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活性氧的概述

教育装备采购网 2017-06-06 14:24 围观701次

  活性氧(reactive oxy gen species , ROS)是体内类氧的单电子还原产物, 是电子在未能传递到末端氧化酶之前漏出呼吸链并消耗大约2 %的氧生成的, 包括氧的电子还原产物氧阴离子(O2·-)、二电子还原产物过氧化氢(H2O2)、三电子还原产物羟基自由基(·OH)以及氧化氮等。[1] ROS 的产生主要是线粒体由状态Ⅲ向状态Ⅳ转换中氧的环境和还原态的呼吸链使大量电子漏出并还原氧分子而形成。

  概述

  氧是生命运动过程中不可缺少的种气体, 人们旦处于缺氧或者供氧不足的环境中, 就会感到憋气的痛苦甚至死亡。所以, 自从1770 年代初英人Joseph Priestley 发现氧以来, 氧直被人们认为是种对人体百益而无害的气体。可是, 科学迅速发展起来的今天, 我们知道, 不管是空气中的氧还是水中的溶解氧都具有较的氧化性, 与般的金属铁样, 处于空气中的人体各位都在不断地受到氧的腐蚀而“生锈” , 当然这种腐蚀与铁不同, 它体现在人体的细胞水平上。别是人体各种器官随着年龄的增大不断地老化更是这种腐蚀“生锈”的直观表现。1969 年McCord 与Fridovich 发现, 在生化反应过程中O2 获得个电子还原生成氧自由基(O-2 ), 而经过红血的分离制后获得O-2 的清除灭活酶, 并命名为氧化物歧化酶(superoxide dismultase , SOD)。这发现激发了大批的科学研究者致力于O-2 的生成过程、反应活性、毒性、生理和病理等等各方面的研究, 去探索解明SOD 在生理学上的意义。同时由O-2 衍生出来的过氧化氢(H2O2)、羟自由基(·OH)、激发态氧(重态氧或称单线态氧,O2)也受到了人们的重视。

  所谓的活性氧, 概括地说, 是机体内或者自然环境中由氧组成, 含氧并且性质活泼的物质的总称:主要有种激发态的氧分子, 即重态氧分子或称单线态氧分子(O2);3 种含氧的自由基, 即氧阴离子自由基(O-2 )、羟自由基(·OH)和氢过氧自由基(HO2);2 种过氧化物, 即过氧化氢(H2O2)和过氧化脂质(ROOH)以及种含氮的氧化物(NO)等。这些物质化学反应活性强、存在寿命短, 如O2 的平均寿命为2μs 、·OH 自由基200 μs 、O-2 自由基5 s 。正是由于它们寿命短、反应活性, 到目前为止除了H2O2 以外,其它活性氧的测定仍然是项际性难题, 还没有别有效的方法。般情况下采用的分析方法可大体有化学反应法 、捕捉法和直接测定法。

  对生物大分子的氧化损伤

  对核酸的氧化损伤

  DNA 的氧化损伤主要包括:是碱基的修饰。羟基自由基可对胸腺嘧啶的5,6-双键行加成,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。O2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。

  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。

  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别敏感,以芳香氨基酸和含硫氨基酸为突出,不同的自由基对定氨基酸侧链有殊影响,如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。[3]

  使肽链断裂

  活性氧所致蛋白质肽链断裂方式有2 种,种是肽链水解,另种是从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。

  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。

  改变构像

  蛋白质经氧化后,热动力学上不稳定,分三结构打开,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。

  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。[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,影响膜的能与抗原异性,导致广泛性损伤和病变。机体中HO·大分在细胞器中产生,别是在线粒体中产生,成线粒体膜的损伤,导致细胞和机体的能量代谢障碍。

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