第一章自由基的产生及其化学性质一、什么是自由基如方程式（1）、（2）所示，当A与B两个分子或原子间形成共价键时，可以看作它们共享一对电子，这两个电子既可以是一个分子所提供的，也可以是每个分子各贡献出一个电子，前者称为配位作用，后者称为共价结合。

A:- + B+A:B （配位作用）（1）A.+B. A:B （共价结合）（2）其逆过程，即当一个共价键离解时，必须要供给能量（自由能）。

反应式（1）的逆过程称为异裂，反应式（2）的逆过程称为均裂。

在均裂时所产生的分子或原子含有一个不配对电子，这种分子常具有高度化学活性——氧化活性。

正因为如此，它们的寿命也极短暂。

这些可以单独存在的具有一个或几个不配对电子的分子或原子就称为自由基（free radical），用R·表示，即在分子式的右上角加一个黑点作为自由基的特征标记，以表示存在着不配对电子。

根据这个定义，我们可知道氯原子（Cl·）、氧原子（O:）和OH．等都是自由基。

有些自由基即使在室温的溶液中也是稳定的，如氧原子（一个稳定的双基）。

有些自由基带有负电荷或正电荷，所以叫做离子自由基或离子基。

这种自由基往往又是氧化还原反应的中间产物。

在氧化还原反应过程中，中性分子接受一个电子而变成负离子基，或失去一个电子而成为正离子基。

二、自由基的产生一般而言，自由基是通过共价键的均裂而产生的，但也可通过电子俘获而产生。

R + e-R.天然存在的自由基一般都是有用的自由基（如氧原子），或者是半衰期比较短的自由基（如氯原子）。

但是，由于某些分子，尤其是共价结合的有机分子吸收外部能量而产生均裂时，所形成的自由基是非常有害的。

共价分子发生均裂而形成自由基的机制有：热解、光解和氧化还原反应。

(1)热解很多化合物，特别是含有弱键的有机化合物可以发生热均裂反应，生成活泼的自由基。

典型的例子是热锅炒菜时，脂肪、蛋白质和糖类等有机营养物发生的热均裂反应；抽烟时，烟草的不完全燃烧也产生大量的自由基。

(2)光解电磁辐射（可见光、紫外线、X射线）或粒子轰击（如高能电子）都可提供使共价键裂解的能量而形成自由基。

如紫外线照射可使水发生均裂而生成羟自由基（OH．）:H2O 紫外线H．+ OH．羟自由基可与机体内的有机物发生一系列的氧化还原反应，导致机体损伤，突变，甚至死亡。

这就是紫外线杀菌的原理。

（3）氧化还原反应氧化还原反应过程中产生的电子转移也可形成自由基。

机体的生命活动离不开能量，这种能量主要由营养物质来提供，生物体可将营养物氧化还原而自控地提供能量，这一过程产生了大量的电子，但是，电子可通过生物体的电子传递链有序地传递而产生少量的自由基中间产物，从而避免了大量的自由基对机体本身的伤害。

然而，有些时候机体中发生的氧化还原反应也可产生大量的自由基，因此对机体造成极大的伤害。

例如，积食所造成的食物不完全氧化，便秘或宿便所造成的食物残渣被机体回收利用等。

三、自由基的化学反应（1）湮灭反应两个自由基可发生自我湮灭反应（self-annihilation）（又称复合反应或复合作用）：R. + R.R-R但在正离子基和负离子基之间未见到这种反应，因为电荷相同时，二者由于静电相斥而发生排斥作用。

（2）夺氢反应这是非常普遍的自由基反应，也是自由基致衰老的主要原因。

R. + A-H R-H + A.夺氢反应在自由基清除剂的反应中也很重要，如硫醇类有机物（大蒜、姜、葱等具有辛辣味的蔬菜中富有）含有-SH基团，在溶液中可与自由基发生包括夺氢反应在内的一系列反应：R. + X-SH R-H + X-S.2X-S.X-S-S-X由此可见，硫醇类有机物在生物系统中是一种有效的自由基清除剂（详见第三章）。

