“抗氧化”的那些事儿(二)
前文讲到了关于氧化和抗氧化的关系,以及两者在氧化应激反应中的博弈关系,我们初步了解到了抗氧化与机体疾病与健康的重要联系。同时,我们对于体内外的各种抗氧化剂有了一个初步的了解,但各种物质相应的作用机制及其功能尚未做介绍。本文将继续介绍相关的抗氧化剂对机体的作用机制,探讨其可否作为生物学标记物对于疾病预测、诊断、治疗、预后分析发挥价值。
“抗氧化”的那些事儿(二)

作者:Tsai

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抗氧化剂的定义和功能

1995年,Hailliwell等学者将抗氧化剂定义为“与可氧化的底物相比,以较低浓度存在时能显著延迟或抑制该底物氧化的任何化合物”,随后又在2007年被改为“任何可延迟、阻止或消除靶分子氧化损伤的物质”。同年,Khlebnikov等学者将其定义为“任何直接清除活性氧(ROS)或间接上调抗氧化防御或抑制ROS产生的物质”。作为抗氧化剂的化合物需在清除自由基后通过分子内氢键进一步氧化形成稳定的新自由基。抗氧化剂对于平衡自由基产生,调节氧化应激反应具有重要作用。

抗氧化系统可分为两种类型,包括防御和修复两个方面。第一类用以对抗氧化损伤,可阻止ROS的生成,也可以阻止、捕获已形成的自由基,其存在于体液和膜细胞室中,可为酶促和非酶促型;第二类以修复为主,在受损的生物分子聚集改变细胞代谢之前对其进行清除。修复系统的干预包括通过特定的酶修复氧化损伤的核酸,通过蛋白水解系统去除氧化蛋白,以及通过磷脂酶修复氧化脂质。

抗氧化剂的分类

➤内源性和外源性抗氧化剂

抗氧剂的分类多样,按照抗氧化防御的来源,可将其分为内源性和外源性(图1)。内源性抗氧化剂对于细胞氧化还原稳态的维持最为关键,包括抗氧化酶(超氧化物歧化酶[SOD]、过氧化氢酶[CAT]、谷胱甘肽过氧化物酶[GPx])、谷胱甘肽[GSH]等非酶化合物、蛋白质(铁蛋白、转铁蛋白、铜蓝蛋白、白蛋白)和低分子量清除剂(如尿酸[UA]、辅酶Q和硫辛酸)等。外源性抗氧化剂主要来自于蔬菜水果及膳食补充剂,包括维生素A和E、类胡萝卜素和酚类物质。为细胞提供外源性抗氧化剂有助于减慢内源性抗氧化剂的吸收,保持细胞总体“抗氧化潜力”,或降低不能被内源性抗氧化剂灭活的氧化应激,但其机制仍存在争议。

此外,用于食品防腐的合成抗氧剂,如没食子酸、丁基羟基茴香醚和丁基羟基甲苯,可作为自由基链式反应抑制剂、金属螯合剂、氧化酶抑制剂和抗氧化酶辅助因子。

➤按抗氧化防御的反应水平分

其中按照抗氧化反应的过程可将抗氧化剂分为两级。“第一道防线”主要为酶促抗氧化系统,包括消耗O2-的SOD、分解H2O2的CAT、GPx。“第二道防线”主要以还原性硫醇和低分子量抗氧化剂为代表。其中低分子量抗氧化剂范围较广,可直接到达受氧化攻击影响的细胞的特定位置,包括膳食成分、水溶性和脂溶性物质(维生素A、C、E、多酚等)、代谢化合物(UA、维生素C和还原型GSH)。

➤酶类和非酶类抗氧化剂

生物体中的氧化基本上由氧化还原酶介导,但也存在非酶促过程的自由基脂质自氧化。在此过程中,根据氧化反应对酶的依赖性,可将生物抗氧化剂分为酶类和非酶类氧化剂。其中,酶类抗氧化剂按其对自由基的防御水平可进一步分为一级和二级酶(图1)。一级酶可防止自由基的形成或中和自由基;二级酶不直接中和自由基,但对其他内源性抗氧化剂具有辅助作用(表1)。

“抗氧化”的那些事儿(二)

图1 天然抗氧化剂的分类(绿色表示外源性抗氧化剂,黄色表示内源性抗氧化剂)

