動(dòng)脈粥樣硬化:第二節(jié)　自由基的來(lái)源

一、概念

大多數(shù)化學(xué)鍵由雙電子形成。這種鍵斷裂時(shí)有二種可能：一種是異裂反應(yīng)，成鍵的兩個(gè)電子分給兩種分裂產(chǎn)物之一，生成物為離子。另一種是均裂反應(yīng)，兩個(gè)電子均分給兩個(gè)產(chǎn)物，此過(guò)程中產(chǎn)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(tuán)中有未配對(duì)電子的一類物質(zhì)，如下述反應(yīng)中的A·和B·，還有NO、NO₂、I·及Na·等均具有未配對(duì)電子。絕大多數(shù)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(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究中，發(fā)現(xiàn)自由基參與的反應(yīng)占相當(dāng)大比例。

二、自由基的來(lái)源

機(jī)體在代謝中不斷地產(chǎn)生自由基，在酶催化的電子轉(zhuǎn)移及氧化還原反應(yīng)中，有許多自由基中間體參與；某些藥物在體內(nèi)以自由基中間體的活性形式發(fā)揮作用；在光化學(xué)反應(yīng)及放射中多以自由基發(fā)揮作用。生物體的自由基可通過(guò)下面幾種方式產(chǎn)生。

（一)放射線照射

放射性可直接或間接地對(duì)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(lì)或離子化；最終是化學(xué)鍵被切生成自由基，使機(jī)體被損害，這是放射線對(duì)生物直接作用的結(jié)果，這種方式是少量的。生物體內(nèi)含有大量水，放射線首先使水分解，產(chǎn)生反應(yīng)性非常高的自由基如H·和·OH等，H·和·OH可產(chǎn)生多種效應(yīng)如破壞機(jī)體各組織細(xì)胞等，這是放射線對(duì)生物間接作用的結(jié)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(guò)程。

（二)機(jī)體周圍自由基前身物的轉(zhuǎn)變

我們周圍環(huán)境有各種自由基或產(chǎn)生自由基的多種物質(zhì)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(jīng)太陽(yáng)紫外線照射及光分解產(chǎn)生多種碳的自由基及鹵原子；大氣中的臭氧也可能轉(zhuǎn)變成過(guò)氧化物自由基。食物中某些成分如茶葉在空氣中放置過(guò)久，自由基含量會(huì)升高，還有一些脂類含有自由基的前身物以及過(guò)氧化物、某些藥物、激素和類固醇等經(jīng)機(jī)體攝取后，在代謝過(guò)程中也容易產(chǎn)生自由基。

（三)生物體內(nèi)活性氧的生成

機(jī)體在代謝中不斷產(chǎn)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(gè)σ鍵和兩個(gè)三電子π鍵，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)式為

。O₂可呈現(xiàn)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(biāo)是以氧分子的還原分子之間的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位（pH7.0)O:1.0Atm

圖9-3 脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)及其脂質(zhì)自由基的生成（LOOH、LOO、LO·)

氧是一個(gè)重要的電子受體，因所得電子數(shù)不同，氧可產(chǎn)生多種還原產(chǎn)物：O₂^-、·OH及H₂O₂，他們的E₀¹均比O₂高，具有強(qiáng)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(guò)氧化脂（LOOH)，LOOH又可進(jìn)一步使脂肪酸氧化，脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)及其脂質(zhì)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(nèi)不能產(chǎn)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(zhì)

（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O(shè)₂^-形成存在，即HO₂

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

O₂^-的消除主要經(jīng)超氧化物歧化酶（SOD)催化生成O₂和H₂O₂：

k=2.37×f1411.cn/yaoshi/10⁹M^-1S^-1,O₂^-也可自身進(jìn)行歧化反應(yīng)，反應(yīng)速度相當(dāng)慢：

H₂O₂與O₂^-反應(yīng)可生成反應(yīng)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(shù)為2.7×10⁹M^-1S^-1，與SOD催化的反應(yīng)速度常數(shù)相當(dāng)，細(xì)胞內(nèi)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(dāng)于SOD的10%。

由于O₂^-壽命短，檢測(cè)有一定困難，只能用電子順磁共振波譜（ERR)檢出。

（2)過(guò)氧化氫（H₂O₂)：H₂O₂可由O₂^-的歧化反應(yīng)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(jīng)兩個(gè)電子還原生成H₂O₂，在線粒體中也能直接生成H₂O₂。H₂O經(jīng)放射線照射，一次生成·OH，再生成H₂O₂。

H₂O₂較穩(wěn)定，反應(yīng)性低，在體內(nèi)濃度也比較低，（大鼠肝臟中為10^-9M)，對(duì)機(jī)體幾乎無(wú)毒性；H₂O₂可與鐵離子生成反應(yīng)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(guò)氧化氫酶，催化H₂O₂歧化反應(yīng)：2H₂O₂→2H₂O+O₂；二是谷胱甘肽過(guò)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(nèi)H₂O₂及過(guò)氧化物，防止血紅蛋白及肝細(xì)胞膜部分被氧化破壞的可能。

（3)氫氧自由基（·OH)：體內(nèi)·OH從O₂直接生成的反應(yīng)尚不清楚，機(jī)體可由O₂^-生成系與H₂O₂生成系共同形成·OH自由基。水經(jīng)放射線照射后的一級(jí)反應(yīng)產(chǎn)物是·OH，由于·OH氧化能力很強(qiáng)，因此對(duì)機(jī)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(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的·OH，因DMPO與·OH形成一個(gè)較穩(wěn)定的加成物DMPO-HO·。另外也可采用生物反應(yīng)檢出。

（4)單線態(tài)分子氧（¹O₂)：¹O₂是一個(gè)強(qiáng)的親電子性的氧化劑，可用化學(xué)方法生成，也可由H₂O₂經(jīng)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?xì)浠�合物進(jìn)行一系列的反應(yīng)。

¹O₂可將能量轉(zhuǎn)移給其他物質(zhì)而變成³O₂，在此過(guò)程中，物質(zhì)（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(cè)出¹O₂有一定困難，最直接的證明是經(jīng)¹O₂→³O₂+hυ的化學(xué)發(fā)光觀察，¹O₂單分子發(fā)光波長(zhǎng)為1269微米及760微米。¹O₂的壽命在D₂O中比在水中長(zhǎng)10倍，以此均可證明¹O₂的存在。最近有人利用光子計(jì)數(shù)器檢測(cè)微粒體中產(chǎn)生的¹O₂已獲得成功。

（5)過(guò)氧化脂類：人體內(nèi)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(zhì)膜等生物膜中。這些不飽和脂肪酸可受¹O₂氧化，也可經(jīng)·OH氧化生成過(guò)氧化脂質(zhì)，生物膜上脂類既可在O₂^-作用下生成過(guò)氧化脂質(zhì)（LO·、LOO·、LOOH)，也可經(jīng)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(jìn)行鏈鎖反應(yīng)，加速過(guò)氧化過(guò)程，如圖9-3所示。過(guò)氧化脂質(zhì)化學(xué)性質(zhì)活潑，易進(jìn)一步使脂類分解引起自由基反應(yīng)，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(guò)程如圖9-4所示。