自由基为具有不成对电子的分子

序自由基為具有不成對電子的分子，離子，或原子，非常活潑，幾乎毫無選擇性的攻擊其它分子。第一種是成對的分子需要高能量(如高溫,紫外線,或是輻射線)來分解成各具一個電子的自由基(homolyticcleavage);第二種是失去一個電子的離子;第三種則是正常分子增加一個電子,而以後者即電子轉移(electrontransfer)較為常見,因此有正,負極或是中性不同的自由基來表現。自由基之所以有害﹐是因為它活潑的化學特性﹐會和體內的細胞組織產生化學反應﹐使細胞組織失去功能而破壞。與自由基有關的疾病有一百多種,動脈硬化﹑腦中風﹑心臟病﹑白內障﹑肺氣腫﹑糖尿病﹑多種癌症都是常被討論的。自由基與老化的關係也是密不可分的。但自由基是隨時隨地都會產生的，身體要運作﹐就必需藉由氧化產生能量﹐這時就會有自由基的產生，還有許多外來因子﹐如紫外線﹑X光﹑電磁波﹑抽煙﹑致癌物質﹑藥物﹑污染物質及情緒的緊繃如生氣﹑緊張等…也都是產生自由基的要素；但它也不全然是個壞東西﹐因為它同樣的也會對入侵的細菌病毒產生同樣的作用。有細菌或病毒侵入﹐白血球表面也會產生自由基殺菌。本組將對自由基定義與反應，簡述自由基如何破壞體內各種分子，和體內自生的抗氧化酵素如何避免自由基的過度傷害，攝入的抗氧化物如何在體內發生作用，並與自由基相關的疾病作生物性與化學性的介紹。自由基的種類和氧化壓力的來源自由基為具有不成對電子的分子，離子，或原子，非常活潑，毫無選擇性的攻擊其它分子。第一種是成對的分子需要高能量(如高溫,紫外線,或是輻射線)來分解成各具一個電子的自由基(homolyticcleavage);第二種是失去一個電子的離子;第三種則是正常分子增加一個電子,而以後者即電子轉移(electrontransfer)較為常見,因此有正,負極或是中性不同的自由基來表現。超氧(superoxide,O2.):O2+e-→O2-.然而人體內卻會因為兩個超氧互相反應,結合成所謂的過氧化氫(Hydrogenperoxide)，而過氧化氫雖沒有不成對電子，卻會經過如下反應產生自由基：(Haber–WelssReaction)所以像過氧化氫這種雖然不屬於自由基的產物,但是由於其極為不穩定，極容易由於金屬離子的催化，而分解成兩個最具破壞力的氧化氫自由基產物(Hydroxylradical,OH)，所以就像是潛伏在人體的不定時炸彈，我們將之與含氧的自由基合在一起稱為反應氧物質(ROS,reactiveoxygenspecies)。自由基HydroxylSuperoxideNitricOxideThylPeroxylLipidperoxylOH•O2•¯NO•RS•RO2•LOO•非自由基類PeroxynitriteHypochloricacidHydrogenPeroxideSingletOxygenOzoneLipidperoxideONOO¯HOClH2O21∆g(¯１O2)O3LOOH氧化壓力(oxidativestress)是指體內的Reactiveoxidativespecies(ROS)太多，以至於體內的抗氧化系統無法完全中和掉所有的自由基造成細胞損傷，因而造成了氧化壓力。有機會產生自由基的反應通常牽涉到物質的氧化還原，細胞內氧化還原最頻繁的胞器是粒線體，研究得知自由基的產生是來自於粒線體電子傳遞鏈的滲漏。圖(1)MitochondrialElectronTransport從圖可以看出，粒線體電子傳遞鏈可以簡單表示為「有氧呼吸前半段的產物將電子傳到ComplexI&II，I和II分別將電子透過UQ(ubiquinone，又稱為coenzymeQ)傳到III，III再將電子透過Cytc(cytochromeC)傳到IV，最後IV將電子傳到O2與H+結合成水」。Ubiquinone未得電子時是氧化態，得一個電子時是半還原態(又名ubisemiquinone，是一個自由基)，得兩個電子時是全還原態(又稱為ubiquinol)。