自由基与人类衰老

自由基与人类衰老自由基与人类衰老 衰老是一个持续的变化过程，对于人类而言，指人在中年之后，随着年龄的不断增加， 机体的新陈代谢逐渐进入衰老，各器官功能开始降低而逐渐转入老化状态。本文从自由基 的生成与淬灭、自由基在脂褐素的形成、线粒体 DNA 的突变、诱导细胞凋亡、在蛋白质 合成中的作用等方面，阐述了自由基与衰老间的关系，并且分析了酶类抗氧化剂和非酶类 抗氧化剂与衰老的相互关系，指出了自由基可引起的疾病，从而提出了如何延缓衰老，为 人类减缓自身衰老提供了一定的科学依据。 衰老之谜与生命起源之谜一样，引起人类的极大兴趣。因而人类对延缓衰老的原因就有 各种不同的学说。其中已被广泛接受的是损伤学说、交联学说，而越来越多的研究显示， 人体衰老主要是人体的保养与修复系统有缺陷或功能的减退引起的。目前具有本源性解释 的衰老机制是自由基学说。这一学说是 JOHn JE 及 Harman D 于 1956 年提出的，是有 广阔前景的学说。其主要依据是在正常情况下机体的自由基的产生与消失处于动态平衡。 一旦失去平衡即逐渐趋于老化，最终导致衰老。这一理论主要认为衰老起因于代谢过程中 不断产生的自由基毁坏细胞膜结构，并增加 DNA 突变，造成功能蛋白合成误差；促进核 酸和蛋白质的分子内和分子间逐步发生化学交联反应。使细胞不能发挥正常的功能，终至 死亡。因此，减少或限制自由基的产生可以延长机体的生存期。随着年龄增大的退行性变 化是由于自由基的副作用所引起的。 本文对衰老与自由基学说进行综合分析，为进一步研究延缓衰老提供参考，从而解释了 人体内过多的自由基是引起人类老化的主要原因。 1 自由基的特性自由基的特性 1.1 自由基的生成与淬灭 自由基（free radical）又称游离基。多数化学物质在其电子 运行轨道中含有相对旋转的配对电子。自由基是指在最外层含有未配对电子的原子、原子 团，特殊状态的分子，由于电子有成对的自然趋向，所以不成对的电子就有一种“张力”去 “寻找伙伴”。也就是具有未配对的原子、原子团、分子或离子叫自由基。机体在活动过程 中（如细胞呼吸作用、线粒体内的氧化过程）会产生超氧阴离子自由基（O-2）、羟离子 自由基（OH）、过氧化氢自由基（OOH）、氢自由基（H）、脂质自由基（L）、脂质 过氧化自由基（LOO）、有机自由基（R）、有机过氧化自由基（ROO）等。其中与生 命关系密切的是O-2，自由基在人体代谢中发挥着重要的作用，许多生理过程，如线粒体 和微粒体的氧化还原反应，白细胞对病原体及肿瘤细胞的杀伤作用均需O-2 参与。正常情 况下，体内的自由基可被机体内的防御系统-抗氧化酶（超氧化歧化酶,SOD）和抗氧化剂 （如维生素 E）清除而不会造成危害。 1.2 自由基在衰老发生发展中的作用 人类年龄50 岁体内的活性开始降低, 60 岁下降 更明显。谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）和过氧化物酶也有类似的情况。抗氧化酶的活 性降低导致机体内自由基的清除减慢，而许多因素如紫外线、X 射线、 射线、香烟烟雾、 氧化性污染物、电子辐射等都会诱发正常代谢以外的异常自由基的产生。过多的自由基可 造成机体内的 DNA、蛋白质和脂类的损伤24,损伤的积累导致细胞衰老或死亡。生 物个体的诞生、生长、发育一直到衰老一系列现象都是复杂的，但复杂的现象有其共同的 规律。在很多衰老现象的背后，都隐藏着自由基反应的机理。因此很多衰老现象与自由基 相关5。 1.2.1 脂褐素的形成 自由基性质活泼，且极不稳定，容易与其他物质发生反应而生成 新的自由基及高氧化物。