自1969 年Mc Cord 和Fridovich 首先研究发现超
氧化物岐化酶具有清除氧自由基的毒害作用, 医学对
生物自由基与疾病和健康的关系有了大量的研究, 经
历了从基础理论研究向实验研究发展, 并逐渐扩展到
临床研究与应用, 以致涉及到临床几乎所有学科。自
由基在疾病发生中的作用越来越受到重视[ 124 ] 。应用
抗氧化剂治疗某些疾病取得了一定进展, 许多研究表
明, 作为抗氧化剂之一的超氧化物歧化酶(SOD) , 在
清除体内氧自由基, 治疗超氧阴离子自由基所引起的
疾病, 保护机体免受氧自由基的侵害, 起着重要作
用[ 2 ,5 ,6 ] 。
近年来, 这个领域的文献已每年数以万计, 如何
对待这些文献, 各种生物材料的联系和应用上的价值
如何, 都亟待加以整理, 从一种大生物学的角度给予
正确的评估。
为了提高对文献的综合利用率, 尤其是临床医生
对基础医学研究的文献利用, 我们将众多的文献进行
了归纳分析。本文主要以国内有关文献为主, 从基本
概念的介绍入手, 总结基础研究的成果和研究进展,
分析临床诊疗各方面文献和对疾病的发病学机理的联
系, 并指出所存在的问题及学术上的不同认识和观
点。
1 材料与方法
通过检索《中文科技资料目录( 医药卫生) 》、
《国外科技资料目录(医药卫生) 》、《全国报刊索引
(自然科学技术版) 》、医学索引及计算机联网检索,
收集自1980 年以来有关自由基与超氧化物歧化酶的
文献共200 篇, 选取论文设计合理、资料齐全的文献
40 篇作分析整理。
2 结果与讨论
211 自由基及其作用的双重性:
21111 氧自由基(OFR) 又称游离基, 系指外层轨道
含有未配对电子的原子、原子团或特殊状态的分子,
书面表达的化学符号通常是在该原子、分子或原子团
的右面、左面、上面或右上角用符号“·”表示。氧
自由基非常活跃、有强氧化能力, 主要有超氧阴离子
(O2
-·) 、羟自由基(·OH) 。因为单线态氧(1O2 ) 和
过氧化氢(H2O2) 具有类似氧自由基损伤作用, 故亦
属氧自由基的范畴[ 3 ] 。
自由基的产生, 从物理化学的角度, 通常有下列
几种方式[ 7 ] 。
①共价键的热分解。原则上只要有足够的温度,
任何共价键都可以裂解而产生自由基。
②辐射分解。电离辐射可使许多物质发生分解而
产生自由基。紫外线对人体的损伤也然。
③单电子氧化还原反应。体内许多酶的反应是进
行单电子转移, 这一过程就可产生自由基。
从细胞生物学与生物化学的角度, 所有细胞内线粒体、内质网、细胞核、质膜和胞液中, 都可产生自
由基, 也可出现在胞浆代谢及呼吸链中。在正常生理
状态下, 吸入的氧约98 %在线粒体内被呼吸链中的细
胞色素氧化酶复合物催化还原, 接受4 个电子, 与氢
合成无毒性的水分子, 2 %的氧分子在还原时, 由于
获得电子数不同, 而形成多种不同的产物O2
-·、H2O2 、
·OH。
此外, 体内的某些代谢也产生氧自由基。
①红细胞内的氧合血红蛋白可自发转变为高铁血
红蛋白, 从而铁供出电子给O2 生成O2
- 。
②细胞内有的酶促反应以O2 为受氢体, H2O2 可
以与O2
- 在Fe2 + 或Cu + 存在下反应生成·OH。O-
2 +
H2O2 →O2 + ·OH + OH- 。如黄嘌呤氧化为尿酸时需
O2 参加, 并供出电子还原O2 。在中性pH 条件下, 黄
嘌呤+ 2O2 + H2O →尿酸+ H2O2 。随着pH 和O2 分压
增高, 黄嘌呤+ O2 + H2O →尿酸+ 2O2
-·+ 2H+ 单电子还
原反应显著增强, 生成O2
-·的量显著增加。
③微粒体混合功能氧化酶催化药物等非营养性物
质羟化时, 有黄素蛋白及细胞色素P450及O2 参加, 反
应中有O2
-·生成。
④体内的醌类化合物如辅酶Q、儿茶酚胺的代谢
