自由基简介

自由基简介 一. 自由基簡介 , 一般穩定的化學分子都擁有成雙成對的電子,化學鍵也都以成對的電子 排成。自由基是一個帶有不配對電子的化學單元,這包括原子、分子或 離子,也可以說凡是具有「奇數」電子的化學單元都是自由基。 , 自由基在化學反應中扮演一個相當重要的角色,它的形成有二個主要途 徑,氧化還原反應和高能量輻射化學反應。 , 氧化還原反應如雙氧水在亞鐵離子中會分解 成氫氧自由基,又稱羥 基自由基,,化學符號是?OH,而亞鐵離子變成正鐵離子。 , 當有足夠的輻射能量去打斷化學鍵時會產生自由基,如雙氧水在紫 外線,波長小於 270 nm,的照射下會分解成二個氫氧自由基,眼 睛看得到的光線,400 ~ 700 nm,並不能分解雙氧水。在,或 γ 射 線的照射下,也會產生自由基。另外有機化合物在高溫情況下,也 有可能引起自由基化學反應。 , 在化學反應中產生的自由基會急速地和附近的分子起作用,有時候會引 起「鏈鎖反應」。它的化學程序有 3 個步驟,起發階段、推廣和終止階 段。在推廣過程中,一個自由基可以帶動一串的分子參與化學作用,這 是鏈鎖反應的起因,因此自由基有雪球愈滾愈大的起動力。 二. 人體產生自由基的途徑 , 人體正常生理現象所產生 1. 新陳代謝 ?正常代謝現象的副產品 ?人體在製造有用的化學物質時,同 時產生一些自由基 2. 抵抗外來病菌: 發炎時,白血球釋放大量自由基吞噬、消滅入侵者 , 外界環境影響 1. 抽煙、二手煙、喝酒 2. 日光曝曬、紫外線、電磁波、輻射線、癌症化療/電療 3. 環境污染 : 空氣、飲用水、工業廢水、土壤污染……等等 4. 化學物、藥物污染:食品添加物、農藥、毒品、藥物、蔬果污染 5. 精神狀況:壓力過大、急躁、焦慮、鬱悶、緊張等等不良的情緒 6. 運動 7. 油炸食品時 8. 臭氧 三. 人體內的活性氧自由基 Extremely reactive Hydroxyl radical *OH 1Extremely reactive Singlet oxygen O 2 -Extremely reactive Peroxynitrite anion ONOO -Intermediately reactive Superoxide *O 2 Moderately reactive Hydrogen peroxide HO 22 Moderately reactive Nitric oxide radical NO* Ascorbate free radical Low reactivity C* (oxidized Vitamin C) Tocopheroxyl free radical Low reactivity E* (oxidized Vitamin E) -四. 超氧化物O、過氧化氫HO、氫氧自由基,OH產生途徑, 222 -1. 超氧化物 O,在粒線體電子傳遞的過程中,作為電子接受者的O可能得到22 - 多一個電子而產生超氧分子O。 2 O,部分超氧分子會被體內自然產生的抗氧化酶SOD轉換成活2. 過氧化氫H22 性較低的HO自由基。 22 3. 氫氧自由基,OH,,OH的形成有兩個途徑? , 輻射線將水分子分解產生,OH , 細胞中的鐵離子和HO進行芬頓反應(Fenton Reaction) 22 ?2+3+ Fenton reaction ,Fe + HO ? Fe + OH? + OH 22 五. 抗氧化酶介紹 , 人類在進化的過程中,演化成有消除自由基傷害的本能,能製造「抗氧 化酶」來解除氧自由基對人體細胞的破壞,因此抗氧化酶是體內抗氧化 作用的第一道防禦線。 , 人體內有三種主要抗氧化酶, 1. 超氧化歧化酶,superoxide dismutase,SOD, 2. 過氧化氫分解酶(catalase) 3. 