抗氧化劑

抗氧化劑

抗氧化劑(抗氧化劑)

抗氧化劑（ Antioxidants）是阻止氧氣不良影響的物質。 它是一類能幫助捕獲并中和自由基，從而祛除自由基對人體損害的一類物質。人體的抗氧化劑有自身合成的，也有由食物供給的。較強的抗氧化劑如艾詩特ASTA（astaxanthin的簡稱）等，一般人類無法合成，必須從食物中等攝取。

目錄 概念 抗氧化劑的歷史 生物體應對氧化挑戰 抗氧化代謝物 收縮展開 概念

①食物中抗氧化劑能夠保護食物免受氧化損傷而變質。 ②在人體消化道內具有抗氧化作用，防止消化道發生氧化損傷。 ③吸收后可在機體其他組織器官內發揮作用。 ④來源于食物的某些具有抗氧化作用的提取物可以作為治療藥品。抗氧化劑的作用機理包括鰲合金屬離子、清除自由基、淬滅單線態氧、清除氧、抑制氧化酶活性等。 舉例：如維生素A、C、E；類胡蘿卜素（蝦青素、角黃素、葉黃素，β-胡蘿卜素等）；微量元素：硒、鋅、銅和錳等。

抗氧化劑的歷史

為了適應從海洋生物演變為陸地生物，陸生植物開始產生海洋生物所不具有的抗氧化劑比如維生素C、多酚和生育酚。五千萬年到兩億萬年前被子植物植物在進化的過程中發展出了許多抗氧化的天然色素--特別是在侏羅紀時代--作為一種化學手段抵御光合作用的副產物活性氧類物質。本來抗氧化劑一詞特指那類可以防止氧氣消耗的化學物質。在19世紀末至20世紀初，廣泛研究集中在重要的工業生產過程對抗氧化劑的使用上，比如防止金屬腐蝕、橡膠的硫化、由燃料聚合導致的內燃機積垢等。 生物學對抗氧劑的研究早期集中在是如何使用抗氧化劑來避免不飽和脂肪酸氧化引起的酸敗。可以通過將一塊脂肪置于一個充氧的密封容器后對其氧化速率進行測定的簡單方法度量抗氧化活性。然而隨著具有抗氧化作用的維生素A、C、E的發現和確認，人們意識到抗氧化劑在生物體內起到生化作用的重要性。當認識到具有抗氧化活性的物質可能本身就容易被氧化的事實后，對抗氧化劑可能作用機理的探索首先開始。通過研究微生素E如何防止脂質過氧化，明確了抗氧化劑作為還原劑通過與活性氧物質反應來避免活性氧物質對細胞的破壞，達到抗氧化的效果。

生物體應對氧化挑戰

詳情查看: 氧化應激 對于生物體的代謝有一種自相矛盾的情況，雖然大部分地球上的生物需要氧氣來維持生存，但同時氧氣又是一種高反應活性的分子，可以通過產生活性氧物質破壞生物體。所以生物體中建立了一套由抗氧化的代謝產物和酶構成的復雜網絡系統，通過有抗氧化作用的代謝中間體和產物與酶之間的協同配合使得重要的細胞成分比如DNA、蛋白質和脂類免受氧化損傷。抗氧化系統大體上通過兩種方式實現抗氧化作用，一種是通過阻止活性氧物質的產生來實現的，另一種是在這些活性物質對細胞的重要成分造成損傷之前清除它們來達到抗氧化作用的 。然而這些活性氧物質也有重要的細胞功能，比如在生化反應中充當氧化還原信號分子。因此生物體中抗氧化系統的作用不是氧化性物質徹底地全部清除，而是將這些物質保持在適當的水平。 在細胞內產生的活性氧物種包括過氧化氫(H2O2)、次氯酸(HClO)、自由基例如羥基自由基(·OH)和超氧化物陰離子(O2) 。羥基自由基特別不穩定，能無特異性地迅速與大多數生物分子反應。這類物種主要是由金屬催化過氧化氫還原（比如芬頓反應）產生的 。這些氧化劑通過引發鏈反應比如脂質的過氧化反應、或氧化DNA和蛋白質破壞細胞。受到損害的DNA如果沒有得到修復會引起突變、誘發癌癥。對蛋白質造成的損傷會使酶的活性受到抑制、蛋白質發生變性或降解。 人體新陳代謝產生能量的過程中需要消耗氧氣生成活性氧物種。這個過程中，電子傳遞鏈的幾個步驟能產生副產物超氧化物陰離子。特別重要的是復合物III中的輔酶Q在被還原的過程中會變成了高活性的自由基中間體（Q·）。這種不穩定的中間體會發生電子的“泄漏”（丟失電子），“泄漏”的電子跳出正常的電子傳遞鏈，直接將氧分子還原生成超氧負離子。過氧化物也可以由還原態的黃素蛋白比如復合體Ⅰ的氧化產生。然而，盡管這些酶會生成氧化劑，但是不清楚電子傳遞鏈相比其他同樣可以產生過氧化物的生化過程是否更為重要。在植物、藻類和藍菌進行光合作用的過程中尤其是在高輻照強度下，同樣會產生活性氧物種，但是類胡蘿卜素作為光保護劑吸收過度強光保護細胞，藻類、藍菌中所含的大量碘和硒也能抵消高輻照強度對細胞造成的氧化損傷,類胡蘿卜素、碘和硒作為抗氧化劑通過與被過度還原的光合反應中心反應避免活性氧物種的產生。

