活性氧(reactive oxy gen species , ROS)是體內類氧的單電子還原產物, 是電子在未能傳遞到末端氧化酶之前漏出呼吸鏈并消耗大約2 %的氧生成的, 包括氧的電子還原產物氧陰離子(O2·-)、二電子還原產物過氧化氫(H2O2)、三電子還原產物羥基自由基(·OH)以及氧化氮等。[1] ROS 的產生主要是線粒體由狀態Ⅲ向狀態Ⅳ轉換中氧的環境和還原態的呼吸鏈使大量電子漏出并還原氧分子而形成。
概述
氧是生命運動過程中不可缺少的種氣體, 人們旦處于缺氧或者供氧不足的環境中, 就會感到憋氣的痛苦甚至死亡。所以, 自從1770 年代初英人Joseph Priestley 發現氧以來, 氧直被人們認為是種對人體百益而無害的氣體?？墒? 科學迅速發展起來的今天, 我們知道, 不管是空氣中的氧還是水中的溶解氧都具有較的氧化性, 與般的金屬鐵樣, 處于空氣中的人體各位都在不斷地受到氧的腐蝕而“生銹” , 當然這種腐蝕與鐵不同, 它體現在人體的細胞水平上。別是人體各種器官隨著年齡的增大不斷地老化更是這種腐蝕“生銹”的直觀表現。1969 年McCord 與Fridovich 發現, 在生化反應過程中O2 獲得個電子還原生成氧自由基(O-2 ), 而經過紅血的分離制后獲得O-2 的清除滅活酶, 并命名為氧化物歧化酶(superoxide dismultase , SOD)。這發現激發了大批的科學研究者致力于O-2 的生成過程、反應活性、毒性、生理和病理等等各方面的研究, 去探索解明SOD 在生理學上的意義。同時由O-2 衍生出來的過氧化氫(H2O2)、羥自由基(·OH)、激發態氧(重態氧或稱單線態氧,O2)也受到了人們的重視。
所謂的活性氧, 概括地說, 是機體內或者自然環境中由氧組成, 含氧并且性質活潑的物質的總稱:主要有種激發態的氧分子, 即重態氧分子或稱單線態氧分子(O2);3 種含氧的自由基, 即氧陰離子自由基(O-2 )、羥自由基(·OH)和氫過氧自由基(HO2);2 種過氧化物, 即過氧化氫(H2O2)和過氧化脂質(ROOH)以及種含氮的氧化物(NO)等。這些物質化學反應活性強、存在壽命短, 如O2 的平均壽命為2μs 、·OH 自由基200 μs 、O-2 自由基5 s 。正是由于它們壽命短、反應活性, 到目前為止除了H2O2 以外,其它活性氧的測定仍然是項際性難題, 還沒有別有效的方法。般情況下采用的分析方法可大體有化學反應法 、捕捉法和直接測定法。
對生物大分子的氧化損傷
對核酸的氧化損傷
DNA 的氧化損傷主要包括：是堿基的修飾。羥基自由基可對胸腺嘧啶的5，6-雙鍵行加成，形成胸腺嘧啶自由基。堿基的改變可導致其基團控制下的許多生化與蛋白合成過程受到破壞。二是鍵的斷裂。自由基從DNA 的戊糖奪取了氫原子，使之在C4位置形成具有未配對電子的自由基，然后，此自由基又在β-位置發生鏈的斷裂。O2也能分解核苷酸，尤其是鳥苷酸，對鳥苷、腺苷、胞苷及尿苷分解的比例為26∶13∶8∶1。受到氧化損傷后的DNA 可能會發生斷裂、突變以及對熱穩定性改變等，從而嚴重影響了遺傳信息的正常轉錄、翻譯過程。
