第十八章 自由基與代謝紊亂

第十八章

自由基與代謝紊亂

自由基（freeradical）作為一類化學實體在２０世紀初為人們所認識．生物體中自由基的存在，于５０年代才得以確認．隨著分析方法特別是近代生物物理檢測技術的發(fā)展，許多生命現象的自由基機制逐漸被揭示，自由基理論已滲入到臨床諸多學科，為疾病的病因、發(fā)病機制提供了新的理論依據，為許多疾病的診斷與防治開辟了新的途徑與前景．一、自由基與活性氧的概念

二、自由基的產生

三、自由基的性質

四、自由基的相互轉變規(guī)律

第一節(jié)自由基與活性氧的基礎知識什么是自由基

能獨立存在的，含有一個或一個以上獨立存在的不配對電子的任何原子或原子團。具有高度活性，易于失去電子或獲得電子。不配對電子位于氧，稱為氧自由基。

活性氧:氧的某些代謝產物和一些反應中的含氧產物。，其化學性質活潑，具有很強的氧化能力。其中有一些是自由基，活性氧包括氧自由基和一些非自由基的含氧物

一、自由基與活性氧的概念A:BA·＋B·均裂：A:B異裂：A:－＋B+O2－·超氧陰離子1O2單線態(tài)氧HO2·氫過氧基3R’R’’CO(R’R’’CO*)三線態(tài)羰基H2O2過氧化氫ONOO-

過氧化氮陰離子HO·羥自由基HOCl次氯酸RO·氧有機自由基L·脂自由基ROO·有機過氧基LOO·脂過氧基ROOHR-氫過氧化物NO一氧化氧一氧化氮常見的活性氧及氧自由基

自由基（和活性氧）的化學性質極為活潑，氧化作用強，參與機體的代謝，與一些活性物質的合成、解毒、免疫功能和信號傳導有密切聯系。在體內其產生和清除處于動態(tài)平衡。病理情況下，其產生過多或機體抗氧化能力不足，可發(fā)生蛋白質過氧化、糖化氧化作用、脂質過氧化反應等，導致諸多臨床疾病發(fā)生。如心臟病、老年癡呆癥、帕金森病和腫瘤。此外，外界環(huán)境中的陽光輻射、空氣污染、吸煙、農藥等都會使人體產生更多活性氧自由基，使核酸突變，是人類衰老和患病的根源。

細胞內的線粒體、內質網、細胞核、質膜和胞液中均可產生。既可在氧化還原反應中產生，又可受放射線或其它外來物質作用而產生。

1．局部缺血、缺氧時，細胞液中(脫氫酶,酶促反應)

2．線粒體內呼吸鏈反應在傳遞電子過程中，可產生多種自由基

3．內質網中細胞色素P450的反應，可產生自由基

4．在質膜中還原型輔酶Ⅱ氧化酶，促使NADPH氧化為NADP+，同時可使O2還原為O2－·二、自由基的產生黃嘌呤+2O2+H2O尿酸+2O2-·+2H+黃嘌呤氧化酶黃嘌呤+O2+H2O黃嘌呤氧化酶尿酸+H2O2三、自由基的性質

顯示極活潑的化學性質，存留時間短,半衰期以毫秒計，難以檢測和研究

自由基－自由基的化合反應

原子化合反應：H·＋H·H2

分子化合反應：

C(C6H5)3·＋C(C6H5)3·(C6H5)3C－C(C6H5)3

氫抽提反應：R·＋A－HR－H＋A·

芳香族取代

在Ar－H的存在下:

(C6H5)·＋Ar－HAr－C6H5

加成反應

過氧化反應

RH＋·OHR·＋H2OR·＋O2RO2·RO2·＋RHR·＋ROOH

歧化反應:同一物質分子中同一價態(tài)同一元素

·C2H5＋·C2H5CH2＝CH2＋CH3－CH3O2－·＋O2－·＋

2H+

H2O2＋O2

O2－·可以連續(xù)不斷地誘發(fā)機體產生新的自由基或活性氧并可以互相轉化

四、自由基的相互轉變規(guī)律一、自由基與重要生物活性物質合成的關系

二、自由基的解毒作用

三、自由基與機體免疫系統(tǒng)的關系

第二節(jié)自由基的生物學作用凝血酶原的合成與氧自由基的關系

O2－·＋CO2

“活性碳”

