谈活性氧与人类疾病

谢玉英

摘要活性氧(reactive oxygen species,ROS)是细胞代谢不可避免的产物。细胞内高水平的ROS直接或间接地参与细胞信号传导,诱导细胞凋亡,是肿瘤及许多其他疾病的共同发病机制。介绍了活性氧的来源、对生物大分子的损伤及与人类疾病的关系。

关键词活性氧;氧化损伤;疾病

中图分类号Q7文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0285-02

活性氧是一系列化学性质活泼、氧化能力强的含氧物质的总称。它是由氧直接或间接转变的氧自由基及其衍生物,包括氧的单电子反应产物O2-、HO2-、H2O2·OH-及其衍生物1O2及膜质过氧化中间产物LO·、LOO·、LOOH等比分子氧活泼的物质。生物体内活性氧的生成与清除处于动态平衡状态,当各种因素打破这一平衡而导致活性氧浓度超过生理限度时就会损伤生物大分子,包括脂质过氧化、DNA的氧化损伤、蛋白质的氧化和单糖氧化等,从而导致各种疾病发生。

1活性氧的来源

1.1正常代谢

体内正常代谢可以产生活性氧。线粒体是活性氧的一个重要来源,活性氧族如超氧阴离子自由基(O2-·)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH·)和单线态氧都是有氧代谢的副产物。在大多数细胞中超过90%的氧是在线粒体中消耗的,其中2%的氧在线粒体内膜和基质中被转变成为氧自由基。

体内的活性氧并不总是有害的,它对机体也有有利的一面。例如,机体内吞噬细胞在细胞膜受到刺激时,通过呼吸暴发机制,产生大量活性氧(reactive oxygen species,ROS),ROS是吞噬细胞发挥吞噬和杀伤作用的主要介质。但是在病理条件下,由于活性氧的产生和清除失去了正常平衡,常常会造成活性氧对人体的损伤。

1.2辐射

人们很早就认识到辐射可以在体内产生活性氧。人体内的水约占体重的60%,放射线最初的作用就是使水辐射分解,产生H·OH·等,破坏细胞中的核酸、蛋白质等大分子,最终导致辐射病。T.Herrling等人通过电子自旋共振(electron spin resonance,ESR)的方法发现,体外实验的皮肤细胞在紫外线的作用下可以产生氧自由基,并且这种辐射的效果与辐射强度和射线对皮肤的穿透作用的大小有关。

1.3化学因素

许多化学药物如抗癌剂、抗生素、杀虫剂、麻醉剂、芳香烃类等都可以诱导产生活性氧。高压氧也可以诱导活性氧的产生。M.Chavko和A.L.Harabin对在5个大气压下饲养的大鼠进行实验,可以检测到脂质和蛋白质的过氧化,同时还原型谷胱甘肽有下降的趋势,表明有氧化损伤的存在。另外,过渡金属离子对活性氧的形成很重要,这些离子去除电子的能力是形成和扩展许多毒性极大的活性氧反应的基础。最典型的例子就是铁催化的Fenton型反应,即毒性较低的过氧化氢在过渡金属铁存在的情况下,生成活性极高的羟自由基,从而产生更大的毒害作用。

2活性氧对生物大分子的氧化损伤

2.1对核酸的氧化损伤

DNA的氧化损伤主要包括:一是碱基的修饰。羟基自由基可对胸腺嘧啶的5,6-双键进行加成,形成胸腺嘧啶自由基。碱基的改变可导致其基团控制下的许多生化与蛋白合成过程受到破坏。二是键的断裂。自由基从DNA的戊糖夺取了氢原子,使之在C4位置形成具有未配对电子的自由基,然后,此自由基又在β-位置发生链的断裂。1O2也能分解核苷酸,尤其是鸟苷酸,对鸟苷、腺苷、胞苷及尿苷分解的比例为26∶13∶8∶1。受到氧化损伤后的DNA可能会发生断裂、突变以及对热稳定性改变等,从而严重影响了遗传信息的正常转录、翻译过程。

许多实验数据表明,线粒体DNA(mtDNA)突变与氧自由基损伤关系密切。与核DNA(nDAN)相比:mtDNA裸露无组蛋白保护且缺乏有效的修复系统,因此其突变率远高于nDNA(为其10~100倍),并且在细胞内不断积累;mtDNA具有极其经济的基因排列,既无内含子又有部分区域基因重复使用,因此任何突变都可能成为造成重要功能缺陷的病理性突变。呼吸暴发是产生氧自由基的重要来源,线粒体正是这一过程的重要场所,而且mtDNA缺乏修复能力,所以mtDNA很易被自由基损伤并不断积累。近年来,mtDNA突变相关疾病不断地发生,突变类型大致可分为碱基替换突变和重组突变2种。研究资料显示,怕金森病(PD)、阿耳茨海默氏病(AD)和慢性进行性舞蹈病(HD)是中枢神经系统与氧化磷酸化缺陷关系最为密切的几种退行性疾病,均有不同程度的mtDNA突变。

