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自由基產生及清除系統簡介

自由基,在人體內扮演著重要的角色,不僅是一種可能導致細胞損傷和疾病的因子,也是身體防禦系統對抗入侵微生物的一部分。


自由基是指帶有未成對電子的分子或原子,這使得它們非常不穩定且具有高度反應性。在正常新陳代謝過程中,自由基會不斷產生和消除,以維持生理平衡。當自噬細胞啟動時,它們會通過「爆炸性氧化作用」產生超氧陰離子自由基來殺死細菌或受感染的細胞。這是人體免疫系統的一部分,顯示自由基在健康狀態下是有其正面功能的。


「爆炸性氧化作用」(Respiratory Burst),有時也被稱為「氧化爆發」,人體免疫系統中的白血球(特別是嗜中性粒細胞和巨噬細胞)在遭遇入侵的細菌或病毒時,迅速產生大量的反應性氧化物質(ROS),如超氧陰離子、過氧化氫等。這些高度反應性的氧化物質能夠有效地殺死或抑制侵入的病原體。當這些白血球被激活時,它們的氧氣消耗急劇增加,引發一連串的酶促反應,迅速釋放出大量的自由基。這一過程是身體防禦系統的關鍵部分,有助於迅速清除病原體,防止感染擴散。

當自由基的產生超出身體的抗氧化能力時,會導致氧化壓力,進而損傷細胞結構,包括蛋白質、脂質和核酸。長期的氧化壓力被認為與多種疾病的發生有關,包括心血管病、某些類型的癌症、和老化過程。


因此,保持自由基和抗氧化劑之間的平衡是重要的。日常生活中,透過飲食攝取豐富的抗氧化劑,如維生素C和E和其他抗氧化物質,可以幫助維持這種平衡,減少氧化壓力,保護身體免受損傷。


By Dan Cojocari - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46529393


自由基的生成

活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS) 是氧在體內代謝過程中產生的化學反應性分子。活性氧包括超氧陰離子(O₂⁻)、過氧化氫(H₂O₂)、羥自由基(·OH)和單態氧(¹O₂)等。這些分子中含有一個或多個未配對的電子,這些未配對的電子使得自由基極不穩定,傾向於與其他分子反應來達到穩定狀態,具有高度反應性,可導致細胞損傷,過量的活性氧會導致氧化壓力,損害細胞和組織引發多種疾病,但在適量情況下也具有重要的生理功能,如信號傳導和免疫防禦。自由基於的來源和生成機制可分類為內源性、外源性區分。無論來源如何,過量的活性氧都可能對細胞造成損傷,引起氧化壓力影響組織和器官的功能。這就是為什麼身體需要有效的維持抗氧化系統來平衡和中和活性氧,保持細胞的健康和功能。


內源性活性氧的產生機制

活性氧的產生主要來自於線粒體呼吸鏈和酶促反應。我們需要線粒體產生大量的能量提供我們使用,如心跳、體溫、呼吸、日常生活都需要線粒體產生能量,在線粒體中,電子在呼吸鏈的複合物I和III泄漏並與氧氣結合,形成超氧陰離子(O₂⁻)。此外,NADPH氧化酶在免疫細胞中的活性也會生成超氧陰離子,用於消滅病原體。其他酶,如黃嘌呤氧化酶和脂氧合酶,也能在不同的代謝過程中產生ROS​。


線粒體呼吸鏈

  • 線粒體是活性氧的主要最大量產生場所。在細胞呼吸過程中,電子從營養物質轉移到氧氣,形成水。然而,約1-2%的氧在此過程中形成超氧陰離子(O₂⁻),這是活性氧的初始形式。