羧化酶

“活性碳”在羧化作用中起羧化劑的作用一、自由基與重要生物活性物質合成的關系凝血酶原凝血酶原前體

膠原蛋白合成與氧自由基的關系

酶促羥化作用需要O2－·、·OH、H2O2或1O2的參加。脯氨酰羥化酶起催化作用時除分子氧以外，尚需要

Fe2+、α-酮戊二酸和1種還原劑如維生素C的參加

羥化酶，Fe2+α-酮戊二酸＋S＋O2

琥珀酸＋CO2＋S·OH

還原劑其中原膠原蛋白羥化成為膠原蛋白二、自由基的解毒作用

外來物質：藥物、毒物，如各種麻醉劑、殺蟲劑、烷烴系列石油產品、致癌物質、各種藥品、脂肪酸等超氧離子的羥化作用是肝臟微粒體進行細胞內解毒作用的基礎細胞色素P450通過羥化作用的解毒機制

T：毒物、藥物等三、自由基與機體免疫系統(tǒng)的關系吞噬細胞殺死侵入機體的有害微生物的最重要機理是能產生有毒的各種活性氧

呼吸爆發(fā)：當吞噬白細胞進行吞噬作用時，常與氧化代謝突然增長聯系在一起,氧消耗在幾秒內提高10-15倍.轉變?yōu)镠2O2等活性氧

羥自由基的作用:多形核白細胞在進行吞噬作用時可形成O2－

·和H2O2,進而產生·OH，脂肪酸降解產生丙二醛殺菌。

白細胞吞噬體內殺菌性氧化產物的生成以及保護細胞溶質以免氧化性的損傷示意圖第三節(jié)自由基對機體的損傷作用在致病因子作用下，氧自由基的產生與清除的平衡破壞，產生過多時，引起對機體的損傷。有實驗表明：給予外源性自由基發(fā)生劑可使正常及缺血組織和細胞嚴重受損，而自由基清除劑可有效減輕相應損傷。自由基可經過其中間代謝產物不斷擴展生成新的自由基，形成連鎖反應，與各種細胞成分，磷脂、蛋白質、核酸等發(fā)生反應，造成細胞結構損傷和功能障礙

。

氧自由基→生物膜中多不飽和脂肪酸→

脂氫過氧化物→新的氧自由基損傷作用機制：使細胞的脂質受到破壞，從而影響細胞膜的功能。產生多種活潑自由基攻擊細胞中的酶和蛋白質，使之喪失功能，酶失活和蛋白變性。產物中的醛類化合物，對細胞有毒性作用,血小板聚集血管攣縮等.一、脂質過氧化作用對細胞的損傷自由基可以使蛋白質變性自由基可影響酶的活性二、蛋白質過氧化作用對機體的損傷三、糖基化氧化作用對機體的損傷對蛋白質的非酶性修飾:糖化血紅蛋白是首先發(fā)現的在體內經過糖基化氧化作用的蛋白質。糖化氧化作用引起蛋白質氧化:糖尿病眼病

四、自由基對核酸和染色體的損傷自由基對核酸的破壞，堿基羥化或DNA斷裂。自由基對染色體的破壞，染色體畸變或細胞死亡。五、NO和ONOOH的生成及對機體的作用NO

氮自由基。體內內皮細胞、神經元細胞、平滑肌細胞、巨噬細胞、中性粒細胞、血小板、成纖維細胞都能產生.生物學作用：是一種小生物活性分子，可直接作用于靶細胞，屬細胞毒分子；自由擴散穿過細胞膜，有胞內信號轉導作用。擴張血管、神經傳遞、抑制血小板粘著、聚集和平滑肌細胞增殖；參與巨噬細胞和中性粒細胞介導殺傷病原體；過量可引起腦損傷，腦衰老，記憶力減退．NO與超氧陰離子反應及ONOOH-（氧化氮陰離子，強氧化劑）生成

