動脈粥樣硬化:第二節(jié)　自由基的來源

一、概念

大多數化學鍵由雙電子形成。這種鍵斷裂時有二種可能：一種是異裂反應，成鍵的兩個電子分給兩種分裂產物之一，生成物為離子。另一種是均裂反應，兩個電子均分給兩個產物，此過程中產生的分裂物稱為自由基（free-radical)，在溶液中呈均一狀態(tài)。自由基是指分子、原子或基團中有未配對電子的一類物質，如下述反應中的A·和B·，還有NO、NO₂、I·及Na·等均具有未配對電子。絕大多數自由基壽命短，生成后不穩(wěn)定，易被周圍環(huán)境吸收。在化學反應機理的研究中，發(fā)現自由基參與的反應占相當大比例。

二、自由基的來源

機體在代謝中不斷地產生自由基，在酶催化的電子轉移及氧化還原反應中，有許多自由基中間體參與；某些藥物在體內以自由基中間體的活性形式發(fā)揮作用；在光化學反應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或離子化；最終是化學鍵被切生成自由基，使機體被損害，這是放射線對生物直接作用的結果，這種方式是少量的。生物體內含有大量水，放射線首先使水分解，產生反應性非常高的自由基如H·和·OH等，H·和·OH可產生多種效應如破壞機體各組織細胞等，這是放射線對生物間接作用的結果。

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)機體周圍自由基前身物的轉變

我們周圍環(huán)境有各種自由基或產生自由基的多種物質存在，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太陽紫外線照射及光分解產生多種碳的自由基及鹵原子；大氣中的臭氧也可能轉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、激素和類固醇等經機體攝取后，在代謝過程中也容易產生自由基。

（三)生物體內活性氧的生成

機體在代謝中不斷產生的自由基，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σ鍵和兩個三電子π鍵，其簡化結構式為

。O₂可呈現兩種狀態(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

氧化能力的指標是以氧分子的還原分子之間的標準氧化還原電位（E₀¹)而定，如圖9-1所示。

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

圖9-3 脂質過氧化反應及其脂質自由基的生成（LOOH、LOO、LO·)

氧是一個重要的電子受體，因所得電子數不同，氧可產生多種還原產物：O₂^-、·OH及H₂O₂，他們的E₀¹均比O₂高，具有強的氧化能力。

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又可進一步使脂肪酸氧化，脂質過氧化反應及其脂質自由基的生成如圖9-3示。

以上所述的¹O₂、O₂^-、H₂O₂、·OH及LOOH等統(tǒng)稱為活性氧，但是體內不能產生活性的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

（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O₂^-形成存在，即HO₂

H⁺+O₂^-。O₂^-是O₂被一個電子還原生成，再由O₂^-產生其它活性氧，O₂^-是造成氧毒性的主要物質，在pH7.0時，O₂^-/O₂和（2H⁺、O₂^-)/H₂O₂的E₀¹相應為-330毫伏和+940毫伏，O₂^-既可起氧化作用，也可作為還原劑，當O₂^-作為還原劑時，產物為H₂O₂。

O₂^-的消除主要經超氧化物歧化酶（SOD)催化生成O₂和H₂O₂：

k=2.37×m.52667788.cn/yaoshi/10⁹M^-1S^-1,O₂^-也可自身進行歧化反應，反應速度相當慢：

H₂O₂與O₂^-反應可生成反應性更高的HO·及¹O₂：

O₂^-可被維生素C還原生成H₂O₂，維生素C使O₂^-還原的速度常數為2.7×10⁹M^-1S^-1，與SOD催化的反應速度常數相當，細胞內維生素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，經兩個電子還原生成H₂O₂，在線粒體中也能直接生成H₂O₂。H₂O經放射線照射，一次生成·OH，再生成H₂O₂。

H₂O₂較穩(wěn)定，反應性低，在體內濃度也比較低，（大鼠肝臟中為10^-9M)，對機體幾乎無毒性；H₂O₂可與鐵離子生成反應性非常高的·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：2H₂O₂→2H₂O+O₂；二是谷胱甘肽過氧化物酶。在GSH參與下使H₂O₂www.med126.com分解，GSH則變成氧化型谷胱甘肽。這兩種酶可消除體內H₂O₂及過氧化物，防止血紅蛋白及肝細胞膜部分被氧化破壞的可能。

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

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，成功地檢出白細胞內產生的·OH，因DMPO與·OH形成一個較穩(wěn)定的加成物DMPO-HO·。另外也可采用生物反應檢出。

（4)單線態(tài)分子氧（¹O₂)：¹O₂是一個強的親電子性的氧化劑，可用化學方法生成，也可由H₂O₂經氧化生成，即H₂O₂由次氯酸氧化生成¹O₂：

NaClO+H₂O₂→¹O₂+NaCl+H₂O₂

¹O₂可與芳香族碳氫化合物進行一系列的反應。

¹O₂可將能量轉移給其他物質而變成³O₂，在此過程中，物質（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¹O₂→³O₂+hυ的化學發(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數器檢測微粒體中產生的¹O₂已獲得成功。

（5)過氧化脂類：人體內主要有亞油酸、亞麻酸及花生四烯酸，多以磷脂形式存在于質膜等生物膜中。這些不飽和脂肪酸可受¹O₂氧化，也可經·OH氧化生成過氧化脂質，生物膜上脂類既可在O₂^-作用下生成過氧化脂質（LO·、LOO·、LOOH)，也可經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·，在氧參與下進行鏈鎖反應，加速過氧化過程，如圖9-3所示。過氧化脂質化學性質活潑，易進一步使脂類分解引起自由基反應，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。