第四节　自由基与感染

随着医学科学技术的迅猛发展，目前已弄清了在医学领域中，很多疾病的病理生理过程与自由基的作用有关。尤其是在严重感染的过程中，因此对自由基的研究，日益受到人们的重视。已成为当前一个非常活跃的研究领域。

自由基（free radical）或称游离基（radical），是指外层轨道中具有奇数电子的原子（H·、Cl·）原子团（OH·、RO·、ROO），分子（NO、NO₂、O₂），其特点是活性强，结构不稳定，存在的时间短暂，一旦发生反应，常呈链锁式反应。因此，对机体可造成持续性损害。生物体内有多种产生自由基的物质，而对机体损害较大的是超氧阴离子自由基（superoxide amino，）和羟自由基（OH·）。

一、自由基的来源

体内具有共价键的有机分子在某些原因作用下，发生均裂后可使带有成对电子的原子、原子团、分子转变为带有奇数电子的自由基。或带有成对电子的化合物，又多获取了一个电子，也可变为带有奇数电子的自由基。如生物膜上的多价不饱和脂肪酸的双键，容易发生均裂，均裂后共用的电子分属于两个原子或原子团。即成为含有奇数电子的自由基。又如O₂多获取一个电子，就成为，正常情况下机体吸入氧的98%以上，是在线粒体内通过细胞色素氧化酶的作用，接受四个电子四价还原生成无毒害的水。

如在还原过程中，氧接受的电子数不足，外层轨道上就出现奇数电子，即成为自由基。正常机体内约有1%～2%的氧是单价还原的，是生成自由基的主要来源。但因量少且被机体的清除系统所清除。故不造成伤害。氧是机体中重要的电子受体，由于接受的电子数不同，形成的产物也不同，如基态氧只接受一个电子生成。

接受了两个电子生成H₂O₂。

接受了3个电子生成OH·等。

几种重要自由基的生成与清除：

1.主要是通过氧的单电子还原而产生，经超氧化物歧化酶（SOD）的歧化作用而清除。

经SOD歧化后生成活性较弱的H₂O₂，而机体清除H₂O₂的能力较强。故H₂O₂对机体造成的损害较弱，所以歧化反应即是在体内也可自然歧化，但速度甚慢如经SOD或铁离子的催化，则可加速歧化的过程。

2.OH·主要由与 H₂O₂在微量金属元素的催化下生成

正常体内含量较少，且存在的时间短暂，但其活性强，对细胞的损害较大，主要是作用于脂质生成脂类过氧化物（LPO），在体内可被甘露醇、二甲亚砜（DMSO）苯甲酸盐等清除。正常时可被SOD清除，H₂O₂可被过氧化氢酶（CAT）清除，因此宜SOD+CAT联用。

3.过氧化氢（H₂O₂）　系氧分子在黄嘌呤氧化酶等作用下，接受2个电子还原而成H₂O₂。

亦可经单价还原而产生，细胞借还原型谷胱甘肽氧化酶（GSH-PX）及过氧化氢酶清除H₂O₂，以防其对机体的破坏作用，CAT能使H₂O₂的歧化反应增强108倍，通过歧化反应还原成H₂O和O₂而被清除。

4.单线态氧（1O₂）的产生　有化学反应法与光敏反应法，化学反应法是通过Cl₂于碱性溶液中，先产生次氯酸盐，再使H₂O₂与次氯酸混合即产生1O₂。

光敏反应法：是当某些化合物在光照下，吸引了一定波长光的能量，使其分子能量从基态进入激发态，使氧分子从3Σg-态达到1Δg态甚至1Σg+ 时，即转变为 ′O₂。

1O₂有较强的亲电子作用，故带有双键结构的物质易与之结合，使脂类过氧化，产生氢过氧化物，对蛋白质有损害作用。1O₂清除剂有β-胡萝卜素、胆红素、蛋氨酸、维生素E等。

5.外源性自由基　外源性自由基主要来自环境污染（如光化学污染、大气颗粒物、环境烟草烟雾、环境持久性自由基、重金属、过渡金属、工业溶剂、农药等）和药物使用（硝酸甘油、扑热息痛、氟烷、部分抗癌剂、抗菌剂等）。

