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自由基与疾病 应磊病理生理教研室邮箱 yinglei04 1 2019 11 26 机体内的抗氧化机制 自由基与疾病 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 自由基概述 内容概述 2 2020 3 19 机体内的抗氧化机制 自由基与疾病 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 自由基概述 内容概述 3 2020 3 19 4 2020 3 19 5 2020 3 19 自由基独立存在的含有一个或一个以上为配对电子的任何离子 原子 原子团或分子 以一圆点表示未配对的电子氯自由基 Cl 羟自由基 OH 甲基自由基 CH3 无圆点表示 但其分子中存在奇数电子一氧化氮 NO 氧气 O2 对生物自由基的研究 活性氧 活性氮 6 2020 3 19 自由基的产生 弱共价键的裂解异裂均裂电子转移影响因素电离辐射 光分解 热解 单电子的氧化还原作用 空气中具有较强氧化性的物质 体内某些酶促反应 R X R X R X R X O2 e O2 7 2020 3 19 自由基的特点 活性强 极不稳定存在时间极短 O2 ms CH3 ns 在生物体内浓度极低 较难测定 具有顺磁性 电子自旋共振光谱法 自由基反应包括自由基 自由基反应 氢抽提反应 加成反应 链式反应等 8 2020 3 19 自由基的链式反应 H H H2H Cl HCLCl Cl Cl2 Cl H2 HCl H H Cl2 HCl Cl 引发 增殖 终止 lightCl22Cl 9 2020 3 19 损伤 参与多种生命活动中的生化反应机体防御转化和分泌代谢 可能导致组织损伤 当损伤超过了组织的自我修复能力 放射损伤缺血 再灌注损伤动脉粥样硬化衰老 生理作用 疾病 自由基 双刃剑 10 2020 3 19 机体内的抗氧化机制 自由基与疾病 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 自由基概述 内容概述 11 2020 3 19 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 活性氧超氧化物阴离子自由基 O2 羟自由基 OH 过氧化氢 H2O2 单线态氧 1O2 活性氮一氧化氮 NO 过氧亚硝基阴离子 ONOO 半醌自由基黄素蛋白 FP 辅酶Q CoQ 12 2020 3 19 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 活性氧超氧化物阴离子自由基 O2 羟自由基 OH 过氧化氢 H2O2 单线态氧 1O2 活性氮一氧化氮 NO 过氧亚硝基阴离子 ONOO 半醌自由基黄素蛋白 FP 辅酶Q CoQ 13 2020 3 19 14 2020 3 19 15 2020 3 19 NativeO2 O2 1SgO2 1DgO2 Peroxideion H2O2 O2 reactiveoxygenspecies ROS oxyradical Singletoxygen excitedstate groundstate Superoxideanionredicals 16 2020 3 19 4CytC2 e e 2H e H e H O2H2OH2O4CytC3 1 2 线粒体内的细胞色素酶氧化系统 活性氧 生理情况下 约有1 2 的分子氧在线粒体呼吸链细胞色素氧化酶递氢过程中 接受一个电子 单电子还原 生成超氧阴离子自由基 O2 氧分子通过单电子还原反应生成水 产生O2 和其他活性氧自由基的基本反应 17 2020 3 19 线粒体内的细胞色素酶氧化系统 活性氧 O2 是其他活性氧或氧自由基产生的基础Fe2 Cu2 O2 与H2O2反应 OH Fenton反应OH 是最活跃最强力的氧自由基 18 2020 3 19 活性氧 超氧化物阴离子自由基 O2 产生O2 的几种途径 微粒体细胞色素P450 营养物 药物 毒素的代谢 O2 的主要来源线粒体电子传递链泄露的电子巨噬细胞呼吸爆发 氧化爆发 黄嘌呤氧化酶 XO Hypoxanthin 次黄嘌呤 XO Xanthin H2O2 O2 叶黄素 XO Uricacid H2O2 O2 尿酸 19 2020 3 19 活性氧 过氧化氢 H2O2 H2O2本身并不是自由基 但是含有弱共价键O O 它能产生最活跃最强力的氧自由基 OH 产生H2O2的两种主要途径通过超氧化物歧化酶催化的歧化反应O2 O2 2H H2O2 O2酶促反应单胺氧化酶 MAO 儿茶酚胺的分解代谢 黄嘌呤氧化酶 XO 尿酸氧化酶 UAO SOD 20 2020 3 19 活性氧 羟自由基 OH OH 是最活跃最强力的氧自由基 它由O2 和H2O2两者的反应产生 O2 H2O2 O2 OH OH Haber WeissreactionO2 Fe3 OH OH Fentontype ironioncatalyzed