謝玉英

摘要活性氧(reactive oxygen species,ROS)是細(xì)胞代謝不可避免的產(chǎn)物。細(xì)胞內(nèi)高水平的ROS直接或間接地參與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo),誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,是腫瘤及許多其他疾病的共同發(fā)病機(jī)制。介紹了活性氧的來(lái)源、對(duì)生物大分子的損傷及與人類疾病的關(guān)系。

關(guān)鍵詞活性氧;氧化損傷;疾病

中圖分類號(hào)Q7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)15-0285-02

活性氧是一系列化學(xué)性質(zhì)活潑、氧化能力強(qiáng)的含氧物質(zhì)的總稱。它是由氧直接或間接轉(zhuǎn)變的氧自由基及其衍生物,包括氧的單電子反應(yīng)產(chǎn)物O2-、HO2-、H2O2·OH-及其衍生物1O2及膜質(zhì)過(guò)氧化中間產(chǎn)物L(fēng)O·、LOO·、LOOH等比分子氧活潑的物質(zhì)。生物體內(nèi)活性氧的生成與清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),當(dāng)各種因素打破這一平衡而導(dǎo)致活性氧濃度超過(guò)生理限度時(shí)就會(huì)損傷生物大分子,包括脂質(zhì)過(guò)氧化、DNA的氧化損傷、蛋白質(zhì)的氧化和單糖氧化等,從而導(dǎo)致各種疾病發(fā)生。

1活性氧的來(lái)源

1.1正常代謝

體內(nèi)正常代謝可以產(chǎn)生活性氧。線粒體是活性氧的一個(gè)重要來(lái)源,活性氧族如超氧陰離子自由基(O2-·)、過(guò)氧化氫(H2O2)、羥自由基(OH·)和單線態(tài)氧都是有氧代謝的副產(chǎn)物。在大多數(shù)細(xì)胞中超過(guò)90%的氧是在線粒體中消耗的,其中2%的氧在線粒體內(nèi)膜和基質(zhì)中被轉(zhuǎn)變成為氧自由基。

體內(nèi)的活性氧并不總是有害的,它對(duì)機(jī)體也有有利的一面。例如,機(jī)體內(nèi)吞噬細(xì)胞在細(xì)胞膜受到刺激時(shí),通過(guò)呼吸暴發(fā)機(jī)制,產(chǎn)生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS),ROS是吞噬細(xì)胞發(fā)揮吞噬和殺傷作用的主要介質(zhì)。但是在病理?xiàng)l件下,由于活性氧的產(chǎn)生和清除失去了正常平衡,常常會(huì)造成活性氧對(duì)人體的損傷。

1.2輻射

人們很早就認(rèn)識(shí)到輻射可以在體內(nèi)產(chǎn)生活性氧。人體內(nèi)的水約占體重的60%,放射線最初的作用就是使水輻射分解,產(chǎn)生H·OH·等,破壞細(xì)胞中的核酸、蛋白質(zhì)等大分子,最終導(dǎo)致輻射病。T.Herrling等人通過(guò)電子自旋共振(electron spin resonance,ESR)的方法發(fā)現(xiàn),體外實(shí)驗(yàn)的皮膚細(xì)胞在紫外線的作用下可以產(chǎn)生氧自由基,并且這種輻射的效果與輻射強(qiáng)度和射線對(duì)皮膚的穿透作用的大小有關(guān)。

1.3化學(xué)因素

許多化學(xué)藥物如抗癌劑、抗生素、殺蟲(chóng)劑、麻醉劑、芳香烴類等都可以誘導(dǎo)產(chǎn)生活性氧。高壓氧也可以誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生。M.Chavko和A.L.Harabin對(duì)在5個(gè)大氣壓下飼養(yǎng)的大鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn),可以檢測(cè)到脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的過(guò)氧化,同時(shí)還原型谷胱甘肽有下降的趨勢(shì),表明有氧化損傷的存在。另外,過(guò)渡金屬離子對(duì)活性氧的形成很重要,這些離子去除電子的能力是形成和擴(kuò)展許多毒性極大的活性氧反應(yīng)的基礎(chǔ)。最典型的例子就是鐵催化的Fenton型反應(yīng),即毒性較低的過(guò)氧化氫在過(guò)渡金屬鐵存在的情況下,生成活性極高的羥自由基,從而產(chǎn)生更大的毒害作用。

