線粒體氧化應(yīng)激與天然抗氧化劑研究進展

李興太，紀(jì) 瑩

（大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600）

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線粒體氧化應(yīng)激與天然抗氧化劑研究進展

李興太，紀(jì) 瑩

（大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116600）

摘 要：活性氧主要來源于線粒體呼吸，是一柄“雙刃劍”，其在生理濃度時廣泛參與細胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和生命過程，過量時又能引起線粒體氧化應(yīng)激，從而導(dǎo)致衰老及相關(guān)疾病的發(fā)生。如何保持細胞內(nèi)的氧化與抗氧化平衡（氧化還原平衡），既不過度氧化損傷，也不過度抗氧化而影響正常的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，這對健康極為重要。因此，細胞氧化還原調(diào)控與衰老機制不再是簡單的“衰老的自由基學(xué)說”，也不再是簡單的抗氧化延緩衰老?？寡趸瘎┦巧眢w健康所必需的，富含抗氧化劑的膳食有助于心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、癌癥等重大疾病發(fā)病率的降低。本文從線粒體氧化應(yīng)激、抗氧化劑的必要性和來源、抗氧化防御系統(tǒng)、氧化還原平衡與抗氧化悖論、天然抗氧化劑等方面闡述氧化與抗氧化平衡對健康的重要性，為促進健康并延緩衰老提供新的思路。

關(guān)鍵詞：線粒體；氧化應(yīng)激；抗氧化劑；活性氧；氧化還原平衡

在過去的幾十年里，由于認(rèn)識到氧自由基對心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病、衰老和癌癥等過程的影響，人們對食品和膳食抗氧化活性的研究興趣越來越濃，抗氧化已成為我國功能食品27 項保健功能 之一。近年來已報道了很多關(guān)于抗氧化劑對人類健康的貢獻。但最佳攝入量及這些微量營養(yǎng)素抗氧化作用的機制仍未見報道?？寡趸瘎┦巧眢w健康所必需的，富含抗氧化劑的膳食有助于心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等慢性疾病發(fā)病率的降低。特別是癌癥的發(fā)展或生長可被抗氧化劑抑制。抗氧化劑可延緩或阻止自由基對某一底物的氧化[1]，能阻斷氧化的自由基鏈反應(yīng)且能從酚羥基提供氫，從而形成穩(wěn)定的終產(chǎn)物而不啟動或延伸脂質(zhì)進一步氧化[2]。由于事關(guān)人類生活和健康，抗氧化劑 的保健作用受到普遍認(rèn)可，對抗氧化劑的需求也就越來越大。高 劑量活性氧（reactive oxygen species，ROS）是有害的，表現(xiàn)為病理生理作用，而在低劑量時其對正常的生理活動則是有益的[3-4]。在生命系統(tǒng)中外源性抗氧化劑對維持氧化與抗氧化之間這種微妙的平衡中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[5-6]。氧化與抗氧化平衡是維持健康的生物系統(tǒng)的關(guān)鍵[5,7]。本文從線粒體氧化應(yīng)激、抗氧化防御系統(tǒng)、氧化還原平衡與抗氧化悖論、天然抗氧化劑等方面闡述氧化與抗氧化平衡對健康的重要性，為促進健康、延緩衰老提供新理念。

1　線粒體氧化應(yīng)激

1.1線粒體的主要功能及功能障礙

線粒體，一種將物質(zhì)代謝、能量代謝和遺傳變異三大基本生命活動形式融于一體的半自主性細胞器，承擔(dān)細胞能量（腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP））生成、ROS的主要來源及細胞凋亡的主開關(guān)等多種重要功能，是整個細胞乃至生命體進行各項生命功能活動的樞紐和核心。此外，該多功能的細胞器還參與細胞信號傳導(dǎo)[8]。線粒體這些生理功能主要是通過調(diào)整能量代謝和ROS的生成實現(xiàn)的，線粒體通過操縱生物能學(xué)、氧化還原平衡、通透性轉(zhuǎn)換（mitochondrial permeability transition，MPT）等因素而調(diào)控細胞的生與死[9-10]。

