第二節 氧化應激與氧化損傷

自由基和活性氧既然是重要的生物活性物質，那麼它們是否參與體內的氧化損傷。其實在生物體系中，自由基和活性氧不僅參與氧化損傷，而且它們導致的氧化損傷在許多疾病發生發展中發揮十分重要的作用。具有重要生理功能的物質同時也可以導致機體損傷，是否存在矛盾？

一、生命在於平衡

任何事情都有兩面性。例如，氧氣十分重要，當空氣中氧氣體積分數低於15%，我們就會發生缺氧。但是把氧氣體積分數提高到70%以上，長時間呼吸氧氣就會對肺造成嚴重傷害。假如我們的空氣中只有氧氣，我們根本無法長時間生存，存活很難超過1個月。因為氧氣本身就屬於自由基，當體積分數過高，暴露時間過長，就會使肺發生嚴重的氧化損傷，這就是肺慢性氧中毒。如果在高壓下呼吸氧氣，甚至可導致全身，特別是腦功能迅速傷害。嚴重時表現為驚厥大發作，這就是急性氧中毒。又比如血液中葡萄糖是我們賴以生存的物質，如果血液中葡萄糖濃度太低（<4.0 mmol/L），就會發生低血糖。低血糖比高血糖危害更大，非常容易威脅患者生命。對於高血糖的危害，不用說糖尿病患者，就是一般讀者都知之較多，也非常重視。而對於低血糖的嚴重性往往重視不移。再一個例子是關於鈣等微量元素，一般我們都非常擔心缺鈣，但可能不了解，細胞內游離鈣離子濃度升高幾乎是所有細胞損傷甚至死亡的重要介質。另外如酸鹼平衡，激素濃度，氨基酸的神經興奮性、高血壓和低血壓和高低體溫等等。這樣的例子在生物體系中不勝枚舉。可以說，生物功能的維持就是多種因素的動態平衡，許多重要的物質和生命指標都必須控制在一個有限的正常範圍內，過低或過高都無法維持正常的生理過程。醫學生理學領域把這種現象稱為穩態。

以上事例說明，我們判斷一種物質是否有害，是要根據具體情況。對生物活性物質，我們必須了解同樣一種物質，在有的情況下對機體有用，而有的情況下對機體有害，絕對不能簡單地把一種物質如自由基看作什麼百病之源，萬惡之首。許多商業宣傳往往把某種有害因素過分誇大，把自己產品的有利作用隨意誇張，這顯然是錯誤的。

二、氧化應激

從自由基被發現到進入醫學生物領域，先後經歷了幾個重要階段。1775年，英國化學家普利斯特里通過加熱氧化汞發現了氧氣，人們就已經知道氧氣是人體所必需的物質。後來人們逐漸認識到氧氣的毒性作用，首先是1887年法國科學家Paul Bert發現氧氣的急性毒性作用，然後在1891年，人們又發現了慢性肺型氧中毒。

1900年以前，人們對自由基的認識非常局限，認為是某些化學反應過程可能存在的一類活性分子，但也只是停留在理論推測上。1900年，Gomberg成功制備出自由基三苯甲基，認識到自由基是可以獨立存在的物質。這個研究直接導致了自由基化學的誕生，但這時人們並沒有把自由基與生物學聯繫起來。直到50年後20世紀五六十年代，輻射生物學關於放射損傷機制的研究，發現輻射損傷與輻射誘導自由基增加關係密切，才啟動了自由基生物學。顯然，這個階段人們只把自由基作為輻射損傷的介質。還沒有意識到體內存在自由基。但自由基是組織細胞損傷因素的概念被廣泛接受。

1969年，美國杜克大學學者McKord和Fridovich師徒，在牛血紅細胞中提出到超氧化物岐化酶（SOD），並証明SOD作用是體內催化超氧陰離子發生歧化反應產生過氧化氫，這個發現具有非常重大的生物學意義，因為這使人們認識到自由基是機體的正常成分。但過去在輻射生物學領域對自由基研究歷史使人們忽視了自由基應該具有正面作用的推測。1973年，Babior等証明當中性粒細胞受到細菌刺激後，中性粒細胞會大量產生活性氧，這些活性氧具有殺傷細菌的作用，可以說這是對自由基正面作用的最早認識。但人們仍認為，這是細胞內自由基這種有害物質僅有的一點好處，對機體自身具有毒性效應仍是主要作用。1981年，Granger等証明了缺血再灌注損傷與自由基的關係，這一發現引起了自由基生物學的研究高峰。顯然，由於缺血再灌注損傷是一種重要的病理生理現象，涉及許多臨床疾病過程，而自由基是缺血再灌注損傷的重要介質的發現再次加強了自由基具有毒性的傳統認識。