2活性氧對(duì)生物大分子的氧化損傷

2.1對(duì)核酸的氧化損傷

DNA的氧化損傷主要包括:一是堿基的修飾。羥基自由基可對(duì)胸腺嘧啶的5,6-雙鍵進(jìn)行加成,形成胸腺嘧啶自由基。堿基的改變可導(dǎo)致其基團(tuán)控制下的許多生化與蛋白合成過(guò)程受到破壞。二是鍵的斷裂。自由基從DNA的戊糖奪取了氫原子,使之在C4位置形成具有未配對(duì)電子的自由基,然后,此自由基又在β-位置發(fā)生鏈的斷裂。1O2也能分解核苷酸,尤其是鳥(niǎo)苷酸,對(duì)鳥(niǎo)苷、腺苷、胞苷及尿苷分解的比例為26∶13∶8∶1。受到氧化損傷后的DNA可能會(huì)發(fā)生斷裂、突變以及對(duì)熱穩(wěn)定性改變等,從而嚴(yán)重影響了遺傳信息的正常轉(zhuǎn)錄、翻譯過(guò)程。

許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,線粒體DNA(mtDNA)突變與氧自由基損傷關(guān)系密切。與核DNA(nDAN)相比:mtDNA裸露無(wú)組蛋白保護(hù)且缺乏有效的修復(fù)系統(tǒng),因此其突變率遠(yuǎn)高于nDNA(為其10~100倍),并且在細(xì)胞內(nèi)不斷積累;mtDNA具有極其經(jīng)濟(jì)的基因排列,既無(wú)內(nèi)含子又有部分區(qū)域基因重復(fù)使用,因此任何突變都可能成為造成重要功能缺陷的病理性突變。呼吸暴發(fā)是產(chǎn)生氧自由基的重要來(lái)源,線粒體正是這一過(guò)程的重要場(chǎng)所,而且mtDNA缺乏修復(fù)能力,所以mtDNA很易被自由基損傷并不斷積累。近年來(lái),mtDNA突變相關(guān)疾病不斷地發(fā)生,突變類型大致可分為堿基替換突變和重組突變2種。研究資料顯示,怕金森病(PD)、阿耳茨海默氏病(AD)和慢性進(jìn)行性舞蹈病(HD)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)與氧化磷酸化缺陷關(guān)系最為密切的幾種退行性疾病,均有不同程度的mtDNA突變。