線粒體功能障礙會破壞細胞、組織和器官的功能，進而引起癌癥、重癥肌無力、肥胖、中風(fēng)、心血管疾病（高血壓、冠心病、心衰、糖尿病及動脈粥樣硬化等）、年齡相關(guān)性疾病、神經(jīng)退行性疾?。ㄅ两鹕习Y、老年癡呆癥、抑郁癥等）等多種疾病和衰老的發(fā)生，而這些疾病正是現(xiàn)今威脅人類生命的重大疾病，所以，線粒體已成為治療疾病的一個新靶點[11-12]，而線粒體Ca2+、ATP、ROS代謝紊亂及細胞凋亡是所有這些疾病的共同病理機制[13]。通過外在的干預(yù)調(diào)節(jié)這些內(nèi)在途徑可以改善或危及健康壽命[14]。這些壽命調(diào)節(jié)干預(yù)措施的一個共同點似乎是由其對細胞能量代謝和應(yīng)激反應(yīng)的能力來決定[10]。線粒體又是高度動態(tài)的細胞器，在細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定中發(fā)揮核心作用[15]。

1.2線粒體活性氧（mitochondrial reactive oxygen species，mROS）的生成及其雙刃效應(yīng)

機體內(nèi)95%以上的ROS源于細胞內(nèi)氧被消耗的主要部位——線粒體（消耗機體所攝入氧的90%）。正是在此，還原性底物提供電子以形成電化學(xué)梯度，從而最終導(dǎo)致細胞的能量貨幣ATP的生成，這是通過線粒體內(nèi)膜上一系列蛋白復(fù)合體的氧化反應(yīng)進行的。電子從這些復(fù)合體漏出導(dǎo)致氧的單電子還原形成超氧陰離子自由基（O2－?）——大部分ROS的前體。歧化超氧化物生成H2O2，隨后通過Haber-Weiss反應(yīng)O2－?與H2O2相互作用或Fenton反應(yīng)裂解H2O2形成羥自由基（?OH）[16]。

線粒體呼吸是機體內(nèi)ROS的主要來源，耗氧的約0.2%通常在靜息狀態(tài)轉(zhuǎn)化成O2－?[17]。除非充分解毒，超氧化物導(dǎo)致線粒體氧化應(yīng)激且可能有助于線粒體功能的下降，該過程與多種病理學(xué)相關(guān)。當(dāng)這些氧化還原載體帶電荷越多且電子轉(zhuǎn)移的位能（線粒體膜電位）較高時，則電子轉(zhuǎn)移到氧產(chǎn)生超氧化物的可能性就越大；相反，當(dāng)可用電子減少且轉(zhuǎn)移位能降低，ROS的生成就會減少。已知通過電子漏至分子氧生成ROS的線粒體酶包括電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）復(fù)合體Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ[18-21]、三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)酶順烏頭酸酶和α-酮戊二酸脫氫酶[22]、丙酮酸脫氫酶和甘油-3-磷酸脫氫酶[23]、二氫乳清酸脫氫酶、單胺氧化酶A 和B[24]及細胞色素b5還原酶[25]。

從歷史上看，mROS被認(rèn)為只引起細胞損傷及生理功能障礙。ROS及其氧化損傷與多種疾病，包括神經(jīng)退行性疾病、糖尿病、癌癥和過早衰老相關(guān)。然而，在過去的20多年，廣泛的研究顯示，mROS對健康的細胞功能至關(guān)重要[26]。O2－?等ROS也可產(chǎn)生有益的效應(yīng)，其通過作為（氧化還原）信號參與細胞調(diào)節(jié)，且其有害作用主要是由于信號傳導(dǎo)受損的結(jié)果，而不是由于直接損傷敏感的靶標(biāo)。ROS也可作為促存活信號增加壽命[27]。體內(nèi)產(chǎn)生的ROS，在不同的細胞信號傳導(dǎo)通路中發(fā)揮重要作用。與慢性疾?。ㄈ绨┌Y）有關(guān)的絕大多數(shù)危險因素，如應(yīng)激、煙草、環(huán)境污染物、輻射、病毒感染、膳食和細菌感染，均通過ROS的產(chǎn)生與細胞發(fā)生相互作用[28]。

