自由基与疾病研究进展

摘　要：随着基础医学和生命科学的不断发展，人们对自由基的研究越来越多，其中就有大量关于自由基与疾病的研究。自由基作为机体的正常代谢产物，在平衡状态下，其在抗菌、消炎和抑制肿瘤等方面具有重要作用和意义；一旦平衡被打破，如机体受到疾病或某些外源性药物和毒物的侵害，自由基便会产生强大的伤害作用，造成生物膜的脂质过氧化损伤，引起酶、氨基酸、蛋白质的氧化破坏，对内脏器官、免疫系统的形态功能产生影响，从而引起机体疾病，甚至死亡。目前，研究发现很多疾病的发生发展都与自由基有关。文章就自由基的产生、种类、与疾病的关系及清除进行了综述。

关键词：自由基；疾病；应用

1900年，Comberg提出了“有机自由基(organic freeradical)”这一概念。此后，大量关于自由基的医学和生命科学研究迅速开展起来。20世纪50年代，Harman提出了“自由基学说(freeradicaltheory)”，并于1956年发现放射线诱导突变和诱发肿瘤的发病机理与自由基有关。1968年，McCord和Fridovich报道了超氧化物歧化酶(superoxidedismutase， SOD)在抗氧化方面的生物学作用，开创了自由基生物学的新篇章。自由基(free radicals，FRs)指的是那些游离存在的，含有1个或1个以上不配对电子的分子、离子、原子或原子团，它们是机体正常代谢的产物，在体内有很强的氧化反应能力，易对蛋白质、脂质和核酸等产生伤害，从而引起机体的损伤。自由基也是机体内不可缺少的活性物质，它可作为第二信使参与细胞信号转导。正常情况下，机体的氧化与抗氧化处于一种动态平衡，但在患病或衰老等状态下，会出现由于自由基水平升高而导致的病理现象。

1　机体中自由基的产生及种类

1.1　自由基的产生

自由基的形成主要有共价键均裂法和电子俘获法2种方式。前者是指共价化合物均裂时共用的电子对被双方平均获得，所形成的产物即为自由基，如A：B→A・＋B・。后者是指带有成对电子的有机化合物或无机化合物俘获了一个电子，就可因带有不成对电子而成为自由基，如O2 ＋e→O 。体内

活性物质代谢异常时也可产生自由基，如细胞硫醇和对苯二酚等发生自氧化或蛋白酶等的催化反应都可引起自由基水平升高。

1.2　自由基的种类

1.2.1　活性氧及氧自由基　活性氧(reactive oxygen species，ROS)是指由氧形成并在分子组成上有氧的一类化学性质非常活泼的物质的总称。氧自由基是由活性氧衍生而来的一类自由基。其约占机体总自由基的95%以上，包括超氧阴离子O，羟自由基OH・，过氧化氢H2O2，单线态氧’O 2，三线态氧3O 2等。它们对细胞膜、脂肪组织和蛋白质都会产生影响，从而引起疾病。

1.2.2　脂类自由基和脂类过氧化物　在活性氧的作用下，组织细胞会因脂质过氧化而产生脂类自由基，如脂自由基L・，烷自由基R・，脂氧基LO・，烷过氧基ROO・，脂氢过氧化物LOOH等。它们的性质稳定且寿命长，可蔓延而发生连锁反应，造成更严重的损伤。生物和理化因素也可引起脂质过氧化，其反应过程及产物脂质过氧化物(lipidperoxidation， LPO)对机体都有严重的损害。

1.2.3　半醌类自由基　通常是指磺素类蛋白、辅酶Q(泛醌)的单电子还原形式或氧化形式。它们一般由苯醌和苯酚类化合物发生氧化还原反应而产生，且广泛产生于许多生命过程之中。这两类化合物在电子传导中起特殊作用，此类自由基还是线粒体中执行功能的主要自由基。