产物可在氧化还原中生成半醌自由基, 后者将单电子
交给O2 成O2
-·。
⑤吞噬细胞吞噬细菌“呼吸爆发”过程中有O2
-·、
H2O2 、·OH 和1O2 生成。
由此可见, 自由基是体内细胞正常代谢的中间产
物。
氧自由基的特性是非常活泼、极不稳定、半衰期
极短、易产生连锁反应, 能夺取电子而使其他敏感分
子氧化, 过多时就会干扰体内细胞的正常代谢。在氧
自由基中, 以·OH 的损伤力最强, 由于O2
-·可使
H2O2 还原形成·OH , 所以对凡能产生H2O2 的活性细
胞及位点, 都能成为一种非常危险的因素。
21112 现在认为, 氧自由基对机体的影响有两重性,
即既有利又有害[ 3 ,4 ] 。
有利作用方面是:
①调节花生四烯酸的代谢, 该化合物经环氧酶和
脂氧化酶催化分别生成前列环素、前列腺素E2 、血栓
素A2 及白三烯类活性物质, 与炎症、过敏及血栓形
成有密切关系, 该过程均有活性氧自由基产生。
②甲状腺激素合成中, 甲状腺细胞中的I - 需经
H2O2 氧化为活性( I2) 才能参入合成甲状腺激素。
③巨噬细胞、单核细胞, 中性粒细胞等吞噬细胞
在吞噬消化细菌或异物的呼吸爆发过程中, 有多种活
性氧生成, 它们与杀菌作用直接相关。
④体内多种物质代谢中都有活性氧参加。如合成
胶原蛋白时, 其结构中的羟脯氨酶、羟赖氨酸、半乳
糖基羟赖氨酸等都有活性氧参加完成羟化反应。
当氧自由基过剩时的有害作用是, 可使许多重要
的生物大分子发生超氧化反应, 如使核酸、蛋白、膜
多聚未饱和脂肪酸( PUFA) 等生物大分子出现交链
或断裂, 导致细胞结构和功能的破坏。集中表现为·
OH 对细胞膜、细胞器膜等生物膜的攻击。其损伤过
程为:
①与膜上的酶和受体进行共价结合, 从而影响膜
成分的活性。
②与膜的组成成分共价结合, 从而影响膜的功能
与抗原特异性。
③通过共价结合, 使疏基氧化或改变PUFA 与蛋
白质比例而干扰膜转运。
④引起PUFA 的过氧化而直接影响膜结构, 其过
氧化产物如丙二醛, 对膜流动性, 交叉联结、结构功
能都会带来不利影响, 甚至导致膜的孔隙扩大, 膜通
透性增加, 尤其是使血管内皮细胞损伤, 出现炎症反
应和退行性变化, 细胞内质网膜、溶酶体膜等生物膜
系统的液态镶嵌模式发生改变, 导致细胞水平上的广
泛性损害及病理变化。
212 机体清除自由基系统:
机体内存在清除氧自由基的系统, 酶与非酶。酶
包括SOD、过氧化氢酶(CAT) 、谷胱甘肽过氧化物
酶( GSH - px) 。非酶类包括①正常情况下体内各种自
由基的反应, 可以被细胞呼吸链中的氧所中止, 或自
由基自行相互结合成稳定分子, 从而无过剩自由基;
②正常饮食中摄取的营养物质, 如VitA , B , C , E
等, 也有一定清除自由基的作用[ 7 ] 。
SOD 是广泛存在于需氧生物细胞内的一族含金属
的酶, 根据其活性中子离子不同, 主要有3 种, 即铜
锌超氧化物歧化酶(CuZn - SOD) 、锰超氧化物歧化
酶(Mn - SOD) 和铁超氧化物歧化酶( Fe - SOD) 。
CuZn - SOD 存在于真核生物和某些原核生物中, 主要
分布于各种细胞的胞浆及除内质网和高尔基体以外的
所有细胞器中; Mn - SOD 存在于真核和原核生物中,
主要分布于细胞的线粒体内; Fe - SOD 存在于原核生
物和一些高等植物中[ 6 ,8210 ] 。大肠杆菌中存在Mn -
SOD和Fe - SOD2 种[ 6 ] ,人体内存在CuZn - SOD、Mn
- SOD 和细胞外液SOD( EC - SOD) 3 种,但以CuZn -
SOD 为主,其含量最高,因此它是人体细胞抵御氧自由
基损害的重要酶。EC - SOD 是CuZn - SOD 的同功
酶[ 11 ] ,主要分布于血浆、淋巴液、滑液内,一小部分存在
