyl Radical (ROO.) 、氢氧基 Hydroxyl. Radical (OH)、高氧基 Superoxide Radical (O2)、氮氧基 Nitric Oxide (NO.)等几种。自由基对人体,亦敌亦友,是处于不断产生与清除的动态平衡之中。一方面自由基是机体防御系统的组成部分,如不能维持一定水平的自由基则会对机体的生命活动带来不利影响,但另一方面如果自由基产生过多或清除过慢,它通过攻击生命大分子物质及各种细胞,会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,加速机体的衰老进程并诱发各种疾病。 

自由基学说-英国著名的哈曼博士.png

1956年,英国著名的哈曼博士提出了在医学界和抗衰老领域里享有盛誉的《自由基衰老理论》,理论中称自由基是“百病之源”,人类衰、老、亡的“元凶”。 

在化学结构上,自由基是指未配对电子的基因、分子或原子,以小圆点(·)来表示未配对的电子。人体内的自由基,主要有各种化合物分子中的共价键在外界(如光、热、染发剂等)作用下分裂成含有不成对价电子的原子或原子团,成为不稳定的自由基。它有很大的能量从稳定的原子或分子上夺得一个电子以求达到平衡,这样就会使被夺走电子的原子或分子成为不稳定的新的自由基,形成连锁反应,不断形成新的自由基。

自由基在生物体内普遍存在,按其化学结构自由基可为分为三种类型:①半醌类自由基,如黄素类半醌自由基;②氧中心自由基,简称氧自由基,包括超氧阴离子自由基(O2 )、羟自由基(·OH)、烷氧自由基(RO·)、烷过氧自由基(ROO·)、氢过氧自由基(HOO·)。近年来研究较多的活性氮自由基(NO和NO2-)也可算作氧自由基。③其他碳、氮、硫中心自由基。上述氧自由基及其衍生物H2O2、脂质过氧化物(LOOH)及单线态氧(1O2,singlet oxygen)等统称为活性氧(reactive oxygen species, ROS),它是指氧的某些产物和一些反应的含氧产物,它的特点是含有氧,化学性质较氧活泼。ROS对生物机体可产生一系列的有害作用,其毒害作用称为氧的毒性。种种有害后果与许多疾病的发生密切相关,因此生物体内ROS的生成与清除的平衡对生命过程的正常进行具有重要作用。

一氧化氮(nitric oxide, NO)是20世纪80年代发现的一种自由基,它是体内重要的信使分子和效应分子,是当代医学研究的热点和前沿之一。NO的化学性质活泼,可迅速与O2、O2 、铁、铜、镁等反应,其中与O2 反应可生成过氧亚硝基阴离子(ONOO-),后者是一强氧化剂。在生物体内,与NO有关的自由基和化合物有数十种,NO及其相关产物相互反应,在机体内生成一系列具有重要生物功用的自由基和硝基化合物,即所谓的生物活性氮。
    NO在生物体内主要是由NO合酶(NO synthase, NOS)催化合成与释放的,即NOS催化L-精氨酸和O2为底物生成NO和L-瓜氨酸。根据NO的表达与调节,NOS分成两大型:一是组成型NOS(constitutive NOS, cNOS),其活性依赖于Ca2+和钙调蛋白,可间歇性不断表达,根据存在部位,又分为神经元型和内皮细胞型。二是诱导型NOS(inducible NOS,iNOS), 其活性不依赖于Ca2+和钙调蛋白, 但受细胞因子和特殊的信号分子刺激和诱导,在生理条件下不表达,细胞受刺激时才高表达。主要存在于巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞等。

NO可作为信号分子在体内起重要生理作用。它可作用其靶受体---可溶性的鸟苷酸环化酶,激活该酶使GTP环化为cGMP,后者再刺激cGMP依赖的蛋白激酶,调节磷酸二酯酶和离子通道,发挥一系列生物效应:松弛平滑肌、舒张血管,抑制平滑肌细胞增殖,抑制血小板粘附和聚集,保护细胞、增加神经递质释放。NO还可介导炎症时巨噬细胞和中性粒细胞杀灭微生物的作用。
    除此之外,NO还可作为细胞毒分子,参与多种疾病的病理过程。

在人体内,除上表中各种自由基之外,在体内的各种生化反应过程中,还会形成许多虽然电子是配对的,但极易失去一个电子而转变为自由基的含氧化和物,如下表:

自由基定义-1.jpg

自由基的连锁反应非常多,如下:

    由超氧阴离子(O-2﹒)所引起的连锁反应:

                      O2-﹒+ H+  ═ HOO﹒

                      2 O2-﹒+ 2H+ → H2O2 + O2

                      O2-+ H2O2 → HO﹒ + OH- + O2

    由羟自由基(HO﹒)所引起的连锁反应:

                      HO﹒+ RH  → R﹒ + H2O

                      R﹒ + O2  → ROO-

                      ROO- + RH → ROOH +R﹒

    这种连锁反应有两种情况可被终止,一种是被反应物的浓度越来越少,另一种是遇到自由基清除剂(抗氧化物)。

超氧阴离子O2-﹒由氧分子的一个点子还原而成:

                      O2 →O2-﹒

    由细胞膜阴离子系统向细胞外漏出,在1μmol/L浓度、Ph值为7时的寿命为5s,扩散距离100μm。

    羟自由基为高反应性自由基,其反应距离短,速度快,攻击力强,对细胞等组织的毒性强,毒害大。