2　自由基与疾病及其对机体的影响

2.1　自由基对DNA的氧化损伤

OH・能与DNA碱基发生反应而损伤碱基，主要表现为氢抽提、电子转移和加成。抽氢反应发生在胸腺嘧啶的甲基基团和脱氧核糖的C原子上，5个C原子发生抽氢反应的几率一致。此外，OH・能与碱基发生电子转移，OH・转变为OH－，而碱基则变为相应的碱基自由基，从而损伤碱基。OH・能与DNA碱基杂环的双键加成，在嘧啶碱基的C5和C6位，分别生成C5-OH和C6-OH加合物自由基；DizdarogluM等认为，OH・攻击嘌呤碱基时，加成反应发生在C4、C5及C8位上。

DNA链的断裂也是DNA损伤的表现之一。其主要是在OH・攻击下脱氧核糖遭破坏，磷酸二酯键发生断裂或碱基遭破坏或脱落。此外，电离辐射通过对生物大分子的直接和间接作用导致DNA损伤。辐射离子在体内产生次级高能离子和自由基(如OH・，H・)，其作用于DNA，从而引起DNA链的断裂。

2.2　自由基对血管平滑肌的影响

血管内皮细胞、脑细胞及吞噬细胞均可产生稳定的一氧化氮自由基NO・。NO・是血管松弛因子的主要形式，因为它能激活平滑肌与血小板的鸟苷酸环化酶生成cGMP，cGMP可促进血管平滑肌松弛并抑制血小板聚集黏附于内皮细胞。

2.3　自由基对生物膜的损伤

自由基学说认为，在氧存在的情况下，自由基引发剂可氧化细胞内外的多种生化成分。生物膜主要成分是脂质、蛋白质和糖类，脂质以磷脂为主，而磷脂则多由多聚不饱和脂肪酸(polyunsaturatedfatty acid，PUFA)组成，PUFA有多个弱键和不饱和键，自由基对其有很高的亲合力，因此生物膜易受自由基攻击而发生过氧化连锁反应，从而造成生物膜的脂质过氧化损伤。氧自由基是机体内的主要自由基，其可引起肝细胞膜、线粒体膜、微粒体膜和溶酶体膜发生脂质过氧化，产生LPO，LPO及其降解产物(醛类及烃类)可加重生物膜的损伤，破坏膜的稳定性和完整性，使其通透性增加，最终导致肝细胞的坏死。此外，红细胞膜发生脂质过氧化损伤后，通透性增加，细胞变脆，易发生溶血；当有Fe2＋，Cu＋等存在时，线粒体膜在其作用下，邻近的H2O2会分解为OH・，使膜肿胀甚至消失。

2.4　自由基对内脏器官的影响

已经证实，自由基能引起多种器官功能异常或组织病变。脂质过氧化物沉积于心、肾、脑等器官会影响它们的结构、形态和功能。自由基代谢的紊乱一定程度上会影响肾小球肾炎的发生；肝炎、肝硬化患者LPO和自由基的水平有明显升高；心血管疾病的发病机理与自由基水平有关。姜昕等通过注射内毒素，建立多脏器衰竭模型，发现心、肺、肝、肾均出现淤血、出血、变性和坏死等病理变化；同时检测到各脏器内自由基和丙二醛含量均有明显升高，认为自由基参与了感染性多脏器衰竭的发生发展。敖平星等通过注射二恶英，发现二恶英染毒急性清洁级SD大鼠后，诱生过多的自由基，引起体内自由基积累而对肝脏造成脂质过氧化，膜酶受损，整个细胞稳态被扰乱，从而也证明了自由基对内脏器官具有损伤作用。

2.5　自由基对免疫系统功能的破坏

研究表明，自由基抑制淋巴细胞的增生分化，抑制其对刺激原的反应性及细胞的功能。T，K，NK等细胞亚群对自由基都有不同程度的敏感性；自由基对T细胞的抑制是可逆的，是一种非细胞破坏性的作用。自由基作用于K细胞，使其结构功能均发生改变，减弱其对靶细胞的识别能力；此外，其参与的抗体依赖性细胞介导的细胞毒作用也受到抑制。受自由基影响，NK细胞对肿瘤细胞的杀伤能力显著减弱。

