氧化损伤与抗氧化

自由基氧化损伤

当体内的氧化增强系统与抗氧化系统之间的平衡向氧化增强方向变化时,就会造成氧化胁迫(亦称氧化应激)。按照突变积累理论,病变和衰老起始于“一个细胞”,发生于每一次呼吸下的衰老。细胞组织受到自由基的氧化胁迫,使构成细胞组织的各种物质如脂质、糖类、蛋白质、脱氧核糖核酸(DNA)等所有的大分子物质,发生各种氧化反应,引起变性、交联、断裂等氧化损伤,进而导致细胞结构和功能的破坏,以及机体组织的损伤和器官的病变,从而导致损伤和病变,其概略情况见下图:



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一、 对脂类的损伤

所有的细胞膜,包括线粒体膜、溶酶体膜、过氧化体膜、核膜、质膜等细胞内外的各种膜,都含有各种脂类和蛋白质,包括磷脂和不饱和脂肪酸,最普通的是油酸、亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸等。对各种不饱和脂肪酸,首先被氧化的是从易活化的饱和双键的α-亚甲基取走氢原子,成为脂类自由基。如此连续反应下去,使脂类不断自由氧化。其基本过程如下:

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即脂类在氧自由基的胁迫下,脱氢而成为脂类自由基,再与氧作用而成为脂类过氧化自由基,脂类过氧化可进一步夺取脂类上的氢而成为过氧化脂类,同时形成新的脂类自由基,成为连续氧化反应。

但实际过程远比此复杂,它所形成的氢过氧化物作为脂类氧化的初期产物是不稳定的,经复杂的分裂和相互作用,最终可形成醛、酮、醇、碳氢化物、环氧化合物及酸之类低分子物质;也可经聚合而生成深色的有毒聚合物。其中较典型的分解产物是丙二醛(MDA)。丙二醛可与蛋白质和核酸结构上的氨基等发生交联作用,从而破坏蛋白质和核酸的正常结构,并使之丧失原有功能,一些依赖于氨基以维持活性的酶蛋白也会受到抑制或失活。核酸与丙二醛交联则可导致拓变,引发肿瘤等。细胞内线粒体膜中的脂质受损后会破坏能量生成系统。细胞内溶酶体膜受损可释放出其中的水解酶类,因而导致细胞内物质的水解、细胞自溶和组织坏死。最终导致各种组织伤害,引发疾病,如下图:

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二、 对蛋白质的伤害

氧自由基对蛋白质的伤害作用,主要可以分为以下几类:

第一类是使蛋白质的肽链断裂:

第二类是使蛋白质分子发生交联聚合而生成变性的高聚物,是蛋白质分子的一种链式聚合作用:

第三类是蛋白质结构上的氨基酸发生氧化脱氨之类反应

第四类是氧自由基攻击酶蛋白,使其结构改变而导致酶活力的丧失。如自由基作用于酶蛋白中的羟基,使成为二硫键结构,改变了酶蛋白的空间构象,因而失去活性,其反应如:

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第五类是由脂类氧化裂解所产生的丙二醛,与蛋白质上的氨基产生分子间的交联而受到破坏,如:

(1) 分子内交联:

     P-(NH) + CH2 (CHO) 2 → PNHCH=CHCH=NP

(2) 分子间交联:

     2PNH2 + CH2 (CHO) 2  → PNHCH=CHCH=NP

或   2(P-SH) +  CH2 (CHO) 2 → PSCH = C=CHSP

从而使原有结构改变,功能衰失。

这种情况发生在细胞膜上所造成的细胞膜伤害。

由于细胞膜受到自由基的伤害,出现蛋白质键的断裂、细胞膜表面蛋白质发生二硫化交联、脂质-脂质的交联、脂质的过氧化和有害物质丙二醛的形成。

 