穀胱肽過氧化酶 (Glutathione Peroxidase,GPx , 超氧化歧化酶,superoxide dismutase,SOD, , 是一種能夠催化超氧化物通過歧化反應(自身氧化還原反應)轉化為氧氣和 過氧化氫的酶 , SOD以多種常見形式存在,這裡主要介紹以銅/鋅和錳為輔因子(confator) 的兩類superoxide dismutase。 , 催化反應方程式, ?(n+1)+ n+ M ? SOD + O? M ? SOD + O 22 ?n++(n+1)+ M ? SOD + O + 2H ? M ? SOD + HO. 222 where M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) 在此反應中,金屬離子M的氧化態在n和n+1間來回變化 , Cu/ Zn-SOD, , 為一個二聚體結構(dimer),兩個相同的亞基主要通過疏水和靜電交互 作用結合在一起。每個亞基的都含有一個銅離子和一個鋅離子,Cu和 Zn與六個組胺酸、一個天們冬胺酸側練形成配位鍵,此為亞基的活性 位(avtive site)。 , SOD利用帶電荷的活性位開口吸引超氧化分子並導引其至銅鋅離子所 在的活性位,此過程中,鋅離子也具有協助結合和引導超氧分子的作用。 , 活性位開口(下圖右方)的紅色區域為帶負電的Gly,會排斥超氧分子, 綠色區域為帶正電的Lys,會吸引超氧分子,這個結構可以使的超氧分 子結合到正確的作用點上。 , Mn-SOD , 幾乎所有的線粒體和許多細菌,如大腸桿菌,含有結合錳的超氧化物歧 化酶,Mn-SOD,。 , 人體粒線體中的 Mn-SOD,錳離子錳離子與三個組氨酸的側鏈、一個 天冬氨酸的側鏈和一個水分子或羥基,取決於錳的氧化態,配位結合。 過氧化氫分解酶(catalase) , 過氧化氫酶為一種廣泛存在各類生物體的中的酶,其作用是催化過氧化氫轉 化為水和氧氣的反應 , 過氧化氫酶是一個同源四聚體,每個亞基的活性位點都含有一個卟啉血紅素 基團,用於催化過氧化氫反應。 註,血紅素,Heme,是一種含鐵輔基,鐵原子位於被稱為卟啉,porphyrin, 的大雜環化合物中心。 , Catalase-Fe(III) + HO?O=Fe(IV)-E(.+) + HO 222 O=Fe(IV)-E(.+) +HO?Catalase-Fe(III) + 2HO +O 2222 ______________________________________________ 總反應式,2 HO ? O + 2 HO 2222 其中,「Fe()-E」示結合在酶上的血紅素基團,E,的中心鐵原子(Fe)。 Fe(IV)-E(.+)為Fe(V)-E的一種共振形式,即鐵原子並沒有完全氧化到+V 價,而是從血紅素上接受了一些「支持電子」。因而,反應式中的血紅素也 就表示為自由基陽離子(.+) 穀胱肽過氧化酶 (Glutathione Peroxidase,GPx , , Glutathione peroxidase,GPx,是一種含元素 Se 的酵素,而且一個 GPx 分子具有四個小分體,所以稱為 tetrameric protein。而微量元素 Se 接合 在 GPx 上的位置,就是 GPx 的 active site。 , Gpx 可以催化 GSH 氧化成 GSSG 的過程,順便幫助Lipid-OOH 或是 H2O2 還原成 Lipid-OH 或是 H2O。 , GPx 並非指單一種分子,GPx 主要含有四種酵素,分別是 GPx1 到 GPx4。 , 作用機制 2O2 還原成較低毒性的 H2O,本身則會氧化成為 GSSG,此反應GSH 可將 H 需要的酵素為 GPx。相反的,當 GSSG 欲還原成為 GSH時,所需的酵素則為 GR。 註, 1. GSH,原名 glutathione,中文名為「穀胱甘肽」。