中药抗氧化的化学结构基础

中药抗氧化的化学结构基础摘要自由基是一种拥有一个或多个不成对电子而独立存在的化学物质，具有强烈的氧化能力。它的活泼性质在人体内有多种作用方式，造成的结果也有好有坏，只不过它的坏处通常远大于好处，以至于大家都注意到它的坏处，而忽略它的好处。而自由基如何产生，有物理、化学、内生性三种方式，那内生性的机制是如何呢?目前研究结果显示内生性自由基的来源之一是由粒线体的电子传递链中的Ubiquinone(CoenzymeQ)带有单一电子后渗漏出去而造成的。机体在代谢中不断产生的自由基，种类繁多，其中活性氧ROS(reactiveoxygenspecies)占人体自由基比例高。自由基引发的连锁反应也是昀受关注的焦点，自由基藉由链锁反应可产生更大的伤害，例如脂质(lipid)受到超氧自由基的连锁反应，可造成更大的伤害。内生性抗氧化作用为人体消除自由基昀重要的机制之一，主要是藉由三种酵素─超氧化歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、麸氨基硫过氧化酶(GlutathionePeroxidase,GPx)、过氧化氢酶(catalase)，将自由基先代谢成毒性较低的H2O2，再代谢成无毒的H2O。内生性抗氧化作用遍布细胞内及胞外，全面保护人体免受自由基的破坏。自由基会对人体造成伤害。以下举自由基与脂质、DNA作用的机制说明自由基对人体造成的伤害。VitaminE分为4tocopherolsand4tocotrienols，其中以α-Tocopherol对抗脂肪过氧化自由基的生理效果昀强，α-Tocopherol受自由基攻击后失去氢原子，但可藉由共振使其较稳定，成为比较没有活性的VitaminEradical。VitaminEradical可被VitaminC还原成VitaminE。大黄中含有许多抗氧化的物质，表儿茶素（epicatechin）为其中之一，其上有许多苯环上接OH基的结构，具有与自由基反应的能力，反应后会形成8种稳定产物，因此其具有抗氧化的功能。前言自由基是一种拥有一个或多个不成对电子而独立存在的化学物质，具有强烈的氧化能力，而它对人体作用有正反两面，(一)正向作用，白血球产生自由基造成入侵细菌的死亡，对人体的免疫系统有有帮助。(二)反向作用，自由基破坏人体内的有机分子结构，引发一系列病变。至于自由基的来源，主要有物理性(如照X光)化学性(氧化还原反应)内生性(行有氧呼吸)三种方式产生。内生性自由基的来源之ㄧ，是Ubiquinone(CoenzyneQ)接受单一电子后从电子传递链中渗漏出去造成的。Ubisemiquinone的化学结构显示它有较为活泼的化学性质，渗漏后会进行化学反应并产生自由基，造成内生性氧化压力也随之发生。ROS(reactiveoxygenspecies)活性氧可以分成五类，分别是超氧阴离子（O2‧-或HO2）、过氧化氢（H2O2）、羟自由基（OH‧）、脂质过氧化物（LO˙－、LOO˙－与LOOH，或L(lipid)亦可换做R(烷基)）(Fe2+)反应，会产生氢氧自由基(OH‧)，在体内进行一连串的反应。其反应方程式：FentonReaction：H2O2+Fe2+→OH˙+OH-+Fe3+。以氢氧自由基(OH‧)为例，经由过氧化氢(H2O2)与金属离子Haber-WeissReaction：O2˙-+H2O2Fe3+/Fe2+1O2+OH˙+OH-使得H2O2等本身非自由基的物质亦可能产生自由基，造成潜在的危害、内生性抗氧化作用，是利用体内内生性抗氧化物来消除自由基的一种作用机转。相对于外生性抗氧化物而言(如VitC、VitE)，内生性抗氧化物为人体昀重要的抗氧化物。内生性抗氧化作用机制以三种酵素(SOD、GPx、Catalase)为作用核心，可除去带有不成对电子的O2‧－和有机物自由基(R‧－、ROO‧－…)，反应如下：2O2-·+2H+SODH2O2+O22H2O2GPxorcatalase2H2O+O22GSH+ROOHGPxGSSG+ROH+H2O此三种酵素皆为含有金属核心之蛋白质，以其金属离子为作用活化位(activesite)，与自由基作用，达到清除自由基的功能。