细胞衰老原因：自由基学说介绍 教学素材-高一上学期生物人教版必修1

细胞衰老的原因：自由基学说详细介绍其概念、来源、性质、与细胞衰老的关系及其防御系统与抗衰老机制。以便对高中生物教师分析细胞衰老的原因做补充。（一）自由基的概念首先明确什么叫自由基，自由基的另一个说法叫做游离基，这些游离基包括原子或原子团、分子或离子，概括来说自由基是一类具有未配对电子的化学实体。在机体内，自由基是由物质氧化代谢而产生的。自由基的种类很多，其中性质十分活泼的是活性氧(ROS)。所谓活性氧是通过直接或间接方式形成的氧自由基及其衍生物，因为比氧的活性高，故叫活性氧。（二）自由基的来源机体内自由基的主要来源有多方面。1、呼吸链产生的自由基，例如超氧阴离子自由基O2-、过氧化氢H2O2和羟自由基(·OH-)，它们是细胞进行正常需氧代谢时线粒体呼吸链的副产物。氧自由基主要来源于代谢旺盛的脑、心肌、肌肉的线粒体。这里补充呼吸链的概念：线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。2、脂质过氧化及其他大分子降解时的副产物是H2O2。脂质过氧化产生氧自由基、烷氧自由基、烷基自由基及扩散醛类。3、巨噬细胞吞噬细菌或病毒感染细胞时呼吸爆发的产物，所产生的自由基是O2-和H2O2。中性粒细胞在激活剂作用下发生呼吸爆发也产生O2-。4、细胞色素P450酶系在发挥其对食物的解毒作用时产生活性氧。细胞色素P450酶系化学本质是一族蛋白质，在真核生物中，作为一种膜结合蛋白，主要分布在内质网和线粒体内膜上。P450酶系作用之一是针对外源性物质包括人工合成的化学品（农药、致癌物、药物、抗氧化剂、添加剂、麻醉剂等）起到解毒与活化作用。5、在代谢中，自由基不断产生，也被不断清除，当清除ROS的能力和抗氧化能力下降时，则ROS增加，最后导致细胞凋亡。此外电离辐射、光敏作用、甚至机体剧烈运动都会产生自由基。（三）自由基的性质自由基是强氧化剂，性质相当活泼，原因是在结构上有一个未配对的电子，使自由基易获得或失去一个电子形成键。自由基的特点概括来说，它是带有不配对电子，所以不稳定，容易失去电子，表现为活性高，可与体内生物大分子作用。（四）自由基与细胞衰老的关系在代谢中，如果自由基的产生与清除平衡被破坏，自由基就会积累而危害机体，导致发生各种疾病、衰老及致癌等。由自由基介导所致的衰老表现在以下几方面。脂质过氧化引起的细胞衰老自由基对机体损伤的重要方面是产生脂质过氧化物，脂质过氧化物的主要产物可与脂类、蛋白质类、糖类及核酸类进行交联、断裂等反应，使生物膜变性，膜的多种功能受损，组织破坏并老化。氧化是导致细胞衰老的主要原因，体内自由基及脂质过氧化物随年龄增加而升高。老化细胞蛋白质的缓慢消旋、膜脂质成分改变、线粒体内膜自由基及来自溶酶体的脂褐素随年龄的增加而增加，这些都说明脂质过氧化既是细胞膜衰老的诱因也是细胞衰老的结果。自由基损伤核酸所致的细胞衰老自由基的强氧化作用，直接或间接地引起DNA损伤，危害机体。自由基引起DNA损伤的方式有：有氧氧化、甲基化、脱氨基、脱嘌呤等作用，结果造成碱基片段丢失，碱基修饰及插入突变等。损伤后的DNA一般不易被降解或直接修复，未被修复的DNA损伤片段积累于基因组中，使mRNA的产生随增龄而下降，最终加速细胞衰老甚至死亡。氧自由基(O2-和H2O2等)破坏核酸是通过进攻嘌呤碱基和嘧啶碱基实现的。后者形成嘧啶碱加成物，在有氧条件下生成嘧啶过氧化物；无氧下生成乙醇酸。核酸结构或代谢调节控制改变是导致机体衰老的主要因素，显示衰老的发生首先是代谢调控的改变，其次才是结构的改变。自由基介导线粒体DNA损伤所致的细胞衰老ATP在衰老变化过程中，以ATP为主要能源的器官组织是代谢旺盛的脑、心脏、肌肉组织，这些组织随着增龄，线粒体氧化磷酸化产生的自由基逐渐积累，到一定程度时损伤线粒体DNA，影响线粒体tRNA、rRNA及蛋白质合成。线粒体结构和功能的退化，首先表现为衰老。4、自由基损伤蛋白质所致的衰老根据近年来的研究，衰老组织中蛋白质的合成同年幼细胞一样是正确的可靠的。蛋白质和脂类物质一样，容易受活性氧自由基攻击，肽链中的二硫键和几种氨基酸(如Cys、His等)残基易发生自由基介导的修饰反应，结果肽链断裂或结构改变。同时其中有五种氨基酸(Cys、His、Met、Trp和Tyr)还是多种酶的活性部位的必需基团，由于氧化损伤作用而影响酶功能。如老年斑(脂褐素)是蛋白质与DNA，脂质过氧化物、糖、色素、金属离子等的交联物。总之，在老化过程中蛋白质的变性是一个复杂过程。变性蛋白质分子的积累将导致整个机体的衰退。（五）自由基的防御系统与抗衰老机制自由基的防御系统亦叫清除系统，是氧化应激自然产生的结果，也是相生相克的产物。机体中自由基不断产生，又不断被清除，在正常生理情况下，处于动态平衡之中。据统计，正常细胞内每天能产生1011个ROS分子，当自由基的防御系统表现正常功能时则能延缓衰老。自由基的防御系统有人把它们分为两类，一类是酶促防御系统，超氧歧化物酶(SOD)是细胞内RO