對蛋白質的氧化損傷
活性氧對蛋白質的作用包括修飾氨基酸，使肽鏈斷裂，形成蛋白質的交聯聚合物，改變構像和免疫原性等5 個方面。
修飾氨基酸
蛋白質分子中起關鍵作用的氨基酸成分對自由基損害別敏感，以芳香氨基酸和含硫氨基酸為突出，不同的自由基對定氨基酸側鏈有殊影響，如氧陰離子介導甲硫氨酸氧化成為甲硫氨酸亞砜，半胱氨酸氧化成為磺基丙氨酸;羥自由基可以將脂肪族氨基酸α-位置上的個氫原子去掉;烷氧自由基和過氧自由基等中間產物可以使色氨酸氧化為犬尿氨酸、N-甲基犬尿氨酸和五羥色氨酸。[3]
使肽鏈斷裂
活性氧所致蛋白質肽鏈斷裂方式有2 種，種是肽鏈水解，另種是從α-碳原子處直接斷裂，究竟以何種方式斷裂取決于活性氧和蛋白質的類型、濃度和二者之間的反應速率。肽鍵的水解常發生在脯氨酸處，其機制為活性氧攻擊脯氨酸使之引入羰基而生成α-吡咯烷酮，經水解與其相鄰的氨基酸斷開，α-吡咯烷酮成為新的N-末端，可以步水解成為谷氨酰胺。肽鏈直接斷裂的方式是活性氧攻擊α-碳原子生成α-碳過氧基，后者轉化為亞氨基肽，經過弱酸水解為氨基酸和雙羧基化合物。
形成蛋白質交聯聚合物
多種機制可以導致蛋白質的交聯和聚合。蛋白質分子中的酪氨酸可以形成二酪氨酸，半胱氨酸氧化形成二硫鍵，兩者均可以形成蛋白質的交聯。交聯可以分為分子內交聯和分子間交聯2 種形式。蛋白質分子中酪氨酸和半胱氨酸的數目可以決定交聯的形式。另外，脂質過氧化產生的丙二醛(MDA)與蛋白質氨基酸殘基反應生成烯胺，也可以成蛋白質交聯。生物體內單糖自動氧化的α-羰醛產物可以與蛋白質交聯而使酶失活，并使膜變形性下降，導致細胞衰老與死亡。
改變構像
蛋白質經氧化后，熱動力學上不穩定，分三結構打開，失去原有構像。用H2O2和抗壞血酸-Fe(III)氧化SOD，其紫外吸收增強，內源性熒光減弱，表明酶分子由緊密有序排列趨于松散無序。用自旋標記研究，探測到較低濃度抗壞血酸-Fe(III)和H2O2，就可以影響到SOD 分子亞基締合或其周圍的結構。
改變免疫原性
用H2O2，或H2O2，-Cu2+和抗壞血酸-Fe(III)體系作用于牛紅細胞銅鋅氧化物歧化酶(SOD)， 人血清白蛋白(HAS) 和人IgG， 結果發現SOD、HAS 和IgG 與其抗體反應增強， 提示活性氧可能參與了某些自身免疫性疾病中抗原抗體復合物的形成過程。[3]
對生物膜的損傷
自由基對生物膜的損傷是作用于細胞膜及亞細胞器膜上的多不飽和脂肪酸，使其發生脂質過氧化反應，脂質過氧化的中間產物脂自由基(L·)、脂氧自由基(LO·)、脂過氧自由基(LOO·)可以與膜蛋白發生攫氫反應生成蛋白質自由基，使蛋白質發生聚合和交聯。另外，脂質過氧化的羰基產物(如丙二醛)也可攻擊膜蛋白分子的氨基，導致蛋白質分子內交聯和分子間交聯。另方面自由基也可直接與膜上的酶或與受體共價結合。這些氧化損傷破壞了鑲嵌于膜系統上的許多酶和受體、離子通道的空間構型，使膜的整性被破壞、膜流動性下降，膜脆性增加，細胞內外或細胞器內外物質和信息交換障礙，影響膜的能與抗原異性，導致廣泛性損傷和病變。機體中HO·大分在細胞器中產生，別是在線粒體中產生，成線粒體膜的損傷，導致細胞和機體的能量代謝障礙。