O2－·＋NOO＝N－O－O－

O＝N－O－O－＋H+O＝N－O－OHNO和ONOOH的生物學效應

NO作為鐵離子的配體：

NO能可逆性地與含血紅素鐵、非血紅素Fe和鐵硫蛋白結合。

ONOO-對靶分子的氧化：

ONOO-是一種強氧化劑。能使神經元羰基蛋白含量增加和谷氨酰胺合成酶活性降低，最終導致細胞死亡。

NO、ONOOH對線粒體的損傷：線粒體是細胞O2－·生成的主要地點，NO抑制電子傳遞，導致O2－·和ONOOH形成，由此調控著線粒體對氧的攝取。

脂質過氧化與一些疾病的關系一、抗氧化酶二、脂溶性抗氧化物質

三、水溶性小分子抗氧化物質

四、蛋白質性抗氧化物質

第四節(jié)機體的抗氧化防御系統(tǒng)SOD：CuZn-SOD、Mn-SOD、Fe-SODCuZn-SOD：主要位于胞漿,性質穩(wěn)定,耐熱,可溶于有機溶劑,易分離制備.Mn-SOD：主要存在線粒體基質中,對熱敏感,不耐有機溶劑處理,催化反應相似.Fe-SOD:存在原核生物和低等植物中，對熱穩(wěn)定。

CuZn-SOD催化機制

O2－·＋O2－·＋2H+H2O2＋O2

一、抗氧化酶：分布廣泛，種類繁多，防止活性氧損傷超氧化物歧化酶：根據所含金屬輔基的不同E-Cu2+

CAT-Fe3+＋H2O2

化合物1

化合物1＋H2O2CAT-Fe3+＋2H2O＋O2過氧化氫酶：含4個亞基，每個亞基含一個血紅素,不穩(wěn)定，溫度過高，過低易失活,NaN3和CN-抑制其活性

GSH-PxROOH+2GSHROH+H2O+GSSG2GSH

＋H2O22H2O＋GSSG

GSH(還）/GSSG（氧）比值在正常細胞中很高,主要由谷胱甘肽還原酶（GSSG-R）來維持

GSSG-RGSSG＋NADPH＋H+2GSH＋NADP+硒谷胱甘肽過氧化物酶：主要存在于胞漿和線粒體,每分子含有4個硒原子，輔酶為NADPH

GSTROOH＋2GSH

ROH＋H2O＋GSSG

酶協(xié)同作用：

因O2－·能滅活CAT和GSH-Px，H2O2能滅活CuZn-SOD.而SOD能使O2－·歧化生成H2O2，CAT和GSH-Px則能催化H2O2生成H2O和O2。

即SOD保護CAT和GSH-Px免受O2－·滅活，同時CAT和GSH-Px保護CuZn-SOD不被H2O2滅活?？寡趸钢g可以互相協(xié)同防止活性氧的損傷，也可以相互保護。若系統(tǒng)中某一成員改變都會影響到抗氧化系統(tǒng)。谷胱甘肽硫轉移酶：使有機過氧化物還原為醇,不能清除H2O2

維生素E

它不但是1O2和O2－·的清除劑，而且更重要的是脂質過氧化作用的阻斷劑，能和GSH-Px協(xié)同地終止脂質過氧化作用類胡蘿卜素

能直接與活性氧起反應。能增加巨噬細胞殺死癌細胞的能力；能誘導致癌原失活；能保護細胞免受自由基損傷輔酶Q

對脂質過氧化有明顯的抑制作用，可作為β-生育酚自由基的還原劑固醇類激素二、脂溶性抗氧化物質抗壞血酸

維生素C是還原劑。可很快地與O2－·、·OH和HO2·反應，保護機體免受氧自由基的損傷?？膳c維生素E自由基反應,使其恢復為還原型維生素E.谷胱甘肽

GSH是一種水溶性自由基消除劑，保護組織細胞免受氧化損傷，還參與使維生素E恢復到還原態(tài)的作用。保護蛋白巰基免受氧化損傷。尿酸是人體嘌呤代謝的終產物,目前認為是一種很好的抗氧化劑,可有效地清除1O2和·OH,抑制脂質過氧化三、水溶性小分子抗氧化物質銅藍蛋白:存在于血漿中,急性時相反應蛋白

