自由基生物学

如，积食所造成的食物不完全氧化，便秘或宿便所造
成的食物残渣被机体回收利用等。
三、自由基的化学反应 （1）湮灭反应
两 个 自 由 基 可 发 生 自 我 湮 灭 反 应 （ selfannihilation）（又称复合反应或复合作用）： R· + R· R-R
但在正离子基和负离子基之间未见到这种反应，因
为电荷相同时，二者由于静电相斥而发生排斥作用。
（2）夺氢反应
这是非常普遍的自由基反应，也是自由基致衰老 的主要原因。 R·+ A-H R-H + A·
夺氢反应在自由基清除剂的反应中也很重要，如
硫醇类有机物（大蒜、姜、葱等具有辛辣味的蔬菜中
富有）含有 -SH 基团 ，在溶液中可与自由基发生包括
夺氢反应在内的一系列反应：
血红蛋白（Fe3+） + O2·
当它作为电子受体起作用时，可以成为弱氧化剂，
能氧化抗坏血酸：
维生素C + O2·
H+
H2O2 + 维生素C· （剧毒）
也能使与 NADH 结合的酶（如乳酸脱氢酶）形成 NAD自由基：
酶-NADH + O2·
H+
H2O2 + 酶-NAD·
由此可见，因光化学和酶反应所产生的
子发生均裂而形成自由基的机制有：热解、光解和氧化
还原反应。
(1)热解
很多化合物，特别是含有弱键的有机化合物可
以发生热均裂反应，生成活泼的自由基。典型的例
子是热锅炒菜时，脂肪、蛋白质和糖类等有机营养
物发生的热均裂反应；抽烟时，烟草的不完全燃烧 也产生大量的自由基。
(2)光解
电磁辐射（可见光、紫外线、 X 射线）或粒子轰
二、活性氧及其在生物体内的产生
1．活性氧的定义
氧的毒性不是由于氧分子本身的反应能力，它 的反应能力相对来说是微不足道。氧的毒性是由于 氧分子还原成水时产生的许多中间产物，其中的绝 大部分都是自由基，因此，把这些中间产物统称为 活性氧（ active oxygen species），即氧分子被还原 成水时所产生的中间产物的统称。
如方程式（1）、（2）所示，当A与B两个分子或原子间形 成共价键时，可以看作它们共享一对电子，这两个电子既可以 是一个分子所提供的，也可以是每个分子各贡献出一个电子，
前者称为配位作用，后者称为共价结合。
A:- + B+ A:B （配位作用） （1）
A.
+ B.
A:B （共价结合）
（2）
逆过程：
当一个共价键离解时，必须要供给能量（自由能）。反应式
A·+ C·
A-C
当然，如果反应体系中从一开始就有抗氧化剂
（自由基清除剂）存在，那么它很快就捕捉住由引发
产生的自由基，使反应不能扩展，从而很快终止了自
由基的链式反应。
抗氧化剂在生产上很重要，主要有 硫、磷、酚类、 维生素E、维生素C、胡萝卜素等。
（7）脂类过氧化作用
自由基链锁反应的最好例子是脂类过氧化作用。 生物膜中含有多种不饱和脂肪酸。如细胞膜、线 粒体膜、溶酶体膜和内质网膜等，它们均含有种类繁 多的不饱和脂肪酸，其特点是：当有自由基和氧存在
（ 1 ）的逆过程称为 异裂 ，反应式（2 ）的逆过程称为 均裂 。在 均裂时所产生的分子或原子含有一个不配对电子，这种分子常 具有高度化学活性 ——氧化活性。正因为如此，它们的寿命也 极短暂。这些可以 单独存在的具有一个或几个不配对电子的分 子或原子就称为自由基（free radical），用R· 表示，即在分子式 的右上角加一个黑点作为自由基的特征标记，以表示存在着不
氧分子还原成水的全过程如下：
O2
O2·
+ +
eee2H+
O2·
H2O2 OH· + H2O
H2O2 +
H+
OH· +
e-
H+
H2O
2．活性氧的产生
细胞在正常代谢过程中，或者受到高能辐射 时，以及由于高压氧，药物（抗癌药、抗生素、
杀虫剂、麻醉剂等）代谢、吸烟和受到光化学空
气污染物等作用都能产生活性氧。有氧代谢条件 下都能产生活性氧。
时，就发生氧化变质，经常伴有一股难闻的酸败气味，
并且使得食物不可口。这是食品过期变质的原理。
脂类过氧化作用对于理解自由基对细胞的损伤也是 重要的。 即R· 可从不饱和脂肪酸分子上夺走氢，使其变成自 由基，……不饱和脂肪酸自由基再吸收氧而形成败酸。 败酸再和组织蛋白质结合形成脂褐质，俗称老年斑， 即动物和人的神经细胞、心脏、肝及皮肤在老年时出 现的点状或弥散状色素沉着。其反应通式如图1-1：
- （superoxide 活性氧主要包括超氧阴离子O2·