2.2對(duì)蛋白質(zhì)的氧化損傷

活性氧對(duì)蛋白質(zhì)的作用包括修飾氨基酸,使肽鏈斷裂,形成蛋白質(zhì)的交聯(lián)聚合物,改變構(gòu)像和免疫原性等5個(gè)方面。一是修飾氨基酸。蛋白質(zhì)分子中起關(guān)鍵作用的氨基酸成分對(duì)自由基損害特別敏感,以芳香氨基酸和含硫氨基酸最為突出,不同的自由基對(duì)特定氨基酸側(cè)鏈有特殊影響,如超氧陰離子介導(dǎo)甲硫氨酸氧化成為甲硫氨酸亞砜,半胱氨酸氧化成為磺基丙氨酸;羥自由基可以將脂肪族氨基酸α-位置上的一個(gè)氫原子去掉;烷氧自由基和過(guò)氧自由基等中間產(chǎn)物可以使色氨酸氧化為犬尿氨酸、N-甲基犬尿氨酸和五羥色氨酸。二是使肽鏈斷裂?；钚匝跛碌鞍踪|(zhì)肽鏈斷裂方式有2種,一種是肽鏈水解,另一種是從α-碳原子處直接斷裂,究竟以何種方式斷裂取決于活性氧和蛋白質(zhì)的類型、濃度和二者之間的反應(yīng)速率。肽鍵的水解常發(fā)生在脯氨酸處,其機(jī)制為活性氧攻擊脯氨酸使之引入羰基而生成α-吡咯烷酮,經(jīng)水解與其相鄰的氨基酸斷開(kāi),α-吡咯烷酮成為新的N-末端,可以進(jìn)一步水解成為谷氨酰胺。肽鏈直接斷裂的方式是活性氧攻擊α-碳原子生成α-碳過(guò)氧基,后者轉(zhuǎn)化為亞氨基肽,經(jīng)過(guò)弱酸水解為氨基酸和雙羧基化合物。李培峰、方允中將過(guò)氧化氫和抗壞血酸-Fe(III)分別作用于SOD,然后用高效液相反相色譜(RPHPLC)分析,兩者均可以造成肽段斷裂,分離出多個(gè)肽段,而正常的SOD僅1個(gè)肽段。三是形成蛋白質(zhì)交聯(lián)聚合物。多種機(jī)制可以導(dǎo)致蛋白質(zhì)的交聯(lián)和聚合。蛋白質(zhì)分子中的酪氨酸可以形成二酪氨酸,半胱氨酸氧化形成二硫鍵,兩者均可以形成蛋白質(zhì)的交聯(lián)。交聯(lián)可以分為分子內(nèi)交聯(lián)和分子間交聯(lián)2種形式。蛋白質(zhì)分子中酪氨酸和半胱氨酸的數(shù)目可以決定交聯(lián)的形式。另外,脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)生的丙二醛(MDA)與蛋白質(zhì)氨基酸殘基反應(yīng)生成烯胺,也可以造成蛋白質(zhì)交聯(lián)。生物體內(nèi)單糖自動(dòng)氧化的α-羰醛產(chǎn)物可以與蛋白質(zhì)交聯(lián)而使酶失活,并使膜變形性下降,導(dǎo)致細(xì)胞衰老與死亡。四是改變構(gòu)像。蛋白質(zhì)經(jīng)氧化后,熱動(dòng)力學(xué)上不穩(wěn)定,部分三級(jí)結(jié)構(gòu)打開(kāi),失去原有構(gòu)像。用H2O2和抗壞血酸-Fe(III)氧化SOD,其紫外吸收增強(qiáng),內(nèi)源性熒光減弱,表明酶分子由緊密有序排列趨于松散無(wú)序。用自旋標(biāo)記研究,探測(cè)到較低濃度抗壞血酸-Fe(III)和H2O2,就可以影響到SOD分子亞基締合或其周圍的結(jié)構(gòu)。五是改變免疫原性。用H2O2,或H2O2,-Cu2+和抗壞血酸-Fe(III)體系作用于牛紅細(xì)胞銅鋅超氧化物歧化酶(SOD),人血清白蛋白(HAS)和人IgG,結(jié)果發(fā)現(xiàn)SOD、HAS和IgG與其抗體反應(yīng)增強(qiáng),提示活性氧可能參與了某些自身免疫性疾病中抗原抗體復(fù)合物的形成過(guò)程。