ROS是細胞信號傳導(dǎo)途徑的組成部分，ROS又可激活各種轉(zhuǎn)錄因子（例如，活化B細胞的核因子κ-輕鏈增強子（nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells，NF-κB）、激活蛋白-1、缺氧誘導(dǎo)因子-1α及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)子與轉(zhuǎn)錄激活子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）），導(dǎo)致調(diào)控炎癥、細胞轉(zhuǎn)化、腫瘤細胞存活、腫瘤細胞增殖與侵襲、血管生成和轉(zhuǎn)移的蛋白的表達。矛盾的是，ROS還控制各種腫瘤抑制基因（p53、Rb和PTEN基因）的表達，抑制腫瘤的進展，大多數(shù)化療和放療藥是通過增加腫瘤細胞ROS應(yīng)激而起作用。類似地，γ輻射和各種化療劑用于治療癌癥，是通過ROS的產(chǎn)生介導(dǎo)其效應(yīng)。有趣的是，ROS也參與源自水果、蔬菜、香料和傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)使用的其他天然產(chǎn)物的營養(yǎng)保健品的化學(xué)預(yù)防和抗腫瘤作用，ROS是一把雙刃劍。由于ROS的雙重作用，既有基于助氧化劑，又有基于抗氧化劑的抗癌藥物已經(jīng)開發(fā)出來[28-29]。

1.3氧化應(yīng)激

在正常細胞中，存在適當(dāng)?shù)闹趸?抗氧化平衡，但是，當(dāng)ROS的生成增強或抗氧化劑的水平降低時這種平衡可以轉(zhuǎn)向助氧化，這種狀態(tài)稱為氧化應(yīng)激。Sies[30]引入了氧化應(yīng)激的概念，即助氧化-抗氧化平衡的破壞，氧化應(yīng)激代表ROS的生成和表現(xiàn)與生物系統(tǒng)解毒活性中間產(chǎn)物或修復(fù)損傷的能力之間的不平衡；氧化應(yīng)激是指過量的ROS或氧化劑超過細胞有效的抗氧化應(yīng)答能力而導(dǎo)致的失衡；氧化應(yīng)激是有害的，因為其會導(dǎo)致細胞生物大分子損傷與突變及生長抑制等，且參與各種疾病如動脈粥樣硬化、糖尿病、癌癥、神經(jīng)退行性疾病和衰老等[27]的發(fā)生。氧化應(yīng)激基本上是由兩種主要機制引起的：由抗氧化酶的突變、毒素或天然抗氧化劑的攝入減少所致的抗氧化劑的濃度降低；在慢性炎癥時活化吞噬細胞產(chǎn)生的活性氧、氮或碳為基礎(chǔ)的活性物質(zhì)數(shù)量的增加[31]。

ROS和活性氮（reactive nitrogen species，RNS）如超氧化物、H2O2、單線態(tài)氧（1O2）和氮自由基等，由于各種內(nèi)源或外源因素將產(chǎn)生于人體內(nèi)。越來越多的證據(jù)表明，ROS，如過氧自由基（ROO?）、HO?、O2－?和1O2，都參與衰老和多種疾病，如癌癥、阿爾茨海默氏病和帕金森氏癥的病理生理學(xué)[32-33]。ROS和其他自由基是需氧生命正常細胞代謝的副產(chǎn)品。ROS也通過紫外線、X射線和γ射線在照射過程中產(chǎn)生，是金屬催化反應(yīng)的產(chǎn)物；還在大氣污染物中存在，嗜中性粒細胞和巨噬細胞在炎癥過程中同樣會產(chǎn)生，又是線粒體催化的電子傳遞反應(yīng)和其他機制的副產(chǎn)物[34]。ROS可以促進活細胞中的脂類、蛋白質(zhì)、核酸和多不飽和脂肪酸的氧化損傷。眾所周知，自由基或ROS對許多慢性疾病的發(fā)展，如衰老過程、心臟疾病和癌癥發(fā)揮著重要的作用[35]。在過去的幾年中，發(fā)現(xiàn)ROS和RNS的形成參與了食品的氧化變質(zhì)，以及一些人類疾病，如動脈粥樣硬化、糖尿病、慢性炎癥、神經(jīng)退行性疾病和某些類型的癌癥的發(fā)病機制[36-37]。尋找有效的方法以減少或抑制自由基在體內(nèi)的產(chǎn)生，對健康具有重要意義。氧化應(yīng)激被定義為ROS的產(chǎn)生和抗氧化防御之間的失衡。由于助氧化-抗氧化反應(yīng)平衡狀態(tài)的破壞，ROS過量引起氧化應(yīng)激，抑制細胞脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA和RNA的正常功能[38]。衰老的自由基理論已經(jīng)擴展到線粒體氧化應(yīng)激理論，線粒體因其在生物能學(xué)、氧化劑生成和細胞死亡的調(diào)控中起關(guān)鍵作用而在衰老的發(fā)展過程中發(fā)揮核心作用[20]。