抗氧化代謝物

概述

根據溶解性抗氧化劑可分為兩大類：水溶性抗氧化劑和脂溶性抗氧化劑。水溶性抗氧化劑通常存在于細胞質基質和血漿中，脂溶性抗氧化劑則保護細胞膜的脂質免受過氧化 。這些化合物或在人體內生物合成或通過膳食攝取。不同抗氧化劑以一定范圍的濃度分布于體液和組織中 。谷胱甘肽和輔酶Q10主要存在于細胞中，而其他抗氧化劑比如尿酸它們的分布更為廣泛（詳見下表）。一些抗氧化劑由于既有抗氧化作用也是重要的病原體和致病因子所以只存在于某些特定機體組織中。 一些化合物通過與過渡金屬配位螯合來阻止金屬在細胞中催化自由基的產生，從而起到抗氧化防御的作用。這種抗氧化防御手段中特別重要的一點是要將鐵離子通過配位螯合隔離起來，因為鐵離子是一些鐵結合蛋白（iron-binding proteins）比如運鐵蛋白和鐵蛋白能發揮作用的關鍵。硒和鋅通常被認為是抗氧化營養素（antioxidant nutrients），這兩種元素本身沒有抗氧化作用但會對一些抗氧化酶的活性起到作用。 抗氧化代謝產物溶解性人血清中的濃度(μM)肝組織中的濃度(μmol/kg)抗壞血酸 (維生素C)水溶性50 – 60260 (人體)谷胱甘肽水溶性46,400 (人體)硫辛酸水溶性0.1 – 0.74 – 5 (白鼠)尿酸水溶性200 – 4001,600 (人體)胡蘿卜素脂溶性β-胡蘿卜素: 0.5 – 1視黃醇 （維生素A）: 1 – 3 5 (人體,全部胡蘿卜素)α-生育酚 （維生素E）脂溶性10 – 4050 (人體)泛醌 (輔酶Q)脂溶性5200 (人體)

尿酸

尿酸是血液中濃度最高的抗氧劑。尿酸是嘌呤代謝的中間產物，由黃嘌呤通過黃嘌呤氧化酶氧化產生，是一種有抗氧化性的氧嘌呤（oxypurine）。在大部分陸地動物體內，尿酸氧化酶可催化尿酸進一步氧化成尿囊素,但人和一些高級靈長類動物的尿酸氧化酶基因不發揮作用，所以尿酸在體內不會進一步分解。尿酸氧化酶功能在人類進化過程中丟失的原因仍是一個有待探討的問題。尿酸的抗氧化性使研究者們推測這種突變有利于早期的靈長類動物和人類 。對生物高海拔環境適應性的研究結果支持這樣一種假設：尿酸作為抗氧化劑可以緩解由高原低氧引發的氧化應激。在氧化應激所促發疾病的動物實驗中發現尿酸可以預防或緩解疾病，研究者們將其歸因于尿酸的抗氧化特性。關于尿酸抗氧化機理的研究結果也支持這一提議 。 對于多發性硬化癥，Gwen Scott解釋了尿酸作為抗氧化劑對于多發性硬化癥的重要意義，血清中的尿酸水平與多發性硬化癥的發生率呈相反的關系，因為多發性硬化癥的病人血清中的尿酸水平低，而患有通風的病人很少患有這種疾病。更重要的是尿酸可用于治療實驗性質的變態反應性腦脊髓癥--一種多發性硬化癥的動物模型。總之，雖然尿酸作為抗氧化劑的機理是得到很好支持的，但聲稱體內尿酸水平影響患多發性硬化癥風險的這一說法仍存爭議 且需要更多的研究。 尿酸是所有血液抗氧化劑中濃度最高的，人血清中總抗氧化能力的一半是由它貢獻的。尿酸的抗氧化活性很復雜，它不能與一些氧化劑比如超氧化物反應，但能對過氧亞硝基陰離子（peroxynitrite）、過氧化物和次氯酸起到抗氧化作用。