三、 对核酸的伤害

核酸包括RNA(核糖核酸)和DNA两类,RNA的损伤较不敏感,DNA则很敏感。在细胞核中的染色体,DNA分子具有传递遗传信息、启动细胞分裂及控制蛋白质(包括各种酶)生物合成等极为重要的生理功能,因此DNA的损伤是生物大分子损伤的首要问题。

当核酸(尤其是DNA)受到自由基的威胁和损伤后,靠自身力量可以得到修复,但衰老和患病时DNA的无错修复率就可能下降,而容易错修复率则可能增加。此外,在相同的氧自由基损伤条件下,线粒体中DNA的损伤常重于核DNA的损伤,其修复能力也较低,因为线粒体DNA没有核苷酸的修复系统,从而出现不同的无错修复率。

自由基可使核算结构发生种种破坏,包括:氨基、羟基的脱除;碱基与核糖的连接键断裂;磷酸酯键的断裂;DNA或其主键的断裂。

经反应所产生的自由基,可进一步进行连锁反应而使核算及其组分之间产生构架连接键,导致核酸的损伤,或导致遗传突变,终使受损DNA的永久性损伤乃至染色体的破坏和细胞死亡等严重后果。


四、对糖类的伤害

自由基可使核糖、脱氧核糖形成脱氢自由基,最终可使DNA的主链断裂或碱基破坏。还可使细胞膜中低聚糖类中糖分子上的羟基,因氧化而生成聚合物,从而破坏细胞膜上的糖类结构。细胞膜上糖类结构改变,可影响细胞免疫功能的发挥。


五、 烟酒成分所致的氧化伤害

据统计,2000年全世界有90万人因吸烟产生各种疾病而死亡,约占全球死亡率的8.3%。据WHO估计,2020年前每年因吸烟导致死亡的人数可达840万人。

据研究,吸烟者体内的抗氧化维生素、抗氧化酶SOD及血浆一氧化氮与非吸烟者比较,均有明显差异,氧自由基反应脂质过氧化反应相应加剧。经对配对对照的吸烟者,各不同吸收史组血浆(P)中维生素C、维生素E、胡萝卜素及LPO和红细胞SOD值的比较,结果见下表。随着吸烟史的增加,吸烟者血浆中VC、VE、胡萝卜素和红细胞SOD的平均值均显著下降(P<0.05-0.01),而血浆中的LPO平决指责显著升高(P<0.05-0.001)。

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另比较了每天不同吸烟量者血浆中VC、VE、胡萝卜素和红细胞SOD的含量,及血浆中LPO的含量,结果见下表。同样说明抗氧化物随着日均吸烟量的增加而显著下降(P<0.05-0.001),而血浆中LPO的平均值则显著升高(P<0.01-0.001)。

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在香烟的烟油和烟雾中含有高浓度的自由基,每口烟雾约含104-1016个自由基,吸烟者体内为清除大量的自由基,就不得不动用大量的VC、VE、胡萝卜素等抗氧化剂来捕捉和清除,结果就出现一定程度上各种抗氧化维生素的就下降。更由于VC等抗氧化维生素的含量下降,就不能起到对SOD和GSH-Px等抗氧化酶类的保护作用,因而使SOD等随之下降。

1支重1g的香烟经燃烧后,可生成20mg的焦油和350ml的气态烟。焦油中含有大量稳定的、半衰期较长的自由基,可通过ESR技术直接捕捉。其中最主要的自由基有:儿茶酚胺类和醌/半醌/氢醌系列的自由基(Q/QH/QH2),并有复杂的核芳羟类自由基。焦油中的醌自由基可与空气中的O2反应而生成超氧阴离子O2-,其反应如下:

                       QH + O2 → Q + O2- + H+

O2-﹒可在体内歧划成H2O2,并进一步生成活性更强的HO﹒.

