細(xì)胞氧化應(yīng)激的危害及抗氧化應(yīng)激的研究進(jìn)展

崔素萍，陳丹，2，穆秋霞，3，李琳，王坤，鄭喜群

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院，大慶 163319；2.糧食副產(chǎn)物加工與利用教育部工程研究中心；3.國家雜糧工程技術(shù)研究中心）

氧化應(yīng)激是指機(jī)體在受到有害刺激時(shí)，體內(nèi)自由基增加或抗氧化能力減弱，導(dǎo)致氧化-抗氧化系統(tǒng)失衡[1]，從而積累過多的活性氧（ROS），損傷核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等生物大分子，導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化、肝病、糖尿病、炎癥、癌癥等疾病和衰老的發(fā)生[2]。正常生理?xiàng)l件下，機(jī)體通過酶類〔超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等〕和非酶類（微量元素、維生素E、類胡蘿卜素等）兩種抗氧化防御系統(tǒng)來維持機(jī)體氧化-抗氧化動(dòng)態(tài)平衡[3]?？寡趸到y(tǒng)通過清除ROS、螯合金屬離子、猝滅單線態(tài)氧以及降低氧濃度等方式來減緩或抑制細(xì)胞氧化[4]。為了系統(tǒng)的了解氧化應(yīng)激的危害及抗氧化系統(tǒng)的作用機(jī)制，將從細(xì)胞氧化應(yīng)激、氧化應(yīng)激與線粒體損傷及抗氧化防御系統(tǒng)三方面展開論述，為抗氧化功能性食品的研究與開發(fā)提供理論基礎(chǔ)，對(duì)保持機(jī)體健康和預(yù)防疾病有重要意義。

1 引起氧化應(yīng)激的內(nèi)外因素

1.1 內(nèi)因

人體一般會(huì)產(chǎn)生微量的ROS，其主要來源是機(jī)體氧化代謝產(chǎn)生的性質(zhì)活潑的含氧化合物，如羥自由基（-OH）、過氧化氫（H2O2）以及超氧陰離子（·O2-），除此之外，其來源還包括氧化不飽和脂肪酸等大分子物質(zhì)降解時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)物，但當(dāng)體內(nèi)ROS積累過量或抗氧化能力降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的氧化-抗氧化系統(tǒng)失衡，從而引起氧化應(yīng)激[5-7]。

1.2 外因

化學(xué)類應(yīng)激源和物理類應(yīng)激源是引起氧化應(yīng)激的外界因素，其中化學(xué)類應(yīng)激源是主要的外界因素，不僅有外源性氧化劑（如H2O2）和內(nèi)源性氧化劑（如神經(jīng)毒素1-甲基-4-苯基吡離子），還包括對(duì)機(jī)體有毒性作用的藥物（如阿霉素）[8]。在構(gòu)建氧化應(yīng)激模型中，H2O2是最常見的化學(xué)類應(yīng)激源，不僅價(jià)廉且穩(wěn)定性高，還具有較強(qiáng)的氧化應(yīng)激效果[9]，它作為一種重要的ROS，易穿透細(xì)胞膜，可產(chǎn)生氧化性最強(qiáng)的羥自由基，引起細(xì)胞的氧化損傷甚至死亡[8]。物理類應(yīng)激源主要通過紫外照射、輻照和缺氧/復(fù)氧操作，對(duì)機(jī)體造成氧化損傷[10]。

2 氧化應(yīng)激與線粒體損傷

線粒體可以將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如糖類、脂質(zhì)及蛋白質(zhì)）通過氧化磷酸化作用轉(zhuǎn)化成三磷酸腺苷（ATP），為生物體活動(dòng)提供能量，同時(shí)，線粒體也是產(chǎn)生ROS的主要場(chǎng)所，在調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡過程中起著關(guān)鍵作用，是細(xì)胞乃至生命體進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)的核心[11]。

體內(nèi)過量的ROS 會(huì)導(dǎo)致線粒體功能受損，造成細(xì)胞、組織、器官和系統(tǒng)的功能障礙，進(jìn)而引起癌癥、動(dòng)脈粥樣硬化、阿爾茲海默癥等多種疾病的發(fā)生[12]。ROS 主要從以下5 個(gè)途徑使線粒體受損。