二、自由基与疾病

1.自由基与炎症

有炎症时存在于炎症区的细菌、免疫球蛋白C_5a等，可激活体内的吞噬细胞，包括嗜中性粒细胞（PMN）、单核细胞、巨噬细胞等。使其氧的消耗量急剧上升，甚至达正常量的2～20倍，葡萄糖的代谢活动也增加，此种现象称为“呼吸爆发”（respiratory burst）。其过程所增加的氧消耗量绝大部分通过单电子还原生成，也与还原型辅酶Ⅰ氧化酶（NADH oxidase）或还原型辅酶Ⅱ氧化酶（NADPH oxidase）的作用有关。这是一种跨膜酶存在于细胞的双层结构中，当细胞被激活后随之活化，以NADPH作为电子供体，将单个电子转移至细胞外，使氧分子经单电子还原而生成。

当“呼吸爆发”时，不同的细胞生成的量也不一样。PMN耗氧量比单核细胞大，其生成的量也大。嗜酸性粒细胞释放量，在同样条件下比PMN大3倍，且持续的时间亦较长。同一细胞在不同部位、不同状态下，所生成的也不完全一致，如巨噬细胞在肺泡中比在腹腔中生成的多。单核细胞在炎症区比在非炎症区生成的量多。吞噬细胞生成释放到细胞外环境后，由于细胞外SOD、CAT含量较细胞内低，故细胞外清除的能力亦较弱。因此，自由基可对机体形成损害。

自由基对细胞的损害：主要是损害细胞膜与细胞膜上的多价不饱和脂肪酸（polyunsatiratated fatty acid PUFA）结合，生成 LPD，如 OH·能从PUFA中吸取一个质子，生成脂肪酸自由基R·进一步生成脂肪酸过氧化自由基ROO·。

上述反应中如R·不被及时清除，则可生成更多的自由基，加重对细胞及其对间质的损害。而OH·可使生物膜上的多价不饱和脂肪酸生成LPO，可影响磷脂酶的活性，促使磷脂中花生四烯酸分解产生血栓素A₂（TXA₂）这些物质均可损伤细胞的结构及血管壁的完整性。使通透性增加，高分子物质渗出而致间质水肿。也可引起PMN在血管壁的黏附，使血流速度减慢。自由基对PMN具有趋化性，使之在炎症区域聚集而致组织水肿。

2.自由基与免疫

在细胞免疫中，自由基对淋巴细胞的增生分化、对淋巴细胞在刺激原作用下的反应性以及对细胞的功能都有抑制作用。实验研究证明自由基能抑制T细胞，使淋巴细胞E花环形成率降低，这一现象可能由于自由基使细胞膜脂质过氧化，而干扰了E受体的构成部位或抑制了E受体的重要结构所致。自由基对B细胞克隆的形成亦有抑制作用。由于自由基能引起淋巴细胞功能减低，故可影响整个机体的免疫功能。机体本身有阻止自身抗体形成的功能，当该功能障碍时就产生自身抗体，形成自身免疫性疾病。如系统性红斑狼疮、幼年型类风湿性关节炎等。这些自身免疫性疾病，经用自由基清除剂SOD治疗后，有一定的效果。因此，说明自由基与自身免疫性疾病的发病有关。

抗原抗体复合物沉积于组织导致炎症，使用SOD后可抑制免疫复合物所致的炎症。此即证明炎症与自由基的作用有关。炎症时吞噬细胞被激活产生，可加重炎症的反应，产生白细胞趋化因子，使白细胞在炎症区聚集，使血管壁的通透性增加，甚至损伤血管内皮细胞，引起组织水肿。因此，认为自由基在炎症过程中起关键作用。使用自由基清除剂能抑制炎症的发展。

3.自由基与休克

休克时体内自由基及LPO含量明显升高。LPO是自由基与细胞的多价不饱和脂肪酸作用后的产物，LPO升高既反映了自由基的增多，又反映了组织受累的程度，休克时的重要脏器如肝、肺、肾内LPO均显著升高，大量的自由基不但损害了组织细胞的结构，也引起了代谢功能的紊乱，甚至导致组织细胞死亡。通透性增加是自由基的重要作用之一，也是休克发病的重要机制，通透性增加的结果引起细胞及组织水肿。实验证明使内毒素休克动物发生毛细血管通透性增加，而致脑水肿、肺水肿等的发生有关。休克时内毒素通过补体C_5a激活PMN产生自由基，作用于肺，引起休克肺。作用于心脏，引起心功能障碍及摄钙能力的降低，休克时发生的心力衰竭，一直认为是心肌抑制因子（MDF）的作用，现在已认识到MDF的产生也与自由基有关。

