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自由基的雙刃劍:細胞內的隱形殺手與保護者

自由基的雙刃劍:細胞內的隱形殺手與保護者

自由基(Free Radicals),這些看不見的微小分子,究竟是我們健康的保護者,還是細胞內的隱形殺手?這個問題在科學界引發了廣泛討論。自由基的雙重角色,它們如何在不同條件下影響我們的健康。


一、什麼是自由基?

自由基(Free Radicals)是指那些具有未配對電子的原子或分子。由於電子的不配對性,這些分子具有高度的化學反應性,能夠迅速與其他分子發生反應,進而引發一系列的化學反應。自由基在自然界中普遍存在,無論是生物體內還是外界環境中,都是化學反應的重要參與者。


自由基的特徵


  • 不穩定性:自由基因為擁有一個未配對的電子,這使得它們極其不穩定,必須與其他分子進行反應,來獲取或釋放電子,以達到穩定的狀態,意味著他有可能對健康的細胞搶奪電子,導致鏈式反映不斷的循環影響健康細胞。

  • 高反應性:自由基的這一特性使其在化學反應中極為活躍,能迅速與其他分子(如脂質、蛋白質、DNA等)反應,從而改變其結構和功能,他會再及短的時間內生成也可以在極短時間內消失。


自由基的生理角色


自由基在生物體內扮演著兩面角色第一『生理作用』,負責信號傳導,如:一氧化氮(NO•)參與血管擴張和神經傳導。並利用訊號進行免疫防禦,如:免疫細胞利用超氧陰離子和一氧化氮等自由基,來殺死入侵的病原體。第二『病理作用』,自由基過量產生,會引發氧化壓力,破壞細胞結構和功能,導致細胞損傷、衰老和多種疾病,如心血管病、癌症和神經退行性疾病都是高度與自由基有關。


二、自由基的生成

自由基(Free Radicals)在生物體內的生成是多方面的,既可以來自於細胞內的一系列代謝過程,也可以來自於外界環境的影響。例如:紫外線(UV)和輻射:能量高的輻射能引起水分子的電離,生成羟自由基和其他活性氧物種。污染物和化學物質:如吸菸二手菸、PM2.5、農藥、工業化學品等,可以誘導體內自由基的生成。炎症反應:慢性發炎或急性發炎過程中,免疫細胞大量生成自由基,用於殺死病原體,但同時也會對周圍正常組織造成損害。但並非所有的自由基對人體有害,某些自由基會再過量時才產生對人體不利的影響。


惡性良性自由基氧化能力差距100倍

有益的自由基

近年研究表明,儘管自由基在高水平下可能會產生負面副作用,但它們也是重要的生物信號分子,可以對疾病發揮治療和保護作用,儘管自由基通常被視為有害物質,但它們在一定程度上對健康有益。例如,免疫系統利用自由基來殺死病原體和受感染的細胞,這是身體防禦機制的一部分。此外,自由基參與了細胞信號傳導過程,調節基因表達和細胞增殖。


一氧化氮(NO•):

一氧化氮在血管擴張、神經傳導和免疫反應中發揮關鍵作用。它幫助血管平滑肌放鬆,降低血壓,並改善血液循環。

超氧陰離子(O₂⁻):

過氧化氫(H₂O₂):


有害的自由基

許多研究討論了自由基的負面影響,幾乎對所有免疫性疾病都有影響,如糖尿病、類風濕性關節炎、多發性硬化症、慢性發炎。與其他致命疾病,如心血管疾病、癌症。和神經退化性疾病,如阿茲海默症、帕金森氏症以及人體老化(可能是由於端粒縮短)。當自由基生成超過身體的抗氧化能力時,會導致氧化壓力。


羟自由基(OH•):

羟自由基是所有自由基中反應性最強的一種,幾乎能與所有生物分子(如蛋白質、脂質、DNA)發生反應,導致嚴重的細胞損傷。

過氧亞硝基陰離子(ONOO⁻):

超氧陰離子(O₂⁻):

自由基整理表格

類別

自由基名稱

化學式

主要生成途徑

有益或有害

氧自由基

超氧陰離子

O₂⁻

線粒體電子傳遞鏈、NADPH氧化酶

有益(低濃度) 有害(高濃度)


羟自由基

OH•

Fenton反應(鐵催化過氧化氫生成)

有害


過氧化氫

H₂O₂

超氧化物歧化酶(SOD)作用下生成

有益(低濃度) 有害(高濃度)


單線態氧

¹O₂

光敏劑在光照下生成

有害


有機過氧自由基

ROO•

脂質過氧化反應生成

有害


有機氧自由基

RO•

有機過氧化物分解生成

有害

氮自由基

一氧化氮

NO•

一氧化氮合酶(NOS)生成

有益


過氧亞硝基陰離子

ONOO⁻

超氧陰離子與一氧化氮反應生成

有害


二氧化氮

NO₂•

一氧化氮在高濃度氧氣存在下生成

有害

其他

硫自由基

RS•

例如半胱氨酸硫自由基

有害


碳自由基

C•

例如烃類化合物在高溫或光照下生成

有害


鹵自由基

X•

例如氯自由基,常見於某些化學反應中

有害


自由基的綜合影響


自由基在適當的濃度和條件下能夠參與細胞信號傳導、免疫防禦和血管擴張等重要生理過程,但在過量或未受控的情況下,會導致氧化壓力,對細胞和組織造成損害。維持自由基的平衡對於健康至關重要,而抗氧化劑在中和過量自由基方面起著關鍵作用。


