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物。細胞內高水平的ROS直接或間接地參與細胞信號傳導,誘導細胞凋亡,是腫瘤及許多其他疾病的共同發病機制。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系。

關鍵詞活性氧;氧化損傷;疾病

中圖分類號Q7文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)15-0285-02

活性氧是一系列化學性質活潑、氧化能力強的含氧物質的總稱。它是由氧直接或間接轉變的氧自由基及其衍生物,包括氧的單電子反應產物O2-、HO2-、H2O2·OH-及其衍生物1O2及膜質過氧化中間產物LO·、LOO·、LOOH等比分子氧活潑的物質。生物體內活性氧的生成與清除處于動態平衡狀態,當各種因素打破這一平衡而導致活性氧濃度超過生理限度時就會損傷生物大分子,包括脂質過氧化、DNA的氧化損傷、蛋白質的氧化和單糖氧化等,從而導致各種疾病發生。

1活性氧的來源

1.1正常代謝

體內正常代謝可以產生活性氧。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·)和單線態氧都是有氧代謝的副產物。在大多數細胞中超過90%的氧是在線粒體中消耗的,其中2%的氧在線粒體內膜和基質中被轉變成為氧自由基。

體內的活性氧并不總是有害的,它對機體也有有利的一面。例如,機體內吞噬細胞在細胞膜受到刺激時,通過呼吸暴發機制,產生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS),ROS是吞噬細胞發揮吞噬和殺傷作用的主要介質。但是在病理條件下,由于活性氧的產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產生活性氧。人體內的水約占體重的60%,放射線最初的作用就是使水輻射分解,產生H·OH·等,破壞細胞中的核酸、蛋白質等大分子,最終導致輻射病。T.Herrling等人通過電子自旋共振(electron spin resonance,ESR)的方法發現,體外實驗的皮膚細胞在紫外線的作用下可以產生氧自由基,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。

1.3化學因素

許多化學藥物如抗癌劑、抗生素、殺蟲劑、麻醉劑、芳香烴類等都可以誘導產生活性氧。高壓氧也可以誘導活性氧的產生。M.Chavko和A.L.Harabin對在5個大氣壓下飼養的大鼠進行實驗,可以檢測到脂質和蛋白質的過氧化,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的基礎。最典型的例子就是鐵催化的Fenton型反應,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可能會發生斷裂、突變以及對熱穩定性改變等,從而嚴重影響了遺傳信息的正常轉錄、翻譯過程。

許多實驗數據表明,線粒體DNA(mtDNA)突變與氧自由基損傷關系密切。與核DNA(nDAN)相比:mtDNA裸露無組蛋白保護且缺乏有效的修復系統,因此其突變率遠高于nDNA(為其10~100倍),并且在細胞內不斷積累;mtDNA具有極其經濟的基因排列,既無內含子又有部分區域基因重復使用,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。呼吸暴發是產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突變相關疾病不斷地發生,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)是中樞神經系統與氧化磷酸化缺陷關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對蛋白質的氧化損傷

活性氧對蛋白質的作用包括修飾氨基酸,使肽鏈斷裂,形成蛋白質的交聯聚合物,改變構像和免疫原性等5個方面。一是修飾氨基酸。蛋白質分子中起關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鏈有特殊影響,如超氧陰離子介導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。活性氧所致蛋白質肽鏈斷裂方式有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的類型、濃度和二者之間的反應速率。肽鍵的水解常發生在脯氨酸處,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,后者轉化為亞氨基肽,經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。三是形成蛋白質交聯聚合物。多種機制可以導致蛋白質的交聯和聚合。蛋白質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的交聯。交聯可以分為分子內交聯和分子間交聯2種形式。蛋白質分子中酪氨酸和半胱氨酸的數目可以決定交聯的形式。另外,脂質過氧化產生的丙二醛(MDA)與蛋白質氨基酸殘基反應生成烯胺,也可以造成蛋白質交聯。生物體內單糖自動氧化的α-羰醛產物可以與蛋白質交聯而使酶失活,并使膜變形性下降,導致細胞衰老與死亡。四是改變構像。蛋白質經氧化后,熱動力學上不穩定,部分三級結構打開,失去原有構像。用H2O2和抗壞血酸-Fe(III)氧化SOD,其紫外吸收增強,內源性熒光減弱,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構。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,結果發現SOD、HAS和IgG與其抗體反應增強,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,使其發生脂質過氧化反應,脂質過氧化的中間產物脂自由基(L·)、脂氧自由基(LO·)、脂過氧自由基(LOO·)可以與膜蛋白發生攫氫反應生成蛋白質自由基,使蛋白質發生聚合和交聯。另外,脂質過氧化的羰基產物(如丙二醛)也可攻擊膜蛋白分子的氨基,導致蛋白質分子內交聯和分子間交聯。另一方面自由基也可直接與膜上的酶或與受體共價結合。這些氧化損傷破壞了鑲嵌于膜系統上的許多酶和受體、離子通道的空間構型,使膜的完整性被破壞、膜流動性下降,膜脆性增加,細胞內外或細胞器內外物質和信息交換障礙,影響膜的功能與抗原特異性,導致廣泛性損傷和病變。機體中HO·大部分在細胞器中產生,特別是在線粒體中產生,造成線粒體膜的損傷,導致細胞和機體的能量代謝障礙。近年來發生在我國與俄羅斯東部山區低硒地帶的克山病及大骨節病,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,由于組織缺硒,GSH-Px活性低,抗氧化能力下降,這直接導致機體內氧自由基和脂質過氧化水平增加,同時出現膜系統的氧化損傷。

