据估计人体内总自由基的95%以上都是氧自由基，对人体造成直接或间接伤害的也主要是氧自由基，本章将重点介绍氧自由基的基本知识。
1 高浓度氧的毒性
地球上除厌氧生物外，所有动植物和需氧生物都离不开氧气。氧气参与新陈代谢、线粒体的呼吸和氧化磷酸化，产生能量ATP，它几乎是一切生命活动的基础物质之一。但是，当氧气浓度高于大气正常浓度时，能使肺、脑、肝等器官中的O-2、·OH及脂质过氧化物增多，造成器官功能损害，不少原始生物正是因为不能防护氧气损伤而被灭绝的。厌氧生物只能在无氧条件下生存，一旦遇氧就会立即死亡；将大肠杆菌和其它需氧细菌暴露在一个大气压的纯氧中，生长立即受到抑制；原始动物、昆虫、鱼、兔等在高浓度氧气中，存活时间大为缩短；在高氧大气中，植物组织受损，叶绿素生长受到抑制，种子和根的生存期变短，叶片枯萎而脱落。在潜水艇和人造卫星上，供给作业人员高氧浓度的空气，常常会引起急性神经中毒，发生痉挛；人暴露于一个大气压的纯氧中6个小时，便会引起胸痛、咳嗽和喉痛，然后导致肺泡损伤、水肿、肺内皮细胞死亡，这些损伤都是无法修复的。最近临床实验发现，即使认为是安全的氧浓度，对肺也是有损伤的；用高浓度氧气培育早产儿，会引起失明。冷血动物(如龟和鳄鱼)在低温时对氧毒性抵抗力较强，在高温时对氧毒性较为敏感，幼鼠对氧毒性比成年鼠更有耐受力。表1列出了一些生物的不同组织受高氧浓度损伤的情况。
高氧浓度之所以会对生物产生上述伤害，是因为氧气在参与生命活动的同时也产生氧自由基，氧自由基可引起细胞损伤，导致疾病发生，严重时甚至危及生物的生命。因此，氧气是一切氧自由基的来源和引起氧自由基损伤的物质基础。
表1 高氧浓度对生物的损伤
生物 氧浓度 暴露时间 组织 损伤情况
成年鼠 5大气压纯氧 75分钟 心脏 心脏纤维损伤，线粒体肿胀
大鼠 0.3大气压纯氧 3天 肝 线粒体损伤
地鼠 79%氧气 3~4周 睾丸 曲精上皮细胞解体，精子产生减少
豚鼠 70%氧气 6~36天 骨髓 红细胞生长受抑制
猫 8大气压纯氧 50分钟 肾 肾小管肿胀，肾小球不正常
猴子 0.5大气压纯氧 22天 肝 光滑内质网增生，糖原减少
人 高压氧 治疗 耳 内耳出血，变聋
(参考文献1，P1~2)
2 氧自由基、活性氧及活性氧自由基
如果自由基是由于氧原子上缺乏电子所致就叫"氧自由基"。广义的活性氧是指含氧反应性高的所有化合物；机体内氧的某些代谢产物(如O·-2、·OH、H2O2)及其衍生物的活性物质(如过氧化脂质)与单线态氧(1O2)等，均含有氧且具有较高的氧反应性，称为狭义活性氧(Reactive Oxyger)；在上述活性氧中带不成对电子的，又称活性氧自由基(Reactive Oxygen Free Radical)。由此可见，自由基是可以不含氧的，如甲基自由基(·CH3)，而活性氧也可以不是自由基，如单线态氧(1O2)。(参考文献6，P231~234)因此，自由基、氧自由基、活性氧及活性氧自由基等既有区别又有联系。由于人体内大部分自由基为氧自由基，活性氧与氧自由基的产生过程密切相关，在一定条件下可以互相转化，同时它们对人体的作用也基本相似；又由于本书主要讨论自由基对人体的作用，因此在本书的后述讨论中所称的活性氧主要指其中的氧自由基，自由基也主要指其中的氧自由基(除非另有说明)。人体内重要的活性氧(狭义)的具体产生如图1和表2所示。
O2→O2- → H2O2 → OH·→ H2O
↓ ↓
1O2 ROOH
图1 活性氧的产生
表2 机体内活性氧自由基的产生途径
| 物理因素 |
①X-射线→水射解→H·+ ·OH → O2-·
②光 → 光离→R·━ R + O2-·
∣
光激发 - O2-· |
| 化学因素 |
①无机的 M+ +O2 → M2+ + O2-·
②有机的 RH +O2 → R·+ O2-· +H+ → R + O2-·
|
| 生化因素 |
①非催化的(正铁血红蛋白Fe2+)+ O2 → (正铁血红蛋白Fe2+)+ O2-·
②催化的膜上的酶：线粒体、微粒体、质膜(如NADPH氧化酶)可溶性酶：胞内(如黄嘌呤氧化酶、髓过氧化酶) 胞外(如血浆铜蓝蛋白酶) |
(参考文献8，P235)
3 常见活性氧自由基简介
(1) 超氧化物阴离子自由基