如圖所示，電子從complexI&II傳到UQ的反應：UQ+2e-+2H+→UQH2；電子從UQH2到complexIII的反應：UQH2→UQ+2e-+2H+。研究得知，在complexI&III處會有ubisemiquinone的生成(詳細原因這裡不探討)，由於粒線體內有較高濃度的O2，所以ubisemiquinone容易與O2反應：UQ˙-+O2→UQ+O2-，產生超氧化物陰離子。超氧化物陰離子(superoxideanionO2˙-)產生途徑：UQ˙-+O2→UQ+O2˙-(主要來自complexIII)危害：O2-會攻擊含有鐵硫中心(Fe-Scenter)的蛋白質，將Fe3+還原成Fe2+後釋出(間接促成氫氧自由基生成)，例如NADHandsuccinatedehydrogenase。因而破壞粒線體Krebscycle及電子傳遞鏈，抑制有氧呼吸形成大量的乳酸發酵、ATP不足，引起疾病如乳酸血症、心肌病、基底神經節退化等。過氧化氫(H2O2)產生途徑：2H++O2-+O2-→H2O2+O2(透過超氧化物歧化酶SOD的催化)潛在危險：H2O2本身較為安定，不易氧化其他物質，但有能力穿透細胞膜進入別的細胞，與金屬離子或超氧化物形成氫氧自由基。(也就是具有擴散性)氫氧自由基(hydroxylradical˙OH)產生途徑：FentonReaction：H2O2+Fe2+→˙OH+OH-+Fe3+又如前面所述：O2-+Fe3+→O2+Fe2+(結合以上兩式得到下式)Haber-WelssReaction：O2-+H2O2→˙OH+OH-+O2(透過Fe2+/Fe3+)危害：˙OH會攻擊脂質、蛋白質、DNA等分子，造成許多疾病的發生，是最具破壞力的自由基。單重態氧(singletoxygen１O２)產生途徑：基態氧分子受激後形成高能氧分子，其分子組態如圖(2)。危害：１O２會與氫氧自由基˙OH攻擊脂肪分子。過氧化脂質(lipidperoxideLOO˙)圖(2)MOof1O2圖(3)過氧化脂基的產生產生途徑：如圖(3)，不飽和脂肪酸中雙鍵碳原子旁的單鍵碳原子上的亞甲基氫受到氫氧自由基or單重態氧攻擊。危害：脂質的氧化與許多疾病有關，例如動脈硬化之類。自由基對生物分子的傷害細胞內外主要成份中，蛋白質、醣類、脂質、核酸都是自由基攻擊的主要目標，以下舉三個例子說明自由基和生物體內核酸、脂質和蛋白質分子的作用。z核酸與自由基分子作用DNA與細胞內代謝後產生的氧化物質(ex.氫氧自由基[HO•]，或是脂質過氧化(lipidperoxidation)所產生的含氧之中間產物[RO•]or[ROO•])反應而成的氧化類鹼基是人體內數量上最多的鹼基修飾產物，這些氧化類鹼基據估計每個細胞每天約有104~106個生成。人體內具有內生性機制，可以自行消除修補每天產生之99%~99.9%的氧化類鹼基修飾產物；但未被修補到的氧化類鹼基在體內不斷累積，產生了一穩定量的DNA破壞，此DNA的破壞和人體老化及癌細胞的形成有很大的關聯性。在20多種的自由基造成DNA改變中，8-氫氧2'-去氧鳥糞核糖（8-hydroxy2'-deoxyguanosine，8-OHdG）是DNA氧化性產物中量最多的一種。由於共振結構的關係，8-OHdG八號碳上-OH基的H原子會移到七號碳上，而在八號碳上和O原子形成一個雙鍵，變成另一結構︰8-oxoG。8-OHdG/8-oxoG可以和胞嘧啶(cytosine)正常配對，也可以和腺嘌呤(adenine)形成錯誤配對，這種錯誤配對如果未在DNA複製前修補而就進行複製，就會造成子細胞C/G到A/T的點突變。另外，8-OHdG/8-oxoG常被拿來作為體內評估自由基相關疾病的氧化傷害的指標，因為以HPLC–ECD的方法測定8-OHdG/8-oxoG，在femtomole(10-15)範圍內就可以被偵測出來。因此，以8-OHdG/8-oxoG來作為偵測氧化性傷害的工具遠較其他方式來得靈敏。