4自由基与衰老.ppt

1、1,自由基与衰老,第一节 自由基的基本概念 第二节 自由基的生化基础 第三节 生物体内自由基的作用 第四节 自由基与衰老的关系 第五节 自由基的检测及其方法学评价,2,自由基衰老学说,由Denham Harman于 1956 年提出的。 此学说认为：当机体衰老时，自由基的产生增多 ；清除自由基的物质减少，清除能力减弱。过多的自由基在体内蓄积，对机体的损伤程度超过修复代偿能力时，组织器官的机能就会逐步发生紊乱，导致衰老。,3,一、 自由基(radical，free radical) 二、 自由基的种类 原子自由基 基团自由基 离子自由基 三、 自由基的性质 电子不饱和性 具有较高的能量 四、 自

2、由基的稳定性,第一节 自由基的基本概念,4,一、 自由基(radical,free radical) 一个共价键化合物A-B，当它受到热、辐射及超声波等能量的作用时，共价键可能要断裂，断裂方式有两种。 共价键异裂,形成阳离子和阴离子, 共价键均裂,形成两个自由基,共价键均裂，使均裂的两部分各带一个未成对独电子(自由电子)，这些带有未成对独电子的部分称为自由基。,5,二、 自由基的种类 已经被证实的自由基有三类。 原子自由基 自由基是一个原子。如：, 基团自由基,自由基是一个基团。,(苯甲酰氧自由基) 为一个基团自由基。,(苯基自由基)也为一个基团自由基。,6,为离子自由基(硫代硫酸根离子自由基

3、)。,(异丁腈基自由基)为一个基团自由基。,自由基是一个离子。如过硫酸钾分解：, 离子自由基,为离子自由基(硫酸根离子自由基)。,7,三、自由基的性质 自由基具有电子不饱和性和较高的能量 电子不饱和性 甲烷(CH4)是一个稳定的化合物。,10928,8,但当甲烷分子中一个H原子被分离出来后，形成的甲基自由基CH3 则为一个不稳定的结构。,甲基自由基 结构示意图,甲基自由基 电子结构示意图,9, 自由基具有较高的能量 共价键均裂时必须吸收一定的能量，吸收的能量变为自由基的内能，因此自由基具有较高的能量. 四、自由基的稳定性 由于自由基具有电子不饱和性和较高的能量，一般来讲自由基是不稳定的，具有极

4、强的化学活泼性。 它可以发生多种反应，如引发反应、增长反应、结合反应、转移反应和降解反应等。 不同的自由基稳定性也是不同的，其稳定性与结构有关。,电子的不饱和性:,P电子与另一个与它平行的p电子重叠(电子云交盖),亦即有配对的倾向。,10,第二节 自由基的生化基础,一、体内自由基的种类 二、自由基的产生 三、自由基的清除机制,11,一、自由基的种类,自由基（free radical）,氧自由基（oxygen free radical，OFR） 含有不配对电子的氧, 占机体内自由基的95%以上。,在自由基前面或后面（也可在右上角）用一个圆点“”表示,能独立存在，含有未配对电子的原子、原子团、分子

5、或离子。,未配对电子表示方法,12,自由基分类-按化学结构,半醌类自由基，如黄素类半醌自由基 氧自由基：,其他碳、氮、硫中心自由基,羟自由基(OH) 烷氧自由基(RO) 烷过氧自由基(ROO) 氢过氧自由基(HOO),氧自由基与H2O2、脂质过氧化物(LOOH)及单线态氧(1O2)统称为活性氧(reactive oxygen species, ROS),活性氮自由基（NO和NO2 ）,13,二、自由基的产生,（一）外源性自由基 （二）内源性自由基,14,（一）外源性自由基,辐射、农药、食物添加剂、酒精、吸烟等外来因素引发的自由基称为“外源性氧自由基”。 1电离辐射及大气污染 2药物 3其他 如

6、重金属离子及杀虫剂；茶叶和植物油在空气中放置过久，自由基含量增加。,15,（二）内源性自由基,2OH的产生 3吞噬细胞中活性氧的产生 4脂质过氧化作用,在新陈代谢过程中，从大气中吸进的氧气，在肺部，与食物消化后进入血液里的葡萄糖进行化学反应，产生维持生命活动的能量在正常生化过程中，常有1 左右的氧误入歧途，变成化学性质极其强烈的氧自由基，即人体内生化反应产生的“内源性氧自由基”。,16,1. O2 的产生,胞液中的黄嘌呤氧化酶与醛氧化酶 线粒体中的黄素蛋白酶 内质网中的NADPH-细胞色素P450还原酶 质膜上的NADPH氧化酶 等,17,2OH的产生,#过氧化物酶体中多种需氧脱氢酶催化生成的

