生物大分子的氧化损伤与疾病.doc

生物大分子的氧化损伤与疾病怀化医专JOURNALOFHUAIHUAMEDICALCOLLEGE2006,5(1)生物大分子的氧化损伤与疾病张中,卫涛涛(1.怀化医专医学检验系.湖南怀化418000;2.中国科学院生物物理研究所,生物大分子国家it点实验室)?摘要】本文首先阐速了活性氧对生物大分子的氧化损伤,如对蛋白质,核酸,生物膜的损伤;其次介绍了生物大分子的氧化损伤与衰老,肿瘤,糖尿痛厦自身免疲痰病的关系.关键词】生物大分子;氧化损伤;自由基;活性氧中圈分类号】QT1文献标识码】A文章号】o163(2006)Ol一008104具有未成对电子的原子或原子团叫做自由基.与生命或健康密切相关的自由基主要包括超氧阴离子自由基,羟基自由基,单线态氧等氧自由基以及一氧化氮等氮氧自由基等.这些氧自由基及氮氧自由基具有三个明显的特点:一是反应性(氧化性)强,二是寿命短,三是具有顺磁性.这些自由基,以及由这些自由基所衍生的过氧化氢,过氧化亚硝基等非自由基分子(离子)被统称为活性氧.它们产生于有机体的正常需氧代谢,而在电离辐射,紫外线照射,化学物质(尤其是环境污染物)暴露等情况下,机体会产生大量的内源活性氧J.最近的研究表明,机体内抗活性氧损伤的防御系统是一个可与免疫系统相比拟的复杂系统.随着自由基生物医学的发展,已经发现大约有百余种疾病与活性氧有关,其中研究得较多的疾病包括自身免疫性疾病,肿瘤,辐射损伤,动脉粥样硬化,衰老等,而这些疾病的发生发展都与活性氧损伤生物大分子有关【34J.随着活性氧在这些疾病发生发展中的作用机理逐渐被揭示,防止活性氧对生物大分子造成氧化损伤将成为防治这些常见I临床疾病的指导性原则之一.下面对生物大分子的氧化损伤与疾病的关系作一简要综述.1活性氧对生物大分子的氧化损伤1.1对蛋白质的损伤可直接作用于蛋白质的活性氧主要包括超氧阴离子(O2一),过氧化氢(H202)及羟自由基(HO?),过氧化亚硝基(ONOO一).对蛋白质直接破坏的后果主要有:(1)可使酶蛋白失活或改变其催化活性;(2)产生某些具有异质性的蛋白质,从而引起自身免疫反应;(3)自由基可使蛋白质发生广泛交联,使其理,化性质和生物学功能发生改变.如O:一或H2o2可与半胱氨酸残基作用.在过渡金属如Fe,cu的催化下,H2O2通过Fenton反应产生氧化活性更高的HO?,反应性增强,进一步引起其他氨基酸残基,如组氨酸,酪氨酸,半胱氨酸等的氧化.ONOO一具有与HO?类似的反应特性.光敏反应生成的单线态氧O2,很容易使蛋白质的组氨酸残基氧化,也可使色氨酸,酪氨酸及半胱氨酸残基氧化,从而使酶及蛋白质变性失活.此外,活性氧引发不饱和脂肪酸的过氧化产物,其产物丙二醛等可使蛋白质分子发生交联,形成变性聚合物.在蛋白质的氧化损伤过程中,往往还伴有蛋白质自由基的生成.在电离辐射条件下,蛋白质中氢原子以?H形式释放从而直接生成蛋白质自由基;而氧自由基可作为氢原子的受体攫取蛋白质的?H,产生蛋白质自由基.这些蛋白质自由基会进一步产生自由基链式反应,造成蛋白质的交联,辅基的缺失,甚至导致肽链的断裂.如果重要的功能蛋白质(如酶,受体,离子通道等)受到活性氧的攻击而发生氧化损伤,就会造成机体功能的失调.1.2对核酸的损伤1983年Shinya等人研究发现收稿日期i2OO60322作者简介:张申(1955一).男,副教授,主要从事生物化学教学及心血管疾病的生物化学研究.82怀化医专,2OO6.5(1)DNA的氧化损伤是引起衰老,癌症等疾病的重要原因之一,在离体体系中已有证据表明羟基自由基能引起DNA的氧化损伤.DNA的氧化损伤主要包括:(1)碱基的修饰:羟基自由基可对胸腺嘧啶的5,6一双键进行加成,形成胸腺嘧啶自由基.碱基的改变可导致基团控制下的许多生化与蛋白合成过程受到破坏.(2)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B一位置发生链的断裂5.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.细胞代谢将会发生紊乱.如DNA的氧化损伤将直接上调p53基因的表达,从而通过调控细胞周期,诱导细胞凋亡等途径影响组织的正常功能.活性氧对核酸的损害,是氧毒性影响遗传的一个重要途径.许多实验证据表明,线粒体DNA(mtDNA)突变与氧自由基损伤关系密切.与核DNA(nDAN)相比:(1)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(约为其10100倍),并且在细胞内不断积累;(2)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.呼吸爆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现,突变类型大致可分为碱基替换突变和重组突变两种.