它是一種三肽化合物(tripeptide),其意義是它由三種胺基酸組合而成,分別叫半胱胺酸,cysteine,,穀胺酸,glutamic acid,以及甘胺酸, glycine,。當身體內的自由基大量產生時(如輻射線、吸煙、激烈運動後),需要GSH 來捕捉並消滅自由基,以免臟器的損壞,嚴重致癌症的發生。 GSH結構圖 2. GSH 中的 G 即是表示 Glutatione,而 SH 則是代表 Glutatione 中主要的官能基,硫氫鍵。就是因為 Glutatione 含有這種官能基所以具有還原力,才可以當作抗氧化劑使用。 3.GSH、GSSG兩者互為還原型,GSH,和氧化型,GSSG,。 4. GSH reductase,GR,是一種協助 GSSG 還原成 GSH 的酵素 三種抗氧化酵素的簡單作用機制 六.Reference , 自由基 1. 2. 3. , SOD 1. 2. 3. 4. 5. 6. , CAT 1. , GPX 1. 2. 自然界存在的外源性抗氧化劑約可分為, 一、維生素類,包括維生素 C、E 及 β–葫蘿蔔素等。 二、酵素類,包括Coenzyme 10。 三、植物化學物 (Phytochemicals) 中的多酚類、萜類、黃酮類、類黃酮類及有機酸等成分,這類成份涵蓋極廣,也是目前生化學者最感興趣的領域,其中較常見的包括大麥苗中的2〞–O–GIV (2〞–O–Glycosylisovitexin)、葡萄籽中的原花青素 (Oligomeric Proanthocyanidins,簡稱 OPC),松樹皮中的Pycnogenol、花椰菜中的 Isothiocyanates、黃豆中的Isoflavones、銀杏中的Ginkgolid、番茄中的茄紅素(Lycopene)、蜂膠中多種類黃酮素 (Flavnoids)、綠茶中的多酚物質、柑橘中的 Limonene及蔥蒜中的二丙烯硫化物等 。 飲食中的抗氧化物質(Antioxidants) 1.維生素C(Ascorbic Acid) 又名抗壞血酸,外觀為白至淺黃色晶體或粉末,為水溶性。被稱為維生素C的是左旋光異構物抗壞血酸,左旋光異構物抗壞血酸、右旋光異構物抗壞血酸兩種鏡像異構物之中,只有前者具有生物功能。與羥基自由基作用、還原維生素E自由基,是一種溶於水的物質,因此可以隨著血液和體液散布到身體的各個角落,而她的抗氧化能力也就伴隨臨到。維生素C可以直接與 羥基自由基作用,然後產生不活躍的自由基產物,接著可以被代謝成草酸而排出體外。行氧化還原反應時,維生素C會轉化成左旋光脫氫抗壞血酸(dehydro-ascorbic acid),一種穩定的diketon結構。 最佳食物來源,芭樂、奇異果、木瓜、柳橙、葡萄柚、青椒、花椰菜 圖1 維他命C 圖2 維他命C的diketon結構 2.維生素E(α-Tocopherol) 生育酚類化學物的總稱。在芳香環的5、7位置上依取代基種類而分別有α、β、γ、δ4種結構,抗氧化活性為α?β?γ?δ體,取代基的差別決定分子的活性。維生素E中又以a-Tocopherol抗氧化作用能力最強(因此維生素E多以α-Tocopherol來表示),原因是芳香環的5、7位置上都是甲基(推電子基)。生育酚由於有較長的側鏈,所以是脂溶性的。阻止脂質過氧化連鎖反應,是一種良好的抗氧化物質,時常被用來添加在油脂中,以抑制不飽和脂肪酸的氧化作用。可維持細胞膜的完整性。也可保護維他命A不受氧化破壞,並加強其作用。 抗氧化機制:維生素E在6號C位置上的羫基(-OH)容易與脂自由基結合,使其形成安定之化合物而本身變為維生素E自由基,又其因為本身具有共振結構,所以成為較安定無破壞性之自由基。 3.β-胡蘿蔔素(β-Carotene) 中斷脂質過氧化連鎖反應、吸收激發氧的過多能量,β-胡蘿蔔素是維生素A的前驅物質,不過維生素A並不像β-胡蘿蔔素具有良好的抗氧化作用,且維生素A過量時可能會中毒,引起噁心、脫髮、骨頭酸痛、倦怠嗜睡,而孕婦服用過量的維生素A可能使胎兒畸型。