7、H2O2，如不迅速被分解，在Fe2+的催化下也可生成OH。 H2O2Fe2+H+ OHH2OFe3+,18,3吞噬细胞中活性氧的产生,H2O2除可生成OH外，在Cl存在时，经髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)的作用，生成活性很强的次氯酸(HOCl)和1O2。 1O2是一个强的亲电子性的氧化剂。,19,4脂质过氧化作用 （lipid peroxidation）,在过氧化条件下， LOOH是不稳定的，能分解成一系列复杂产物。,定义：机体产生的活性氧，攻击生物膜磷脂中的多聚不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)引发自由基链式反应，产生脂

8、质过氧化物，这种作用就称。,20,组成型NOS(constitutive NOS, cNOS),其活性不依赖于Ca2+和钙调蛋白, 但受细胞因子和特殊的信号分子刺激和诱导，在生理条件下不表达，细胞受刺激时才高表达。 主要存在于巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞等,神经元型 内皮细胞型,NOS分型,诱导型NOS（inducible NOS, iNOS）,其活性依赖于Ca2+和钙调蛋白，可间歇性不断表达,5.NO合酶（NO synthase, NOS）,21,三、自由基的清除机制,两类对自由基的清除系统 （一） 抗氧化酶类 （二） 抗氧化剂,22,超氧化物歧化酶（SOD） 过氧化氢酶（

9、CAT） 硒谷胱甘肽过氧化物酶（SeGSHPx） 谷胱甘肽硫转移酶（GST） 其他 如醛酮还原酶,（一） 抗氧化酶类,23,SOD是金属酶，包括三种同工酶 CuZn-SOD：在真核细胞胞液中，以Cu2+-Zn2+为辅基 Mn-SOD：在原核和真核细胞的线粒体中，以Mn2+为辅基 Fe-SOD： 在原核细胞中，以Fe3+为辅基,超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）,24,2. 过氧化氢酶（catalase, CAT）,25,磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶(PHGSHPx)：单体酶，能清除生物膜上的磷脂氢过氧化物，防止生物膜的脂质过氧化。,可清除LOOH或H2O2

10、，抑制自由基的生成。,3. 硒谷胱甘肽过氧化物酶 (selenium dependent glutathione peroxidase, SeGSHPx),SeGSHPx是由4个同一亚基构成的寡聚酶。,26,4谷胱甘肽硫转移酶(glutathione S-transferase, GST),属不含硒的谷胱甘肽过氧化物酶，它只清除LOOH，而不能清除H2O2。,27,5与抗氧化作用相关的其他酶,醛酮还原酶，可催化脂肪醛和脂肪醛-谷胱甘肽加成物的还原，以清除脂质过氧化作用的毒性产物。,28,（二）抗氧化剂,脂溶性抗氧化剂 水溶性小分子抗氧化剂 蛋白性抗氧化剂 近年来发现的抗氧化剂 中草药抗氧化剂,

11、29,(3) 辅酶Q：既参与自由基的生成也具有抗氧化作用， CoQH2较氧化型的抗氧化作用强,1. 脂溶性抗氧化剂,30,VC还可与VE反应，使其恢复为还原型维生素E，而本身变成VC，后者可由依赖于NADH的氧化还原酶系统还原成VC。VC与VE两者有协同作用。,因此VC的总效果与其浓度有关。,VC的不利作用：将Fe3+还原成Fe2+，H2O2存在时，可通过Fenton反应形成OH；但它又可清除OH。,2. 水溶性小分子抗氧化剂,31,H2O22GSH GSSG2H2O LOOHGSH GSSGLOHH2O OHGSH H2OGS 2GS GSSG,(4) 色氨酸代谢产物：3-羟犬尿酸，黄尿酸和