尤其是O-2 和OH，它们是最活泼也是最具有危害性的自由基， 它们可以与相邻的任何生物分子起反应。过量的O-2 和OH 氧化细胞膜中不饱和脂肪酸引 起脂质过氧化、交联、聚合成脂褐素（一种难以消除的惰性废物），它堆积在细胞内毒害 细胞，阻止细胞内物质和信息的传递2。脂褐素在皮肤细胞中堆积，形成老年斑；在 脑细胞中堆积，则会引起记忆减退或智力障碍，甚至导致老年性痴呆症；在心肌细胞中堆 积，心脏功能减退6。胶原蛋白聚合则引起皮肤失去张力和弹性，皱纹增多以及老年 性骨质增生。这些都是衰老的基本特征。 1.2.2 线粒体 DNA 突变 人类线粒体 DNA（mtDNA）为一环状双链超螺旋 DNA，存在 于线粒体基质中。mtDNA 与核 DNA（nDNA）相比，其特殊性是：mtDNA 裸露，无组蛋 白保护且缺乏有效的修复系统，因此其突变率比 nDNA 高 10100 倍，并且能在细胞内不 断积累；mtDNA 具有极其经济的基因排列，没有内含子，却有部分区域基因重复使用，因 此任何突变都可能造成重要功能的病理性变化。O-2 和OH 能与 mtDNA 分子中的胸腺嘧 啶、尿嘧啶、鸟嘌呤等发生反应，引起 mtDNA 的碱基替换、重组或片段缺失，造成生殖 细胞系与体细胞系 mtDNA 突变。 生殖细胞系 mtDNA 突变，可引起遗传性氧化磷酸化（OXPHOS）能力缺陷而导致过早 发生退行性疾病。体细胞系 mtDNA 突变的积累与人类组织器官（脑、心、骨骼肌、肝、 卵母细胞及精子），机体的衰老及许多老年性退行性疾病密切相关。现已发现 mtDNA 片 段缺失或点突变，可导致机体老化、心肌缺血、老年心衰等老年性心脏疾病的发生；衰老 心肌中片段缺失和 OXPHOS 中酶活性下降可导致自由基介导的脂类过氧化反应加速7， 这可能是形成动脉粥样硬化斑块的原因之一。另有研究表明：以渐进性痴呆和大脑皮质萎 缩为特征的老年性疾病如阿尔采默病（Alzheimers disease,AD）和亨廷顿病（Hunting on disease,HD）等的发展均与 mtDNA 突变和 OXPHOS 缺失有关。 1.2.3 诱导细胞凋亡 细胞死亡的方式有两种：即细胞坏死与细胞凋亡。细胞坏死：是 指在其他因素的影响下，组织细胞新陈代谢的终止。细胞凋亡：是指细胞程序化死亡，它 是一个主动的、有控的、在调节细胞数量上起着与有丝分裂互补作用的重要的生理学过程。 细胞的衰老性死亡就是细胞凋亡。体内的自由基特别是O-2 和OH 主要产生于那些具有重 要功能、高度活动性、耗氧量高的组织细胞如脑细胞、神经细胞、心肌及内分泌细胞内， 并造成过度堆积，它们通过氧化作用攻击生命大分子物质，导致这些组织细胞内 DNA、蛋 白质、脂膜的损伤2，6，7，诱导细胞凋亡，加速机体老化。 1.2.4 蛋白质合成减少 自由基通过其强氧化作用对核酸进行氧化和交联，使发生断裂、 突变4，从而严重影响蛋白质遗传信息的正常转录和翻译，使蛋白质表达量降低甚至 消失，或者产生突变蛋白质，而蛋白质合成减少正是老年性记忆减退、智力障碍及肌肉萎 缩的重要原因。 2 自由基清除自由基清除3 2.1 酶类抗氧化剂 酶是活组织产生的生物催化剂，能提高组织内可能存在的生化反应 的速度。酶缺乏时相同的或相应的反应速度减慢，以至难于维持生命活动。机体细胞在衰 老过程中，某种抗氧化物的增高，往往伴有另外几种的减少，或者，一种或几种抗氧化物 程度与机体最高寿限呈正相关，同时另外几种则呈负相关。因此，内源性抗氧化物质在作 用机理上存在着互补，在作用效果上又表现为平等的关系。某一种抗氧化酶活力的大小并 不能代表总抗氧化防御水平的高低。抗氧化酶的改变与衰老之间存在着因果关系。