此外,在气态烟中含有较高浓度的NO等各种自由基,可通过ESR测出。其对DNA的损伤模式见下图。因此吸烟可造成膜脂质的氧化、细胞内蛋白质的破坏和DNA的断裂,终将造成伤害,乃至危及生命。

在酒的连续作用下,人体脑突触体膜和红细胞膜的通透性下降,并出现膜的硬化现象。乙醇的中间代谢产物可使神经机能或细胞颗粒成分造成重大障碍。长期饮酒会引起脑的器质性永久病变,出现记忆力下降,判断能力低下及智能损害,并增强外源性化合物的毒性和辅助致癌作用。直至过氧化(LPO)是许多毒物发生毒作用的起点。有人用小剂量乙醇长期灌喂大鼠,来观察对LPO和SOD活性的影响。结果见下表:

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结果表明,实验组脑细胞膜过氧化脂质明显升高(P<0.01),SOD活性明显降低(P<0.05),说明长期小剂量饲喂乙醇,对细胞膜有明显的过氧化损伤和对SOD的抑制作用。



氧化损伤与抗氧化

一、什么是抗氧化:

就是指抵抗氧化作用,令细胞免受养自由基的伤害,简言之,就是抗老化、抗衰老,具体而言就是抵抗人体因氧化物质氧自由基引起的白内障、心脑血管、糖尿病、肿瘤、骨关节病、老年痴呆等老化性慢性疾病的作用过程。

 

二、自由基与抗氧化物质的相互作用:

1、预防性抗氧化物

预防性抗氧化物是人体内抗氧化作用的第一道防线,主要是通过体内的各种抗氧化酶类来抑制各种自由基和产生。抗氧化酶类能降低自由基的负荷。对自由基的反应可分为开始、繁衍和中止三个阶段被破坏掉。在自由基的起始阶段,可被超氧化歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)两种酶所抑制。预防性抗氧化物是人体最重要的一道防线,主要包括以下三类。

1) 过氧化氢等非自由基的分解

① 过氧化氢酶(CAT)在Fe的参与下,是过氧化氢分解:

2H2O2 → H2O + O2

② 谷胱甘肽过氧化酶(GSH-Px)

在细胞之内,在硒参与下,使过氧化氢、过氧化物或脂肪酸过氧化物的分解:

H2O2 + 2GSH → 2 H2O + GSSG

LOOH + 2GSH  → LOH + H2O + GSSG

ROOH + 2GSH  → ROH + H2O + GSSG

在血浆内,GSH-Px可使过氧化氢、磷脂了类过氧化物的分解。

③ 磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化酶

在硒参与下,使磷脂氢过氧化物等过氧化物分解:

PLOOH + 2GSH  → PLOH + H2O + GSSG

ROOH + 2GSH  → ROH + H2O + GSSG

H2O2 + 2GSH  → GSSG + 2H2O

④ 过氧化酶 使过氧化氢、脂类过氧化物分解:

H2O2 + AH2  → 2H2O + A

LOOH + AH2  → LOH + H2O + A

⑤ 谷胱甘肽硫转移酶(GT-S) 使脂类过氧化氢分解

LOOH + 2GSH  → LOH + H2O + GSSG

ROOH + 2GSH  → ROH + H2O + GSSG

 

2) 金属离子的螯合作用和不活性化

①  传递蛋白和乳铁传递蛋白。使铁离子稳定;

② 肝球蛋白使红蛋白稳定

③ 血红素结合蛋白使血红素稳定

④ 血浆铜蓝蛋白使铜离子稳定

 

2、除自由基的捕捉型抗氧化物

清除自由基的捕捉型抗氧化物,其作用为在自由基已经形成但对目标分子进行攻击之前捕捉自由基,使成为稳定状态,以抑制和中断氧化连锁反应,使人体内的第二道防线。主要分为水溶性抗氧化物和脂溶性抗氧化物两类。

1)水溶性抗氧化物:存在于体液等水相中,捕捉水相中的自由基。包括:维生素C、尿酸、胆红素和白蛋白。其作用为捕捉水溶性自由基,也使维生素E等脂溶性自由基捕捉型抗氧化剂的再生。

