自由基-抗氧化-营养与健康

收稿日期:2003208223 中图分类号:R 151.2 文献标识码:A 文章编号:051227955(2003)0420337207自由基、抗氧化剂、营养素与健康的关系方允中,　杨　胜1,　伍国耀2(北京放射医学研究所生物化学与分子生物学研究室,北京100850;1中国农业大学畜牧系动物营养研究室,北京1000942D ep a rt m en t of A n i m a l S cience and F acu lty of N u trition ,T ex as A &M U n iversity ,Colleg e S ta tion ,T ax as ,U SA 77843) 超氧化物歧化酶(SOD )清除O 2・作用的新发现揭开需氧生物体内产生氧自由基的奥秘,从而诞生并发展了自由基生物学。

一氧化氮(NO )的生理学作用与病理生理学作用的首次发现和随后的研究进展不仅充实了这门崭新学科的内容,而且使其发展更为迅速、蓬勃。

该学科的研究范围已扩展到其它生物学科,包括营养学[1,2],如抗氧化剂已成为“热点”研究领域。

对于自由基、抗氧化剂与营养,我们业已论述[3]。

,现进一步提出自由基、抗氧化剂、营养素与健康的关系的初步见解。

1　需氧生物体内自由基、抗氧化剂、营养物质与生命的关系 从自由基的活泼化学性质可以推想,无论是生命的起源,还是生物的进化,自由基均起到很重要的作用。

当地球上出现原核生物后,大气中的O 2进入原核生物体内,通过非酶反应或酶反应接受一个电子,转变为O 2・,并可衍生其它活性氧如H 2O 2。

H 2O 2可在Fe 2+或Cu +等金属离子介导下产生・OH ,损伤生物膜脂质、蛋白质、DNA 等重要生物大分子,显示出“氧毒性”,从而危及原核生物的生存。

在生物进化的初期,对“氧毒性”无适应能力的厌氧菌就不能在有O 2的大气中生存或者藏匿于无氧环境,但进化为耐氧厌氧菌,其菌体内有清除O 2・的SOD ,就成为“适者”而生存,并再进化为需氧菌。

需氧菌内的有氧代谢中葡萄糖产生A T P 的量较无氧代谢增高到18倍,活性氧的产量也相应增加,远超过其生理作用量,但需氧菌可生物合成SOD 、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等抗氧化酶和某些内源性抗氧化剂,清除活性氧。

没有清除掉的自由基仍可损伤重要生物大分子,但机体对自由基损伤具有修复的能力。

在进化的过程中需氧菌等单细胞生物还可初步利用活性氧[4]。

从单细胞生物进化到多细胞生物、动物及人类一直保持着以抗氧化酶与内源性抗氧化剂为主的、并发展到有外源性抗氧化剂参加的抗氧化体系,而且对自由基所致重要生物大分子的损伤仍具有修复的能力。

在进化中需氧生物利用活性氧的信号传导和调控细胞分裂、分化与基因转录、表达等功能[1]。

在哺乳类等动物中还需要NO 合酶(NO syn 2thase )的酶促反应产生的NO 自由基,发挥其生理学作用[5],但受到膳食因素的影响[6]。

在需氧生物体内自由基的产生、清除、利用、损伤及其修复所需物质与能量均直接或间接来源于营养物质及其代谢物[1],如人体内营养素及其代谢物是自由基产生的物质来源;清除自由基系统的成分均直接或间接来自营养素与膳食中抗氧化剂;营养状况应能维持自由基的产生与清除处于正常动态平衡,内环境处于稳定的还原态,并使活性氧与NO 的生理作用以及彼此相互作用能正常发挥[3];营养素及其代谢物与外源性抗氧化剂是自由基所致重要生物大分子损伤的修复、置换、降解代谢和重新生物合成的物质基础[1],其中谷胱甘肽(GSH )在自由基、抗氧化剂与营养素及其代谢的协调关系中起到很重要的作用[7]。