既然自由基是造成缺血和炎症等組織細胞損傷的元凶，而缺血和炎症是人類大部分疾病的重要原因，這時，人們主流觀點認為，能清除自由基的物質應該可以治療各類自由基引起的損傷。但後來的研究結果表明，人們的這一願望過於樂觀。

氧化應激的概念是最早源於人類對衰老的認識。1956年英國學者Harmna首次提出自由基衰老學說，該學說認為自由基攻擊生命大分子造成組織細胞損傷，是引起機體衰老的根本原因，也是誘發腫瘤等惡性疾病的重要起因。1990年美國衰老研究權威Sohal教授指出了自由基衰老學說的種種缺陷，並首先提出了氧化應激的概念。

有時候我們會把含氮的活性氧稱為活性氮。活性氧包括超氧陰離子，羥自由基和過氧化氫等，活性氮包括一氧化氮、二氧化氮和過氧化亞硝酸鹽等。機體存在兩類抗氧化系統，一類是酶抗氧化系統，包括SOD、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等；另一類是非酶抗氧化系統，包括維生素C、維生素E、谷胱甘肽、褪黑素、α-硫辛酸，類胡蘿蔔素，以及微量元素銅、鋅、硒等。現在的觀點認為，氧化應激是指機體在遭受各種有害刺激時，體內高活性分子如活性氧和活性氮產生過多，氧化程度超出細胞對氧化物的清除的抗氧化能力，氧化系統和抗氧化系統失衡，從而導致組織損傷。

氧化應激的主流觀點認為，大部分與老化有關的健康問題，如皺紋，心臟病和阿爾茨海默病，都與體內氧化應激過大有關。這種觀點多出現在自由基研究的早期階段，當時由於對自由基的認識具有非常大的片面性，如美國加州大學伯克利分校的鄧漢姆．哈爾蒙博士指出：“很少有人能活到他們潛在的最大壽命。他們往往提早死於各種疾病，其中很大一部分是自由基引發的。”言外之意，自由基是人類過早衰老的重要原因，對抗自由基就可以對抗衰老，長命百歲。

從某種角度看，人體幾乎所有的器內確實都很會受到氧化應激帶來的傷害，症狀表現不計其數，如疲倦、全身無力，肌肉和關節痛，消化不良，焦慮，抑鬱，皮膚瘙癢，頭痛，以及注意力難以集中和感染難以痊癒等。由氧化應激水平升高誘發的最常見疾病有心臟病、癌症、骨關節炎，風濕性關節炎、糖尿病以及神經退化性問題如阿爾茨海默病，帕金森病。

如果氧化應激的這些觀點是正確的，那麼只需要提高機體抗氧化的能力，就應該能控制氧化應激造成的損傷，抗氧化物質對上述這些疾病甚至衰老都有非常理想的治療和預防效果。但是不幸的是，人們先後進行的大量實驗最終沒有獲得預期的效果，無論是維生素類抗氧化物質，例如維生素A、維生素C和維生素E，還是一些所謂天然抗氧化物質，全部都沒有最後證明能治療或甚至緩解上述疾病。

最近抗氧化領域又提出更新的觀點，認為過去採用一種抗氧化物質無效的根本原因，是因為體內氧化和抗氧化系統是一個網路，要在各個層面上全面提高抗氧化能力，簡單地說，就是同時使用各種抗氧化物質，才能有效提高機體抗氧化能力，達到治療氧化應激的目的。顯然，聯合使用抗氧化物質只是在抗氧化手段上的簡單優化。並沒有從根本上突破傳統抗氧化的觀念。

三、氧化損傷的實質

儘管過去採用抗氧化手段沒有獲得特別有效的臨床效果，但對氧化損傷與各類疾病關係的認識仍是不斷被廣泛接受，因此學術界有這樣的認識。氧化損傷確實非常重要，抗氧化治療效果值得期待，但抗氧化治療效果也只能是期待，這正好暗示學術領域對這一問題的極端失望。