O2若只得到一个电子，则成为带一个负电荷的离子，但仍有一个电子未配对，用O2-·表示，称之为超氧化物阴离子自由基(Superoxide Anion Radical)，或简称为超氧化物自由基(Superoxide radical)，它在生物体内不仅具有重要的生物功能，还与多种疾病有密切关系，同时它还是生物体生成的第一个氧自由基，是所有氧自由基的前身，经过一系列反应可生成其它氧自由基，因此它具有特别重要的意义。
人的体液生理pH为6.5~7.5，在生理条件下，体内生成的主要是超氧化物阴离子自由基。它在水溶液中及油溶性介质中的存活时间分别约为1秒和1小时。与其它活性氧相比，它不很活泼，因此曾经有人认为其毒性可能较小；后来研究表明，正是由于其寿命较长，可从其生成位置扩散较长的距离，到达较远处的作用靶标而具有更大的危险性。(参考文献1，P7)O2-·的毒性是机体发生氧中毒的主要原因，由它引起的损伤主要表现在使核酸链断裂、多糖解聚和不饱和脂肪酸过氧化，进而造成膜损伤、线粒体氧化磷酸化作用的改变及其他一系列的变化。(参考文献8，P236)
超氧化物阴离子自由基可受超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase, SOD)作用生成过氧化氢(H2O2)，H2O2可被过氧化氢酶(Catalase，又称触媒)或谷胱甘肽过氧化物酶(Gluta hione Peroxidase)作用而除去。所以，正常情况下体内虽有自由基生成，但因有这些酶的保护作用，细胞成分不致遭到破坏，然而当机体因故不能及时将超氧化物阴离子自由基清除掉时，H2O2能与另一分子的超氧化物阴离子自由基在铁离子或铁的复合物催化下，生成氧化性更强的羟基自由基。
超氧化物阴离子自由基还可作用于其周围的生物大分子，发生连锁反应，使自由基反应蔓延下去，它本身虽然消失了，但却产生许多其它自由基，如脂类自由基、脂类过氧自由基、嘧啶自由基、嘌呤自由基等，引起生物大分子的损伤，从而造成机体的伤害。(参考文献6，P41)
(2) 羟基自由基
羟基自由基(又称氢氧自由基，可表示为·OH、HO· 、·HO或OH)是已知氧化性最强和毒性最大的氧自由基，其氧化性比高锰酸钾和重铬酸钾还强，它几乎可以和所有细胞成分发生反应，对机体危害极大；但它的作用半径小，仅能和它的邻近分子反应，其对机体的损害将在后述章节中详细介绍。
(3) 过氧化氢(H2O2)
过氧化氢(H2O2)，即人们熟知的双氧水，原本是水(H2O)，但却多了一个氧原子(O)，这个氧原子极不稳定，总想从别的物质分子中再夺取一个氧原子，形成O2，平时我们用H2O2杀菌消毒就是因为细菌遭到H2O2的破坏而死亡，消毒时起泡是产生氧气的结果。H2O2可穿透大部分细胞膜，因此比超氧阴离子自由基(不能穿透细胞膜)具有更强的细胞毒性，穿透细胞膜后可与细胞内的铁发生反应生成羟基自由基。
(4) 单线态氧(1O2)
单线态氧((1O2)是氧气的激发态，虽不是自由基，但由于没有自旋限制，因而具有极强的反应性。
(5) 脂质过氧化物(Lipid Peroxide, LPO)
LPO指脂类中的不饱和脂肪酸与自由基发生的过氧化过程中生成烷氧自由基(RO·)、过氧自由基(ROO·)、有机氢过氧化物(ROOH)和激发态羰基(RO*)等产物的总称。Bors 等认为LPO中的RO·和ROO·对机体的损伤作用更应值得重视。(参考文献6，P233)
(5) 臭氧(O3)
大家熟知的臭氧(O3)是光化学污染的重要成分，虽然在动、植物体内无法制造，严格来讲并不属于活性氧，但它亦与生命物质反应产生自由基，因为附着在O2上的那个O极不安定，有与H2O2类似的反应特性，因此也是进攻生物分子的强氧化剂，可氧化蛋白质的胱氨酸和组氨酸，氧化不饱和脂肪酸导致脂质过氧化，这正是O3有杀菌作用的原因。(参考文献5，P26)
(6) NO自由基
NO自由基也是近年来倍受关注的自由基之一，1992年美国著名的科学杂志将其选为明星分子，关于它的某些作用机理虽未搞清楚，但是人们已发现NO自由基具有多方面的重要作用。NO是内皮细胞松弛因子，能够松弛血管平滑肌，防止血小板凝聚，是神经传导的逆信使，在学习和记忆过程中发挥着重要作用；研究表明白细胞，特别是巨噬细胞在吞噬异物或受到外界刺激时，不但产生活性氧自由基，同时还释放大量NO自由基来杀伤入侵的微生物和肿瘤细胞；NO也可损伤正常细胞，在心肌和脑组织缺血再灌注损伤过 程中起着重要作用。(参考文献1，P14)
除此以外，还有烷氧基(RO·)、烷过氧基(ROO·)等。
存在于体内的非氧自由基主要有氢自由基(Ho)、有机自由基(Ro)等。 |