O2Fe2 H2O2Haber Weissreaction 反应中铁离子起的是传递电子的作用 21 2020 3 19 活性氧 单线态氧 1O2 1O2指的是氧分子处于一种激活状态 其一个电子被激发而改变自旋方向 电子自旋性为一 1O2是活性氧家族的一员能引发脂质过氧化作用能引发其它自由基反应的产生通常说的单线态氧就是1 gO2 1DgO2 1SgO2 1 gO2 10 6s 10 5s1 gO2 10 9s1 gO2 1 gO2 22 2020 3 19 活性氧 单线态氧 1O2 自由基反应白细胞呼吸爆发光敏作用光敏剂 维生素B2 VitB2 黄素蛋白 FMN FAD 胆红素通过光照作用 光敏剂可以处在激活状态并将能量转移给O2形成1O2 产生1O2的几种途径 O2 OH 1O2 OH OCl H2O2 1O2 Cl H2O 23 2020 3 19 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 活性氧超氧化物阴离子自由基 O2 羟自由基 OH 过氧化氢 H2O2 单线态氧 1O2 活性氮一氧化氮 NO 过氧亚硝基阴离子 ONOO 半醌自由基黄素蛋白 FP 辅酶Q CoQ 24 2020 3 19 活性氮 一氧化氮 NO 产生NO的几种途径 NO合酶 NOS 内皮型NOS 内生型 Ca2 钙调蛋白依赖型 产生NO量少 NO 分子量小 比较容易通过细胞膜 含有未配对的电子 25 2020 3 19 活性氮 一氧化氮 NO 产生NO的几种途径 NO合酶 NOS 神经元型NOS 内生型 Ca2 钙调蛋白依赖型 产生NO量少 诱生型NOS 诱生型 炎症 非Ca2 依赖型 可产生大量NO 26 2020 3 19 27 2020 3 19 活性氮 一氧化氮 NO NO的作用 28 2020 3 19 活性氮 过氧亚硝基阴离子 ONOO 产生ONOO 的途径 由NO和O2 合成生成 ONOO 并不是自由基 但是具有强氧化性 在酸性环境下 ONOO 会倾向于自动降解 NO O2 ONOO ONOO NO2 OH H H2O NO2 和OH 都是非常活跃的自由基 29 2020 3 19 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 活性氧超氧化物阴离子自由基 O2 羟自由基 OH 过氧化氢 H2O2 单线态氧 1O2 活性氮一氧化氮 NO 过氧亚硝基阴离子 ONOO 半醌自由基黄素蛋白 FP 辅酶Q CoQ 30 2020 3 19 半醌自由基 黄素蛋白 FP 及辅酶Q CoQ 黄素蛋白 FP 黄素腺嘌呤二核苷酸 FADandFADH 黄素单核苷酸 FMNandFMNH 辅酶Q CoQ 二羟苯酮的衍生物 p dioxybenzene 也叫泛醌 半醌自由基在维持线粒体正常生理功能中有重要的作用 将线粒体内的供氢体与细胞色素联系起来 31 2020 3 19 自由基的生理功能 调节蛋白活性作为信号分子参与机体的免疫反应 32 2020 3 19 自由基的生理功能 调节蛋白活性作为信号分子参与机体的免疫反应 33 2020 3 19 自由基的生理功能 调节蛋白活性 某些多聚体蛋白的多个亚基含有巯基基团 自由基可以通过氧化不同亚基的巯基基团使其形成二硫键 从而影响蛋白的结构和功能 oxydation reduction SH SH S S 氧化剂 自由基 还原剂 34 2020 3 19 SS SH 和 SS 之间的平衡通过氧化还原作用来调控 氧化作用 还原作用 其中GSH GSSH是主要的调节因子 谷光氨肽的还原形式和氧化形式 H2O2 O2GSHperoxidase2H2O2GSHGSSGNADP NADPHGSHreductase SS SH SH 当H2O2浓度增加时 或者NADPH含量下降时 GSSH含量会随之升高 使蛋白活性中心的 SH 转变成为 SS 35 2020 3 19 通过相类似的方式NAD NADHNADP NADPH 辅酶I 辅酶II 活性氧能够调节蛋白质的活性 如 NF kB Activatorprotein AP 1 AP 2 ProteinkinaseC PKC Ca2 ATPaseCollagenaseTyrosinekinasesandsoon 36 2020 3 19 NAD P Hoxidase K outflow depolarization K channel modification O2 H2O2 produced Exitation 通过氧化还原作用调节蛋白质活性ReceptivitytooxygentensionPO2 PO2sensor Nervalimpulse Nervalimpulse whileNa Ca inflowremained 37 2020 3 19 通过氧化还原作用调节蛋白质活性 PKGandVasoRelaxation NO Relaxation sGC cGMP SmoothMuscleCell PKG Ca2 IP3R Ca2 MLC pMLC MLCP MLCK ROK K Ca2 BK NTG NO