[Pietta, 2000;Ratnam et al., 2006;Godman et al., 2011]

表1 一级和二级酶类抗氧化剂的分类及作用机制

缩写:H2O2,过氧化氢;NADPH,还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;O2-∙,超氧阴离子。

➤脂溶性和水溶性

根据其溶解度,水溶性抗氧化剂包括黄酮类化合物、维生素C、UA、GHS,脂溶性包括类胡萝卜素、维生素E、抗坏血酸棕榈酸酯/硬脂酸酯。

抗氧化剂的作用机制

抗氧化剂可在自由基氧化过程的不同步骤(起始、传播和链终止)中起作用,同种抗氧化剂可能存在多种作用机制(表2)。

表2 抗氧化系统的作用机制

预防性抗氧化剂通过消耗氧分子或降低其局部浓度、或去除促氧化的金属离子来抑制过氧化。具有消耗ROS作用的酶(如SOD、CAT和GPx)也具有预防作用,且不会随反应而消耗;而破坏链的抗氧化剂、单线态氧(1O2)淬灭剂和金属螯合剂在发挥其保护作用的同时会被消耗。

一级抗氧化剂指能清除自由基的断链抗氧化剂,而二级抗氧化剂包括1O2猝灭剂、产生非自由基的过氧化物分解剂、金属螯合剂、氧化酶(如脂氧合酶)抑制剂或紫外线吸收剂。二级抗氧化剂可与一级抗氧化剂结合,并通过以下可能机制产生协同作用:

·通过创造酸性环境来稳定一级抗氧化剂

·通过供氢来再生一级抗氧化剂

·螯合促氧化过渡金属阳离子

·猝灭氧分子

抗氧化剂在氧化应激中的作用

下文将介绍内源性和外源性抗氧化剂的主要类型、作用机制及功能(表3、4)。然而,对于抗氧化剂的相关问题仍值得重视:

① 人工合成的抗氧化剂与天然抗氧化剂效果一样吗?

天然和合成抗氧剂的结构组成及功能可能存在差异,导致两者对于机体的效果不同。

② 抗氧化剂无毒无害?

抗氧化剂补充剂虽然会消耗ROS,但可能会干扰免疫系统活动或负责消除受损细胞、细胞凋亡和解毒的防御机制。此外,额外增加抗氧化剂补充剂可能会改变ROS生成和去除之间的生理平衡,从而导致其他损伤。

③ 抗氧化剂可大量服用?

抗氧化或促氧化活性被证实为剂量依赖性。来自水果和蔬菜是抗氧化维生素含量被认为是安全的,可降低氧化应激,但高剂量的抗氧化剂补充剂可能是不安全的。此外,抗氧化剂补充剂在药理学上存在相互作用,可影响彼此的药物浓度及其有效性。

④ 我们只需要抗氧化,促氧化就是恶魔吗?

研究发现,一些促氧化剂可触发内源性抗氧化系统,甚至可能比补充抗氧化剂更有益。如多不饱和脂肪、运动和适度饮酒等促氧化剂可能对心脏具有保护作用。

表3 内源性抗氧化剂的种类及作用

缩写:AFMK,N(1)-乙酰基-N(2)-甲酰基-5-甲氧基氨基;AMK,(N1 -乙酰基-5-甲氧基氨基;EAE,实验性变应性脑脊髓炎;GPx,谷胱甘肽过氧化物酶;GSH,谷胱甘肽;H2O2,过氧化氢;LDL,低密度脂蛋白;1O2,单线态氧;O2-·超氧阴离子;OH·,羟基自由基;ROS,活性氧。

表4 内源性抗氧化剂的种类及作用

缩写:CoQ,辅酶Q;Gpx,谷胱甘肽过氧化物酶活性;GPx4,血小板磷脂-氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶;H2O2,过氧化氢;LDL,低密度脂蛋白;;1O2,单线态氧;O2-·超氧阴离子;OH·,羟基自由基;ROS,活性氧。

总结

氧化应激是由氧化物质超过机体抗氧化能力造成的。抗氧剂的功能对于维持机体正常生理功能十分关键,外源性食物和营养补充剂对于抗氧化的实现具有一定的帮助,可能对于某些疾病有一定的改善及预防作用。蔬菜水果中的抗氧化剂含量丰富,健康的饮食及生活习惯也有助于保持一个健康的机体状态。

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