2.1 活性氧致使線粒體基因突變

線粒體是含有DNA 的細(xì)胞器，在一定條件下，ROS 會(huì)攻擊線粒體DNA，不僅會(huì)造成DNA 堿基脫落以及DNA 堿基序列的改變、破壞和斷裂，而且還有可能導(dǎo)致DNA 脫氧核糖分解[13]，DNA 的損傷最終會(huì)導(dǎo)致DNA 突變，引起線粒體功能障礙，從而誘發(fā)疾病[14]。

2.2 活性氧損傷線粒體呼吸鏈

呼吸鏈位于線粒體內(nèi)膜上，是線粒體重要組成成分[12]，由5 個(gè)呼吸鏈酶構(gòu)成，即NADH-泛醌還原酶（復(fù)合體Ⅰ）、琥珀酸-泛醌還原酶（復(fù)合體Ⅱ）、泛醌-細(xì)胞色素C 還原酶（復(fù)合體Ⅲ）、細(xì)胞色素C 氧化酶（復(fù)合體Ⅳ）和ATP 合成酶（復(fù)合體Ⅴ）[15]，其中復(fù)合體Ⅴ主要負(fù)責(zé)ATP 的合成[16]，如圖1 所示。參與氧化磷酸化反應(yīng)的呼吸鏈蛋白有80 多種，其中13 種被線粒體DNA 所編譯[17-18]。

圖1 呼吸鏈簡(jiǎn)圖Fig.1 Respiratory chain diagram

在正常生理?xiàng)l件下，細(xì)胞內(nèi)少量O2轉(zhuǎn)化為ROS[19]，ROS 可以直接損害線粒體呼吸鏈以及線粒體中脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA 的結(jié)構(gòu)[20]，而DNA 的損傷又會(huì)引起復(fù)合體Ⅰ或Ⅲ功能缺失，從而導(dǎo)致O2接受單電子生成ROS[21-22]，過量的ROS 會(huì)引起氧化應(yīng)激，損傷DNA[23]，DNA 的氧化損傷會(huì)抑制呼吸鏈中關(guān)鍵蛋白的表達(dá)，進(jìn)而增加ROS 的含量，損害線粒體的調(diào)節(jié)功能，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和壞死[20]。

2.3 活性氧改變線粒體膜的通透性

線粒體是由兩層膜構(gòu)成的細(xì)胞器，外膜具有孔蛋白構(gòu)成的親水通道，其通透性強(qiáng)于內(nèi)膜，內(nèi)膜上存在呼吸鏈，是ATP 產(chǎn)生的主要場(chǎng)所[24]。生物膜磷脂雙分子層的主要成分是多不飽和脂肪酸，ROS 能使其被氧化，從而增大膜的通透性[13]。線粒體膜的通透性改變，導(dǎo)致線粒體許多功能發(fā)生致命性變化從而引發(fā)細(xì)胞凋亡[25-26]。

2.4 活性氧破壞鈣穩(wěn)態(tài)

Ca2+作為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳導(dǎo)的主要參與者[27]，對(duì)于線粒體中多種酶（如代謝酶、線粒體呼吸酶以及ATP合成酶）的活性調(diào)節(jié)具有非常重要的作用[28]，正常情況下，機(jī)體通過線粒體內(nèi)膜的主動(dòng)運(yùn)輸來調(diào)節(jié)胞內(nèi)低鈣、胞外高鈣的鈣穩(wěn)態(tài)[29-30]。然而，當(dāng)體內(nèi)ROS 過量時(shí)會(huì)使鈣穩(wěn)態(tài)失衡，鈣穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致線粒體膜電位發(fā)生改變，影響線粒體呼吸鏈酶的活性以及膜的通透性，造成Ca2+內(nèi)流，進(jìn)而影響跨膜運(yùn)輸功能，致使許多大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核酸等向線粒體內(nèi)擴(kuò)散，從而導(dǎo)致線粒體內(nèi)容物超載，引起線粒體功能紊亂，最終造成細(xì)胞死亡[30-32]。

2.5 活性氧損害線粒體防御系統(tǒng)