而8-OHdG/8-oxoG在體內的含量，亦被用來判斷生物體的年紀，通常年老的生物體內8-OHdG/8-oxoG的含量要比年輕生物體含量要來得多，這呼應了穩定量DNA破壞和人體老化很大關係。z脂質與自由基分子作用脂質分子被自由基分子氧化後，會發生連鎖反應，一但一個脂質分子被氧化後，會使更多的脂質分子繼續被氧化，對人體造成嚴重損害。以不飽和脂肪酸和自由基分子作用為例︰不飽和脂肪酸中雙鍵碳原子旁的單鍵碳原子上的亞甲基氫受到氫氧自由基OH˙或是單重態氧1O2攻擊。ＨＨＨＨＨＨＨＨＨＨ｜｜｜｜｜OH˙or1O2｜｜｜｜｜－Ｃ＝Ｃ－Ｃ－Ｃ＝Ｃ－－Ｃ＝Ｃ－Ｃ－Ｃ＝Ｃ－｜˙Ｈ[亞甲基氫][簡稱L˙]不飽和脂肪酸和自由基分子作用的reaction︰OH˙+LH|L˙+H2O(alkyl=L˙)L˙+O2|LOO˙LOO˙+LH|LOOH+L˙Fe2++LOOH+H+|Fe3++LO˙+H2OLO˙+LH|L˙+LOHLOOH+O2|MDAMDA丙二醛（malondialdehyde）是不飽和脂肪酸受ROS攻擊的最終產物，是一具有兩個醛基的高活性化合物，可與蛋白質、酵素或核酸分子中的胺基反應形成附加物，導致身體機能變異，其會長期累積在體內，造成身體的傷害。z蛋白質與自由基分子作用以胺基酸tyrosine受自由基作用為例︰體內所產生的tyrosylradical是由peroxidase和其他血紅素蛋白所生成。兩個tyrosylradicals可以反應生成o,o’-dityrosine，這是一個自由基作用而產生的穩定的最終產物。一個體外實驗顯示，hydroxylradical(OH˙)可以將phenylalanine變成O-tyrosine並鍵結O-tyrosine成為o,o’-dityrosine而tyrosylradical可以和tyrosine作用生成o,o’-dityrosine，但是不能形成O-tyrosine。在生物體內同時偵測O-tyrosine和o,o’-dityrosine可以顯示出體內OH˙自由基的作用，而只偵測o,o’-dityrosine的含量則可以知道體內蛋白質受tyrosylradical自由基作用而氧化的程度。O-tyrosine和o,o’-dityrosine可用來作為體內蛋白質氧化程度的marker，因為它們的酸鹼性穩定，在正常的蛋白質中不會出現，但是如果體內出現了hydroxylradicals或tyrosylradicals，O-tyrosine和o,o’-dityrosine的量會明顯上升。循環研究顯示，o,o’-dityrosine會隨年齡增長而累積在生物體的骨骼、心肌細胞中，可見o,o’-dityrosine可以作為人體老化程度的指標；但是在肝臟和腦細胞中o,o’-dityrosine的含量並不會累積。自由基，氧化與疾病一、動脈硬化動脈硬化並不是一個疾病的名稱，卻會造成許多重症，它是指任何原因引起血管壁變厚或血管內發生阻塞為特微的動脈病變。動脈硬化會產生一種被稱做動脈斑的病變在血管壁，血管壁增厚，限制血流通，在發展後期可能形成血栓完全阻擋血流(當動脈斑破裂時)。(一)動脈斑：這是一個動脈斑(atheroscleroticplaque)產生於動脈管壁的示意圖，圖形的上方空白區域是血管腔，是充滿血液的地方。圖形下端是血管的肌肉層。說明這張圖與血管全貌的關係後，我們可以看到，動脈斑有個位於原本的內皮層和肌肉層之間的脂質核心(fattycore)，平滑肌細胞(smoothmusclecell,SMC)也在原本內皮的位置增生，加上分泌出的膠原蛋白等，形成一個纖維帽蓋(fibrouscap)。脂質Tyrosine的分子結構Tyrosine分子和自由基作用生成o,o’-Dityrosine核心中有泡沫細胞(foamcell)，它們原本是巨嗜細胞，吞噬了脂質後變成跑沫細胞而後死去。動脈斑的形成主要有下列事件：首先是低密度脂蛋白進入血管內膜，接著是低密度脂蛋白(LDL)的氧化，刺激該處產