  • 具體過程包括電子從線粒體呼吸鏈中的複合物I和複合物III泄漏,與氧氣結合形成超氧陰離子​​。

酶促反應

  • 黃嘌呤氧化酶:這種酶在嘌呤代謝中生成超氧陰離子和過氧化氫。

  • NADPH氧化酶:存在於多種細胞中,特別是免疫細胞,能夠生成超氧陰離子以對抗病原體。

  • 脂氧合酶和環氧合酶:在炎症反應中生成ROS,參與脂質代謝。


外源性ROS的產生機制

  • 環境因素,例如空氣污染(如煙霧、臭氧...等)、紫外線或電磁輻射、吸煙、化學藥品、重金屬暴露等。這些因素可通過損傷細胞結構或干擾細胞功能來增加ROS的產生。

  • 飲食中的某些成分也可能導致外源性ROS的增加。例如,過量的鐵或銅攝入可以通過芬頓(Fenton)反應產生自由基。

Fenton反應在生物體中的發生通常與炎症和氧化壓力相關,這也是許多慢性疾病(如心血管病、某些類型的癌症、神經退行性疾病)發生和進展的重要因素。

自由基產生與消除
從氧氣的開始自由基的生成與內源性的自由基清除

 

自由基的消除


內源性ROS的清除機制

活性氧(ROS)的清除主要依靠抗氧化酶和非酶抗氧化劑。抗氧化酶包括超氧化物歧化酶(SOD),將超氧陰離子(O₂⁻)轉化為過氧化氫(H₂O₂);過氧化氫酶(CAT),將過氧化氫分解為水和氧氣;以及谷胱甘肽過氧化物酶(GPX),利用谷胱甘肽(GSH)將過氧化氫還原為水​。非酶抗氧化劑如谷胱甘肽、維生素C和維生素E則通過直接中和ROS來保護細胞​ 。


維生素C和E:這些維生素能直接中和自由基,維生素C是水溶性抗氧化劑,可在細胞質中發揮作用;維生素E是脂溶性抗氧化劑,在細胞膜上發揮作用,保護脂質不受氧化損害。

β-胡蘿蔔素和其他類胡蘿蔔素:這些抗氧化劑可以捕捉自由基,尤其是在光照下的保護作用顯著,防止自由基損害細胞結構。

穀胱甘肽:這是一種強效的抗氧化劑,能夠直接與自由基反應,並且是其他抗氧化酶系統的重要組成部分。


抗氧化酶

  • 超氧化物歧化酶(SOD):將超氧陰離子(O₂⁻)轉化為過氧化氫(H₂O₂)。

  • 過氧化氫酶(CAT):將過氧化氫(H₂O₂)分解為水和氧氣。

  • 谷胱甘肽過氧化物酶(GPX):利用谷胱甘肽(GSH)將過氧化氫和有機過氧化物還原為水和相應的醇。


非酶抗氧化劑

  • 谷胱甘肽(GSH):一種三肽,通過還原反應清除ROS,並參與再生其他抗氧化劑。

  • 維生素C(抗壞血酸)和維生素E(α-生育酚):能夠捕捉和中和自由基。

  • 類胡蘿蔔素:如β-胡蘿蔔素,能夠清除單態氧和其他ROS。


其他清除途徑

  • 核因子E2相關因子2(Nrf2):是一種轉錄因子,調控多種抗氧化酶和抗氧化劑的表達。在ROS水平升高時,Nrf2從其抑制蛋白Keap1中釋放,進入細胞核,啟動抗氧化基因的表達​​。

  • 自噬作用:細胞自噬作用可以降解受損的線粒體,減少ROS的產生。


外源性ROS的清除機制

  • 維生素C和E:這些維生素能直接中和自由基,維生素C是水溶性抗氧化劑,可在細胞質中發揮作用;維生素E是脂溶性抗氧化劑,在細胞膜上發揮作用,保護脂質不受氧化損害。

  • 氫分子:可選擇性的清除自由基體積極小自由穿梭,對抗炎有著積極作的用。

  • β-胡蘿蔔素和其他類胡蘿蔔素:這些抗氧化劑可以捕捉自由基,尤其是在光照下的保護作用顯著,防止自由基損害細胞結構。

  • 穀胱甘肽:這是一種強效的抗氧化劑,能夠直接與自由基反應,並且是其他抗氧化酶系統的重要組成部分。

  • 飲食中的多酚、類黃酮、硒和其他抗氧化物質可以提供額外的保護,幫助中和和清除外源性ROS。


 