2.2对蛋白质的氧化损伤

活性氧对蛋白质的作用包括修饰氨基酸,使肽链断裂,形成蛋白质的交联聚合物,改变构像和免疫原性等5个方面。一是修饰氨基酸。蛋白质分子中起关键作用的氨基酸成分对自由基损害特别敏感,以芳香氨基酸和含硫氨基酸最为突出,不同的自由基对特定氨基酸侧链有特殊影响,如超氧阴离子介导甲硫氨酸氧化成为甲硫氨酸亚砜,半胱氨酸氧化成为磺基丙氨酸;羟自由基可以将脂肪族氨基酸α-位置上的一个氢原子去掉;烷氧自由基和过氧自由基等中间产物可以使色氨酸氧化为犬尿氨酸、N-甲基犬尿氨酸和五羟色氨酸。二是使肽链断裂。活性氧所致蛋白质肽链断裂方式有2种,一种是肽链水解,另一种是从α-碳原子处直接断裂,究竟以何种方式断裂取决于活性氧和蛋白质的类型、浓度和二者之间的反应速率。肽键的水解常发生在脯氨酸处,其机制为活性氧攻击脯氨酸使之引入羰基而生成α-吡咯烷酮,经水解与其相邻的氨基酸断开,α-吡咯烷酮成为新的N-末端,可以进一步水解成为谷氨酰胺。肽链直接断裂的方式是活性氧攻击α-碳原子生成α-碳过氧基,后者转化为亚氨基肽,经过弱酸水解为氨基酸和双羧基化合物。李培峰、方允中将过氧化氢和抗坏血酸-Fe(III)分别作用于SOD,然后用高效液相反相色谱(RPHPLC)分析,两者均可以造成肽段断裂,分离出多个肽段,而正常的SOD仅1个肽段。三是形成蛋白质交联聚合物。多种机制可以导致蛋白质的交联和聚合。蛋白质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键,两者均可以形成蛋白质的交联。交联可以分为分子内交联和分子间交联2种形式。蛋白质分子中酪氨酸和半胱氨酸的数目可以决定交联的形式。另外,脂质过氧化产生的丙二醛(MDA)与蛋白质氨基酸残基反应生成烯胺,也可以造成蛋白质交联。生物体内单糖自动氧化的α-羰醛产物可以与蛋白质交联而使酶失活,并使膜变形性下降,导致细胞衰老与死亡。四是改变构像。蛋白质经氧化后,热动力学上不稳定,部分三级结构打开,失去原有构像。用H2O2和抗坏血酸-Fe(III)氧化SOD,其紫外吸收增强,内源性荧光减弱,表明酶分子由紧密有序排列趋于松散无序。用自旋标记研究,探测到较低浓度抗坏血酸-Fe(III)和H2O2,就可以影响到SOD分子亚基缔合或其周围的结构。五是改变免疫原性。用H2O2,或H2O2,-Cu2+和抗坏血酸-Fe(III)体系作用于牛红细胞铜锌超氧化物歧化酶(SOD),人血清白蛋白(HAS)和人IgG,结果发现SOD、HAS和IgG与其抗体反应增强,提示活性氧可能参与了某些自身免疫性疾病中抗原抗体复合物的形成过程。

2.3对生物膜的损伤

自由基对生物膜的损伤是作用于细胞膜及亚细胞器膜上的多不饱和脂肪酸,使其发生脂质过氧化反应,脂质过氧化的中间产物脂自由基(L·)、脂氧自由基(LO·)、脂过氧自由基(LOO·)可以与膜蛋白发生攫氢反应生成蛋白质自由基,使蛋白质发生聚合和交联。另外,脂质过氧化的羰基产物(如丙二醛)也可攻击膜蛋白分子的氨基,导致蛋白质分子内交联和分子间交联。另一方面自由基也可直接与膜上的酶或与受体共价结合。这些氧化损伤破坏了镶嵌于膜系统上的许多酶和受体、离子通道的空间构型,使膜的完整性被破坏、膜流动性下降,膜脆性增加,细胞内外或细胞器内外物质和信息交换障碍,影响膜的功能与抗原特异性,导致广泛性损伤和病变。机体中HO·大部分在细胞器中产生,特别是在线粒体中产生,造成线粒体膜的损伤,导致细胞和机体的能量代谢障碍。近年来发生在我国与俄罗斯东部山区低硒地带的克山病及大骨节病,可认为是一种以心肌线粒体膜损害为主要特征的膜疾病。它分布在我国的低硒贫困山区,由于组织缺硒,GSH-Px活性低,抗氧化能力下降,这直接导致机体内氧自由基和脂质过氧化水平增加,同时出现膜系统的氧化损伤。