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、多發病,其患病人數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的進步而迅速增加。迄今為止,糖尿病的發病機制仍不清楚。但近年來關于糖尿病與氧化應激損傷,以及抗氧化劑(自由基清除劑)防治糖尿病的流行病學和臨床研究資料普遍受到關注,一系列動物實驗及臨床研究均發現糖尿病模型動物及患者體內存在明顯的氧化應激,在血液和組織中均發現了氧化損傷的證據。高氧化應激狀態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,導致胰島素產生、分泌障礙、活性改變、糖代謝紊亂以及其他并發癥。氧化應激產生的確切原因尚不清楚,可能與下列因素有關:葡萄糖及糖化蛋白自動氧化產生自由基;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生增加;單糖自動氧化產生的酮醛亦可進一步氧化修飾蛋白質,導致蛋白質結構和功能改變而參與氧化應激;氧化應激可因組織損傷、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導致組織器官損傷,引起相應器官功能紊亂的一類疾病。如系統性紅斑狼瘡、彌散性硬皮病、潰瘍性結腸炎、成膠質病變和Crohnn氏病等,其特點是血清中出現多種自身抗體,其中最重要的是抗雙鏈DNA(dsDNA)抗體,抗dsDNA抗體與循環中相應抗原結合成免疫復合物后,可沉積于腎小球,引起炎癥反應,在炎癥細胞及其產生的介質參與下,發生狼瘡腎炎,但其發生機制仍不清楚。過去認為AID是免疫系統對自體組織發生免疫反應所致,然而,近年來自由基生物學和自由基醫學對AID進一步研究表明,自身免疫反應的機理可能是某些生物大分子受自由基損傷后,其免疫原性發生改變,造成自體反應,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。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敏感,易受到自由基損傷,從而導致新的抗原決定簇或復合物形成,使機體產生自身抗體,發展為AID。提示自身成分β2GP1的氧化損傷,是AID發生過程中一個重要環節。另一方面,也為從清除自由基角度治療AID提供理論依據。

3.3活性氧與男性不育

在人類生殖中,男性生殖道中ROS產生和清除之間存在一種平衡。與男性生殖道異常相關的ROS過量產生,能損傷精子和精漿的全部抗氧化防御措施,當超過臨界水平時,引起一種氧化應激(oxidative stress,OS)狀態。ROS從脂肪酸側鏈甲烯碳中奪取氫原子可啟動脂質的過氧化,脂肪酸側鏈中雙鏈數目越多越容易失去氫原子,被奪去氫原子的脂質過氧化物又可從相鄰脂肪酸側鏈中奪取氫原子而擴展脂質過氧化鏈式反應。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,發生過氧化反應,導致精子膜發生過氧化改變的損傷。過量的氧自由基能使精子質膜的脂質發生過氧化反應,質膜拓撲結構遭到破壞,導致精子中段缺陷數增高、活動度下降,都將損及精子獲能和頂體反應的發生,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,導致生殖系統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,抗氧化劑預保護可降低對DNA的損傷。Trisini等運用彗星實驗檢測精子DNA,發現具有高水平DNA片段的精子的運動能力、密度也下降。

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