12、3-羟邻氨基苯甲酸等均含有酚羟基，可抑制脂质过氧化作用。,(2) 谷胱甘肽(GSH)： 为H2O2、LOOH、OH和1O2重要清除剂。,(3) 尿酸：目前认为它是一种很好的抗氧化剂，可有效地清除1O2和OH，抑制脂质过氧化。,32,铜蓝蛋白：具有亚铁氧化酶活性，能催化Fe2+氧化成Fe3+，抑制由Fe2+催化H2O2生成OH的反应。,3蛋白性抗氧化剂,(2) 清蛋白结合的胆红素： 一般认为它是毒性产物，需被排出。 目前认为它是机体抗防御系统中的一员，能有效地清除1O2、O2 和LOO。,33,（3）其他血浆蛋白：,清蛋白可结合铜离子抑制OH形成和有效清除OCl。 结合珠蛋白和血液结合素(hem

13、opexin)能与Hb结合， 促使Hb由受损组织和炎症局部排出，以减轻Hb对组织的损伤作用。 转铁蛋白和乳铁蛋白，对铁催化的脂质过氧化作用是强氧化剂。转铁蛋白还能清除OCl。,上述抗氧化酶与抗氧化剂 均属于机体的抗氧化防御系统,34,4近年来发现的抗氧化剂,(1) 别嘌呤醇：黄嘌呤氧化酶的抑制剂，能降低O2 的生成，是心肌缺血再灌注氧自由基抑制剂，但只有在灌注前用药，才能收到明显效果。 (2) 二甲亚砜及甘露醇：两者均有清除OH的作用。二甲亚砜近来已用于抗脑水肿。 (3) 钙拮抗剂：尼可地平、硝苯啶、维拉帕米和硫氮卓铜等有保护细胞和升高GSH的作用。 (4) 白细胞功能抑制剂：前列环素(PGI

14、2)是血管内皮细胞产生的花生四烯酸主要代谢物，能抑制血小板聚集，保护冠状动脉。它还能抑制中性粒细胞激活，减少自由基生成。 (5) N-乙酰半胱氨酸：它本身是抗氧化剂，而且还是胞内合成GSH的原料。 近年发现它还有抗病毒和调节免疫功能的作用。 (6) 普罗布可(Probucol)：是一种很强的脂溶性抗氧化剂或自由基清除剂, 该药有延缓泡沫细胞发生的的能力，可用于AS的辅助治疗 。,35,抗氧化机制包括: 清除氧自由基和羟自由基 抑制脂质过氧化反应 抑制生物膜不饱和脂肪酸过氧化反应 缓解氨基多糖的解聚作用等,5中草药抗氧化剂,36,中草药抗氧化剂的有效成分: 黄酮类、皂甙类、生物碱类、鞣质类、多糖

15、类、苯酚类等。 具有抗氧化作用的单味药有: 人参、西洋参、党参、太子参、黄芪、枸杞子、灵芝、丹参、三七、当归、生脉散、五味子、何首乌、甘草、女贞子、附子等。,37,自由基是含奇數電子的一群原子、离子或基团。奇數不成對的電子欲尋求其他電子來配對。,38,健康 年青,抗自由基,自由基,生病 老化,39,40,第三节 生物体内自由基的作用,一、自由基的生理功能 二、自由基对细胞的损害作用 三、自由基与疾病的关系,41,一、自由基的生理功能,（一） 吞噬细胞杀灭外来病原微生物,（二）参与合成某些重要的生物活性物质,参与第二信使cAMP和cGMP的激活等过程。,42,氨基酸的氧化脱氨作用 核糖核苷的还原

16、过程,（三） 参与许多酶促反应,（四） 参与解毒作用,43,NO的生理功能,作为信号分子在体内起重要生理作用 作用其靶受体-可溶性的鸟苷酸环化酶(GC)，激活该酶使GTP环化为cGMP，后者再刺激cGMP依赖的蛋白激酶(PKG)，调节磷酸二酯酶和离子通道，发挥一系列生物效应：,松弛平滑肌、舒张血管 抑制平滑肌细胞增殖 抑制血小板粘附和聚集 保护细胞、增加神经递质释放,介导炎症时巨噬细胞和中性粒细胞杀灭微生物 的作用 作为细胞毒分子，参与多种疾病的病理过程,44,45,自由基参与一系列的连锁反应，能引起细胞生物膜上的脂质过氧化，引起细胞损伤。其机制比较复杂，主要有三方面： 膜脂改变导致膜功能的障