抗壞血酸

抗壞血酸或稱維生素C是植物和動物體內的單糖氧化-還原催化劑。在靈長類動物的進化過程中，突變的'發生使得機體中一種用于合成維生素C所必需的酶丟失，所以人類必須從飲食中攝取維生素C。其他大部分動物都具備在體內合成維生素C的功能因而無需通過食物補充。通過氧化L-脯氨酸殘基得到4-羥基-L-脯氨酸可將前膠原（procollagen）轉化為膠原蛋白，這個過程需要維生素C的參與，氧化后的維生素C在其他細胞中經蛋白二硫鍵異構酶（protein disulfide isomerase，PDIA）和谷氧還原酶（glutaredoxins）的催化被谷胱甘肽還原。維生素C是一種有還原性的氧化還原催化劑，可中和諸如過氧化氫這類的活性氧物種。維生素C除了有直接的抗氧化效果外，它也是還原酶抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase）的底物，這種酶對植物的抗逆性有特別重要的作用。維生素C以較高的含量普遍存在于植物的各個部位中，特別是在葉綠體中的濃度可以高達20mmol/L。

谷胱甘肽

谷胱甘肽是一種含有半胱氨酸的多肽,存在于多數需氧生物體內。它不能從膳食中攝入而是在細胞內從相應的氨基酸合成而來。由于半胱氨酸上的巰基具有還原性，能在氧化后再被還原，所以谷胱甘肽有抗氧化功能。在細胞內，谷胱甘肽在被一些代謝物和酶比如谷胱甘肽-抗壞血酸循環（Glutathione-ascorbate cycle）中的抗壞血酸鹽、谷胱甘肽過氧化物酶、谷氧還蛋白氧化或直接和一些氧化性物質反應后，可被谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase）還原恢復回還原態。鑒于它在細胞內的高濃度和在細胞氧化還原態中所扮演的中心角色，谷胱甘肽是最重要的細胞抗氧化劑之一。在一些生物體中谷胱甘肽會被其他一些含巰基的多肽所代替，比如在放線菌中被mycothiol（AcCys-GlcN-Ins）替代、在革蘭氏陽性菌中被bacillithiol（Cys-GlcN-mal）替代、在動質體中被錐蟲基硫（Trypanothione）替代。

褪黑素

褪黑素是一種強大的抗氧化劑。它可以輕易的穿過細胞膜和血腦屏障，和其他抗氧化劑不同，它不參與到還原循環（Redox Cycling）中。像維生素C這種參與氧化還原循環中的抗氧化劑可能會起到促氧化劑的作用從而促進自由基的形成。褪黑素一旦被氧化就不能還原回去，因為氧化后的褪黑素會與自由基形成幾種穩定的最終產物。因此褪黑素被稱作終端抗氧化劑（terminal antioxidant） 。

生育酚和生育三烯酚（維生素E）

維生素E是由生育酚和生育三烯酚構成的8種相關化合物的統稱，它們是一類具有抗氧化功能的脂溶性維生素。在這類化合物中，由于人體優先吸收和代謝α-生育酚，所以α-生育酚的生物利用度最大，也是已經被研究的最多的。 據稱α-生育酚是最重要的脂溶性抗氧化劑。它清除游離的自由基中間體并且停止自由基的鏈增長，以此保護細胞膜免受有過氧化鏈反應產生的過氧化脂質的破壞，由此產生的氧化態α-生育酚自由基可被其他抗氧化劑比如維生素C、視黃醇或泛醇還原，使其重新回到活性還原態繼續起到抗氧化作用。相關研究發現是α-生育酚而非水溶性抗氧化劑起到有效保護缺少谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）的細胞避免其死亡的作用，而GPX4是已知的唯一一種能有效減少生物膜中過氧化脂質的酶，這一研究發現與α-生育酚的細胞膜抗氧化作用是一致。 但是還尚不清楚其他的幾種維生素E在抗氧化作用中的角色和重要性 。盡管γ-生育酚作為親核試劑可以和親電性的誘突變物質反應，而生育三烯酚對于保護神經元免受損壞起到重要作用，但是對于除α-生育酚外的其他幾種維生素E在抗氧化方面的作用仍知之甚少。

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