β-胡蘿蔔素在人體內有二種抗氧化能力, 一、可以與脂質過氧化自由基結合而中斷脂質過氧化連鎖反應 二、吸收氧氣因為光線照射,例如在眼睛,而變成的激發氧氣的過多能量,阻止氧化作用的進行。 最佳食物中以深黃、橘紅及深綠色的蔬果含量最多,如綠色蔬果,胡蘿蔔、甜蕃薯、蕃茄、木瓜… 4.茄紅素(Lycopene): 番茄紅素( 分子式 CH ) 是一種明亮紅色的類胡蘿蔔4056 素顏料, 在番茄和其它紅色果子如西瓜和西柚中也有。番茄紅素是人體最常見和是最有力的類胡蘿蔔素抗氧劑之一。它的英文名Lycopene是從番茄的種類分類, (茄屬)Solanum lycopersicum中而來得。 番茄紅素的顏色是由於碳的共軛雙鍵,即單鍵及雙鍵交互出現的結構,。其中的雙鍵降低了電子躍昇到 高能階所需的能量,使分子吸收更長波長的可見光。番茄紅素吸收大多數的可見光,因此是紅色。番茄紅素不溶於水,可做為食物色素。多孔(包括多數塑膠)很容易被番茄紅素染色。 若紡織品剛剛沾到番茄汁液,可以輕易的清除。但若塑膠被番茄紅素染色,番茄紅素會擴散到塑膠內,無論用熱水、肥皂、清潔劑都無法清除,不過用漂白水可以破壞番茄紅素的結構,。 Lycopene 5.前花青素類,proanthocyanidins,與OPC(oligomeric proanthocyanidin),前花青素類為黃烷醇的多聚體,植物中的原花青素類主要以4–11個黃烷醇的多聚體形式存在。前花青素結構中最基本的兩種單體是catechin 和其立體異構物epicatechin ,再依其分子結構的α或β位置鍵結形成雙連體、三連體等。另外,catechin 和epicatechin 經沒食子酸,gallic acid,酯化後形成catechin gallate 和epicatechin gallate 。事實上,雙連體的種類就有162 種,三連體就至少高過550 種,四連體更是超過了1200 種,且每加上一個單體,所可能形成的結合方式,將成幾何級數增加以致難以定性和定量(Schofield et al., 2001)。 前花青素的物質最主要以OPC 最具有活性,由flavan-3-ol 分子和epicatechin-3-Ο-gallate 所組成的化合物,彼此之間以C4-C8 或C4-C6 的位置鍵結,然而一般常以C4-C8 的結合較多。另一種聚合體主要由2 或3 個flavan-3-ol 互相結合而成,其聚合方式彼此之間也以C4-C6 或C4-C8 兩種位置鍵結,但一般也以C4-C8 的結合較常見。單一個體時,不太具有生物活性,當它們結合成dimer 或trimer 時變成「寡聚合體」,則具很高的生物活性,OPC 本身是無色的,但經過酵素的過程而顯示出顏色 OPC 中抗氧化能力最強的為dimeric procyanidins,dimeric procyanidins為一系列的化合物所組成,化合物包含procyanidin B1~B9,以結構而言dimer 又分 為A、B 兩種型態,A 型態則是以環氧形態來鍵結二個單體,可分為兩種不同型態之鍵結,主要是catechin 和epicatechin 兩種異構物而產生不同型態之結構。然而B 形態則以單鍵鍵結為主,以後者為天然物中最為豐富,且A 型態的dimer 以結構來說,因其空間上的立體障礙較大,所以抗氧化之能力較弱,B 型態的dimer 空間效應較佳,因此抗氧化能力較強。 B 型態dimer 也可分為兩種不同形態之鍵結,一為C4-C6 鍵結,另一為C4-C8 鍵結,但含量最豐富的則為C4-C8,此化合物之抗氧化能力也較另一化合物強。目前已確定的結構主要是,單體部分有3 種,二聚體則分為兩種,A 型有2 種,B 型有6 種,三聚體更是繁多,但於純化之數量極少,因此很難判斷化合物種類及結構 OPC 分子 6.