anion）、羟自由基OH· （hydroxyl radical）、过 氧化氢分子H2O2 （hydrogen peroxide）、烷氧
基RO· 、烷过氧基ROO· 、氢过氧化物ROOH和氧
分子O2本身等等。其中ROO· 和ROOH又称为脂 类过氧化物。
-不能。在细胞 H2O2能迅速穿过细胞膜，而O2·
内的H2O2能与Fe2+或Cu+等过度性金属离子生成毒 性更大的OH· ，这是H2O2具有毒性的真正原因：
Cu+ + H2O2
Cu 2+ + OH· + OH-
Fe2+ + H2O2
Fe3+
+ OH． + OH-
当 H2O2 与紫外线结合使用时，对细菌和病毒的 杀伤能力比单独使用时强。这是由于紫外线可使 H2O2发生均裂而生成OH· 的原因： H2O2
配对电子。根据这个定义，我们可知道氯原子（Cl· ）、氧原子
（O:）和OH．等都是自由基。
有些自由基即使在室温的溶液中也是稳定的， 如氧原子（一个稳定的双基）。有些自由基带有负 电荷或正电荷，所以叫做离子自由基或离子基。这 种自由基往往又是氧化还原反应的中间产物。在氧 化还原反应过程中，中性分子接受一个电子而变成 负离子基，或失去一个电子而成为正离子基。
三、活性氧的毒性
1．羟自由基的毒性
OH· 非常活泼，几乎能与活细胞中任何分子发生反 应，且反应速率极快。能反应的物质遍及糖、氨基 酸、磷脂、核酸和有机酸等。 OH· 是最活泼的自由基之一，在活性氧中也是最活
泼的。它的反应可分为三大类： 夺氢、加成和电子
转移。其中夺氢和加成反应是OH· 导致生物机体细胞
性氧自由基，其化学反应性质较OH· 弱，具有双 重性质，既可作为电子供体（还原剂），又可 作为电子受体（氧化剂）。
当其作为弱碱起作用时，可以成为电子供体，即
还原剂，例如它能还原细胞色素（一种含血红素的
蛋白质）和血红蛋白，使血红素中心的 Fe3+ 还原成
Fe2+：
细胞色素C（Fe3+）+ O2·
O2 + 细胞色素C（Fe2+） O2 + 血红蛋白（Fe2+）
大约2× 10 9 年以前，地球上开始出现氧气，随着
臭氧（ O3）在高空的出现，以及臭氧和氧把有害的
太阳紫外线吸收掉后，才使较复杂的陆生生物的进
化成为可能。
氧气是地球上一切需氧生物赖以生存的必备条件 ，但恰好又是最终导致其衰老或死亡的罪魁祸首。 原因是氧具有毒性！
正常人静脉血中氧的含量为40mmHg，当氧的浓度增
击（如高能电子）都可提供使共价键裂解的能量而
形成自由基。如紫外线照射可使水发生均裂而生成 羟自由基（OH．）: H2O
紫外线
H· + OH·
羟自由基可与机体内的有机物发生一系列的氧化
还原反应，导致机体损伤，突变，甚至死亡。这就
是紫外线杀菌的原理。
（3）氧化还原反应
氧化还原反应过程中产生的电子转移也可形成自由
- 能使酶失活、使红细胞溶血、杀菌、使 O2· -还 DNA降解和破坏动物细胞等。此外， O2·
可与细胞内的过度性金属离子发生反应，生
成更活泼的OH· 。
3．过氧化氢分子的毒性
H2O2 本身的毒性很低，常温下可自发生成水
和氧气。它是一个弱氧化剂，常被用作消毒剂，
细菌对它十分敏感，它能使动物细胞损伤。
R·+ X-SH
2X-S·
R-H + X-S·
X-S-S-X
由此可见，硫醇类有机物在生物系统中是一种有 效的自由基清除剂（详见第三章）。
（3）耗氧反应
R· + O2 A-H RO2· R-OOH + A·
RO2· +
这个反应是自由基使机体产生老年斑的主要原 因。碘、硫和醌类可代替氧发生这个反应。
（4）歧化反应
二、自由基的产生
一般而言，自由基是通过共价键的均裂而产生的， 但也可通过电子俘获而产生。 R + eR·
天然存在的自由基一般都是有用的自由基（如氧原子）， 或者是半衰期比较短的自由基（如氯原子）。但是，由 于某些分子，尤其是共价结合的有机分子吸收外部能量
而产生均裂时，所形成的自由基是非常有害的。共价分
反应体系中的新生自由基形成许多链的开端，反应底
物的浓度也很高。这时，反应体系中以扩展阶段为主
体，如果起始时有 n 个引发自由基，那么在扩展阶段
中就有 n 条反应链。当反应到一定阶段后，体系中的 非自由基底物越来越少，自由基本身相互碰撞的机会 也越来越多，于是终止阶段也就到来：
2A·
2C·
A-A
C-C （终止）
（-CH=CH-CH2-）+ R·
-） RH +（-CH=CH-HC·
O2
-） （-CH=CH-CH2-） + （-CH=CH-HCO2·