以两种作用机制说明自由基如何对人体造成伤害。藉由人体内先产生多种自由基，自由基再和含双键的脂质与DNA进行反应。PUFAs为介绍脂质与自由基分子作用机制的例子，其机制分为三步骤:：起始反应是藉由人体内先产生多种自由基，而增殖反应中，脂质自由基(.L)会和氧行self-propagation的连锁反应而行成脂质过氧化物(LOO.)，产生的脂质过氧化自由基LOO.和lipidalkoxylradical(.OL)都是具有很强反应性及对其他物质的损害性。因而此自由基可能与其它物质反应而形成为数更多的自由基。DNA的反应机制中分为FentonChemistry与NucleaseActivation两部份，其作用机制对DNA造成突变或使得DNA片段上的致癌基因产生之受器不需生长因子的结合也能呈现活化状态，以致可不断刺激细胞分裂而致癌的后果。VitaminE在抗氧化而言以α-Tocopherol的生理效果较佳，因VitaminE脂溶性的属性，主要承受脂肪过氧化自由基(lipidperoxideradicals)所攻击，VitaminE受自由基攻击后失去氢原子而产生VitaminEradical，但可藉由共振使其较稳定。VitaminC被自由基攻击后，两个OH基变成diketon的结构而能稳定，因VitaminC为水溶性，所以其抗氧化性可对许多水溶性的自由基反应。VitaminC另外有一个重要反应就是可以还原VitaminEradical。大黄是中药中部份具有抗氧化功能的中药之一，其含有的主要成分为蒽醌类、二蒽酮类（palmidin）、大黄酸贰（rheinosides）、苯丁酮类、芪贰、萘贰、单宁类及其前体、色原酮类衍生物、以及糖、有机酸、无机物等物质。这些物质有一部份含有一种结构──苯环上含有OH基，这种结构可与自由基产生反应，而生成稳定的结构，因此具有抗氧化的功能。内容壹、自由基的基本概念一、自由基的定义自由基是一种拥有一个或多个不成对电子而独立存在的化学物质，具有强烈的氧化能力。例如H•,CCl3•,RS•,RSS•,O2•-,OH•,NO•,NO2•,R•,ROO•,L•,LOO•二、ROS(活性氧分子，reactiveoxygenspecies)(1)所谓的ROS(ReactiveOxygenSpecies)是指化学性质活泼的含氧原子or分子其中有些是自由基，另一部份是非自由基。(2)ROS会攻击体内有机分子，破坏其正常功能。ROS家族，例如O2•-,OH•,LOO•,H2O2,O2其中前三个是自由基，后面两个非自由基。ROS氧化作用如下:H2O2+Fe2+OH˙+OH-+Fe3+三、自由基的作用O2‧-的電子結構(有不成對電子)自由基分子本身并不稳定，容易与周遭有机分子产生化学反应，这对人体有好处也有益处。(一)好处方面，例如:在免疫系统中产生的NO•能够帮助「巨噬细胞」杀死细菌OR产生更毒的NO2消灭细菌。方程式如下:NO+O2•-OH-＋NO2(二)坏处方面，例如:自由基造成周遭分子的氧化，被氧化的分子进一步去氧化其它分子，造成连锁反应，因此产生巨大的破坏。四、自由基的来源1.PhysicalGeneration紫外线和辐射线提供能量，造成Bondhomolysis(键断裂后电子平均分布)，产生自由基2.ChemicalGeneration可能由氧化还原的反应形成，例如:FentonreactionH2O2+Fe2+→OH˙+OH-+Fe3+3.GenerationinBiologicalSystems粒线体的电子传递炼过程中会形成自由基，其作用机制将在下面报告做说明。贰、人体的内生性氧化压力一．