（3）耗氧反应R. + O2RO2．RO2．+ A-H R-OOH+ A.这个反应是自由基使机体产生老年斑的主要原因。

碘、硫和醌类可代替氧发生这个反应。

（4）歧化反应有时一个自由基可从另一个自由基的β碳上夺取一个质子，变成安定的化合物，另一个自由基则变成不饱和化合物，其结果与复合作用一样，使自由基消灭，以终止自由基反应，例如：2CH3-CH2.岐化酶CH2=CH2+ CH3-CH3（5）加成反应X-C=C-X＇+R．X-C＇（6）链锁反应有时，一个自由基的反应产物成为另一个自由基反应的底物，从而引起一系列的自由基链式反应，称为自由基的链锁反应。

自由基链式反应包括三个阶段，即引发、增长和终止阶段。

其过程如下：A-A 2A.（引发）.（扩展）从总体来说，反应起始时，引发阶段占主导地位，反应体系中的新生自由基形成许多链的开端，反应底物的浓度也很高。

这时，反应体系中以扩展阶段为主体，如果起始时有n个引发自由基，那么在扩展阶段中就有n条反应链。

当反应到一定阶段后，体系中的非自由基底物越来越少，自由基本身相互碰撞的机会也越来越多，于是终止阶段也就到来：2A. A-A2C.C-C （终止）A. + C.A-C当然，如果反应体系中从一开始就有抗氧化剂（自由基清除剂）存在，那么它很快就捕捉住由引发产生的自由基，使反应不能扩展，从而很快终止了自由基的链式反应。

抗氧化剂在生产上很重要，主要有硫、磷、酚类、维生素E、维生素C、胡萝卜素等。

（-CH=CH-CH2-）+ R.RH + （-CH=CH-HC.-）O2（-CH=CH-CH2-）+ （-CH=CH-HCO2.-）（-CH=CH-CH-）（败酸）O-OH图1-1 老年斑形成过程（7）脂类过氧化作用自由基链锁反应的最好例子是脂类过氧化作用。

生物膜中含有多种不饱和脂肪酸。

如细胞膜、线粒体膜、溶酶体膜和内质网膜等，它们均含有种类繁多的不饱和脂肪酸，其特点是：当有自由基和氧存在时，就发生氧化变质，经常伴有一股难闻的酸败气味，并且使得食物不可口。

这是食品过期变质的原理。

这一作用对于理解自由基对细胞的损伤也是重要的。

即R.可从不饱和脂肪酸分子上夺走氢，使其变成自由基，……不饱和脂肪酸自由基再吸收氧而形成败酸。

败酸再和组织蛋白质结合形成脂褐质，俗称老年斑，即动物和人的神经细胞、心脏、肝及皮肤在老年时出现的点状或弥散状色素沉着。

其反应通式如图1-1：第二章活性氧一、氧的毒性大约2×109年以前，地球上开始出现氧气，随着臭氧（O3）在高空的出现，以及臭氧和氧把有害的太阳紫外线吸收掉后，才使较复杂的陆生生物的进化成为可能。

氧气是地球上一切需氧生物赖以生存的必备条件，但恰好又是最终导致其衰老或死亡的罪魁祸首。

原因是氧具有毒性！正常人静脉血中氧的含量为40mmHg，当氧的浓度增高时，就会发生中毒现象，主要表现为慢性中毒。

例如，1940年发现许多早产婴儿眼晶体纤维化，到了1954年才知道这是由于把早产婴儿放在高氧浓度的育婴箱中造成的。

后来认真控制氧的浓度后，这种病就不常见了。

高浓度氧常能抑制视网膜血管的生长，当回复到正常浓度时，血管就会过分生长，有时会造成视网膜脱落，随后失明。

高浓度氧对内分泌也有影响，使畸胎率增高。

二、活性氧及其在生物体内的产生1．活性氧的定义氧的毒性不是由于氧分子本身的反应能力，它的反应能力相对来说是微不足道。

氧的毒性是由于氧分子还原成水时产生的许多中间产物，其中的绝大部分都是自由基，因此，把这些中间产物统称为活性氧（active oxygen sp ecies），即氧分子被还原成水时所产生的中间产物的统称，它包括超氧阴离子（superoxide anion）O2．-、羟自由基（hydroxyl radical）OH．、过氧化氢分子（hydrogen peroxide）H2O2、烷氧基RO．、烷过氧基ROO．、氢过氧化物ROOH和氧分子O2本身等等。