正常情況下，機(jī)體內(nèi)存在多重抗氧化防御系統(tǒng)負(fù)責(zé)保護(hù)線粒體免受氧化損傷[33]，該防御系統(tǒng)主要由SOD﹑CAT﹑GSH-Px 以及許多小分子抗氧化劑如VE﹑輔酶Q 構(gòu)成，這些抗氧化劑能有效清除脂質(zhì)過氧化物[34]，保持氧化-抗氧化平衡。但是，沒有任何一個(gè)防御系統(tǒng)對(duì)于清除ROS 是完全有效的，隨著ROS 的不斷積累，機(jī)體內(nèi)的平衡被打破，導(dǎo)致線粒體部分功能受損甚至缺失[35]，又會(huì)產(chǎn)生大量的ROS，最終導(dǎo)致整個(gè)線粒體防御系統(tǒng)遭到破壞。

綜上所述，線粒體是產(chǎn)能代謝的主要場(chǎng)所，易受ROS 攻擊，致使氧化-抗氧化系統(tǒng)失衡，產(chǎn)生大量ROS，形成氧化應(yīng)激的惡性循環(huán)，所以線粒體損傷與氧化應(yīng)激之間存在著密切聯(lián)系。

3 抗氧化防御系統(tǒng)

人體的抗氧化防御系統(tǒng)主要是由多種抗氧化劑構(gòu)成，可分為內(nèi)源性（酶或非酶）和外源性兩類。內(nèi)源性抗氧化劑，如CAT、SOD 以及GSH-Px，·O2－在SOD的催化作用下被轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2，H2O2通過CAT、GSHPx 和芬頓（Fenton）反應(yīng)被清除[36]，如圖2 所示。

圖2 SOD 將·O2－轉(zhuǎn)化為H2O2 的已知途徑Fig.2 Clear pathways after·O2－ transformed into H2O2 by SOD

外源性抗氧化劑包括VC、茶多酚、谷胱甘肽（GSH）等親水性抗氧化劑和VE、類黃酮、類胡蘿卜素等親脂性抗氧化劑[37]。機(jī)體可通過內(nèi)源性和外源性抗氧化劑的共同作用，以維持或重建抗氧化防御系統(tǒng)的平衡，如茶多酚可以直接清除ROS 并減少ROS 的生成，還可提高體內(nèi)SOD 和GPX 的活性[38]，VC 可使GSH-Px 和VE 的基團(tuán)恢復(fù)活性，重獲抗氧化作用[39]。

3.1 抗氧化劑

抗氧化劑是指能延遲、減緩或防止因氧化而引起的酸敗、變色、變味或變質(zhì)的物質(zhì)[40]。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的追求，添加抗氧化劑已成為在藥品、食品及化妝品中的有效手段，它能夠延長(zhǎng)物品的貨架期，保護(hù)易氧化物質(zhì)[41]。其抗氧化的原理是通過清除自由基來減緩或抑制細(xì)胞氧化損傷[12]，其來源分為兩大類：合成抗氧化劑和天然抗氧化劑。

3.1.1 合成抗氧化劑

合成抗氧化劑種類較多，目前沒食子酸丙酯（PG）、叔丁基對(duì)苯二酚（TBHQ）、二丁基羥基甲苯（BHT）、丁基羥基茴香醚（BHA）等應(yīng)用較廣，其雖然具有較強(qiáng)的抗氧化能力，但是在生理PH 值和溫度下，能夠產(chǎn)生過氧化氫。而過氧化氫本身具有很強(qiáng)的氧化性，對(duì)細(xì)胞具有相當(dāng)?shù)亩拘訹42]。然而天然抗氧化劑對(duì)細(xì)胞無危害。因此，天然抗氧化劑越來越受到人們的青睞。

3.1.2 天然抗氧化劑

天然抗氧化劑具有抗氧化能力強(qiáng)、安全指數(shù)高且無毒副作用等特點(diǎn)。可分為：（1）金屬元素，如銅、鐵、鋅和錳[43]，它們主要是一系列重要的抗氧化酶的輔因子，與酶結(jié)合使酶具有較強(qiáng)的催化活力，例如Mn-SOD 是線粒體內(nèi)重要的抗氧化酶之一，通過催化超氧自由基，從而消除ROS 并阻止其對(duì)蛋白質(zhì)、DNA及脂質(zhì)的破壞[44]。（2）維生素類，主要包含維生素A、B、C、E 和K，不但具有較強(qiáng)的抗氧化能力[45]，而且還對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)有較好的保護(hù)作用。（3）植物抗氧化化合物，主要有多糖類[46]、生物堿類[47]、多酚類[48]、黃酮類[49]及皂苷類[50]五種化合物，它們是能夠在濃度極低的條件下起到抑制或延遲食品氧化作用的天然抗氧化劑。（4）其他新型天然抗氧化劑，目前應(yīng)用較廣的是蝦青素和抗氧化多肽[51]，能夠穿透血腦屏障的抗氧化物質(zhì)，在體內(nèi)能夠殺死自由基，使機(jī)體恢復(fù)活力。