三、氧化壓力與還原氧化壓力


人體系統中有兩種相反的力量:氧化壓力和還原氧化壓力。當還原劑的濃度超過氧化劑的濃度時,就會產生還原應力。


氧化壓力被定義為當自由基的形成和濃度超過人體內源性抗氧化自衛系統的清除機制。有趣的是,運動會大大增加活性氧的水平以及隨之而來的氧化壓力。因此,人們可能會得出這樣錯誤的結論:運動對健康有負面影響。然而,眾所周知,運動具有強大的治療和保護作用。許多研究表明,定期運動發揮這些治療作用的原因之一是運動可以上調人體的內源性抗氧化活性,進而降低氧化壓力造成細胞損傷的絕對風險。


原因是運動誘導的自由基的形成透過自由基依賴性因此活化某些因子 PGC1-a、PGC1-b 、PPAR 增強胰島素敏感性。然而,然而攝取過多大量傳統抗氧化劑會阻斷此途徑。此途徑被阻斷 降低對氧化壓力帶來的各種疾病的保護。然而為了利用運動引起的內源性抗氧化自衛系統上調仍需要定期運動。避免運動帶來好處的抵銷,要謹慎攝取傳統抗氧化劑劑量。您可以參考:自由基產生及清除系統簡介


四、如何保持自由基的平衡?


由於過載的自由基與疾病的進展和發病機制密切相關,因此我們的身體有能力在這些 ROS 發揮有益的信號作用後清除它們。人體會自行生成一些內原性的抗氧化物質,如:抗氧化酶、谷胱甘肽,這些抗氧化機制協同作用,維持自由基的生成和清除之間的平衡,確保細胞在正常生理條件下運行。


但隨著身體老化、飲食不均衡、吸收力下降、維生素不足、蛋白質缺乏...內源性的抗氧化機制也會隨之衰退,越來越難以透過自身條件平衡,許多研究表明這會加速老化,產生一個不好的循環。可以使用外源性的抗氧化劑或食物來中和體內不好的自由基。


五、外源性的抗氧化補充

類別

抗氧化劑

來源

功能

維生素

維生素C

柑橘類水果、草莓、奇異果、芭樂、紅椒、綠葉蔬菜

水溶性抗氧化劑,中和自由基,保護細胞內水溶性部分,再生維生素E


維生素E

堅果、種子、植物油、綠葉蔬菜

脂溶性抗氧化劑,保護細胞膜中的脂質免受自由基攻擊


維生素A β-胡蘿蔔素

胡蘿蔔、南瓜、甘薯、菠菜、芒果、杏子

抗氧化作用,保護視網膜健康,增強免疫系統

多酚類

類黃酮

茶(綠茶、紅茶)、紅酒、巧克力、柑橘類水果、漿果

強效抗氧化作用,中和自由基,減少炎症


白藜蘆醇

紅酒、葡萄皮、藍莓、花生

抗氧化和抗炎特性,有益心血管健康


鞣花酸

草莓、覆盆子、石榴、胡桃

中和自由基,具有抗癌特性

植物

茄紅素

番茄、番石榴、西瓜、粉紅葡萄柚

強效抗氧化劑,保護細胞免受自由基損害,有益前列腺健康


硫配合物

大蒜、洋蔥、韭菜

抗氧化、抗炎和抗菌特性

礦物質

巴西堅果、魚類、貝類、家禽、蛋

谷胱甘肽過氧化物酶的輔因子,中和過氧化氫和有機過氧化物


牛肉、雞肉、豆類、堅果、全穀物

多種酶的結構和功能中的重要成分,具有抗氧化特性

補充劑

輔酶Q10

天然食物中含量較少,可通過補充劑獲取

細胞內的重要抗氧化劑,特別是對心臟健康有益


榖胱甘肽

體內合成,可通過補充劑增加其水平

體內最重要的抗氧化劑之一,參與解毒過程,保護細胞免受氧化損傷

其他

氫氣吸入、氫水飲用

強效抗氧化劑,選擇性中和羥自由基和過氧亞硝基陰離子,保護細胞免受氧化損傷,具有抗炎和抗凋亡作用

研究文獻顯示氫分子只會減少「過度」氧化壓力,並且不會干擾有益的自由基。

六、自由基的平衡是延緩老化及預防疾病的關鍵


毫無疑問,自由基會對人體造成傷害。然而,並非所有自由基都有害。人體更注重平衡而不是消除。多種自由基(ROS)可作為訊號分子影響基因表現、人體免疫系統和細胞訊號傳導,一些活性氧自由基傳遞對人有重要的生物訊息。


自由基的雙重角色提醒我們,平衡是健康的關鍵。適量的自由基對於細胞功能至關重要,但過量則可能引發一系列健康問題。了解並控制自由基的生成和清除,是維持細胞健康和防止疾病的關鍵。通過適當的飲食和補充抗氧化劑,可以維持健康的自由基與抗氧化劑平衡,並減少氧化壓力對身體的損害。自由基,這些看不見的微小分子,是細胞內的雙刃劍。掌握它們的作用,維持適當的平衡,我們才能在健康的道路上走得更遠。


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