为了维持生命,生物体内的某些重要物质均有其稳衡性动态(hom eo stasis )。

自由基按理也不应例外,但从1966～2003年6月的M edline 数万篇有关自由基的文献中仅有十几篇提到该名词,而且未涉及其内涵。

我们认为,由于自由基的活泼化学性质,其稳衡性动态的特征很特殊,表现于既能履行其生理作用、又参予不伤害机体的一些程序。

例如:自由基不断地产生并不断地被清除;其产生与清除的量达到接近平衡的正常程度;未被清除掉的自由基使重要生物大分子损伤而其损伤可得到修复;即使出现DNA损伤未被很好修复的细胞,也可通过凋亡(apop to sis)而被吞噬细胞清除。

如果异常,常会影响健康,甚至引发疾病,从而会危及生命。

因此,自由基稳衡性动态正常与否是特别重要的。

各种需氧生物显示的生命现象既体现于营养物质的利用及其代谢,也体现于体内自由基的稳衡性动态,而且还体现于两者之间的密切关系。

2　抗氧化剂的保健作用 除了营养素外,对于自由基稳衡性动态的正常维持起到关键性作用的就是抗氧化剂。

在生理上抗氧化剂应包括抗氧化酶、内源性抗氧化剂与外源性抗氧化剂。

因此,与营养素及其代谢物有着直接或间接关系的抗氧化酶与内源性抗氧化剂以及外源性抗氧化剂都是很重要的。

适宜营养不仅要保证营养需要,而且一定要保证抗氧化酶与内源性抗氧化剂的正常水平,发挥其生理生化作用,例如属于抗氧化酶组成分的微量元素(特别是硒与锌)的供给量必须适宜,并且还要提供必需的外源性抗氧化剂。

按照营养素的定义,在外源性抗氧化剂中只有通常称为抗氧化剂维生素(an ti ox idan t vitam in)的抗坏血酸、维生素E与Β2胡萝卜素(属维生素A原)才是必需的。

但是,在自由基稳衡性动态的正常维持上起到关键性保健作用的抗氧化剂还可以看成为必需的成分,所以,我们就不得不重新考虑以下的抗氧化剂维生素与其它外源性抗氧化剂的生理意义及其重要性。

2.1　抗氧化剂维生素 抗氧化剂维生素和食物中其它抗氧化剂都可消除或减轻自由基及其活性衍生物对重要生物大分子的损伤。

在清除脂质过氧自由基(LOO。

)的过程中维生素E与抗坏血酸还显示协同作用。

维生素E族包括生育酚(tocophero l)与生育三烯酚(toco trieno l)。

在营养作用上以Α2生育酚为最强,因此它在抗氧化剂维生素中代表了维生素E,但是在抗氧化作用上,Χ2生育酚却类似或高于Α2生育酚。

生育三烯酚的抗氧化作用比Α2生育酚高得很多,而且还有其它重要生物学作用。

另外,膳食中的Β2胡萝卜素被吸收后,仅有一部分仍为Β2胡萝卜素。

其它的Β2胡萝卜与具有维生素A原作用的部分类胡萝卜素在体内可转变为维生素A,而维生素A在体内的抗氧化作用与Β2胡萝卜素不同。

Β2胡萝卜素可淬灭单线态氧(1O2)。

它与LOO。

反应的活性虽低于维生素E,但仅表现于生物膜的近外层,而在生物膜内部的Β2胡萝卜素对LOO。

的清除速度却快于维生素E。

因此,Β2胡萝卜素在抗氧化剂维生素中主要起到抗氧化剂的作用。

我们认为,通常称为抗氧化剂维生素实际上是兼为维生素的必需抗氧化剂,因此可称为维生素抗氧化剂(vitam in an ti ox idan t),而主要为营养作用的、兼为抗氧化剂的维生素A却可称为抗氧化剂维生素。

2.2　番茄红素等类胡萝卜素 非Β2胡萝卜素的类胡萝卜素的抗氧化作用与Β2胡萝卜素相类似,有些甚至更强。

按理可将非Β2胡萝卜的类胡萝卜素对氧化应激的预防作用与Β2胡萝卜素等同看待。

前者不符合营养素的定义,但却类似维生素抗氧化剂。

近两年来在国外已有多篇研究报告指出,无环状分子结构的番茄红素有预防氧化应激或氧化损伤的保健防病作用,如R ao与Shen[8]报道,在人体实验中每日摄取5或10m g番茄红素可使血清中番茄红素水平增高,而且可减轻自由基所致脂质与蛋白质的氧化。