2.3對(duì)生物膜的損傷

自由基對(duì)生物膜的損傷是作用于細(xì)胞膜及亞細(xì)胞器膜上的多不飽和脂肪酸,使其發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),脂質(zhì)過(guò)氧化的中間產(chǎn)物脂自由基(L·)、脂氧自由基(LO·)、脂過(guò)氧自由基(LOO·)可以與膜蛋白發(fā)生攫氫反應(yīng)生成蛋白質(zhì)自由基,使蛋白質(zhì)發(fā)生聚合和交聯(lián)。另外,脂質(zhì)過(guò)氧化的羰基產(chǎn)物(如丙二醛)也可攻擊膜蛋白分子的氨基,導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子內(nèi)交聯(lián)和分子間交聯(lián)。另一方面自由基也可直接與膜上的酶或與受體共價(jià)結(jié)合。這些氧化損傷破壞了鑲嵌于膜系統(tǒng)上的許多酶和受體、離子通道的空間構(gòu)型,使膜的完整性被破壞、膜流動(dòng)性下降,膜脆性增加,細(xì)胞內(nèi)外或細(xì)胞器內(nèi)外物質(zhì)和信息交換障礙,影響膜的功能與抗原特異性,導(dǎo)致廣泛性損傷和病變。機(jī)體中HO·大部分在細(xì)胞器中產(chǎn)生,特別是在線粒體中產(chǎn)生,造成線粒體膜的損傷,導(dǎo)致細(xì)胞和機(jī)體的能量代謝障礙。近年來(lái)發(fā)生在我國(guó)與俄羅斯東部山區(qū)低硒地帶的克山病及大骨節(jié)病,可認(rèn)為是一種以心肌線粒體膜損害為主要特征的膜疾病。它分布在我國(guó)的低硒貧困山區(qū),由于組織缺硒,GSH-Px活性低,抗氧化能力下降,這直接導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)氧自由基和脂質(zhì)過(guò)氧化水平增加,同時(shí)出現(xiàn)膜系統(tǒng)的氧化損傷。

3活性氧與各種疾病

3.1活性氧與糖尿病

糖尿病是一種常見(jiàn)病、多發(fā)病,其患病人數(shù)正隨著人民生活水平的提高、人口老齡化、生活方式的改變及診斷技術(shù)的進(jìn)步而迅速增加。迄今為止,糖尿病的發(fā)病機(jī)制仍不清楚。但近年來(lái)關(guān)于糖尿病與氧化應(yīng)激損傷,以及抗氧化劑(自由基清除劑)防治糖尿病的流行病學(xué)和臨床研究資料普遍受到關(guān)注,一系列動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床研究均發(fā)現(xiàn)糖尿病模型動(dòng)物及患者體內(nèi)存在明顯的氧化應(yīng)激,在血液和組織中均發(fā)現(xiàn)了氧化損傷的證據(jù)。高氧化應(yīng)激狀態(tài)可能啟動(dòng)或加重胰腺組織、胰島素的靶組織以及其他組織的損傷,導(dǎo)致胰島素產(chǎn)生、分泌障礙、活性改變、糖代謝紊亂以及其他并發(fā)癥。氧化應(yīng)激產(chǎn)生的確切原因尚不清楚,可能與下列因素有關(guān):葡萄糖及糖化蛋白自動(dòng)氧化產(chǎn)生自由基;糖尿病患者血清中單胺氧化酶活性增高及多形核白細(xì)胞活化使超氧陰離子產(chǎn)生增加;單糖自動(dòng)氧化產(chǎn)生的酮醛亦可進(jìn)一步氧化修飾蛋白質(zhì),導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能改變而參與氧化應(yīng)激;氧化應(yīng)激可因組織損傷、細(xì)胞死亡以及自由基清除能力降低而加強(qiáng)。

3.2活性氧與自身免疫疾病

自身免疫疾病(autoimmunedisease,AID)是指由于過(guò)度而持久的自身免疫反應(yīng)導(dǎo)致組織器官損傷,引起相應(yīng)器官功能紊亂的一類疾病。如系統(tǒng)性紅斑狼瘡、彌散性硬皮病、潰瘍性結(jié)腸炎、成膠質(zhì)病變和Crohnn氏病等,其特點(diǎn)是血清中出現(xiàn)多種自身抗體,其中最重要的是抗雙鏈DNA(dsDNA)抗體,抗dsDNA抗體與循環(huán)中相應(yīng)抗原結(jié)合成免疫復(fù)合物后,可沉積于腎小球,引起炎癥反應(yīng),在炎癥細(xì)胞及其產(chǎn)生的介質(zhì)參與下,發(fā)生狼瘡腎炎,但其發(fā)生機(jī)制仍不清楚。過(guò)去認(rèn)為AID是免疫系統(tǒng)對(duì)自體組織發(fā)生免疫反應(yīng)所致,然而,近年來(lái)自由基生物學(xué)和自由基醫(yī)學(xué)對(duì)AID進(jìn)一步研究表明,自身免疫反應(yīng)的機(jī)理可能是某些生物大分子受自由基損傷后,其免疫原性發(fā)生改變,造成自體反應(yīng),即自由基損傷過(guò)程,這將進(jìn)一步造成某些生物大分子的抗原性改變,加重自體反應(yīng)。有研究表明,β2糖蛋白1(β2GP1)因其富含半胱氨酸和絲氨酸,對(duì)氧化因素較其他蛋白質(zhì)敏感,易受到自由基損傷,從而導(dǎo)致新的抗原決定簇或復(fù)合物形成,使機(jī)體產(chǎn)生自身抗體,發(fā)展為AID。提示自身成分β2GP1的氧化損傷,是AID發(fā)生過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。另一方面,也為從清除自由基角度治療AID提供理論依據(jù)。