EndoplasmicReticulum 38 2020 3 19 通过氧化还原作用调节蛋白质活性 G6PD glucose 6 phosphatedehydrogenase 39 2020 3 19 自由基的生理功能 调节蛋白活性作为信号分子参与机体的免疫反应 40 2020 3 19 1 调节基因转录ActivationoftranscriptionfactorAP 1RegulationoftranscriptionfactorKappaB NF kB 2 作为内皮依赖性的血管舒张因子3 作为神经递质分子 41 2020 3 19 1 调节基因转录ActivationoftranscriptionfactorAP 1cyclinD TGF 1b collagenas cytokines MAPKmediatedactivationofAP 1ROS activatingJNKs activatingJUN subunitofAP 1 JNKs JunNH2 terminalkinase AAmediatedexpressionofAP 1ROS activatingphospholipaseA2 phospholipid AA HETE fos jun FOS JUN Ca2 dependent 2ndmessenger ROS Ca2 AP 1expression Transfomationofreduction oxidation SHisnecessarytoAP 1forbindingtoDNA AP 1 fos FOSjun JUN 42 2020 3 19 IkB IkB 调节转录因子KappaB NF kB NF kB是参与机体防御 免疫和炎症反应的一个重要核转录因子 活性氧可能通过激活IKK来激活NF kB从另一方面来说 当NF kB的P50亚基上的 SH 被活性氧氧化时 NF kB和DNA的结合将会受到抑制 因此 活性氧也可作为NF kB的抑制物发挥作用 IKK IkBkinase P65P50 NF kB cytokines ROS IKK 32 36Serinephosphorylation LPS Virus oxLDL Cytokines 43 2020 3 19 Acetylcholine Ach ATP kallidin eNOS NO GC BP 2 作为内皮依赖性的血管舒张因子是一种调节血压和血流的重要方式Ca2 dependentactivation VEC diffuseintoactivatingVSMCPlateletcGMP gatedCa2 channelcGMP dependentproteinkinaseintracellularCa2 level relaxationofVSMC 44 2020 3 19 afferentendreleaseglutamicacidCa2 inflowNO cNOSactivatedintracellularCa2 GC cGMP 3 作为神经递质分子 在自主神经系统 作为NANC神经传递物质 作为学习和记忆过程中的信号分子 Long termpotentiation LTP Ca2 dependentneuro biochemicalprocess Stimuli NMDAspartateR NANC non adrenergic non cholinergic GC guanylatecyclase 45 2020 3 19 自由基的生理功能 调节蛋白活性作为信号分子参与机体的免疫反应 46 2020 3 19 PolymorphonuclearleukocytesMononuclearphagocytesLymphocytes NADPH氧化酶和MPO Myeloperoxidase髓过氧化物酶 在催化这种反应中起了重要的作用 Respiratoryburst Killpathogenicmicrobes Activation ActiveOxygenandActiveNitrogen 47 2020 3 19 细菌 内毒素和细胞因子 TNF IL 1 激活吞噬细胞和白细胞内的iNOS产生大量的NO大剂量的NO可以杀伤细菌及肿瘤细胞等 NO可能通过与金属离子的结合 尤其是Fe2 来抑制金属酶的活性 O2 和NO一般随着呼吸爆发同时释放 它们可能通过相互反应生成NO2 和OH 后两种物质对细菌有极强的杀伤作用 NO O2 ONOO NO2 OH H H2O 48 2020 3 19 机体内的抗氧化机制 自由基与疾病 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 自由基概述 内容概述 49 2020 3 19 50 2020 3 19 Section1 自由基损伤 细胞核 蛋白质及脂质 51 2019 11 26 52 2020 3 19 80 由OH 所致 碱基羟化或DNA断裂 核酸及染色体破坏 53 2020 3 19 1 自由基对核酸的损伤作用 可能损伤碱基对 脱氧核糖核酸和磷酸二脂键骨架可能导致基因突变 凋亡甚至坏死 1 