2)脂溶性抗氧化物:存在于细胞膜和脂蛋白等脂质层中,捕捉脂相中的自由基,包括:维生素E、辅酶Q、类胡萝卜素、黄酮类化合物。其作用为捕捉脂溶性自由基和使水溶性自由基的捕捉稳定。

水溶性和脂溶性两类抗氧化物质共存时,有互补和相乘的捕捉能力。

如血液中存在有各种抗氧化物,以预防自由基的威胁。当血液中生成自由基后,就会引起脂蛋白和血红细胞的血氧伤害,最主要的是低密度脂蛋白的氧化变性和溶血作用。有人曾做过这样的试验:将人全血的4倍稀释液,在60min加入30mmol/L的水溶性自由基引发剂AAPH,在37度常压下培养,以观察其氧化情况,结果综合如下图。当加入AAPH后,水层中开始产生自由基,水层中的抗氧化物即与之发生作用而导致消耗,其顺序依次为VC、BR、UA、pasma-E,而红细胞中的维生素E和含硫化合物的消耗在初期并不显著。随着水相中抗氧化物的消耗,脂质氢过氧化物逐步生成,钾开始溶出,进而相继发生钙、LDA、GOT和血红戴白的溶解。

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3、 修复和再生型抗氧化物质

身体对氧化伤害的第三道防线,使受到自由基对DNA、脂类、膜脂质、蛋白和遗传因子等损伤部分的修复,以及酰基转移酶等酶类的再生。其中担任主要作用的有磷脂酶、蛋白酶和核酸酶修复酶等。

磷脂酶是甘油酯的加水分解酶,视其作用部位的不同而分为A2、A1、B1、C、D各类。与磷脂氧化伤害有关的磷脂酶A2,是使磷脂酰胆碱脱去烷酮基而是磷脂游离的酶。当磷脂受氧化胁迫而形成过氧化磷脂,并在磷脂酶A2作用下,切下一个带有过氧化基的脂肪酸基,使成为不完整的单脂肪酸磷脂,即溶血卵磷脂,因此丧失磷脂的某些性能。这时候,在有修复功能的酰基转移酶存在下,就可重新接上一个脂肪基而恢复磷脂的结构和功能。游离出来的氢过氧化脂肪酸,在谷胱甘肽过氧化物酶的作用下,还原成羟基脂肪酸。

当蛋白质作为自由基的分子而受到伤害时,受到蛋白酶作用而发生变形的蛋白质可通过蛋白质分解酶而得以修复。

当DNA在受到自由基所造成的损伤而使主链切断、碱基改变时,也都有相应的修复酶进行修复再生。

 

4、适应功能

需气性生物的特性之一,是随着活性氧的产生,必要时有流动的抗氧化酶等产生,以适应需要。即使像简单的大肠杆菌,也会因氧自由基的诱导而产生SOD、过氧化氢酶等DNA修复酶进行修复,以保氧自由基产生和消除之间的平衡。

尽管在需气性生物体内有各种各样的抗氧化物进行对自由基阻断,但当这种阻断作用不充分时(如患病、衰老时),自由基的产生和消除之间的平衡就会丧失,氧化伤害就会发生。为加强防御系统,促进适应功能,就有必要:

⑴从体外补充各种具有抗氧化能力的物质,包括各种抗氧化食品和药品,或自由基捕捉性抗氧化物质;

⑵本身无抗氧化作用,但能被体内抗氧化酶所利用或成为抗氧化酶类的构成因子的物质,如硒等;

⑶本身有一定抗氧化作用,部分参与抗氧化酶的作用,从而增强体内抗氧化的能力。食品中的部分抗氧化成分,如:

·维生素E、

·维生素C、

·类胡萝卜素

·植物多酚,如黄酮类化合物、花色素苷等;

·抗氧化酶的构成因子,如硒、锌、铜、锰、维生素B2等。

·金属螯合剂,如植酸、氨基酸等;