1.4線粒體低毒興奮效應(yīng)

近些年發(fā)現(xiàn)，雖然抗氧化酶的過量表達和抗氧化劑的膳食補充在減輕年齡相關(guān)性生理功能障礙，及延長平均壽命方面有一定程度的成功，但其并不能延長最大壽命。臨床研究表明，抗氧化干預(yù)對癌癥、糖尿病、心血管疾病和整體死亡率沒有健康益處或產(chǎn)生不利的影響。在某些情況下，例如在酵母生長或線蟲發(fā)育活躍階段，在應(yīng)答多種環(huán)境應(yīng)激，包括高壓氧和ROS生成增加（可成為信號分子）時，增強應(yīng)激抵抗，表現(xiàn)出壽命延長[39-40]。這些結(jié)果表明，適度的ROS產(chǎn)生促進長壽是通過誘導(dǎo)固有適應(yīng)性反應(yīng)對抗氧化應(yīng)激；這種機制可能是總應(yīng)激抵抗的發(fā)展及壽命延長所必須的。對低劑量毒物有利的應(yīng)答稱為低毒興奮效應(yīng)（hormesis）。而對mROS的適應(yīng)性有益應(yīng)答稱為線粒體低毒興奮效應(yīng)（mitohormesis），其已成為衰老和長壽通路中一個新的重要組成部分[41-43]。

鑒于外源性抗氧化干預(yù)對線粒體生物發(fā)生和內(nèi)源性抗氧化防御影響矛盾的報道，一個新的研究領(lǐng)域聚焦于表征應(yīng)答低水平應(yīng)激時適應(yīng)性細胞保護應(yīng)答的分子機制——低毒興奮效應(yīng)，這是一個雙相劑量效應(yīng)，非致命性應(yīng)激物在低濃度下產(chǎn)生陽性或刺激效應(yīng)，而高濃度產(chǎn)生抑制性或毒性效應(yīng)[20,44-45]，線粒體結(jié)構(gòu)和功能的改變可損傷氧化磷酸化，這反過來又減少能量產(chǎn)生、改變細胞的氧化還原狀態(tài)、增加ROS的產(chǎn)生，如何使氧化磷酸化蛋白表達的變化轉(zhuǎn)化為延長壽命？越來越多的證據(jù)表明，線粒體低毒興奮效應(yīng)是一個貢獻者，使衰老的線粒體理論指向一個新的方向?；诘投九d奮效應(yīng)的壽命延長作用，線粒體低毒興奮效應(yīng)理論認(rèn)為， 葡萄糖限制條件下mROS的產(chǎn)生可增強抗應(yīng)激能力，從而延長壽命[46-47]。

2　抗氧化劑的概念與必要性

越來越多的關(guān)注轉(zhuǎn)向于發(fā)現(xiàn)一些天然抗氧化劑化合物，其可以從草藥中分離，并有效地清除自由基。最近，抗氧化劑對這些有害的氧化誘導(dǎo)反應(yīng)的保護作用受到較多關(guān)注，尤其是在生物、醫(yī)療、營養(yǎng)和農(nóng)業(yè)化學(xué)領(lǐng)域[48]。氧化劑和還原劑是化學(xué)術(shù)語，在生物環(huán)境中，其通常分別被稱為“助氧化劑與抗氧化劑”。助氧化劑，是指對各種生物靶如核酸、脂類和蛋白質(zhì)，可誘導(dǎo)其氧化損傷的物質(zhì)。而抗氧化劑，可以有效地還原助氧化劑，并生成無毒性或低毒性產(chǎn)物的物質(zhì)。