17、碍和膜酶的损伤； 脂质过氧化过程中生成的活性氧对酶和其他成分的损伤； LOOH的分解产物特别是醛类产物对细胞及其成分的毒性作用。,二、氧化应激对机体的损害效应,46,二、自由基对细胞的损害作用 (一) 自由基对细胞膜（脂类）的破坏,膜内不饱和脂肪酸减少； 膜结构遭到破坏，使其流动性、通透性、离子转运及屏障功能受损； 溶酶体酶释放，线粒粒膨胀、酶失活等损伤； 红细胞膜破裂导致溶血； LOOH进一步分解产生醛类，尤其是丙二醛(MDA)可作为交联剂导致分子间的交联聚合。,胞膜的损害则会导致细胞代谢、功能和结构的改变，后者是许多疾病的病理基础，从而可引起许多病变。,47,(二)自由基对蛋白质和酶的损害

18、,直接作用于蛋白质（Pr） ，与最邻近的氨基酸（AA）发生Pr过氧化； 通过LOOH间接作用于Pr，使多肽链断裂或与个别AA发生氧化或使Pr交联，从而使Pr的结构发生变化，导致细胞功能紊乱。,48,脂质过氧化、电离辐射、其他产生的自由基的反应 可通过多种途径影响酶活性: 通过自由基链反应，使酶分子发生聚合； 通过LOOH中的MDA使酶分子发生交联； 通过破坏酶分子中AA以及与酶分子中的金属离子反应。,49,使DNA链断裂或碱基破坏、缺失，使核酸分子的完整性和构型受到破坏，造成遗传信息改变；,(三)自由基对核酸和染色体的损害,自由基对DNA的破坏可导致染色体变异； 电离辐射和化学物质使受损细胞的

19、染色体断裂。,50,(四)自由基对糖分子的损害,使核糖、脱氧核糖形成脱氢自由基，从而造成DNA主链断裂或碱基破坏； 使细胞膜中的糖分子羟基化，破坏细胞膜上的多糖结构，影响细胞功能的发挥； 通过氧化降解使多糖破坏，影响组织功能。,脂类、蛋白质、核酸、糖类一旦受损，生命活动将受到威胁，导致细胞受损，机体患病，如动脉粥样硬化、糖尿病、肿瘤、胃肠道功能失调、感染、免疫失调等。,51,三、自由基与疾病的关系,52,（一）癌症和自由基,自由基的特徵是氧化，一旦和其它分子结合， 会损害构成遗传基因的正常的细胞，甚至于产生新的细胞肿瘤细胞。 癌症的发展一般经过3个阶段：第一阶段：自由基攻击正常细胞，改变了遗传

20、基因。第二阶段：若修补遗传基因失败，产生变异了的新的细胞肿瘤细胞。第三阶段：肿瘤细胞不断地增加，最后成为能够检查到的肿瘤。,53,（二）糖尿病和自由基,其一是细胞内的葡萄糖在线粒体内转变成能量的过程中会产生自由基，它使线粒体变质，结果葡萄糖不能被利用，也不产生能量，导致血液中葡萄糖增加并发生糖尿病。血液中增加的葡萄糖流到全身各处，引起蛋白质代谢紊乱并加速自由基的生成，这些自由基便攻击体内组织或内脏，发生糖尿病的各种合并症。 其二是胰岛细胞不断受自由基的攻击和损害，分泌胰岛素数量减少，出现糖尿病症状。,54,（三）心脑血管病和自由基,血液中大量带电的“自由基”造成了动脉内皮细胞的损伤后，动脉内膜

21、逐渐出现粗糙面；过多胆固醇和-脂蛋白沉积在上面并形成了动脉硬化及心脑血管病症。,55,自由基和LOOH可引起血管内皮细胞(EC)肿胀和破损，导致动脉硬化发生。 LDL受到自由基作用，形成过氧化低密度脂蛋白(Ox-LDL)，大量沉积于EC，最终形成AS。 Ox-LDL可导致血小板聚集，促使自由基大量产生，从而加速AS发展。,氧化应激与LOOH在AS发病机制中的作用：,56,近年研究进展：,AS的发生与OH和次氯酸致的蛋白氧化修饰存在相关性 AS病灶中EC、平滑肌细胞(SMC)及单核细胞的SiS基因表达 氧化应激刺激血管SMC的增殖，参与了原癌基因的激活及异常表达,从基因水平揭示: 氧化应激与AS