DNA骨架的损伤 2 碱基对的修饰 基因突变 3 DNA DNA DNA protein连接 染色体损伤 细胞死亡 自由基尤其是OH 可以对细胞核的核酸造成损伤损伤的几种类型 54 2020 3 19 55 2020 3 19 2 自由基对蛋白质的损伤作用 mayleadtoAminoacidmodificationCross linkPeptidechainbreakProteindenaturing Modificationontheactiveregionofprotein inactivation Polymerizationorbreakofproteinmolecule denature 蛋白质是自由基攻击的主要目标 自由基损伤蛋白质的几种主要的类型 56 2020 3 19 SHHS CH3 S 磷脂 穿膜糖蛋白 膜表面蛋白 正常细胞膜结构示意图 57 2020 3 19 OH OOH OH HOO OH HOO OH HO HOO OH HO OH CH3 S O S S 蛋白质断裂 蛋白质 蛋白质交联 二硫交联 脂质 蛋白质交联 氨基酸氧化 从氧化的脂肪酸释出的丙二醛 脂质 脂质交联 脂肪酸氧化 58 2020 3 19 3 自由基对脂质的损伤作用 1 Destructionofmembranousstructuresfluidity dysfunctionofreceptorsandionchannels permeability 2 Damageofproteinmolecule Polymerization denaturing etc 3 Cross linkofproteincausedbycarbonylegroup 生物体的膜结构中含有大量的不饱和脂肪酸 容易受自由基的攻击自由基的链式反应可导致脂质的过氧化反应 产生一系列的脂性自由基加重自由基对模型结构的损伤作用 脂质的过氧化作用可能导致一系列的细胞损伤 59 2020 3 19 Proteindenaturing Nucleicacidinjury Lipidperoxidation FR 60 2020 3 19 Section2 自由基与疾病 61 2019 11 26 62 2020 3 19 1 自由基与放射性损伤2 自由基与缺血再灌注损伤3 自由基与动脉粥样硬化 63 2020 3 19 1 自由基与放射性损伤2 自由基与缺血再灌注损伤3 自由基与动脉粥样硬化 直接损伤作用间接损伤作用继发损伤作用 64 2020 3 19 高能量射线 X g ray 可能会导致几乎所有分子产生放射性降解 并导致各种自由基的生成 低能量的紫外线 可能引起光化学作用或将能量传递给生物大分子的光敏感基团 导致共价键的断裂和生物大分子的损伤 产生自由基损伤组织 65 2020 3 19 DNADNAradicalBasedestroy FractureDisassociation Cross link SolventRadicals OH andeaq Bio molecule 间接损伤作用 ImpairFRdefencemechanismLostofrestricttoFRgenerationViroussystemdamage 直接损伤作用 High EnergyRay 继发损伤作用 66 2020 3 19 1 自由基与放射性损伤2 自由基与缺血再灌注损伤3 自由基与动脉粥样硬化 67 2020 3 19 缺血再灌注损伤 指的是 Thereestablishmentofbloodflowafterprolongedischemiamayaggravatethetissuedamage Muchoftheinjurymayoccurnotduringtheperiodofhypoxiabutratherduringtheperiodwhenmolecularoxygenisreintroducedtothetissue 68 2020 3 19 对缺血再灌注损伤的研究有重要的实际应用价值 比如 RecoveryofheartafterischemicarrestCardiacoperationsincludingbypasssurgeryRevascularizationoftissueinfarctionbythrombolysisOrgantransplantation 急性中风溶栓手术前后 69 2020 3 19 黄嘌呤氧化酶形成增多 中性粒细胞聚集及激活 线粒体功能受损 OFR增多 儿茶酚胺增加和氧化 IR时OFR 机制 缺血再灌注损伤的一个重要机制是长期缺血后氧自由基的大量增加 70 2020 3 19 组织缺血 ATP降解 ADPAMP腺苷肌酐 次黄嘌呤 细胞内钙超载 激活钙依赖的蛋白水解酶 黄嘌呤 尿酸 O2 氧自由基 损伤组织 1 黄嘌呤氧化酶的形成 10 71 2020 3 19 黄嘌呤氧化酶形成增多 中性粒细胞聚集及激活 线粒体功能受损 OFR增多 儿茶酚胺增加和氧化 IR时OFR 机制 缺血再灌注损伤的一个重要机制是长期缺血后氧自由基的大量增加 72 2020 3 19 PMN吞噬 O2 氧自由基 