抗氧化劑的最佳定義由Halliwell等[49]所提出，是指與可氧化的底物（DNA、蛋白質(zhì)、脂肪或糖類）相比，在低濃度時可顯著延遲或防止ROS引起該底物氧化損傷的物質(zhì)。這種保護可能是基于不同的作用機制，如抑制ROS或RNS的 產(chǎn)生和對其清除的能力、還原力、金屬螯合能力、1O2猝滅活性及H2O2分解活性?？寡趸瘎┳鳛橐环N防御性的因子，可對抗體內(nèi)自由基的效應(yīng)，不僅能消除ROS，還能調(diào)節(jié)細胞的氧化還原狀態(tài)，使氧化還原信號轉(zhuǎn)導(dǎo)成為可能。其通過抑制起始和延伸步驟，導(dǎo)致反應(yīng)終止并延緩氧化過程[50]，抑制疾病惡化的氧化機制[51]。

3　抗氧化防御系統(tǒng)

在體外，線粒體可將所攝入氧的1%～5%轉(zhuǎn)換成O2－?[52]，考慮到該數(shù)值是在較高（非生理）濃度的氧存在下測得的，在體內(nèi)，O2－?生成速率則可能會相對較低[33]。但是，機體不依賴于ROS生成的絕對量，并進化了幾個抗氧化保護系統(tǒng)，以對抗這些氧化劑的生成[53]。

3.1機體的抗氧化防御系統(tǒng)

人體的抗氧化防御系統(tǒng)，包括內(nèi)源性（酶和非酶）抗氧化劑，如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）及谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）（將H2O2轉(zhuǎn)化為水）等，和主要來源于膳食的外源性抗氧化劑，如親水性的自由基清除劑（VC和谷胱甘肽（glutathione，GSH）），與親脂性的自由基清除劑，即生育酚、類黃酮、類胡蘿卜素和輔酶Q（均直接清除O2－?和?OH及1O2）[5,54]。內(nèi)源性和外源性抗氧化劑共同（如協(xié)同）作用，以保持或重新建立氧化還原平衡，如VE的再生過程是通過GSH或VC防止脂質(zhì)過氧化（lipid peroxidation，LPO），LPO通過使受體、酶和離子通道失活可影響膜流動性或損傷膜蛋白，甚至破壞膜的完整性，最終導(dǎo)致細胞死亡[55]。兒茶素通過清除膜表面附近的親水性自由基而阻止VE的消耗，VE作為氫供體清除脂質(zhì)過氧自由基（LOO?）從而阻止自由基鏈反應(yīng)（鏈斷裂抗氧化劑）[56]。GSH和其他低分子質(zhì)量抗氧化劑，在保持足夠的GSH-Px底物水平及保持VE和VC的還原態(tài)方面發(fā)揮了重要作用[57]。

許多健康組織（如美國衛(wèi)生部等）建議，應(yīng)該攝取富含天然抗氧化劑的全食物，其包含營養(yǎng)素（如維生素）和植物化學(xué)物質(zhì)（如多酚）。事實上，人類是不能夠從頭合成這些抗氧化成分，而植物性食物，如蘋果、李子、香蕉、西紅柿、土豆、洋蔥、西蘭花等是這些抗氧化劑成分的天然來源[5,54,58]?？寡趸瘎┏颂烊淮嬖谟谑称吠猓瑥娀?、補充分離得到的抗氧化成分及攝入合成抗氧化劑，也是抗氧化劑的來源，如丁基羥基茴香醚（butylated hydroxyanisole，BHA）、二丁基羥基甲苯（butylated hydroxytoluene，BHT）、叔丁基對苯二酚（tert-butylhydroquinone，TBHQ）、丙基、辛基與十二烷基沒食子酸（最初用于保護和保持營養(yǎng)品質(zhì)及延長加工食品的保質(zhì)期）[59]。