3.3活性氧與男性不育

在人類生殖中,男性生殖道中ROS產(chǎn)生和清除之間存在一種平衡。與男性生殖道異常相關(guān)的ROS過(guò)量產(chǎn)生,能損傷精子和精漿的全部抗氧化防御措施,當(dāng)超過(guò)臨界水平時(shí),引起一種氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS)狀態(tài)。ROS從脂肪酸側(cè)鏈甲烯碳中奪取氫原子可啟動(dòng)脂質(zhì)的過(guò)氧化,脂肪酸側(cè)鏈中雙鏈數(shù)目越多越容易失去氫原子,被奪去氫原子的脂質(zhì)過(guò)氧化物又可從相鄰脂肪酸側(cè)鏈中奪取氫原子而擴(kuò)展脂質(zhì)過(guò)氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。精子膜上富含多聚不飽和脂肪酸,后者具有2個(gè)或更多的雙鏈,因此易受ROS攻擊,發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng),導(dǎo)致精子膜發(fā)生過(guò)氧化改變的損傷。過(guò)量的氧自由基能使精子質(zhì)膜的脂質(zhì)發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng),質(zhì)膜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致精子中段缺陷數(shù)增高、活動(dòng)度下降,都將損及精子獲能和頂體反應(yīng)的發(fā)生,影響精子的受精能力。Tomes等認(rèn)為精子尾部蛋白酪氨酸基團(tuán)磷酸化可能是精子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的機(jī)制之一。ROS可使色氨酸、鳥(niǎo)氨酸等硝基化或輕化,使巰基氧化,導(dǎo)致生殖系統(tǒng)中使精子蛋白酪氨酸磷酸化——去磷酸化作用的一些酶以及與精子運(yùn)動(dòng)有關(guān)的許多重要的酶被抑制、滅活以及活性部位破壞,影響精子的運(yùn)動(dòng)。在不育男性精液的高水平ROS往往伴隨超出正常的精子DNA斷裂。精子在體外與ROS共同孵育,可顯著增加DNA片段,抗氧化劑預(yù)保護(hù)可降低對(duì)DNA的損傷。Trisini等運(yùn)用彗星實(shí)驗(yàn)檢測(cè)精子DNA,發(fā)現(xiàn)具有高水平DNA片段的精子的運(yùn)動(dòng)能力、密度也下降。

4參考文獻(xiàn)

[1] 李冰冰,趙倩,張龍富.活性氧與蛋白質(zhì)氧化損傷[J].平頂山工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,14(5):16-19.

[2] 張申,衛(wèi)濤濤.生物大分子的氧化損傷與疾病[J].懷化醫(yī)專學(xué)報(bào),2006,5(1):81-84.

[3] 譚迎春,陳子江.活性氧與男性不育[J].中國(guó)男科學(xué)雜志,2006,20(4):68-71.

[4] ASEHNOUNE K,STRASSHEIM D,MITRA S,et al.Involverrent of reactive oxygen species in toll-like receptor4-dependent activation of NF-kappa B[J].J 1nmuno1,2004,172(4):2522-2529.

[5] GORDEEVA A V,ZVYAGILSKAYA R A,IABAS Y A.Cross-talk between reactive oxygen species and calciuninliving cells [J].Biochamistry,2003,68(10):1077-1080.