4.DIC

自由基在DIC的发生过程中起重要的作用。一系列的实验研究发现，感染性休克引起DIC时，血管壁的LPO明显增加，血小板有聚集现象，血管内皮细胞有损伤，这些变化都证明与自由基的作用有关。而预先给以SOD、CAT可防止此反应的发生。

5.自由基与脑水肿

缺血缺氧可引起脑功能紊乱和组织水肿，但变化的高峰期是发生在血流恢复，供氧充分以后，由于次黄嘌呤被氧化成黄嘌呤和尿酸的速度加快，自由基产生增多，引起的病理变化明显，脑水肿也显著。当机体大量自由基侵袭时，细胞膜上的多价不饱和脂肪酸与之结合，形成LPO，LPO对机体也有害，因而加剧了脑水肿的过程。

6.自由基与多系统器官功能衰竭

感染时发生的多系统器官功能衰竭（MSOF），自由基起着重要的作用，当内毒素侵入机体，补体被激活后，血中C_5a增加，内毒素与PMN表面的C_5a受体结合，也可激活PMN，PMN被激活后，位于细胞膜上的NADPH氧化酶也被激活，催化分子氧单价还原，产生再与细胞膜上不饱和脂肪酸发生反应，产生LPO，LPO是活性很强的脂类自由基，因此可损伤细胞膜的结构和影响细胞的功能，而使通透性增加。酶的活性受抑制，影响膜的运转及代谢。造成细胞能量及物质代谢障碍。最后导致MSOF形成，MSOF的发生自由基起着重要的作用。因此血中自由基的水平，可以反映器官功能衰竭的状况，即自由基水平升高与器官功能衰竭的程度成正相关。因此证明自由基与脑水肿的发生有关。

7.电离辐射损伤

电离辐射损伤与自由基的产生有关。当电离辐射作用于机体后，所产生的自由基能损伤核酸与生物膜。当生物膜上的不饱和脂肪酸受到电离辐射的作用后，发生脂类过氧化的链式反应，使生物膜的结构和功能受到损害，甚至使细胞的重要成分DNA也受到影响，导致细胞代谢障碍和功能损害。

8.自由基与生育及病理妊娠

研究发现，氧化应激能使男性精子数量减少、活性降低，影响男性的生殖能力。同时，还会影响卵巢的内分泌功能，影响卵母细胞的发育、成熟、卵泡闭锁，参与窦卵泡的凋亡，影响卵母细胞的质量，影响卵母细胞的受精和胚胎着床，影响体外受精胚胎移植术的成功率。引发不明原因的不孕、多囊卵巢综合征、子宫内膜异位症等与生育相关的疾病。同时，氧化应激还与自然流产、复发流产、子痫前期、妊娠期高血压、糖尿病等妊娠并发症和胎儿早产、低出生体重、胎儿器官发育迟缓/畸形、胎儿生长受限、巨大儿等不良出生结局息息相关。

9.自由基与恶性肿瘤

自由基一方面可以修饰、删除DNA碱基，使染色体重排，使DNA碱基发生羟化、甲基化、颠换、缺失等，导致某些基因丧失功能、错误复制或表达；另一方面，自由基/ROS可以修饰、改变蛋白质的结构和功能，使DNA修复系统丧失功能，从而使错误的基因表达，这可能激活原癌基因、抑制肿瘤抑制基因，引发癌症。目前已证实自由基或氧化应激与膀胱癌、前列腺癌、肺癌、乳腺癌等癌症疾病息息相关。