电子漏渗的地方Ubiquinone(CoenzymeQ)的介绍*Ubiquinone(CoenzymeQ)的三种型态UQ:Ubiquinone氧化态的ubiquinone(未得电子)UQ˙-:Ubisemiquinone半还原态的ubiquinone(只得到一个电子)UQH2:Ubiquinol全还原态的ubiquinone(得到两个电子)*Ubiquinone(CoenzymeQ)的分子结构参考附图二，在三种型态中，半还原态的Ubiquinone带负电荷并且含有不成对电子，所以其化性比其它两种型态来的活泼。*Ubiquinone(CoenzymeQ)的功用参考附图一，电子传递路径必经路线的Ubiquinone(CoenzymeQ)，会携带来自complexI&complexII的电子，变成全还原态ubiquinol并传递到complexIII二、电子漏渗方式(参考附图一)，以电子传递链路径complexI传到complexIII为例。*complexI(参考附图三)complexI由FMN与Fe˙S构成。电子由NADH传至FMN再传至Fe-S，昀后传至UQ形成UQH2。在昀后一步过程中，会有UQ˙-的形成(详细机转尚不清楚)。UQ+e-UQ˙-+e-UQH2*complexIII(参考附图四)complexIII由Cytb、Fe˙S、Cytc1构成。电子由UQH2携带至complexIII后，会有两个电子传递路径(蓝色箭头表示)(一}电子从UQH2SQ0Fe2S2Cytc1cytcacceptor此路径为电子正常传递路径。{二}电子从UQH2SQ0SQiUQH2方程式昀后又形成UQH2，此路径叫做Qcycle。在Qcycle传递过程中，也会有UQ˙-的形成并向外漏渗，(详细机转仍不清楚)三、Ubisemiquinone(UQ˙-)的危害在上述电子传递链中渗漏出的UQ˙-，由于它的化性相当活泼会与其它分子发生反应，若与氧分子反应就会产生自由基，形成氧化压力。UQ˙-+O2UQ+O2˙-而O2˙-自由基会再去攻击铁硫中心(Fe-Scenter)并间接促成氢氧自由基生成。O2˙-+Fe3+O2+Fe2+H2O2+Fe2+OH˙+OH-+Fe3+自由基的种类关于—ROS活性氧生物体中氧的毒性主要来自于其被部份还原所产生的氧自由基(Oxygen-derivedfreeradicals)又称为活性氧(reactiveoxygenspecies)，为化学性质活跃的含氧原子或原子团，包括超氧自由基(O2‧-)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH‧)、单线态氧()、脂质过氧化物(LOO˙－)等。a.超氧阴离子（O2‧-）产生途径：UQ˙-+O2→UQ+O2˙-(UQ˙-主要为complexII与complexIII之间的媒介物)危害：O2˙-会攻击含有铁硫中心(Fe-Scenter)的蛋白质，将Fe3+还原成Fe2+后释出FentonReaction：H2O2+Fe2+→OH˙+OH-+Fe3+DefinitionofFentonreaction:Thisistheiron-salt-dependentdecompositionofdihydrogenperoxide,generatingthehighlyreactivehydroxylradical.滲漏b.过氧化氢（H2O2）产生途径：2H++O2˙-+O2˙-SuperoxidedismutaseH2O2+O2潜在危险：有能力穿透细胞膜进入别的细胞，与金属离子或超氧化物形成氢氧自由基。FentonReaction：H2O2+Fe2+→OH˙+OH-+Fe3+又O2˙-+Fe3+→1O2+Fe2+c.羟自由基（OH‧）产生途径：FentonReaction：H2O2+Fe2+→OH˙+OH-+Fe3+又O2˙-+Fe3+→1O2+Fe2+Haber-WeissReaction：O2˙-+H2O2Fe3+/Fe2+1O2+OH˙+OH-危害：OH˙会攻击脂质、蛋白质、DNA等分子，造成许多疾病的发生，是昀具破坏力的自由基。产生途径基态氧分子受激后形成高能氧分子，其分子组态如图