類黃酮,flavonoids, 類黃酮又稱生物類黃酮,bioflavonoids,,為人類飲食中含量最豐富的一類多酚化合物,廣泛存於水果、蔬菜、穀物、根莖、樹皮、花卉、茶葉和紅葡萄酒中。目前為止,己經確認有四千多種不同的類黃酮。 類黃酮可進一步分為, 1. 黃酮醇類,flavonols,,為最常見的類黃酮物質,如,槲皮素,quercetin,、芸香素,rutin,。槲皮素廣泛存在於蔬菜、水果中,以紅洋蔥的含量最高,其次是黃洋蔥。 2. 黃酮類,flavones,或黃鹼素類,如木犀草素,luteolin,、芹菜素,apigenin,,分別含於甜椒和芹菜。 3. 黃烷酮類,flavanones,,主要見於柑橘類水果,如橙皮苷,hesperidin,、柚皮苷,naringin,。 4. 黃烷醇類,flavanols,,主要為兒茶素,catechins,,綠茶中含量最豐,紅茶的兒茶素含量約減少一半,主要因茶葉發酵過程中受到氧化破壞所致。 5. 花青素類,anthocyanidins,,主要為植物中的色素,不同植物含量不一,例如草莓約為0.15 mg/g,櫻桃為4.5 mg/g,紅酒含量則約26 mg/L。 6. 異黃酮類,isoflavonoids,,主要分布於豆類食品,如染料木黃酮,genistein,和黃豆苷原,daidzein,,目前已證明具有抗乳癌和骨質疏鬆的作用。 6.芪,stilbenes,或二苯乙烯 7. 近年來受到科學界關注的白藜蘆醇就是一種芪,化學名稱為芪三酚。 8. 白藜蘆醇具有預防動脈硬化、抗氧化、抗腫瘤、抑制細胞發炎…等多種保健作用。葡萄、松樹皮、桑葚和中藥虎杖都含有這種成分。 9. 葡萄果實中的白藜蘆醇主要分布於葡萄皮,其次為葡萄籽,透過酒精發酵而進入葡萄酒中。 , 酚酸,phenolic acids, , 常見的酚酸類物質包括咖啡酸,caffeic acid,、阿魏酸,ferulic acid,、沒食子酸,gallic acid,、鞣花酸,ellagic acid,、水楊酸,salicylic acid,。 , 木酚素,lignans, 0. 木酚素屬於植物性雌激素,能抗氧化,有助於調節更年期症候群和保持腸道健康。 1. 亞麻籽是木酚素最豐富的食物來源,全穀類食物、芝麻、南瓜子、葵瓜子、豆類、蔓越莓、蘋果、梨櫻桃、洋蔥、胡蘿蔔、玉米也含木酚素。 8.抗氧化礦物質 銅(Copper) 銅是許多蛋白質和酵素的重要成分,特別對 SOD,超氧化物歧化酶,的形成,具有促進的作用,是抗氧化成分之一。 1. 銅可以幫助鐵的吸收,在血紅素的形成過程中扮演重要角色。 2. 銅是骨骼形成的重要成分之一。 3. 幫助毛髮和皮膚生長。食物中以肝臟、肉類、豆類、堅果、葡萄乾、香菇等。 硒(Selenium) 硒是體內的麩胱甘胱氧化脢,Glutathine peroxidase 一種抗氧化脢,的重要成份,GPX 的促進因子,GPX 可以解除過氧化氫的潛在傷害,進而保護細胞和血液免受自由基的侵害。它和維生素E共同作用,可以發揮更大的抗氧化效果。動物實驗中發現,缺硒會造成微血管脆弱,也容易引起肌肉無力,心臟受損。另外,硒對抑制脂質氧化也有幫助。 1. 對免疫力的提昇有很大的幫助,尤其對老年人、素食者和後天性免疫不全症(AIDS)患者,特別重要。 2. 幫助去除致癌物的毒性,以及促使癌前細胞死亡。 大蒜、洋蔥、海產類、全榖類,都是硒的來源。 鋅(Zinc) 在體內 100 種的酵素中,都有鋅的存在,是維持生命的必須物質。鋅是 SOD 的促進因子,並且能強化 SOD 的活性,是抗氧化的成分之一。鋅缺乏會導致免疫力低下、食慾不振、生長減緩、下痢、掉髮、夜盲、前列腺肥大、男性生殖功能減退、動脈硬化、貧血等問題。 1. 對 DNA 的合成和細胞的分裂非常重要,孕婦攝取足夠的鋅有助胎兒發育。 2. 有助於精子的製造,與生殖能力有密切的關係。 3. 有助於免疫力的提昇。 