3.2線粒體抗氧化防御系統(tǒng)與ROS的清除

線粒體亦具有酶和非酶抗氧化防御系統(tǒng)。該系統(tǒng)的非酶成分，包括親水性和親脂性的自由基清除劑，例如，細胞色素c、α-生育酚、α-硫辛酸、VC、還原型輔酶Q10和GSH。酶系統(tǒng)包括錳SOD（MnSOD）[60]、CAT、GSH-Px、磷脂氫過氧化物谷胱甘肽過氧化物酶（還原磷脂、脂蛋白和膽固醇酯上的氫過氧化物基團）[61]，以及參與氧化形式的小抗氧化分子還原的酶，如谷胱甘肽還原酶；負(fù)責(zé)保護蛋白質(zhì)巰基的酶，如硫氧還蛋白還原酶；或谷氧還蛋白還原酶和過氧化還原酶[62]。GSH由谷胱甘肽還原酶及還原型硫氧還蛋白2還原，還原酶的再生均依賴于煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate reduced，NADPH）。這些酶其相應(yīng)的基因突變與特發(fā)性心肌病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、糖代謝障礙及癌癥相關(guān)[63-65]。在結(jié)構(gòu)和功能完整的線粒體中，抗氧化防御能力能夠平衡ROS的生成，限制凈ROS的利用度。降低的抗氧化防御能力是增加的凈ROS生成和氧化應(yīng)激的先決條件[66]。

近年來，對抗氧化劑的攝入及其在降低慢性疾病，如癲癇、癌癥、冠心?。╟oronary heart disease，CHD）、中風(fēng)、糖尿病和關(guān)節(jié)炎發(fā)病率中的作用給予了極大的關(guān)注。提出抗氧化化合物的保護作用部分原因是由于抗氧化營養(yǎng)素（如VC和類胡蘿卜素）抑制LPO和氧化細胞損傷[67-68]。膳食補充乙?；鈮A和硫辛酸及富含類黃酮的植物提取物可預(yù)防年齡相關(guān)性小鼠生理功能下降，并解釋為是由于線粒體氧化損傷的保護或修復(fù)[69]。

線粒體氧化功能障礙，被許多常見的微量營養(yǎng)素缺乏所加速。一個主要的機制是抑制了線粒體血紅素生物合成途徑，從而導(dǎo)致血紅素a缺陷。通過這一機制，礦物質(zhì)，如鐵、鋅和幾種維生素缺乏（如生物素或泛酸），可促進線粒體氧化功能障礙。Ames等[70]提出，微量營養(yǎng)素的最佳攝入量，可以調(diào)整代謝，并以較小的代價明顯增進健康，特別適于窮人、老人和肥胖者。膳食中加入低分子質(zhì)量的抗氧化劑，如2-巰基乙胺[71]和2-乙基-6-甲基-3-羥基吡啶[72]，能夠?qū)崿F(xiàn)13%～29%的平均壽命延長。其他物質(zhì)，如N-乙酰半胱氨酸[73]、泛醌[74]和褪黑素[75]，可改善衰老線粒體功能，其效應(yīng)被解釋為抗氧化作用。

過度表達抗氧化酶及其他線粒體調(diào)節(jié)酶的轉(zhuǎn)基因動物壽命的增加促進了對衰老機制的理解。Schriner等[76]報道稱，過度表達人心臟線粒體CAT的轉(zhuǎn)基因小鼠已增加了平均和最大壽命。該種轉(zhuǎn)基因小鼠減少了年齡依賴性動脈粥樣硬化，并增加了基因組的穩(wěn)定性，如氧化應(yīng)激標(biāo)記物及心臟和肌肉線粒體DNA（mtDNA）缺失的減少所示。氧化損傷被減少，H2O2的生成和H2O2-誘導(dǎo)的順烏頭酸酶的失活被減輕，且線粒體的缺失減少了。這些結(jié)果支持線粒體的氧化應(yīng)激及損傷是健康和壽命的決定因素的概念[76]。從單一基因的上調(diào)所導(dǎo)致較大的壽命延長，提示上調(diào)相對較少的長壽基因，有可能會導(dǎo)致壽命的戲劇性增加[77]。因此，線粒體O2－?和H2O2的穩(wěn)態(tài)濃度降低能夠誘導(dǎo)生存期的延長[69]。