CP是細胞外液的重要抗氧化劑。防止過渡金屬Fe2+催化H2O2形成·OH。防止脂質過氧化作用.白蛋白結合的膽紅素膽紅素能有效地清除1O2、O2－·和過氧基。保護與白蛋白結合的不飽和脂肪酸和白蛋白本身免受活性氧損傷.金屬硫蛋白:各種器官和組織中廣泛存在

MT可結合銅離子防止其引起的氧化損傷，還可直接清除活性氧。四、蛋白質性抗氧化物質

第五節(jié)自由基與疾病的關系一、氧自由基生成過多引起的病理變化

二、清除氧自由基能力減弱引起的病理變化

三、呼吸爆發(fā)與疾病的關系

四、組織缺血再灌流的活性氧損傷

五、活性氧與細胞因子的關系

六、氧應激損傷與疾病的關系

七、活性氧與細胞凋亡的關系

1:外源性因素直接損傷：高壓氧吸入；吸煙的煙氣；輻射損傷；紫外光。2:組織缺血再灌注的病理變化：組織損傷3:自由基與動脈粥樣硬化密切相關：高血脂時，體內自由基產生和清除平衡被破壞，脂質過氧化物產生，損傷內皮細胞；血小板聚集；4:局部大量吞噬細胞浸潤,啟動呼吸爆發(fā).一、氧自由基生成過多引起的病理變化二、清除氧自由基能力減弱引起的病理變化機體抗氧化營養(yǎng)素攝入不足:VC、VE、微量元素等缺乏有關酶先天缺陷：G6PD缺陷,細胞中還原性輔酶1含量減低，導致GSH還原型缺乏老年人清除酶活性降低，酶誘導生成減少

呼吸爆發(fā)：機體內的一些吞噬細胞（中性、單核、嗜酸）在吞噬過程中有氧消耗量驟然增加，伴隨著活性氧的大量產生。實質：NADPH氧化酶能將單電子傳遞給O2形成O2－·，繼而產生H2O2、·OH、HOCl、1O2等氧代謝物，以殺死微生物。

呼吸爆發(fā)缺陷的遺傳性疾?。?/p>

慢性肉芽腫病、葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏、髓過氧酶缺乏等。

吞噬細胞呼吸爆發(fā)引起的疾病：

細菌、病毒或其它微生物侵入機體即誘導炎癥反應，以此消除入侵者。炎癥反應時氧代謝物產生的量過多與機體的抗氧化系統(tǒng)失去平衡時，即成為致病的因素。肺氣腫、類風濕性關節(jié)炎、紅斑性狼瘡、腎小球腎炎、成人呼吸窘迫綜合征等。三、呼吸爆發(fā)與疾病的關系四、組織缺血、缺氧再灌流的活性氧損傷缺氧組織有利于再灌流O2轉變?yōu)镺2－·

臨床上心肌梗死和腦梗塞的治療，心胸外科手術和體外循環(huán)，器官移植以及各種原因所致的休克等，都必然經歷一個缺血再灌流的過程?；钚匝跏窃俟嗔鹘M織損傷的主要原因。1：心臟再灌流的活性氧損傷:脂質過氧化增強細胞超微結構受損;改變膜通透性,細胞內鈣超載;細胞成分交聯等2：腦缺血再灌流的活性氧損傷3：器官移植的活性氧損傷：醫(yī)源性缺血再灌流4：休克的活性氧損傷黃嘌呤+2O2+H2O黃嘌呤氧化酶尿酸+2O2-·+2H+五、活性氧與細胞因子的關系