人为的 改变抗氧化酶水平，细胞个体抗自由基损伤的能力及其寿命有所改变。自由基清除剂中的 酶类抗氧化剂（内源性抗氧化剂）主要有超氧化歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶 （GSH-PX）、过氧化氢（CAT）。这些酶都显示出具有一定的抑制过氧化作用，对延缓 衰老有非常重要的作用。 2.1.1 SOD SOD 是一种广泛存在于生物体内与细胞氧化代谢密切相关的蛋白质。SOD 根据所含金属元素的不同可分为三类：Cu、Zn-SOD， Mn-SOD，Fe-SOD，同时还存在 多种同工酶，三种酶都可催化O-2 歧化 H2O2 与 O2，但性质不同，其中 Cu、Zn-SOD 与 其他种 SOD 差别较大，而后二种之间差别却较小。 Cu、Zn-SOD 主要存在于机体细胞浆中。Cu 处于酶的活性中心部分，直接与酶的催化 活性相关。Zn 的活性不仅决定于酶蛋白，还决定于 Cu2+与 Zn2+ ,Cu、 Zn-SOD 的基因 结构及肽链结构由 2 个相同亚基组成，其基因在 21 号染色体上（21g22），其结构基因共 含 459 个碱基对。氰化物、H2O2 等可抑制 Cu、Zn-SOD 的活力。 Mn-SOD 存在于真核细胞的线粒体和原核细胞内，一般由 2 个亚基组成，每个亚基各含 一个 Mn，基因位于 6 号染色体，由 128 个氨基酸残基组成，Mn-SOD 的性质与 Cu、Zn- SOD 比较，除催化O-2 的功能相同外，其他均有较大的差异。 Fe-SOD 存在于原核细胞中，由 2 个亚基组成，每个亚基各含一个 Fe，Fe-SOD 催 化O-2 歧化为 H2 与 O2，物理化学性质类似 Mn-SOD。其活性大小与来源有关，即耐热 性受酶来源的影响。对其既是还原剂又是致活剂，但对 H2O2 的敏感性决定于酶的来源。 SOD 与一般酶不同之处在其底物是一种寿命很长的自由基O-2，而与一般酶相同之处是 在结构与功能是高度统一的，任何结构上的改变必然影响催化活性即引起失活。如机体内 SOD 缺乏，或产生自由基多，体内动态平衡被破坏而导致细胞损伤，均可出现老化、衰老。 2.1.2 GSH-PX 在细胞质中，一部分存在于线粒体内。在线粒体及胞浆中所产生的 H2O2 常靠 GSH-PX 清除。脂类氢过氧化物可被 GSH-PX 或谷胱甘肽转硫酶清除。在这 2 种酶作用下所产生的氧化型谷胱甘肽（GSSG），在谷胱甘肽还原酶作用下又可还原为 还原型谷胱甘肽（GSH），继续参加清除活性氧的作用。GSH-PX 不直接清除自由基，但 也可清除 H2O2 和脂质过氧化物，抑制自由基的生成反应。GSH-PX 是含硒（Se）的酶蛋 白，其活性由 2 种酶组成，Se 起主要作用，负责催化 H2O2 及有机过氧化物的还原，另 一部分仅还原有机过氧化物。硒缺乏时 GSH-PX 活性低下，导致组织损害。GSH-PX 防止 脂类过氧化可延缓细胞衰老，在预防延缓衰老方面起着重要作用。 2.1.3 CAT 分布在红细胞、肝及肾的细胞中，催化 H2O2 向 H2O 的分解反应。CAT 虽不直接清除自由基，但可降低细胞中 H2O2 浓度,而常是自由基的前体。因此，CAT 在 清除自由基、预防延缓衰老方面有重要作用。 2.2 非酶类抗氧化剂 非酶类抗氧化剂（外源性抗氧化剂）主要有维生素 E（VitE）、 维生素 C（VitC）、辅酶 Q（COQ）、尿酸、丁羟基甲苯（BHT）、谷胱甘肽（GSH）、 甘露醇等，均有抑制过氧化作用，对延缓衰老有重要作用。 2.2.1 VitE 在细胞内存在于膜的内部。