VC可以通過促進葡萄糖轉(zhuǎn)運子進入線粒體，并抗氧化損傷以保護線粒體。VC參與許多生物過程，是膠原蛋白、單胺、氨基酸、肽類激素和肉堿的合成步驟中一些酶的輔因子[78-79]及在多層次抗氧化防御中起重要作用。其可以直接代謝ROS，使α-生育酚（VE）維持還原形式，并介導(dǎo)電子傳遞過程中依賴于VC的過氧化物酶[79-80]。因凋亡性細胞死亡引起的組織致病性功能障礙，是氧化應(yīng)激一個重要的后果，使用抗氧化劑如VC可以使之降低[81]。

4　氧化還原平衡與抗氧化悖論

由于mROS的雙刃效應(yīng)，ROS形成和消除（由抗氧化酶和抗氧化劑）之間必須保持平衡。這意味著，過量的ROS造成機體損傷。然而，完全消除ROS會抑制機體應(yīng)答外部應(yīng)激因素（以適應(yīng)性應(yīng)激應(yīng)答的形式）反應(yīng)的能力[44]。ROS相關(guān)疾病可以是由于缺乏ROS（如慢性肉芽腫病、某些自身免疫性疾病等）或ROS過剩（如心血管疾病和神經(jīng)退行性疾病等）引起。對于ROS過剩引起的疾病，在臨床研究中補充抗氧化劑已被證明基本無效，很可能是因為其作用太晚、太小及特異性太差[82]。因mROS的雙重功能（促進細胞損傷與促進細胞適應(yīng)）使得它可能難以成為治療靶點。換言之，通過抗氧化劑抑制mROS對細胞功能不具有可預(yù)測的結(jié)果，因為mROS的作用因不同的環(huán)境條件而改變[26]。因此，術(shù)語“氧化還原調(diào)控”似乎更好地描述氧化還原狀態(tài)及其后果。ROS與抗氧化保護系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)作用，達到氧化還原平衡狀態(tài)[83]，筆者認(rèn)為，這頗類似于中醫(yī)學(xué)幾千年前就提出的陰陽平衡理論（陰平陽秘，精神乃治），在此，還原（抗氧化）屬陰、氧化屬陽。

氧化與抗氧化平衡是健康的關(guān)鍵。生理條件下，人體的抗氧化防御系統(tǒng)可以清除過剩的ROS，包括O2－?、?OH、RO?和ROO?。然而，離開在生物體的許多抗氧化機制中發(fā)揮了至關(guān)重要作用的外源性還原性物質(zhì)，如VC、VE、類胡蘿卜素和多酚化合物，我們的內(nèi)源性抗氧化防御系統(tǒng)則是不充分的。因此，對外源性抗氧化劑有持續(xù)需求，以防止氧化應(yīng)激的發(fā)生。然而，分離得到的抗氧化劑化合物在使用劑量較高時可能是有毒的，因為這種高濃度時的助氧化作用或其與生理條件下存在的最佳細胞功能需要的有益濃度的ROS反應(yīng)的可能性。本文探討膳食源最豐富的抗氧化劑化合物，特別是多酚類，VC、VE和類胡蘿卜素的雙刃效應(yīng)。強調(diào)指出，生理劑量的抗氧化劑通常是安全的，并表現(xiàn)出對健康有益的影響。

已確認(rèn)許多食品和飲料，包括水果、蔬菜、茶、咖啡和可可對人體健康的有益影響源于其抗氧化活性。所有需氧生物均具有抗氧化防御系統(tǒng)，包括抗氧化酶和抗氧化成分，可清除或修復(fù)受損的分子。保護細胞對抗氧化應(yīng)激是由抗氧化酶交互網(wǎng)與化學(xué)抗氧化劑共同完成[84]。此外，酶在一些食品中的應(yīng)用，已被作為新型天然抗氧化劑來評價，其可以被有益地用來除去ROS并降低脂質(zhì)氫過氧化物?？寡趸衔锬芮宄杂苫?、延緩LPO反應(yīng)過程（這是食品和藥品在加工和儲存過程中變質(zhì)的主要原因之一）以增加保質(zhì)期[85]?？寡趸瘎┛梢员Ｗo人體免受自由基和ROS的影響，其延緩許多慢性疾病及LPO的進展?？寡趸瘎┩砑拥绞称分?，以防止氧化的自由基鏈反應(yīng)，并通過抑制起始和延伸步驟，導(dǎo)致反應(yīng)終止并延緩氧化過程[50]。