3活性氧与各种疾病

3.1活性氧与糖尿病

糖尿病是一种常见病、多发病,其患病人数正随着人民生活水平的提高、人口老龄化、生活方式的改变及诊断技术的进步而迅速增加。迄今为止,糖尿病的发病机制仍不清楚。但近年来关于糖尿病与氧化应激损伤,以及抗氧化剂(自由基清除剂)防治糖尿病的流行病学和临床研究资料普遍受到关注,一系列动物实验及临床研究均发现糖尿病模型动物及患者体内存在明显的氧化应激,在血液和组织中均发现了氧化损伤的证据。高氧化应激状态可能启动或加重胰腺组织、胰岛素的靶组织以及其他组织的损伤,导致胰岛素产生、分泌障碍、活性改变、糖代谢紊乱以及其他并发症。氧化应激产生的确切原因尚不清楚,可能与下列因素有关:葡萄糖及糖化蛋白自动氧化产生自由基;糖尿病患者血清中单胺氧化酶活性增高及多形核白细胞活化使超氧阴离子产生增加;单糖自动氧化产生的酮醛亦可进一步氧化修饰蛋白质,导致蛋白质结构和功能改变而参与氧化应激;氧化应激可因组织损伤、细胞死亡以及自由基清除能力降低而加强。

3.2活性氧与自身免疫疾病

自身免疫疾病(autoimmunedisease,AID)是指由于过度而持久的自身免疫反应导致组织器官损伤,引起相应器官功能紊乱的一类疾病。如系统性红斑狼疮、弥散性硬皮病、溃疡性结肠炎、成胶质病变和Crohnn氏病等,其特点是血清中出现多种自身抗体,其中最重要的是抗双链DNA(dsDNA)抗体,抗dsDNA抗体与循环中相应抗原结合成免疫复合物后,可沉积于肾小球,引起炎症反应,在炎症细胞及其产生的介质参与下,发生狼疮肾炎,但其发生机制仍不清楚。过去认为AID是免疫系统对自体组织发生免疫反应所致,然而,近年来自由基生物学和自由基医学对AID进一步研究表明,自身免疫反应的机理可能是某些生物大分子受自由基损伤后,其免疫原性发生改变,造成自体反应,即自由基损伤过程,这将进一步造成某些生物大分子的抗原性改变,加重自体反应。有研究表明,β2糖蛋白1(β2GP1)因其富含半胱氨酸和丝氨酸,对氧化因素较其他蛋白质敏感,易受到自由基损伤,从而导致新的抗原决定簇或复合物形成,使机体产生自身抗体,发展为AID。提示自身成分β2GP1的氧化损伤,是AID发生过程中一个重要环节。另一方面,也为从清除自由基角度治疗AID提供理论依据。

3.3活性氧与男性不育

在人类生殖中,男性生殖道中ROS产生和清除之间存在一种平衡。与男性生殖道异常相关的ROS过量产生,能损伤精子和精浆的全部抗氧化防御措施,当超过临界水平时,引起一种氧化应激(oxidative stress,OS)状态。ROS从脂肪酸侧链甲烯碳中夺取氢原子可启动脂质的过氧化,脂肪酸侧链中双链数目越多越容易失去氢原子,被夺去氢原子的脂质过氧化物又可从相邻脂肪酸侧链中夺取氢原子而扩展脂质过氧化链式反应。精子膜上富含多聚不饱和脂肪酸,后者具有2个或更多的双链,因此易受ROS攻击,发生过氧化反应,导致精子膜发生过氧化改变的损伤。过量的氧自由基能使精子质膜的脂质发生过氧化反应,质膜拓扑结构遭到破坏,导致精子中段缺陷数增高、活动度下降,都将损及精子获能和顶体反应的发生,影响精子的受精能力。Tomes等认为精子尾部蛋白酪氨酸基团磷酸化可能是精子产生运动的机制之一。ROS可使色氨酸、鸟氨酸等硝基化或轻化,使巯基氧化,导致生殖系统中使精子蛋白酪氨酸磷酸化——去磷酸化作用的一些酶以及与精子运动有关的许多重要的酶被抑制、灭活以及活性部位破坏,影响精子的运动。在不育男性精液的高水平ROS往往伴随超出正常的精子DNA断裂。精子在体外与ROS共同孵育,可显著增加DNA片段,抗氧化剂预保护可降低对DNA的损伤。Trisini等运用彗星实验检测精子DNA,发现具有高水平DNA片段的精子的运动能力、密度也下降。

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