食物中以肉類、海產、牛奶、蛋、大豆、花生。 錳Mn(Manganese) 可活化幾百種不同的酵素,參與體內的運作,並分解胺基酸、蛋白質、脂肪、膽固醇與醣類產生能量,使肌肉正常發育,提供腦部與神經細胞所需的營養,使性腺荷爾蒙正常合成與分泌。此外,錳離子與酵素 SOD 結合後,能去除人體細胞內的自由基,保護體內細胞與核酸的完整與正 常功能,具有抗氧化、抗老化與抗癌的功能。 粒線體與抗氧化物關係及癌化 粒線體產生自由基的部位最主要在於complex I和complex III。上圖為complex I內電子傳遞情形,正常情況下,呼吸作用時NADH會氧化釋出電子,上傳給FMN(flavin mononucleotide)、鐵硫中心(iron-sulfer centers)(即圖中的N-1a, N-1b, N-2, N-3, N-4, N-5)、固著在complex I的coenzyme Q (圖中Co Q),再傳給游離在內膜的coenzyme Q,之後給complex III (圖中C-III)、cytochrome C (圖中C)、cytochrome C oxidase (圖中COX),最後傳給氧後變成水,這為所謂的F.E.T (forward electron transfer)。當粒線體內發生R.E.T (reverse electron transfer),電子會由succinate氧化釋出,反向傳回complex I中的鐵硫中心而產生自由基。 粒線體另外一個產生自由基的地點在於complex III。上圖B是正常狀況下的電 )進入complex III的Q site釋出一個子傳遞情形,還原態的cytochrome Q (QH20電子給ISP (iron-sulfur protein),往下傳給cytochrome c1再給cytochrome c,另一電子傳至b、b、到Q site,而釋出兩個電子後的coenzyme Q (Q)會lowhighi 回到Q site接受電子,這時第二個QH會進入complex III釋出電子,讓已經接i2 受一個電子的Q再接受一個電子,回到還原態的QH再繼續利用。但當inhibitors2 如antimycin A接在Q site時 (圖A),就會阻礙電子往下傳,這時Qsite會累io 積大量電子,若傳給附近的氧時,就會形成自由基。 當身體受傷或感染時,會造成肥大細胞、嗜中性球的聚集以及單核球的成熟形成 巨噬細胞,激發不同類型的細胞釋出ROS或RNOS,這些自由基會造成蛋白質 的傷害、DNA的傷害和突變、脂質過氧化,脂質過氧化還會進一步使RNA烷化 不表現、細胞增殖與傷害DNA。 當促發炎因子產生時,會刺激COX2(cyclooxgenase 2)和iNOS (inducible nitric oxide synthase)產生活性氧或活性氮自由基,在正常狀況下(圖下半部右邊),當 自由基產生過多時,會由p53抑制COX2或iNOS以減少自由基的產生,而且 當DNA受自由基破壞的訊息傳至p53時,若不能修復,則會活化caspase,促 使apoptosis的產生以避免癌細胞生長,若能修補,則活化p21,讓細胞停留在G1或G2-M之間,並配合DNA修復蛋白,以達到修補DNA的功能。但當p53受自由基影響產生突變無法作用時,apoptosis就不會發生,細胞便會增殖,另外,受損的DNA因DNA修復蛋白受自由基破壞而沒辦法修復,這兩種因素結合,會使有缺陷的細胞不斷增生,而突變的p53還會使VEGF(vascular endothelial growth factor)表現,造成血管新生(angiogenesis),不斷增生的細胞加上新增血管所提供的養分,腫瘤於是產生。 香煙與DNA 的氧化傷害 自由基會攻擊人體內的DNA,對DNA造成氧化傷害。香煙是增加罹患肺癌機率的重要因素之ㄧ,而其引發肺癌的最主要方式就是誘導產生自由基來攻擊肺上皮細胞的DNA。