三、自由基的清除

自由基可引起机体损伤产生疾病，但吞噬细胞能杀死入侵的微生物也与自由基的作用有关。吞噬过程中产生的H₂O₂其杀菌作用，可因髓过氧化物酶（MPO）的存在而加强。

正常体内有少量自由基产生，也有清除系统不断的清除。“产生”和“清除”维持动态的平衡状态，因此不使机体遭受伤害。但当自由基产生过多或清除系统受到抑制时，则大量自由基存储体内，造成对机体的损害。酶类抗氧化物在铜、锌、锰、铁等辅因子的协助下通过分解或消除自由基以达到抗氧化的目的，此过程反应复杂需多步才能完成，其间可能会引发自由基链反应，产生新的自由基或氧化物。非酶类抗氧化物主要通过单电子转移（SET）、顺序质子损失电子转移（SPLET）等氧化还原反应来打断自由基链反应以达到清除自由基的目的，反应过程简单、清除步骤少，但其间也可能会产生一些诸如苯氧阴离子自由基之类的活性低、寿命长、稳定性强的自由基。同时，含硫和硒的抗氧化物还能通过与铁离子、铜离子等金属离子结合来抑制金属离子介导的氧化应激，从而起抗氧化的作用，但抗氧化能力强弱受其化学结构的影响。此外，除了体内本身含有的酶类和非酶类抗氧化物外，人体还可以通过饮食摄入黄酮类、酚酸类、芪类等天然抗氧化物来抗击氧化损伤。

常用的自由基清除剂有以下几种。

1.酶类自由基清除剂

（1）超氧化物歧化酶（SOD）：

SOD 是的主要清除剂，在体内不同部位，其浓度水平也不完全一致，在胞质与线粒体内的浓度比在细胞外液的浓度高。体内在合成SOD的过程中，常受浓度的影响。如体内的浓度高于正常水平时，SOD的合成能力也相应增强，但其加强的程度是有限度的。如的产生超过了SOD的清除能力，就发生对机体的损害。

SOD属于金属酶，根据其结合金属离子种类的不同，而有 Cu、Zn-SOD、Mn-SOD 及 Fe-SOD等，都可催化歧化为H₂O₂与O₂。由于SOD能清除，所以在防治某些疾病的炎症，防御氧的毒性及抗辐射损伤，甚至预防衰老等方面都起着重要的作用，因此越来越受到人们的重视。

（2）过氧化氢酶（CAT）：

CAT 存在于绿色植物或动物的肝及红细胞内，主要生理功能是催化H₂O₂分解为H₂O 与 O₂，使 H₂O₂不与作用生成有害的OH·。CAT可以阻止红细胞中H₂O₂与氧化血红蛋白作用，生成高铁血红蛋白，CAT不仅能清除细胞内产生的H₂O₂，并能清除经SOD转变催化过程中所产生的H₂O₂。

（3）谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）：

是清除H₂O₂与许多脂类氢过氧化物（ROOH）的酶，可使H₂O₂转变为H₂O，使ROOH还原为ROH，在催化反应中需要GSH作为氢的供体，其反应式如下：

GSH-PX的作用：①有清除脂类氢过氧化物的作用，其清除的速度决定于GSH-PX的浓度。②有些组织中不含有CAT，但含有较多的GSH-PX在代谢过程中所产生的H₂O₂，可被GSHPX所清除，故不致使H₂O₂对机体造成损害。③GSH-PX可清除脂类氢过氧化物，减轻对机体的损害，预防脂类过氧化，可延迟细胞老化，因此有防衰老的作用。CAT与GSH-PX有协同作用。清除H₂O₂主要靠CAT，也可被GSH-PX所分解。如脑组织中虽无CAT，但所生成的H₂O₂仍可被GSH-PX所清除。

3.抗氧化剂

（1）维生素 E：可以淬灭1O₂，是 1O₂的有效清除剂，在体内主要作用是防止脂类过氧化。可以中断脂类过氧化的链式反应，从而保护细胞膜免受损害。

（2）维生素C：为还原剂，是电子供体，当体内维生素C达到一定浓度时，可以作为自由基的清除剂，以清除1O₂，当浓度降低时可使Fe3+还原为Fe2+，Fe2+与H₂O₂作用生成OH·反而对机体产生损害。维生素C虽不直接参与维生素E的抗氧化作用，但对维持体内维生素E的含量起重要的作用。因此两者合用效果好。