細胞因子與自由基之間相互影響的關系是免疫調節(jié)的重要機制之一。㈠細胞因子影響細胞活性氧的產生:TNF可增加多型核白細胞活性氧的生成，

IFN-γ能刺激NK細胞等釋放活性氧，

IL-1、IL-6引發(fā)白細胞產生活性氧。㈡

活性氧影響細胞因子的生成及活性

H2O2

刺激NK產生干擾素㈢細胞因子與抗氧化作用:IL-1可誘導SOD的表達，

IFN-γ可抑制巨噬細胞介導的LDL的氧化六、氧應激損傷與疾病和衰老的關系氧應激（oxidativestress)：機體的氧自由基生成增多和抗氧化防御能力降低，使機體處于持續(xù)的應激狀態(tài)，造成細胞損傷，由此導致蛋白質分子鍵的斷裂、交聯、聚合和沉積。氧應激與阿爾茨海默病:脂質過氧化、蛋白質過氧化以及糖基化所致的進行性癡呆為特征的大腦性病變。氧應激與帕金森?。鹤杂苫股窠浽毎な軗p，通透性增加，導致生物酶活性喪失，神經元損傷。人的生命周期中有一個隨時間進展而表現出生物機能不斷惡化,直至死亡的過程,老年醫(yī)學稱為衰老().它是生物體隨著年齡而發(fā)生的退性性變化的總和.表現為機體功能活動的進行性下降,機體維持內環(huán)境恒定和對環(huán)境的適應能力逐漸降低.衰老的自由基學說與衰老線粒體學說1972年線粒體衰老概念80年Miquel和Fleming提出細胞分化導致線粒體自由基增加是衰老的最初事件美國醫(yī)學博士Harman于1956年率先提出自由基與機體衰老和疾病有關，接著在1957年發(fā)表了第一篇研究報告，闡述用含0.5%~1%自由基清除劑的飼料喂養(yǎng)小鼠可延長壽命。由于自由基學說能比較清楚地解釋機體衰老過程中出現的種種癥狀，如老年斑、皺紋及免疫力下降等，因此倍受關注，20年后即1976年被西方主流醫(yī)學所普遍接受。Harman博士并因此于1995年榮獲諾貝爾醫(yī)學獎。自由基衰老理論的中心內容認為，衰老來自機體正常代謝過程中產生自由基隨機而破壞性的作用結果。

七、活性氧與細胞凋亡（apoptosis)的關系

細胞凋亡是不同于細胞壞死的細胞死亡方式,它具有特征性形態(tài)和生化改變，是細胞主動死亡的過程。目前認為，細胞內ATP水平是細胞凋亡的重要因素?；钚匝跖c衰老密切相關，而衰老細胞的死亡實質上就是細胞凋亡。能引起細胞氧化的因素均能引起細胞凋亡。

第六節(jié)生物氧化檢測指標的評價一、脂質過氧化反應產物檢測的評價

二、谷胱甘肽過氧化物酶活性測定的評價

三、超氧化物歧化酶測定的評價

四、過氧化氫酶測定的評價

五、一氧化氮測定的評價六、還原型谷胱甘肽測定的評價

生物氧化檢測指標對疾病的診斷均缺乏特異性，但對多種疾病的發(fā)病機制以及病情和預后判斷具有重要的臨床價值。生化特性脂質過氧化是一個自由基鏈式反應

LH

L·

L·＋O2

LOO·LOO·＋LH

L·＋LOOH脂質過氧化物

脂質過氧化物可以分解成醛、酮、醚、羧酸及烷烴等產物。產生的醛類化合物具有毒性。一、脂質過氧化反應產物檢測的評價標本:血清、血漿、組織細胞懸液及各種體液－20℃4天。血清PRO>100g/L，唾液酸<2.5g/L，對結果無干擾；GLU>100g/L、蔗糖>125g/L、游離血紅蛋白>10g/L、TBIL>150mg/L、Fe3+>8.61mmol/L對測定有明顯干擾。EDTA、枸櫞酸、NaF、草酸可使結果偏低。測定方法丙二醛測定:

降解產物丙二醛（MDA），可與硫代巴比妥酸（TBA）532nm形成紅色產物。若Ex515nm，Em553nm，可用熒光法進行微量測定。乙烷的測定：氣相色譜法。機體呼出的氣體確定過氧化反應水平熒光產物的測定：丙二醛與磷脂、蛋白質、核酸等含氨基的物質反應，可生成能產生熒光的Schiff堿。生化特性

GSH-Px不僅具有清除自由基和衍生物的作用，還與CAT、PH-GSH-Px和GST構成還原有機氫過氧化物系統(tǒng)。標本

4℃3天，－70℃3個月。溶血使結果