以下將介紹一些香煙造成DNA損傷的重要途徑。 一、MINERAL FIBERS 礦物質纖維因帶有金屬離子,所以可以成為電子的提供 者,造成自由基的生成。如把O 還原成O•-。其中最重要的22 是鐵二價離子,它可以直接與HO 反應產生很強的自由22 基•OH -。 2+ 3++HO ? (fiber)-Fe +OH+ +OH- (fiber)-Fe22 另外,礦物質纖維也能刺激細胞的發炎反應,導致更多的活性氧分子產生, 而對DNA造成進一步的傷害。這部份會在後面再提。 二、SMOKE 在香煙的煙霧中含有微粒態多酚(polyphnol),這些微粒態多酚會和身體的水反應產生O2•-和H2O2,其中的H2O2 可以穿過細胞膜和核膜到達DNA。而這些微粒態多酚除了能誘導產生ROS(活性氧分子)外,它們也能活化一些endonucleases 導致DNA的斷裂。 但是只有H2O2是不足以造成傷害的。這時我們就要提到香煙的另一個作用。剛剛在介紹Miner fibers 時提到其帶有金屬離子,特別是其中的鐵二價離子,可以把 -H2O2 轉換成更強的自由基 -- •OH。但一般來說,這些金屬離子根本難以穿過細胞膜,當然也就更不可能進入到細胞核中。但香煙中的一些分子和焦油可以和這些金屬離子產生非極性的化合物,幫助這些離子穿過細胞膜和核膜而到達細胞核中。 -如此一來,這些金屬離子就能和 H2O2 反應而產生極具殺傷力的•OH。 而這些香煙中所含的物質也都會造成細胞的發炎反應。 三、NEUTROPHILS 嗜中性球。當身體有外來物入侵時,這些嗜中性 SOD 球就會開始製造ROS 來攻擊並消滅微生物或排除 異物。但這些ROS 同時也會對周圍的細胞造成氧化傷害。例如嗜中性球會製造O2•-出來,而這些O2•-又會被身體中的SOD 轉變為H2O2 ,最後這些H2O2 便會進入細胞核中,進行之前所述反映而對DNA 造成傷害。 NEUTROPHILS 當我們吸煙時,香煙中的成分就會啟動肺泡巨噬細胞,而肺泡巨噬細胞會引導嗜中 性球的堆積並生成大量H2O2 。 剛剛所說的路徑,總歸來說就是產生的H2O2 和金屬離子會 進入細 --。•OH攻擊DNA,主要有以下兩種方式, 胞核中,並反應生成•OH (1)直接攻擊並切斷DNA 的sugar-phosphate 的鍵結 (2)修飾鹼基 這裡我們主要要看的是修飾鹼基的部份。DNA 的鹼基有四種,其中以 -Guanine(鳥糞嘌呤)最容易被修飾。以下就舉Guanine 被•OH 修飾為例。 反應有三條路徑,其中最主要的路徑為生成C8-OH-adduct radical。C8-OH-adduct radical 再被氧化(主要路徑)並被帶走一個氫離子後形成8-hydroxyguanine,或寫為8-OHdG,代表第八個碳上的H 被OH 取代。而這個OH 又會和DNA 其他部分的分子產生吸引或鍵結而導致其立體結構的改變,導致一個嚴重的後果,原本應該與Cytosine(胞嘧啶)相接的Guanine 這時卻傾向與Adenine(腺嘌呤)相接而產生鹼基的顛換(transversion),及相對應的鹼基由嘧啶變為嘌呤或是由嘌呤轉為嘧啶。如此一來就會發生DNA 的點突變。 一旦發生點突變,細胞的複製會被抑制並試圖修復突變。若是成功,則這樣的突變對人體便沒有影響。若是這樣的突變無法被修復,某些機會被啟動導致細胞凋亡。但有些突變若因為這些防止突變的機制不強而逃過,又剛好引響到了與細胞週期相關的基因。當人體累積了足夠多的這樣的突變,便可能導致癌症的發生。 