2.6　自由基与炎症的关系

炎症发生的主要原因是ROS的产生。中性粒细胞具有吞噬和杀灭细菌的功能，但其在抗感染过程中释放了大量自由基。首先，当中性粒细胞被激活时，细胞膜上的NADPH氧化酶也被激活，还将还原型NADPH的一个电子传递给氧分子而形成O。其次，大量的中性粒细胞发生趋化，产生大量的氧自由基，过剩的O若得不到及时的分解便会渗入细胞周围，从而破坏正常的细胞。但炎症过程中，自由基在一定程度上也可促进炎性细胞吞噬或杀灭细菌；此外，髓过氧化物(myeloperoxidase，MPO)和一些卤素作用也能起到相同效果。

2.7　自由基与肿瘤

肿瘤的发生与多种因素有关，如物理、化学、生物、遗传等，但以化学因素最为重要。国际癌症研究中心曾提出80%～90%人类肿瘤是由化学物质所引起。大部分的化学致癌物在其代谢为最终致癌产物的过程中都有产生自由基的中间过程。这些致癌化学复合物可通过单电子的转移产生以C，H，O或S原子为中心的自由基。国外研究还发现肿瘤细胞可产生超氧阴离子，而许多肿瘤病人的瘤细胞中氧自由基清除系统存在障碍。自由基参与人体的癌变过程，主要是自由基能引起致癌物质在人体内的扩展和连锁反应，攻击DNA造成多种形式的损伤，从而诱发肿瘤形成。

3　自由基的清除

3.1　大分子酶促自由基清除系统

主要是指一些酶类物质，包括SOD、过氧化氢酶(catalase，CAT)、谷光甘肽过氧化物酶(glutathioneperoxides，GSH-Px)等。其中SOD广泛存在于各种组织细胞中，它可歧化O形成H2O2。而H2O2在CAT、GSH-Px的作用下分解为H2O，从而达到消除自由基的作用。GSH-Px中的巯基能与活性氧结合，抑制脂质过氧化物的生成而保护组织细胞。

3.2　小分子抗氧化剂及其他自由基清除系统

自由基清除系统主要是指非酶类清除剂，包括维生素A和E，高浓度的抗坏血酸，β-胡萝卜素，尿酸，次氯酸，微量元素Fe、Se、Mn、Cu、Zn等。当脂质过氧化反应链遇到SOD，维生素A、E等抗氧化物后就会终止。有研究还发现，从天然中草药如黄芪、当归、五味子、枸杞、人参、杜仲、茯苓等中可筛选提纯大量抗氧化有效成分。张嘉麟等通过实验证明三七中的人参皂甙Rb1和Rg1均有很强的抗氧化作用，能增强机体防御自由基损伤的能力。吴珍红等通过蜂毒肽对自由基作用的研究证明其对自由基也有清除作用。

4　展望

从“自由基”概念的提出到现在，科学界已有大量的研究。对“自由基与疾病”关系的探讨更是成为了医学和生命科学领域的一大热点。近年来的许多研究都证实很多疾病的发生都与自由基有关，如癌症(cancer)，动脉粥样硬化症(atherosclerosis，As)，老年痴呆症(Alzheimer’s disease， AD)、帕金森综合症(Parkinson’s disease，PD)以及肌萎缩性脊髓侧索硬化症(amyotrophic lateal sclerosrs，ALS)等。而过量的ROS易诱发动物消化道疾病，引起肠道损伤及肠黏膜通透性升高，导致消化系统功能异常和肠源性感染，给畜牧业造成巨大损失。同时，大量抗自由基药物也正被开发，如依达拉奉是一种针对脑梗死急性期的新型抗自由基剂，其通过捕获自由基，抑制脑细胞的过氧化，从而减轻脑水肿和脑组织损伤。

虽然人们已认识到自由基参与了许多疾病的发生发展并起重要作用，但对其中的本质和细节并非了解透彻。自由基与多种疾病有关，可否将其作为疾病诊断中的一个辅助指标，对疾病做出初步诊断？能否通过调节其含量达到治疗相关疾病的目的？因此，炎症过程中自由基可促进炎性细胞吞噬或杀灭细菌，在抑制肿瘤方面也有一定意义，那么它们在其它方面是否也有一定的积极作用？如何进一步提高自由基清除剂对自由基损伤的防治效果？这些问题都有待于进一步的研究和探讨。相信随着对自由基在基础医学、临床医学和生物科学等方面研究的不断深入，人们对自由基将有更多的认识并在自由基与相关疾病的诊断、治疗方面取得更大的突破。