于组织中。
人体所具有的3 种SOD 基因和分子表达式已基本
清楚。现在已知, CuZn - SOD 的基因存在于人的21
号染色体上, 其分子是由2 个相同亚基组成的二聚
体, 每个亚基由153 个氨基酸和铜锌离子构成, 铜靠
近于溶剂面, 参与酶的催化作用, 而锌则包埋于硫水
基团中, 参与维持和稳定酶的结构, 其分子量为313
万道尔顿[ 12 ] 。Mn - SOD 的基因是单拷贝基因, 位于
人6 号染色体上, 由128 个氨基酸组成分子量为8 万
道尔顿[ 6 ] 。EC - SOD 是由4 个亚单位组成, 每一个亚
单位含有一个铜离子和一个锌离子, 分子量为3 万道
尔顿[ 11 ] 。
所有SOD 同工酶共同的生物学作用都是催化超
氧化物阴离子自由基(O -·) 歧化为H2O2 和O2 , 从而
阻止O -·在需氧生物体内积聚和阻遇其通过Hales
Weiss 反应产生·OH , 其反应式如下。
2O-
2 + 2H+ SOD
O2 + H2O
2H2O2 + RH (脂质)
CAT
O2 + 2H2O
ROOH + 2GSH
GSH - px
ROH + GSSG+ H2O
可见, SOD 是机体内的唯一以O2
-·为底物的酶,
也是体内清除氧自由基的重要酶。它可使氧自由基产
生歧化反应,维持细胞内氧自由基处于无害低水平状
态,当然,这一过程有赖于其他抗氧化剂的协同作用。
一般来说, SOD 是一种结构和功能比较稳定的
酶, 它能耐受多种物理和化学因素的作用而保持结构
和功能的完整性, 但同时对活性氧(H2O2 , ·OH) 却
异常敏感, 易被活性氧氧化失活, 因为H2O2 不仅是
SOD 催化反应的产物, 而且是体内许多代谢反应的产
物, 失活的SOD 其理化性质及结构也发生变化[ 12 ] 。
生理条件下体内氧自由基处于低浓度动态平衡,
当某种因素使氧自由基生成过多超出清除能力或/ 及
清除能力减弱, 则氧自由基过多, 以致损伤生物大分
子, 破坏细胞的结构和功能, 促使疾病发生发展。
3 自由基- SOD 与临床医学
近年来, 临床各学科应用SOD 治疗疾病已取得了
一定的进展, 并为许多疾病的治疗开辟了新的途径,
取得了可喜的进步(待续) 。例如: ①应用SOD 防治
缺血再灌流综合征、糖尿病、心血管疾病、肿瘤及炎
症等方面均取得较好的疗效; ②SOD 在日用化工上的
应用。如制作成各种化妆品、牙膏等, 有效地延缓皮
肤的衰老过程; ③SOD 在食品工业上的应用。如SOD
口香糖类剂型、SOD 片剂及SOD 口服液, 使口服成
为一种重要的用药方式。
但目前仍有一部分学者对自由基学说持怀疑态
度[ 14 ] , 认为生物自由基在机体内正常状态下即存在,
机体又有相应的对抗系统, 即使一定条件下自由基的
增多, 也不能说明其在发展中的重要性, 特别是与疾
病是否为因果关系。许多疾病都表现出自由基的增多
和SOD 的减少: 这是疾病产生的原因, 还是结果尚不
能确定, 如果自由基增多, SOD 减少是致病因素, 那
么其他早已确定的致病因素, 又该摆放在什么地位;
如果是疾病的后果, 那么自由基、SOD 的重要性就值
得怀疑。另一部分学者则持冷静的折中态度, 他们不
排除自由基- 酶学说的作用, 但也不认为该学说对疾
病和健康研究会产生深刻影响, 更不可能取代已有的
发病学概念, 充其量仅是一种发病学的补充。然而,
不管怎样, 至少它本身给我们对医学的认识带来了新
的思路和需要解决的问题。
从自然辩证法观点来看, 任何疾病和人体自然衰
老是极其复杂的过程, 其发生因素可能是单一的, 但
发生发展过程则可能是多元性、多层次性、互补性
的, “一元论”、“是此就非彼”的思维方式是不利于
我们认识问题的, 自由基- 酶理论仍有待深入探讨、
完善。