本章前面已經部分回答了抗氧化治療可能無效的問題，這是因為自由基和活性氧是機體內重要的生物活性物質。儘管氧化損傷的原因是自由基和活性氧增多，但過分抗氧化並不是治療氧化損傷的正確手段。自由基和活性氧的功能重要性決定了必須使這些物質保持一定的濃度。強調它們的毒性作用，忽視其生理作用，必然導致過分強調抗氧化的效果，這正是目前抗氧化治療存在的最主要問題所在。

那麼氧化應激的真面目是什麼？要正確理解氧化應激，需要全面理解細胞抗氧化的實質，那麼細胞抗氧化的實質是什麼？我們前面已經討論過，氧氣是唯一的電子最終接受體，也可以說是體內真正的氧化源泉。機體本身抗氧化的實質就是要“清除”氧氣，只不過細胞在進化過程中正好借助這個獲得了意外收獲，能在“清除”氧氣的同時獲得能量。

簡單回顧一下細胞進化過程，在原始生命形成的早期，地球上沒有或者很少有氧氣，這個時候的原始細胞大部分都是厭氧細菌，它們無法耐受氧氣的毒性，因此只有非常簡單的古老細菌可以生存。後來由於一類能進行光合作用的原核生物（藍菌）的大量出現，導致地球大氣中氧氣的濃度不斷升高，地球大氣中氧氣的增加促使一種能消化氧氣的原始細菌進化出現，而過去可以生存的大部分厭氧細菌無法在有氧氣的環境下生存，再後來這種能消耗氧氣的原始細菌被另外一種厭氧細菌吞噬，吞噬了這種細菌的厭氧細菌從而獲得了能消化氧氣的能力，從而轉化成了能耐受氧氣的細胞形式。這種被吞噬的能消化氧氣的原始細菌就是現在細胞內的線粒體。因此線粒體才是細胞對抗氧化的最重要結構。89%氧氣被線粒體利用也就可以理解為細胞對抗氧氣毒性的主要手段，這也是細胞最成功的進化成果。線粒體抗氧化的能力來自於糖類、蛋白和脂肪這些能量物質提供的電子。

細胞內2%氧氣會變為各種活性氧，那麼清除這些活性氧的電子來源於哪裡？答案仍然是來源於糖類、蛋白和脂肪這些能量物質提供的電子。如具有還原作用的維生素C與維生素E，在清除自由基後，它們自身均被氧化，要恢復還原狀態，就需有其他還原劑，並有催化還原反應的酶參與。又如，還原型谷胱甘肽是細胞內最重要的還原劑，也是谷胱甘肽過氧化物酶催化過氧化物還原的必需底物，故細胞內還原型谷胱甘肽的濃度通常為氧化型谷胱甘肽的10倍左右。維持還原型谷胱甘肽的高水平則有賴於谷胱甘肽還原酶催化的輔酶（NADPH）的氧化反應，而NADPH依賴葡萄糖代謝的磷酸戊糖途徑。無論是維生素C和維生素E，還是還原型谷胱甘肽，要維持其所謂的抗氧化能力，最終都需要來自能量代謝的還原能力，否則他們的抗氧化只能是空中樓閣。因此，這些我們平時認識的所謂抗氧化物質只不過是細胞抗氧化網路的一個環節而已。

由於大部分活性氧是活性物質，當這些活性氧的濃度超過一定限度，可能會導致對其他生物分子的不利影響，但大部分活性氧只是造成一種相對溫和的傷害，並不是氧化損傷的關鍵。更嚴重的危害是，這些活性氧可以轉化成毒性極大的其他活性氧，例如當細胞內存在二價鐵離子的情況下，過氧化氫可以通過Fenton反應獲得二價鐵一個電子變成羥自由基，羥自由基是一種沒有任何選擇性的活性的極大的分子，它一旦產生，就立刻與周圍的其他生物分子發生反應，並導致脂肪、蛋白、核酸等發生損傷。實際上，我們過去經常談到的氧化損傷就是這種分子引起的。當然，具有同樣破壞性氧化作用的活性氧還有許多，例如亞硝酸陰離子等。

總之，氧化損傷並不是單純的活性氧增加，或者氧化應激，也不是簡單的抗氧化能力不足，氧化應激是活性氧水平和內源性抗氧化能力之間的細胞氧化還原失去平衡，抗氧化能力相對不足，細胞內活性氧相對增加，部分毒性活性氧增加引起生物大分子受到攻擊引起的細胞和組織損傷。