第7章 自由基生物医学
相关概念
• 自由基：

指那些最外层电子轨道上含有不配对电子(单电 子)的原子、离子或分子，如· 3, · NO, O2−·。它们 CH Cl, 性质极不稳定，具有抢夺其他物质电子以使自己原本不 成对的电子变得成对(较稳定)的特性。按照单电子所在 的原子，自由基分为碳中心、硫中心、氧中心自由基等。 由氧分子单电子还原生成的初级产物(如超氧阴离子O2−· ， H 2O 2, · OH)和由这些初级活性物质与生物大分子作用生成 的次级活性物种(如ROOH，RO· )大部分是自由基，但并不 都是自由基，被称为活性氧物种(reactive oxygen species, ROS)。
抗坏血酸的负面作用： 它能把铁由三价变为二价，促进亚铁离子催化 超氧阴离子和羟自由基的形成，所以抗坏血酸 与铁剂联合用药应该特别注意。
抗坏血酸自由基本身也有破坏作用。一度主张 使用极大剂量VC是不合理的。
O2 Fe(II)L VCox H2O2 Fe2+ VCox
O2−·
Fe(III)L
7.4 抗氧化防御系统
7.4.1 非酶抗氧化剂
在自然的饮食中，被称为三大抗氧化物质 的是维生素E、维生素C和-胡萝卜素。
(一)维生素E(VE) 脂溶性——重要的膜 抗氧化剂
VE
VC还原
VE自由基
醌式
(二)抗坏血酸(又称维 生素C，VC)
O
O
OH CHCH2OH −e O
O R
−
· O O HO OH 歧化 水溶性的抗坏血酸在 半去氢抗坏 细胞内外都能存在，能 血酸自由基 与O2−· 2O2、· 、H OH作用， 去氢抗坏血 O 是最重要的生物抗氧化 酸还原酶 O R 剂，特别是细胞外抗氧 去氢抗坏血酸 化剂。 O 水解 O VC的重要性还在于配 合VE工作，一方面它和 COOH COOH VE分工，它管细胞内外 O C CHOH O2, 2H+ COOH 介质，VE管细胞膜；另 O C COOH, HO CH 一方面，它的电势较低， CHOH CH2OH 草酸 负责把一部分氧化了的 R 三羟基丁酸 VE再还原回来。 二酮古隆酸
O H N O
次黄嘌呤 HX
N 黄嘌呤氧化酶 O H XO
N 黄嘌呤氧化酶 O H XO
N H
N H
尿酸
在氧对次黄嘌呤过量时，生成O2−· ：
HX+ 2O2 +H2O→X+ 2O2−· + X+ 2O2 +H2O→尿素+ 2O2−· + +2H +2H
如果氧分子供应不足，则生成H2O2：
HX+ O2 +H2O→X+ H2O2 X+ O2 +H2O→尿酸+ H2O2
过氧化物酶体
7.2.1 线粒体内膜上产生ROS的过程——电子传递 链上的“电子漏”
e e
(一)NADH的自氧化和氧分子的单电子还原
NADH脱氢酶
−e
+e +e
−e
FMN O2 · ←H2O2← O2−· OH
(二)辅酶Q的自氧化生成O2−·
O CH3O CH 3 CH 3 CH3O O (CH 2 CH C
H H R· ＋A－C＝C－B
H H 的次级活性氧物种的形成 以在体内造成损伤最 大、最广泛的· OH为例 (1)由抽氢引发的链 反应：与含有活泼氢 的有机化合物作用再 获得一个电子并抽去 一个氢原子。
(2)由加成引发的链反应：主要是自由基在双 键上的加成。
.. .. 2− :O:O: .. ..
.. ·· O· .. H
(一)氧分子得到第一个电子，生成 O2−· • 某些过渡金属离子的配合物如Fe(II)EDTA具有单电子
还原性，可将氧分子转变成O2−· 。如果同时再有一个还 原剂把由此生成的Fe(III)再变回Fe(II)，Fe(II)重新 去还原氧分子，产生更多的O2−· 。 • 例如Fe(II)EDTA+抗坏血酸(维生素C，VC)就构成了一 个推动O2−· 生成的反应体系。 O2 Fe(II)EDTA VCox
小常识：日常生活或饮食上有哪些物质易产 生自由基？
如香烟、酒精、工厂或汽车所排放的废气、酸 雨、水污染、农药、除草剂、洗洁剂、杀虫剂、 紫外线、X光射线等等; 食用过氧化脂肪食品; 过度运动; 动脉粥样硬化、糖尿病、癌症患者 体内也会产生大量自由基。
7.3 氧自由基对大分子造成的损伤
7.3.1 自由基对核酸的损伤
蔬菜和水果是最佳的抗氧化选择。他们含有一些自然 的植物化学成份，例如黄酮类(Flavonoids)、吲哚类 (Indoles)物质、蕃茄红素(Lycopene)等等。
7.1 ROS的生成、转化和性质
7.1.1 初级活性氧物种的形成
氧分子的单电子还原中间物O2−· 2O2和· 、H OH是初级ROS。 e e O2 · OH ④ ② ③ ① 基态氧 超氧阴离子 过氧离子 羟自由基 O2 O2
−· 2−
e
e
OH−
.. .. O::O .. ..
.. ..− · .. O::O ..
O2 金属离子催化的 Haber-Weiss反应
· + OH− OH
Fe3+
O2−·
(四)· OH得到一个电子，变成水(OH−)
在生物体内，· OH生成后很容易与靶分子作用得到一 个电子变成OH−。 · OH在体内造成的损伤最大、最广泛。
(五)单线态氧1O2(singlet oxygen)的生成
coenzyme QH2
在白细胞受到刺激时，细胞膜上的NADPH氧化酶被激活， 推动O2对NADPH的单电子氧化，同时产生O2−· ，这也是白 细胞发挥吞噬作用所需要的。 NADPH氧化酶是一个锰酶。锰在三价和二价之间的转化 推动O2的单电子还原与NADPH单电子氧化的偶联。 NADP· ④ O2 ③
7.2.2 细胞膜上的NADPH氧化酶推动的ROS的形成
NADPH
Mn3+ NADPH氧化酶 H2O2
NADP+
O2
Mn2+ e O2−· ①
②
7.2.3 细胞溶胶内ROS的形成(病理条件下)
O HN N N
O2 ＋ H2O O2−· ＋ H2O2
O HN N H
黄嘌呤 X
N
O2 ＋ H2O
O2−· ＋ H2O2 H N
VCred
· + OH− OH
Fe3+
VCred
(三)-胡萝卜素(-carotene, CR)
脂溶性抗氧化剂。 它在单电子氧化还原有两面性：在氧分压高时， 它能够自氧化，有促氧化作用；在氧分亚低时， 才是抗氧化剂。 与ROS反应的机理还不完全清除，可能为： ROO·+ CR→ ROO−CR·
OOH ROOH
+ Fe2+ + H+
Fe3+ +
O· RO·
+ H2O
蛋白质是ROS进攻的主要靶分子，功能蛋白的 氧化性损伤所引起的功能丧失是活性氧疾病群 最多见的关键事件。 ROS可以进攻细胞外的蛋白质、膜蛋白(包括膜 上的酶、受体、通道蛋白)、细胞溶胶内的蛋 白、细胞骨架以至各种细胞器(包括核)内的蛋 白质。 自由基引发的蛋白质损伤主要有三方面：氧化 性交联、氧化性降解和侧链的氧化性修饰。
RSH + · → RS· H2O OH + 2RS· RSSR →
在一个细胞里，可以产生ROS的地方很多，参 与这个过程的生物分子也很多。大体可以划分 在以下几个部位：
线粒体内膜 电子传递链 膜 细胞溶胶 O2
−·
7.2 活性氧物种的体内形成
NADPH氧化酶
黄嘌呤氧化酶 小分子还原剂
内质网
细胞色素P450
O CH3O CH 3 CH 3 CH3O O (CH 2 CH C CH 2)nH
e
CH 2)nH
coenzyme Q e + 2H
· ←H2O2← O2 OH