其中ROO．和ROOH又称为脂类过氧化物。

氧分子还原成水的全过程如下：O2+ e-O2．-O2．-+ e-H2O2H 2O 2 + e -OH . + H 2OOH . + e - H 2O 2．活性氧的产生细胞在正常代谢过程中，或者受到高能辐射时，以及由于高压氧，药物（抗癌药、抗生素、杀虫剂、麻醉剂等）代谢、吸烟和受到光化学空气污染物等作用都能产生活性氧。

三、活性氧的毒性1．羟自由基的毒性OH ．非常活泼，几乎能与活细胞中任何分子发生反应，且反应速率极快。

能反应的物质遍及糖、氨基酸、磷脂、核酸和有机酸等。

OH ．是最活泼的自由基之一，在活性氧中也是最活泼的。

它的反应可分为三大类：夺氢、加成和电子转移。

其中夺氢和加成反应是OH ．导致生物机体细胞损伤、衰老或死亡的重要原因。

夺氢反应：OH ．可从醇类上夺走一个氢原子，并与之结合生成水，使醇碳原子带有一个不成对电子。

以乙醇为例：CH 3CH 2OH + OH . CH 3C .HOH + H 2O两个碳自由基可通过不成对电子构成共价键而生成非自由基产物：CH 3C .HOH + CH 3C .HOHOH ．与生物膜上的卵磷脂就是通过夺氢反应产生碳自由基而造成膜损伤的。

当OH ．攻击糖，例如DNA 中的脱氧核糖时，能产生许多不同的产物，其中有些具有致突变作用。

加成反应：OH ．可与DNA 中嘌呤或嘧啶的-C =C -发生加成反应，生成嘌呤或嘧啶自由基，这些自由基再发生一系列的反应，最终引起DNA 链的断裂，严重损伤DNA ，以至于不能修复，使细胞死亡。

即使活着也会发生突变（或癌变）。

电子转移：OH ．可与无机物或有机物发生电子转移。

如：Cl - + OH . Cl . + OH -以上各种反应可见，OH ．如果在机体内产生，那么它可以立刻与周围的任何生物分子发生反应，生成活性各异的次级自由基，从而导致机体不同程度的损伤。

2．超氧阴离子的毒性O 2．-是氧分子被还原成水时所产生的第一个活性氧自由基，其化学反应性质较OH ．弱，具有双重性质，既可作为电子供体（还原剂），又可作为电子受体（氧化剂）。

当其作为弱碱起作用时，可以成为电子供体，即还原剂，例如它能还原细胞色素（一种含血红素的蛋白质）和血红蛋白，使血红素中心的Fe 3+还原成Fe 2+：细胞色素C （Fe 3+）/血红蛋白（Fe 3+） + O 2．- O 2 + 细胞色素C （Fe 2+）/血红蛋白（Fe 2+）当它作为电子受体起作用时，可以成为弱氧化剂，能氧化抗坏血酸：抗坏血酸（维生素C ） + O 2．-+ H + H 2O 2 + 抗坏血酸（维生素C ）自由基 （剧毒） 也能使与NADH 结合的酶（如乳酸脱氢酶）形成NAD 自由基：酶-NADH + O 2．-+ H + H 2O 2 + 酶-NAD ． 由此可见，因光化学和酶反应所产生的O 2．-能使酶失活、使红细胞溶血、杀菌、使DNA 降解和破坏动物细胞等。

此外，O 2．-还可与细胞内的过度性金属离子发生反应，生成更活泼的OH ．。