Alzheimer‘s disease 與自由基的關聯 一、由於Alzheimer‘s disease 涉及腦神經蛋白的破壞,因此先簡介蛋白質被ROS 氧化的機轉和影響: ROS 牽涉到蛋白質的型變,主要可歸類為三種影響方式 1. Modification of amino acid residue side chain (ROS 的參與造成側鏈形變) 2. Peptide bond cleavage (ROS 切斷蛋白質肽鍵,形成小的胺基酸片段) 3. Protein–protein cross linking (蛋白質之間氧化以共價鍵結合成大分子) 其中Modification of amino acid residue side chain 由於胺基酸側鏈的性質不同所以ROS的參與反應會有不一樣的結果,所以分開介紹 ? 含硫的胺基酸有Cysteine 和Methionine,其受ROS 的影響兩個Cysteine 氧化會形成雙硫鍵, Methionone 則氧化形成 MeSOX(見power point) ? 芳香族或多環類的胺基酸在觀察下,被ROS 攻擊的機率比含硫的胺基酸要來的高的多,這類的胺基酸有tryptophan, tyrosine, phenylalanine, histidine, 其中以tryptophan 被攻擊的機率最為高,各個被攻擊的機轉圖見power point ? 其他脂肪族的胺基酸,目前被研究出確切化學式的有arginine 和proline,其被氧化後會形成同一產物glutamyl semialdehyde,反應式見 綜上所述,蛋白質一但被ROS攻擊,不論是side chain 的官能基被替換,斷鍵,或形成新的鍵結,都勢必改變蛋白質的結構而使原來的蛋白質的功能無法進行,(ex.酵素蛋白的構形改變,就不能和物質結合而進行催化反應),所以會對人體造成重大 影響 二、簡介阿茲罕默症 ? 此疾病為一種非正常的老化痴呆(dementia)現象 ? 發病原因是腦部神經受到破壞 ? 阿茲海默症患者腦部其他對記憶很重要的區域亦受到影響,例如基底前腦,basalforebrain,以及海馬迴,hippocampus, ? 症狀為失憶,無法自力生活,無法認識親友,偏執多疑,憂鬱,妄想……等,由輕微逐漸惡化 ? 由於無法專注,患者無法照顧自體的需要,因此阿茲海默症患者常常死於他種併發症,如肺炎(pneumonia) 三、阿茲罕默症和自由基的關聯 近觀阿茲罕默症患者的腦部,可以發現三個現象: ? 其腦神經會有班塊,plaques,和糾結,tangles,的產生,阻斷神經彼此溝通和傳遞的功能 ? 腦部梅納德氏基底核,nucleus basalis of Meynert,的部分有神經退化的現象 ? 腦中的神經傳導物質乙醯膽鹼,acetylcholine,減少 其中,plaques 和 tangles 和ROS 有著密切的關聯 A.tangles 和ROS 的關聯: 9 糾結(tangles)是神經纖維cross-over 形成paired helix filament,裡面包含有一種叫做tau(τ)的蛋白質,推測他可能是被ROS 攻擊後的蛋白質產物而他被證實和糾結有關,有糾結產生的神經,它們的細胞型態嚴重變形,並且堆疊成團 B.Plaques 和ROS 的關聯 斑塊(plaques)的主要組成是一種叫做beta amyloid 的蛋白質,是由氧化amyloid precursorprotein(APP’s) 而得,這裡的氧化,是指蛋白質被ROS 攻擊後產生的Peptide bond cleavage, ROS 從APP’s 上切下來的beta amyloid 片段可能包含39-42個胺基酸,其中含42個胺基酸的beta amyloid聚集成斑塊,對細胞特別具有毒殺性,其毒殺的機轉可能為: • Increased intercellular free Ca2+(可能由於通道蛋白構形改變) • Inhibition of mitochondrial function • ROS/RNS generation(自由基連鎖反應) 斑塊造成細胞的死亡,神經傳導造成障礙,是ROS 造成阿茲罕默症的主因