研究资料提示Parkinsons病(PD),Alzheimm:s病(AD)和Huntingtons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.1-3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(LO0?)可以与膜蛋白发生攫氢反应生成蛋白质自由基,使蛋白质的聚合和交联.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.自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/和受体共价结合.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【oJ.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,GSHP)【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.2生物大分子的氧化损伤与疾病2.1活性氧(自由基)与衰老1954年英国生物化学家Harman提出了自由基衰老学说,1956年发表了他的研究成果,但是当时许多老年学科学家不但忽视了Harman的论点,甚至还嘲笑他的理论是不成熟的.直到60年代,许多科学研究确证了Harman的理论.自由基引起机体衰老的主要机制可以概括为以下三个方面:(1)生物大分子的交联聚合和脂褐素的累积:脂质过氧化终产物丙二醛等会引起蛋白质,核酸等生物大分子的交联聚合,该现象是衰老的一个基本因素.脂质过氧化产生的脂褐素不溶于水,故不易被排除,在皮肤细胞中堆积,即形成老年斑;胶原蛋白的交联聚合,会使胶原蛋白溶解性下降,弹性降低及水合能力减退,导致老年皮肤失去张力而皱纹增多;脂质过氧化导致眼球晶状体出现视网膜模糊等病变,诱发老年性视力障碍(如眼花,白内障等).(2)组织细胞的破坏与减少:如神经元细胞数量的明显减少,是引起老年人感觉与记忆力下降,动作迟钝及智力障碍的又一重要原因.(3)免疫功能的降低:自由基作用于免疫系统,或作用于淋巴细胞使其受损,引起老年人细胞免疫与体液免疫功能减弱,并使免疫识别力下降出现自身免疫性疾病.根据这一理论,补充生物大分子的氧化损伤与疾病张申,等抗氧化剂,提高机体的抗氧化防御能力将有可能延缓衰老的进程.2.2活性氧与肿瘤与自由基密切相关的致癌性化合物主要是胺类物质,N一基化是胺类致癌物活化的必要条件,胺类的活化实质上主要是由超氧阴离子和羟基自由基参与的氧化反应,其活化产物N一羟基胺极不稳定,可进一步变为氮氧自由基和烃基正碳离子中间体.这些性质异常活跃的亲离子中间体,通过与亲核性靶物质DNA的相互作用,而产生一些致癌效应.嘧啶乙二醇,5一羟甲基尿嘧啶,8一羟基鸟嘌呤(8一OHdG)是氧自由基作用于DNA的碱基氧化产物,可诱导细胞发生癌变.许多促癌剂都能通过间接或直接的方式产生活性氧,通过对生物大分子的作用起促癌效应.活性氧生成系统可以模拟促癌物的某些生物学反应,促癌剂可以引起许多与增殖,生长有关的因素发生改变,如鸟氨酸脱羧酶,它是多胺合成中的重要酶类,多胺可以调节细胞内RNA和DNA的合成,因此与细胞的分裂,增殖有密切关系,许多致癌剂和促癌剂都可以刺激细胞使鸟氨酸脱羧酶活性升高.促癌剂可以影响某些细胞的抗氧化防御系统.机体存在着一个酶系统和非酶系统的抗氧化防御系统,这种抗氧化防御系统中的任何一种成份在促癌物的作用下发生的变化都会对细胞内活性氧和自由基的水平带来影响.几乎所有的致癌物都可由酶作用生成自由基.2.3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.WHO预测2025年全球糖尿病患者将达到3亿,糖尿病已成为发达国家中继心脑血管系统疾病和肿瘤之后的第三大非传染病.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I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_8:(1)葡萄糖及糖化蛋白自动氧化产生自由基;(2)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;(3)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;(4)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.2.4自由基与自身免疫疾病自身免疫疾病(au.toimmunedisease,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ll.