自由基相關疾病

活性氧(Reactive Oxygen Species, ROS)在正常細胞代謝中起著關鍵作用,但過量的ROS會導致氧化壓力,從而損害細胞和組織,引發多種疾病。以下是一些與ROS相關的重要疾病:


心血管疾病

  • 動脈粥樣硬化:ROS可以氧化低密度脂蛋白(LDL),導致其在血管壁沉積,形成動脈粥樣硬化斑塊,進而引發心血管疾病​ (Hindawi)​。

  • 高血壓:氧化壓力損害血管內皮細胞功能,導致血管收縮和高血壓的發生​ (Hindawi)​。

神經退行性疾病

  • 阿茲海默症:過量的ROS會導致神經元中的脂質、蛋白質和DNA的氧化損傷,這是阿茲海默症發展的主要因素之一​ (Hindawi)​。

  • 帕金森症:帕金森症患者的多巴胺神經元中ROS水平升高,氧化壓力導致這些神經元的退化和死亡​ (Hindawi)​。

糖尿病及其併發症

  • 糖尿病:高血糖水平促進ROS的產生,損害胰島β細胞功能,影響胰島素分泌​ (Frontiers)​。

  • 糖尿病腎病:氧化壓力在糖尿病腎病的發展中起重要作用,通過促進腎小球基底膜增厚和腎小管間質纖維化,損害腎功能​ (Frontiers)​。

癌症

  • 癌症:ROS能導致DNA損傷和突變,促進癌細胞的形成和增殖。此外,ROS還能穩定缺氧誘導因子(HIF),促進腫瘤的生長和轉移​ (Hindawi)​。

呼吸系統疾病

  • 慢性阻塞性肺病(COPD):吸煙和空氣污染等因素增加肺部的ROS水平,導致肺組織損傷和炎症,進而引發COPD​ (Hindawi)​。

  • 哮喘:氧化壓力能夠加重氣道炎症和過敏反應,導致哮喘症狀的加重​ (Hindawi)​。

自身免疫性疾病

  • 類風濕性關節炎:氧化壓力能促進關節滑膜細胞和軟骨細胞的損傷,導致關節炎症和破壞​ (Hindawi)​。

  • 系統性紅斑狼瘡:患者體內的高水平ROS能夠損傷DNA和細胞膜,激活免疫系統,導致自體免疫反應​ (Hindawi)​。


ROS在細胞信號傳導和免疫防禦中具有重要作用,但過量的ROS會導致氧化壓力,損害細胞和組織。體內存在多種清除ROS的機制,包括抗氧化酶和非酶抗氧化劑,這些機制共同維持細胞內的氧化還原平衡。在腎臟疾病和其他病理狀況下,ROS的產生和清除平衡被打破,導致氧化壓力和相關疾病的發生。


參考文獻:


Hirano, S.-i.; Ichikawa, Y.; Sato, B.; Takefuji, Y.; Satoh, F. Clinical Use and Treatment Mechanism of Molecular Hydrogen in the Treatment of Various Kidney Diseases including Diabetic Kidney Disease. Biomedicines 2023, 11, 2817.
Hydrogen: A Novel Treatment Strategy in Kidney. Retrieved from Karger
Biomedicines. Clinical Use and Treatment Mechanism of Molecular Hydrogen in the Treatment of Various Kidney Diseases including Diabetic Kidney Disease. Retrieved from MDPI
Frontiers. "Reactive Oxygen Species (ROS)-Responsive Biomaterials for the Treatment of Bone-Related Diseases." Frontiers.
Hindawi. "Reactive Oxygen Species and Oxidative Stress in Vascular-Related Diseases." Hindawi.
Hindawi. "Reactive Oxygen Species in Health and Disease." Hindawi.
Wikipedia contributors. (2024, March 22). Oxidative stress. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 08:59, May 24, 2024, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Oxidative_stress&oldid=1214958780


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