我们认为,如果番茄红素预防氧化应激或氧化损伤的保健防病作用得到确证与公认,则类胡萝卜素应为必需抗氧化剂。

据此,可以考虑按照确定营养素需要量与其平均需要量的类似要求,提出“必需抗氧化剂需要量及其平均需要量”,以预防1O2等活性氧所致氧化应激的威胁。

在“抗氧化剂平均需要量”的基础上,还可以考虑制定出“必需抗氧化剂推荐摄入量”。

2.3　植化合物中的抗氧化剂 在可食植物中既含有营养素等食物成分、又含有抗氧化剂或与抗氧化剂有关的、有益健康的、可延缓衰老的、或对某些疾病防治有效的化学成分如植化合物(p hytochem ical)。

已知很多的天然抗氧化剂就是植化合物。

有些学者指出,植化合物尚有副作用,如为抗氧化剂,其用量较高时可能显示促氧化剂(p roox idan t)的作用。

抗氧化剂的效用确有一个适量问题。

在应用抗氧化剂,尤其是单一成分之时,不可不考虑抗氧化剂的适宜用量。

如果将其单一有效成分作为高级保健品的主要成分应用时,建议应按照药物的要求。

食药两用植物的提取物中的有效成分常为一种以上,如绿茶叶提取物中的茶多酚有四种儿茶素。

茶多酚是很好的抗氧化剂,但有时表现促氧化剂的作用。

含有这些抗氧化剂的茶多酚复方不仅在清除・OH与O2・的效能方面远高于茶多酚[9],而且前者在提高对家蝇和果蝇的抗氧化效能与延长寿命效果方面均显著高于后者[10]。

据此设想,由于多种抗氧化剂之间的协调或协同作用,其组成的植化合物制剂不仅可能无促氧化剂的作用,而且其抗氧化作用的应用效果可能更好。

2.4　滋养物的保健效果 滋养物(nu traceu tical)即功能性食品的有效成分,是一类具有保健、延缓衰老或防治疾病的口服物质,可以包括某些营养素(如维生素E)与非营养素的抗氧化剂等营养补充剂,但不一定是植化合物。

滋养物常以制剂形式出现,其剂量可能较高,因此必须保证安全、有效,才能应用于人体。

有些食物如肝粉、酵母、卷心菜对预防辐射损伤有效[11],其有效成分可能有滋养物的效用。

还有一些食物如久贮大蒜提取物有抗癌效果。

其提取物可以作为滋养物的原料。

根据近年来的体内评价、临床实验与调查研究,滋养物确有益于维持体内的天然抗氧化体系,能预防与自由基损伤有关的退行性疾病以及增强机体抗御毒素的能力。

2.5　抗氧化剂的保健意义及其重要性 在广义上,凡能直接或间接地有助于减轻或修复自由基损伤的食物成分也可称为抗氧化剂。

除了抗坏血酸、维生素E与其它外源性抗氧化剂外,植化合物或滋养物中的某些非营养素成分亦可归属于抗氧化剂或其作用与抗氧化剂类似。

它们的保健作用是营养素不能代替的,但抗氧化剂与营养素有着密切的、甚至不可分割的关系。

正由于这个极重要的理由,许多抗氧化剂虽不归属于营养素,但可以称为营养性抗氧化剂[12]。

不过,将天然抗氧化剂区分并改称为“必需抗氧化剂”、“条件性必需抗氧化剂”(如类黄酮)、“间接必需抗氧化剂”(如食物纤维)与“非必需抗氧化剂”,则更可显示抗氧化剂在营养状况与自由基稳衡性动态的关系中的必需性或条件必需性。

“条件性必需抗氧化剂”在营养学中膳食纤维被当作必需的膳食成分,但由于不符合营养素的定义,膳食纤维遂未列入营养素。