3.2 抗氧化劑在氧化應(yīng)激疾病中的應(yīng)用

若ROS 引起的氧化應(yīng)激破壞了機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)，導(dǎo)致氧化-抗氧化系統(tǒng)失衡，將會(huì)對(duì)機(jī)體造成各種損傷，過多積累的ROS 會(huì)作用于生物大分子，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，從而引起多種疾病的發(fā)生，但一定劑量的外源性抗氧化劑可維持或重建氧化還原平衡，因此，將從以下幾個(gè)方面論述抗氧化劑在多種疾病中的應(yīng)用。

3.2.1 在心血管疾病中的應(yīng)用

動(dòng)脈粥樣硬化（AS）是動(dòng)脈壁炎性病變，是導(dǎo)致缺血性心腦血管疾病的主要原因，嚴(yán)重?fù)p害人類健康，而氧化應(yīng)激在內(nèi)皮細(xì)胞損傷和AS 的發(fā)生與發(fā)展中起關(guān)鍵作用[52]。Jin 等[53]從中藥穿山龍中提取穿山龍多糖（RDNP），通過H2O2誘導(dǎo)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞HUVECs 氧化應(yīng)激損傷，采用LDH、MDA、SOD、總抗氧化能力（T-AOC）和GSH-Px 等指標(biāo)對(duì)抗氧化活性進(jìn)行評(píng)價(jià)，證實(shí)RDNP 可以降低H2O2處理的HUVECs 細(xì)胞的LDH 和MDA 水平，增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)SOD、T-AOC 以及GSH-px 活性。Jing 等[54]發(fā)現(xiàn)硝基氧化合物（Tempol）能保護(hù)H9c2 細(xì)胞免受缺氧誘導(dǎo)的損傷，具有增加細(xì)胞活力并減少LDH 和肌酐激酶（CK）釋放的特征，Tempol 還通過抑制ROS 的產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化作用以及增強(qiáng)抗氧化酶的活性來降低氧化應(yīng)激。

3.2.2 在神經(jīng)疾病中的應(yīng)用

阿爾茲海默癥（AD）是一種典型的神經(jīng)退行性疾病，主要臨床表現(xiàn)為認(rèn)知功能出現(xiàn)障礙以及進(jìn)行性記憶力喪失等[55]，氧化應(yīng)激損傷廣泛參與了其致病過程[56]。唐偉敏等[57]采用體外化學(xué)法測(cè)定瑪咖皂苷的分級(jí)組分的抗氧化活性以及甲氮甲唑藍(lán)（MTT）法評(píng)價(jià)瑪咖皂苷的分級(jí)組分對(duì)H2O2誘導(dǎo)的PC12 神經(jīng)細(xì)胞氧化損傷的修復(fù)作用，初步驗(yàn)證瑪咖皂苷通過協(xié)同多酚類及黃酮類化合物清除ROS，從而對(duì)細(xì)胞起到保護(hù)作用。Zhao 等[58]發(fā)現(xiàn)用姜黃素作用H2O2誘導(dǎo)小鼠神經(jīng)母細(xì)胞瘤Neuro-2A 細(xì)胞，結(jié)果顯示姜黃素可以顯著保護(hù)Neuro-2A 細(xì)胞免受H2O2誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的影響，抑制細(xì)胞內(nèi)ROS 積累，并穩(wěn)定鈣穩(wěn)態(tài)及線粒體膜電位，這些結(jié)果表明，姜黃素對(duì)H2O2誘導(dǎo)的Neuro-2A 細(xì)胞氧化應(yīng)激具有的保護(hù)作用。

