談活性氧與人類疾病

謝玉英

摘要活性氧(reactive oxygen species,ROS)是細胞代謝不可避免的產(chǎn)物。細胞內(nèi)高水平的ROS直接或間接地參與細胞信號傳導(dǎo),誘導(dǎo)細胞凋亡,是腫瘤及許多其他疾病的共同發(fā)病機制。介紹了活性氧的來源、對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Q7文獻標(biāo)識碼A文章編號 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)致活性氧濃度超過生理限度時就會損傷生物大分子,包括脂質(zhì)過氧化、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重要來源,活性氧族如超氧陰離子自由基(O2-·)、過氧化氫(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)細胞中超過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,它對機體也有有利的一面。例如,機體內(nèi)吞噬細胞在細胞膜受到刺激時,通過呼吸暴發(fā)機制,產(chǎn)生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS),ROS是吞噬細胞發(fā)揮吞噬和殺傷作用的主要介質(zhì)。但是在病理條件下,由于活性氧的產(chǎn)生和清除失去了正常平衡,常常會造成活性氧對人體的損傷。

1.2輻射

人們很早就認識到輻射可以在體內(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等人通過電子自旋共振(electron spin resonance,ESR)的方法發(fā)現(xiàn),體外實驗的皮膚細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度和射線對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對在5個大氣壓下飼養(yǎng)的大鼠進行實驗,可以檢測到脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的過氧化,同時還原型谷胱甘肽有下降的趨勢,表明有氧化損傷的存在。另外,過渡金屬離子對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),即毒性較低的過氧化氫在過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活性氧對生物大分子的氧化損傷

2.1對核酸的氧化損傷

DNA的氧化損傷主要包括:一是堿基的修飾。羥基自由基可對胸腺嘧啶的5,6-雙鍵進行加成,形成胸腺嘧啶自由基。堿基的改變可導(dǎo)致其基團控制下的許多生化與蛋白合成過程受到破壞。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,尤其是鳥苷酸,對鳥苷、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可能會發(fā)生斷裂、突變以及對熱穩(wěn)定性改變等,從而嚴重影響了遺傳信息的正常轉(zhuǎn)錄、翻譯過程。

許多實驗數(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裸露無組蛋白保護且缺乏有效的修復(fù)系統(tǒng),因此其突變率遠高于nDNA(為其10~100倍),并且在細胞內(nèi)不斷積累;mtDNA具有極其經(jīng)濟的基因排列,既無內(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源,線粒體正是這一過程的重要場所,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,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對蛋白質(zhì)的氧化損傷

活性氧對蛋白質(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-位置上的一個氫原子去掉;烷氧自由基和過氧自由基等中間產(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,α-吡咯烷酮成為新的N-末端,可以進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-碳過氧基,后者轉(zhuǎn)化為亞氨基肽,經(jīng)過弱酸水解為氨基酸和雙羧基化合物。李培峰、方允中將過氧化氫和抗壞血酸-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,分離出多個肽段,而正常的SOD僅1個肽段。三是形成蛋白質(zhì)交聯(lián)聚合物。多種機制可以導(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)致細胞衰老與死亡。四是改變構(gòu)像。蛋白質(zhì)經(jīng)氧化后,熱動力學(xué)上不穩(wěn)定,部分三級結(jié)構(gòu)打開,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,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序。用自旋標(biāo)記研究,探測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,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)合物的形成過程。

2.3對生物膜的損傷

自由基對生物膜的損傷是作用于細胞膜及亞細胞器膜上的多不飽和脂肪酸,使其發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng),脂質(zhì)過氧化的中間產(chǎn)物脂自由基(L·)、脂氧自由基(LO·)、脂過氧自由基(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、膜流動性下降,膜脆性增加,細胞內(nèi)外或細胞器內(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。機體中HO·大部分在細胞器中產(chǎn)生,特別是在線粒體中產(chǎn)生,造成線粒體膜的損傷,導(dǎo)致細胞和機體的能量代謝障礙。近年來發(fā)生在我國與俄羅斯東部山區(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)致機體內(nèi)氧自由基和脂質(zhì)過氧化水平增加,同時出現(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)的進步而迅速增加。迄今為止,糖尿病的發(fā)病機制仍不清楚。但近年來關(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,一系列動物實驗及臨床研究均發(fā)現(xiàn)糖尿病模型動物及患者體內(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胞活化使超氧陰離子產(chǎn)生增加;單糖自動氧化產(chǎn)生的酮醛亦可進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、細胞死亡以及自由基清除能力降低而加強。

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)生機制仍不清楚。過去認為AID是免疫系統(tǒng)對自體組織發(fā)生免疫反應(yīng)所致,然而,近年來自由基生物學(xué)和自由基醫(yī)學(xué)對AID進一步研究表明,自身免疫反應(yīng)的機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),即自由基損傷過程,這將進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)生過程中一個重要環(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)超過臨界水平時,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脂質(zhì)的過氧化,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)過氧化物又可從相鄰脂肪酸側(cè)鏈中奪取氫原子而擴展脂質(zhì)過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。精子膜上富含多聚不飽和脂肪酸,后者具有2個或更多的雙鏈,因此易受ROS攻擊,發(fā)生過氧化反應(yīng),導(dǎo)致精子膜發(fā)生過氧化改變的損傷。過量的氧自由基能使精子質(zhì)膜的脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng),質(zhì)膜拓撲結(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致精子中段缺陷數(shù)增高、活動度下降,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等認為精子尾部蛋白酪氨酸基團磷酸化可能是精子產(chǎn)生運動的機制之一。ROS可使色氨酸、鳥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動有關(guān)的許多重要的酶被抑制、滅活以及活性部位破壞,影響精子的運動。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)保護可降低對DNA的損傷。Trisini等運用彗星實驗檢測精子DNA,發(fā)現(xiàn)具有高水平DNA片段的精子的運動能力、密度也下降。

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