coenzyme Q •
semiquinone radical
+
O2
−·
OH CH3O CH3 CH3 CH3O OH (CH2 CH C CH2)nH
OOH ROOH
MDA(malondialdehyde)：

脂肪遇氧化的最终产物
可以长期存于人体，对 人体造成伤害
O−O键均裂 OOH ROOH
(4)ROOH的变化
O· RO· ＋ · OH
O−H键处断裂
OOH ROOH OO· ROO·
＋ · H
当ROOH周围有金属离子存在时发生Fenton反应
(一)初级活性氧物种的反应 自由基与自由基间的结合
· 3+· 3 CH CH CH3 −CH3 相同自由基结合 −O−O−N−O 不同自由基间的作用 ·O−O− ＋·N−O + H+ · + ONO· OH • 自由基与非自由基间的反应——原子-电子交换， 生成新的自由基 · + H:R’ R RH + ·R’ 抽氢反应 • 自由基参与的加成反应——生成新自由基
基态氧分子受激发后的高能氧分子。
S=2(1/2+1/2)+1=3
S=2[1/2+(−1/2)]+1=1
危害：1O2会与· OH攻击脂肪分子 基态氧3O2(又称三线态氧) 单线态氧1O2
7.1.2 初级活性氧物种的反应和次级活性氧 物种的生成反应
初级ROS与各种大小有机分子进行电子转移反应，产生 新的自由基或非自由基的活性物种，称为次级ROS。 次级ROS中相当多都是化学活泼的，也有些是相对稳定 的。