3.2.3 在泌尿疾病中的應(yīng)用

糖尿病腎?。―N）是指糖尿病微血管病變導(dǎo)致的疾病，氧化應(yīng)激在糖尿病腎病的病理進(jìn)程中具有關(guān)鍵作用[59]。劉迪等[60]建立H2O2誘導(dǎo)的人胚腎細(xì)胞HEK-293 細(xì)胞氧化損傷模型，通過檢測(cè)人參皂苷對(duì)氧化損傷細(xì)胞ROS 含量，細(xì)胞MDA 水平和抗氧化酶系活性，結(jié)果表明人參皂苷能抑制ROS 的產(chǎn)生與積累、降低細(xì)胞MDA 水平以及提高抗氧化酶系活性的活性。Liu 等[61]研究蛋清蛋白肽（Trp-Asn-Trp-Ala-Asp）WNWAD 對(duì)H2O2誘導(dǎo)HEK-293 細(xì)胞的氧化應(yīng)激的影響，發(fā)現(xiàn)WNWAD 通過抑制細(xì)胞內(nèi)ROS 積累并阻斷ROS 激活的線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑，保護(hù)細(xì)胞免受H2O2誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激的影響。

3.2.4 在骨骼疾病中的應(yīng)用

骨質(zhì)疏松癥（OP）是一種骨微觀結(jié)構(gòu)損壞以及骨量低下，導(dǎo)致骨脆性增加，從而易發(fā)生骨折等的骨骼性疾病[62]，研究發(fā)現(xiàn)氧化應(yīng)激容易引發(fā)骨質(zhì)疏松癥[63]。Kang 等[64]通過建立H2O2誘導(dǎo)的C2C12小鼠骨骼肌細(xì)胞模型，發(fā)現(xiàn)五味子精油（SSeo）減弱了H2O2誘導(dǎo)細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制，并清除了細(xì)胞內(nèi)ROS。Young 等[65]發(fā)現(xiàn)洋紅霉素對(duì)H2O2誘導(dǎo)的骨關(guān)節(jié)炎軟骨細(xì)胞模型的保護(hù)作用，洋紅霉素可以清除ROS，降低H2O2誘導(dǎo)的caspase-3 活性，減少細(xì)胞凋亡。

3.3 抗氧化劑在食品中的應(yīng)用

近年來，隨著人們對(duì)健康生活的重視，抗氧化劑常常作為保健食品被廣泛用于食品中。由于天然抗氧化劑具有提高體內(nèi)抗氧化酶的活力以及較強(qiáng)的自由基清除能力，將其應(yīng)用于保健食品中可發(fā)揮巨大的功效，有益于身體健康，減少及預(yù)防疾病的發(fā)生，其中包括預(yù)防癌癥、高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、阿爾茲海默癥、糖尿病腎病以及骨質(zhì)疏松癥等多種疾病的發(fā)生。目前市面上存在大量抗氧化類的保健食品：葡萄籽軟膠囊、維生素E 咀嚼片、葉黃素軟膠囊以及多肽飲料等。研究表明，葡萄籽擁有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，其中含有的原花青素是其重要成分之一，葡萄籽原花青素具有較強(qiáng)的抗氧化能力[66]，能預(yù)防癌癥、動(dòng)脈粥樣硬化等多種疾病。除此之外，抗氧化劑還有抑制果蔬的褐變、防止肉制品及水產(chǎn)品褪色并保持其風(fēng)味，防止糖果制品變質(zhì)等作用。

4 展望

綜上所述，若ROS 引起的氧化應(yīng)激破壞了機(jī)體抗氧化防御系統(tǒng)，將會(huì)對(duì)機(jī)體造成各種損傷，過多積累的ROS 會(huì)作用于生物大分子，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，引起心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、泌尿疾病以及骨骼疾病等多種疾病和衰老的發(fā)生。并且氧化應(yīng)激與線粒體損傷存在必然聯(lián)系。保持氧化和抗氧化平衡才是維持機(jī)體正常運(yùn)作的關(guān)鍵所在。由于天然抗氧化劑毒性小[67]及合成抗氧化劑的便利性，通過內(nèi)源性抗氧化劑（CAT、SOD 以及GSH-Px）和外源性抗氧化劑（合成抗氧化劑和天然抗氧化劑）的共同或者協(xié)同作用來保持或重新建立氧化還原平衡將成為未來研究的重要趨勢(shì)。