（3）尿酸：作用似维生素C，能起到抗氧化剂的作用，是1O₂与OH·的清除剂，可抑制脂类过氧化。

（4）β-胡萝卜素与NADH氧化酶，可使Cl₃O₂化学活性丧失，也能使R·转变为RH，而减轻有机自由基的损伤作用。

4.其他

（1）一些非甾体抗炎剂：

如吲哚美辛、双氯芬酸钠、保泰松、阿司匹林等，其抗炎机制虽不是直接清除，但是可以通过改变细胞膜的结构，抑制NADPH氧化酶的活性，以减少的生成。

（2）皮质类固醇：

在治疗脑水肿时有显著的效果。其主要的作用曾被认为是能降低毛细血管的通透性，稳定细胞膜的功能，抵制细胞膜释放花生四烯酸，减少脑脊液的生成等，现在认识到除上述作用外，是由于类固醇的分子嵌入在膜双分子疏水中间带的拱道中。在多价不饱和脂肪酸的双键和自由基之间起着屏障作用，从而防止和减轻自由基引发的脂质过氧化反应。保护了细胞膜的完整性。使脑水肿得以改善。大剂量皮质类固醇可抑制PMN释放自由基，减少对机体的损害，如给药太晚则治疗效果不佳。

（3）甘露醇：

用于治疗脑水肿，除具有脱水作用外，还具有清除OH·自由基的作用。

（4）还原型谷胱甘肽（GSH）：

GSH是机体受应激后，细胞内调节代谢的物质，因此GSH增加，有利于康复。感染性休克时GSH含量减少，原因是缺血缺氧使组织细胞内自由基增加，而抗氧化物质GSH、维生素C等减少，GSH减少保护机制减弱，因此自由基作用于细胞膜造成损害，用GSH治疗，可使心血管功能恢复。

（5）别嘌呤醇（allopurinol）：

具有抑制黄嘌呤氧化酶的作用，使自由基生成，脂质过氧化物也减少，因而机体得以保护。用别嘌呤醇治疗，可阻断黄嘌呤氧化酶使嘌呤分解为尿酸的作用。避免了嘌呤的过多消耗，减少了的生成（图1-2）。

（6）中成药：

有些中成约有清除自由基的功能：近年来对一些传统的防衰老及延年益寿的中成药，研究发现有些具有清除自由基的作用。①灵芝是传统的延年益寿中药，研究证明灵芝提取液不仅具有直接清除和 OH·的能力，也能间接地提高机体清除的 OH·的能力。②清宫寿桃粉剂：由红参、天门冬、生地、当归、酸枣仁等组成，对有很强的清除作用。其单味药的水提取液亦有清除OH·的作用。③补肾益脾方：作为强壮滋补抗衰老的药物，其组成有党参、白术、枸杞子、菟丝子、女贞子等，该复方具有明显的清除和OH·的作用，是传统的延年益寿、强壮滋补、抗衰老的中药。

（7）黄酮类物质：

黄酮类物质泛指两个苯环（A与B）通过三个碳原子相互联结而成的一系列化合物，主要包括黄酮、黄酮醇、异黄酮、二氢黄酮、查耳酮等，广泛存在蔬菜、水果、牧草、浆果和药用植物中，大约有4 000余种。黄酮类化合物具有广泛的生物活性，可以改善血液循环，降低胆固醇，抑制炎性生物酶的渗出，促进伤口愈合和止痛，还具有很强的抗氧化活性，可有效清除体内的氧自由基。研究发现，决明子、菊花、栀子中的黄酮类物质含量很高（＞ 24mg/g），它们对DPPH自由基清除能力（＞ 70%）比低黄酮含量的莱菔子（5.53%）、罗汉果（47.40%）、甘草（55.80%）、郁李仁（19.12%）、酸枣仁（19.23%）更强。

（8）虾青素：

又称虾黄素、虾黄质、龙虾壳色素、还原型虾红素，属于萜烯类不饱和化合物，广泛存在于自然界中，尤其是海洋环境中。虾青素的结构中含有很长的共轭双键，而且位于共轭双键链末端还有不饱和酮基、羟基，构成α-羟基酮。这些独特的结构均具有活泼的电子效应，能向自由基提供电子或吸引自由基的未配对电子，易与自由基反应从而清除自由基，起到抗氧化作用。虾青素的抗氧化活性远远超过现有的抗氧化剂。其清除自由基的能力是：天然维生素E的100倍、天然β-胡萝卜素的10倍、葡萄籽的17倍、黄体素的200倍、花青素的17倍、Q₁₀的60倍、茶多酚的200倍和番茄红素的7倍。

（赵祥文　肖政辉）