有研究表明.糖蛋白1(32GP1)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82GP1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结语综上所述,过量的氧自由基可造成对蛋白质,核酸等生物大分子的氧化损伤,参与多种疾病的发生发展过程.关于氧自由基对生物大分子氧化损伤的研究现在仍然是非常活跃的领域,许多理论尚不完善,但它将受到越来越足够的重视,因为它对于延缓衰老,预防多种疾病的发生发展,保持人体健康长寿是极为重要的.怀化医专,2006,5(1)考文谳:1LiXiaojie,ZhanBa01u,HouJingwu,eta1.ActiveoxygenradicalsproducedbyhekocytesofmalignantlymphomaJ.ChineseMedicalJournal,l99O,103:899905.2KleinJAAckermanSL.Oxidativestress,cellcycle,andneurodegenerationJ.JClinInvest,2003,l1l:785793.3MiUerFJ,GunermanDD,RiosCD.eta1.SuperoxideproductioninvasculalsmootIlmusclecontri【butestOOXidativestressandimpairedrelaxationinatherosclerosisJ.CircRes,1998.822(12):12981305.4NagayamaT,1.anJ,HenshallDc,eta1.InductionofoxidativeDNAdamageintheperiinfarctreinafterpermanentfocalcerebralischemiaJ.JNeurochem,2000,75:1716l728.5HuachenWei,XueshuZhang,JifuZhao,eta1.ScavengingofHydrogenperoxideandinhibitionofultravioletlight-in?ducedoxidativeDNAdamagebyaqueousextractsfromgreenandblackteas【J.FreeRadicalBiologyandMedicine,l999.26:14271435.6VlasimirMisikandPeter.Riesz.EPRcharacterizationoffreeradicalintermediatesformedduringultrasoundexposureofcellculturemediaJ.FreeradicalBiologyandMedicine,1999.26:936943.7HannahD.AtheorybasedOnfreeradicalandradiationchemiteyJ.JGerontol,1956,11;298300.8LarkinsRG,DunlopME.Thelinkbetweenhylr#ycsemiaanddiabeticnephropathyJ.Diabetoiogia.1992.35(6):4995O4.9WilliamsonJR,ChangK,FrangosM,eta1.HyperglycemicpseudohypoxiaanddiabeticcomplicationsJ.Diabetes,1993.42(6):801813.10RebelledoOR,ActisDatoSM.Postprandialhyperglycemiaandhyperlipidemia-generatedglycoxidativestress:itscon?tributiontothepathogenesisofdiabetescomplicationsJ.EurRevMedPharmacolSci.2005,9(4):191208.11MusalmahM,NizranaMY,FairuzAH,eta1.ComparativeeffectsofpalmvitaminEandalphatocopberolonhealingandwoundtissueantioxidantenzyme.1evelsindiabeticratsJ.Lipida.2005.40(6):575580.12HorkkoS,MillerE,BranchDW.Theepitopesjorantiphospholipldantibodiesareadductsofoxidizedphospholipidsandbeda一2一glycoprotein1(andotherproteins)J.PmcNatAcadSci.1997,94:1035610361.责任编辑:谭得圣【动态】研究发现