22、之间的密切关系,57,（四）自由基与缺血后重灌流损伤,缺血所引的组织损伤是致死性疾病的主要原因，如冠动脉硬化与中风。许多证据说明仅仅缺血还不足以导致组织损伤，在缺血一段时间后又突然恢复供血(即重灌流)时才出现损伤。 缺血组织重灌流时造成的微血管和实质器官的损伤主要是由活性氧自由基引起的。 在创伤性休克、外科手术、器官移植、烧伤、冻伤和血栓等血液循环障碍时，都会出现缺血后重灌流损伤。 在缺血组织中具有清除自由基的抗氧化酶类合成能力发生障碍，从而加剧了自由基对缺血后重灌流组织的损伤。,58,目前心肌缺血再灌注损伤的确切机制仍不明了, 与自由基作用有关的机制有:,脂质过氧化 细胞内钙超载 细胞成分间

23、的交联 PGI2/TXA2失调, 微循环障碍,TXA2：血栓素A2（ thromboxane A2）,59,（五）自由基与肺气肿,肺气肿的特点是细支气管和肺泡管被破坏、肺泡间隔面积缩小以及血液与肺之间气体交换量减少等，这些病变起因于肺巨噬细胞受到自由基侵袭，释放了蛋白水解酶类(如弹性蛋白酶)而导致对肺组织的损伤破坏。 吸烟很容易引起肺气肿，原因在于香烟烟雾诱导肺部巨噬细胞的集聚与激活。,60,（六）自由基与眼病,眼睛是人和动物唯一的光感受器，老年性眼睛衰老（特别是白内障）与自由基反应有关。 研究表明，老年人由于全身机体的衰老使得眼球晶状中自由基清除剂的含量与活性降低，导致对自由基侵害的抵御能力

24、下降。 事实表明，白内障的起因和发展与自由基对视网膜的损伤导致晶状体组织的破坏有关。 角膜受自由基侵袭引起内皮细胞破裂，细胞通透性功能出现障碍，引起角膜水肿。自由基会对眼晶状体产生直接的损伤破坏。,61,（七）亚健康和自由基,亚健康为介于健康和疾病之间的第三状态或疾病前状态，表现为全身各种不适感如头晕、失眠、多梦，可是到医院检查，又查不出病来。 这是由于体内产生了各种自由基，长期不能排出体外，引起了多基因受损，导致全身器官功能减弱。,62,第四节 自由基与衰老的关系,自由基是疾病和衰老的元凶,63,Dr. Denham Harman, M.D., Ph.D., 德翰哈門,1916年生,內布拉斯

25、加大學醫學院教授,是一個教育者生化學者和醫師。他思考人體生病及老化的問題，在1954年提出自由基老化學說,1995年被提名諾貝爾生理及醫學獎。 1972年Harman又提出线粒体衰老概念,自由基老化學說,64,1978年Zs-Nagy提出的衰老膜学说(the membrane hypothesis of aging, MHA),氧化应激诱导脂质和蛋白质交联以及质膜上所产生的残热可引起胞膜物理-化学特性的改变，且这种改变是通过随着年龄的增长而变化，从而使整个细胞产生退行性变化。,65,20世纪80年代Miquel和Fleming提出了“衰老的氧自由基线粒体损伤”的二阶段学说 1990年Bandy

26、等阐明线粒体DNA突变可增加线粒体内氧应激水平由此引发衰老的出现 1992年Wallace等提出氧化磷酸水平下降与衰老和退行性病变，如阿尔茨海默氏病(AD, 亦称早老性痴呆)与帕金森病等有关。,66,一、神经系统衰老与自由基损伤,研究发现： 衰老人群的脑组织中神经元细胞浆、星型胶质细胞中的含量明显增高。是脂质过氧化作用的代谢产物。 对人类脑衰老模型犬的脑组织测定结果显示，脑组织中反映蛋白质损伤的标记羰基结构明显增加，额叶皮质中的含量也增加,而谷氨酰胺合成酶及则有降低。,67,二、循环系统衰老与自由基损伤,雄性小鼠心肌CuZn-SOD、GSHPx、CAT活性随增龄有下降趋势。 GSH、与心肌供能有关的柠檬酸脱氢酶、苹果酸脱氢酶、乳酸脱氢酶及心肌蛋白含量呈年龄相关的降低。 心肌匀浆液及线粒体中MDA的含量在老年组小鼠中明显增加。 小鼠体内的氧化作用随年龄增加而增强。,68,三、生殖系统衰老与自由基损伤,对绝经妇女和未绝经妇女血清雌二醇、SOD、LPO、GSHPx的比较发现，未绝经妇女雌二醇、 GSHPx水平较绝经妇女高，而LPO浓度较低。 血清雌二醇浓度和LPO水平呈负相关，和GSHPx水平呈正相关。,69,四、最高寿限（MLSP）与