杀灭病原微生物 组织缺血 趋化因子 C3 白三烯等 PMN 再灌注 氧自由基 正常 NADPHNADH氧化酶 O2 细胞损伤 2 中性粒细胞 呼吸爆发 73 2020 3 19 黄嘌呤氧化酶形成增多 中性粒细胞聚集及激活 线粒体功能受损 OFR增多 儿茶酚胺增加和氧化 IR时OFR 机制 74 2020 3 19 线粒体功能受损 75 2020 3 19 黄嘌呤氧化酶形成增多 中性粒细胞聚集及激活 线粒体功能受损 OFR增多 儿茶酚胺增加和氧化 IR时OFR 机制 76 2020 3 19 4 儿茶酚胺的自身氧化 缺血缺氧 儿茶酚胺 调节作用 氧化产物 氧自由基 再灌注 O2 77 2020 3 19 1 自由基与放射性损伤2 自由基与缺血再灌注损伤3 自由基与动脉粥样硬化 78 2020 3 19 动脉粥样硬化的实质是大动脉或中动脉内膜的慢性炎症反应这种病理改变包括 导致内膜的增生和血管的狭窄 LipidsedimentationSMCandmatrixproliferationInflammatorycellsinfiltrationThrombosis 79 2020 3 19 Ox LDL 一种主要的病理性因子就是脂多糖的氧化性修饰 尤其是自由基对低密度脂蛋白的氧化性改变 expressionadhesionmolecule intimainflammationgrowthfactor SMCproliferation Inhibition reversecholesteroltransport cholesterolinintima LCAT EC attractedtoaggregationinintima uptakemoreox LDLbyScR foamcells Mf 80 2020 3 19 机体内的抗氧化机制 自由基与疾病 生物体内几种常见的活性氧 活性氮及自由基 自由基概述 内容概述 81 2020 3 19 1 超氧化物歧化酶 SOD TocatalyzedismutationreactionofsuperoxideanionSOD2O2 2H H2O2 O2AsO2 istheoriginalproductintheprocessgeneratingROS SODisusuallyconsiderasthe1stlinetodefendagainstROS 2 过氧化氢酶 CAT TocatalyzeH2O2degradationintowaterandoxygen catalase2H2O22H2O O2 1 FR eliminatingenzymesystem 82 2020 3 19 GSH Px 3 谷胱甘肽过氧化物酶 GSH Px TocatalyzeH2O2degredationintoH2OandO2 similartoCAT withlowerefficiency 2H2O22H2O O2主要功能 清除各种过氧化物保护细胞的膜性结构 2GSHGSSG NADP NADPH H GSH Px GSHreducdase LOOHLOH H2O 83 2020 3 19 1 VitaminE 生育酚 脂溶性 有a 四种类型 可以起到自由基清除作用 阻断自由基对脂质的过氧化作用 保护细胞膜和脂蛋白 a 维生素E在食物中大量存在 在四种类型的维生素E具有具有最强的抗氧化活性可能灭活自由基自身生成a tocopherol 2 非酶性抗氧化剂 FR a tocopherol a tocopherol Itisstableandharmlesstolipid canreactwithmorestrongFR O2 orLOO tocleanupthem a tocopherol FR a tocopherol 84 2020 3 19 2 b 胡萝卜素维生素A的前体是一种脂溶性维生素包括a b g caroteneandzeaxanthin Inhumanbody themaincaroteneisb carotenewhichhasmorepowertoeliminatesingletoxygenplayinganimportantroleintheprotectionofcellsfromlightandphotosensitivepigmentdamage 85 2020 3 19 3 维生素C 抗坏血酸维 一种水溶性维生素组织溶液中主要的自由基清除剂MayeliminateOH O2 and1O2 andreducetheoxidizedvitaminEbycouplingtovitaminEonthemembrane Asareductant VitaminCmayreduceFe3 intoFe2 whichmaygeneratinglotofOH throughFentonreactioninthepersonswhoareironoverloaded 86 2020 3 19 4 谷胱甘肽 GSH Thenon proteincomponentcontaining SHgroup Asareversiblehydrogendonor th