在线粒体膜、叶绿体膜及视网膜中 VitE 含量较 多。在体内能起自由基捕获作用，主要是该分子能提供一个酶性氢原子自由基，从而解决 了自由基的未配电子，成为比较稳定的分子。而 VitE 本身被氢化成醌式自由基，迅速降解 为其他无活性的或非自由基产物。这种反应能有效地终止自由基引起的连锁反应。对维持 膜的稳定性起重要作用。从而防止细胞的损害，起到延缓衰老的作用。已证实 VitE 能清除 O-2 、OH、1O2、脂质过氧自由基及其他自由基。 2.2.2 VitC 是水溶性抗氧化物，是有生物学作用的细胞外液抗氧化物，且在细胞内液 也有重要的抗氧化性，能有效清除 O-2 、OH、LOO、HClO、H2O2、1O2 等自由基。 被氧化的 VitE（醌型）与在体内 VitC 相互作用时又可以再被还原成酚型 VitE。所以能间 接发挥抗自由基作用。在与 VitE 合并使用时，其作用更显著。即 VitE 和 VitC 抗氧化物的 不同功能及协同使用，在联合抗氧化中起到关键性作用。 2.2.3 COQ 存在于线粒体、微粒体、浆膜、溶酶体、高尔基氏体、过氧化酶体膜中。 COQ 对脂质过氧化有明显的抑制作用。COQ 也可作为 -生育酚自由基的还原剂，与 VitE 有同样的清除 O-2 作用 2.2.4 尿酸 在血浆中，是 1O2、OH的清除剂。尿酸可抑制脂类过氧化，而在细胞外 液中 SOD 及 H2O2 都很低。尿酸和 VitC 一样起到抗氧化剂作用。 2.2.5 BHT 主要用于食品和药品的防腐剂，利用其抗氧化特性，使用极小量便可防止 某些食品发生脂肪氧化。BHT 有清除自由基作用，可防止老年色素形成，延缓细胞衰老从 而起到延缓衰老作用。 2.2.6 中药 近几年清除自由基和抗氧化作用的研究进展很快，取得了可喜成果。复方 剂有清宫寿桃丸、清宫长春丹、复方补肾益脾方剂（菟丝子、白术、枸杞子、补骨脂、党 参、贞子）等，单味药有灵芝、人参、黄芪、天麻、首乌、枸杞子、五味子、菟丝子、银 羊藿、丹参等8。生化、物理实验证实，这些中药具有不同程度的抗氧化物质成分， 因而能阻止自由基对细胞不饱和脂肪酸的连锁氧化作用，并能增强 SOD、GSH-Px、CAT 的活性。从而清除 O-2 、OH、H2O2 以及抑制脂类过氧化作用。 3 如何延缓衰老如何延缓衰老 3.1 限制热量 合理配餐，科学的限制食量，保护食物中抗氧化剂是迄今发现最简便易 行的延长有效寿命，减少疾病的最有效方法。限制饮食能够增加寿命，这主要是因为可以 减少线粒体衰老。因为摄取饮食，其消化吸收的代谢需要在线粒体内进行氧化磷酸化，然 后以 ATP 形式来供给机体活动所需的能量。在产生 ATP 的过程中有自由基生成。这些内 源性自由基会在细胞内抗氧化防御体系不足的情况下对线粒体产生积累性损伤，从而导致 线粒体衰老5。 3.2 降低基础代谢 氧化过程是机体能量代谢和基础代谢的基本过程，氧是人体新陈代 谢所必需的。人体 90%的耗氧量在线粒体。线粒体的能量代谢的主要产物是 ATP,ATP 形 成过程是需氧的，同时有超氧阴离子等自由基形成。实验证实，机体每克组织中线粒体耗 氧量越高寿命越短。即哺育动物最大预期寿命和基础代谢成正比，即基础代谢越高，衰老 越快5。 3.3 合理运动9 长期有氧训练，有利于促进自由基的消除，抑制增龄引起的抗氧 化能力降低，调节机体氧化和抗氧化系统的平衡，对机体产生有益影响，这是运动延缓衰 老的主要机制之一。 3.4 减少自由基的产生1015 环境是导致自由基产生的主要原因：污染的空气、 水和污染物等。 阳光、辐射、农药、化学物质、溶剂、吸毒、抽烟、煎炸食品等产生自由基，体内新陈 代谢也产生自由基，它们是天