不加批評地接受一個事實，即生物分子及其降解產(chǎn)物中額外氧原子的存在是氧化的標(biāo)志，這導(dǎo)致抗氧化劑定義的誤導(dǎo)。根據(jù)電化學(xué)原理抗氧化劑必須具有還原性，但除了VC和GSH，只有極少數(shù)的天然物質(zhì)具有還原性[86]。因此，VC不但不能防止氧化應(yīng)激的后果[87]，相反卻具有有害的效應(yīng)則并不奇怪[88]?；谶@些事實，提出了抗氧化悖論，即不能證明抗氧化療法對氧化應(yīng)激相關(guān)疾病，如動脈粥樣硬化，表現(xiàn)出顯著的效果[89]。另一證據(jù)表明，使用抗氧化劑預(yù)防或治療高血壓無效，說明其沒有益處[90]。與此相反，富含水果、蔬菜和粗糧的膳食卻可通過減少自由基的應(yīng)激保護心血管系統(tǒng)并能降低血壓[91]。

5　抗氧化效應(yīng)

在過去的幾年中，抗氧化劑在保護生物體或組織，或非生物系統(tǒng)對抗氧化應(yīng)激方面的重要性已經(jīng)越來越明顯，其被各種領(lǐng)域，包括生理學(xué)、藥理學(xué)、營養(yǎng)和食品加工方面的研究所支持[92]。在食品領(lǐng)域，抗氧化劑被定義為能夠延遲、減緩或防止酸敗，或其他因氧化而致食品香味變質(zhì)的任何物質(zhì)?？寡趸瘎┩ㄟ^延長誘導(dǎo)期延緩異味的變化，這一時期結(jié)束后添加抗氧化劑延遲酸敗是無效的。此外，其還可按兩種方式抑制或延緩氧化：可以通過清除自由基抗氧化，在這種情況下，該化合物被稱為初級抗氧化劑，或通過不涉及直接清除自由基的機制。初級抗氧化劑包括酚類化合物，如α-生育酚，這些化合物在誘導(dǎo)期被攝入。次級抗氧化劑則通過多種不同機制發(fā)揮作用，如金屬離子的螯合、ROS的清除、將氫過氧化物轉(zhuǎn)換為非自由基物質(zhì)、UV輻射的吸收或1O2的失活等。通常情況下，次級抗氧化劑只有當(dāng)?shù)诙N微量成分存在時才有抗氧化活性。如多價螯合劑檸檬酸僅在金屬離子存在的情況下有效，而還原劑，例如VC，在生育酚或其他初級抗氧化劑存在時才有效[93]。

抗氧化活性的原理是根據(jù)可利用的電子中和任何自由基。另外，抗氧化活性與芳環(huán)上不同類型羥基的數(shù)量和性質(zhì)有關(guān)。一般 認(rèn)為，作為氫供體及抑制氧化的能力隨酚環(huán)羥基數(shù)的增加而增強。酚類化合物是一大類非常多樣化的植物化學(xué)物質(zhì)，廣泛分布于植物中，如水果、蔬菜、茶葉、橄欖油、煙草等。表現(xiàn)出抗氧化性能的物質(zhì)，可用于人類的食物成分，或作為特定的預(yù)防藥物。因此，抗氧化劑已成為食品保鮮技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)療保健的重要組成部分，這與具有抗氧化藥理活性的植物中酚類化合物，尤其是酚酸和類黃酮的存在有關(guān)。

6　天然抗氧化劑

目前比較常用的合成抗氧化劑為酚類化合物，如BHA、BHT、TBHQ和沒食子酸丙酯（propyl gallate，PG），這些合成的抗氧化劑最常應(yīng)用于食品中及藥理學(xué)研究。合成抗氧化劑總是被烷基取代，以改善其在脂肪和油中的溶解度。但由于毒性和致癌作用，BHA和BHT已被立法機構(gòu)限制其使用。因此，可在食品中應(yīng)用的安全、天然的抗氧化劑引起人們的濃厚興趣，消費者越來越喜歡天然抗氧化劑，并推動了對天然抗氧化劑來源的探索。

天然抗氧化劑被發(fā)現(xiàn)于幾乎所有的植物、微生物、真菌、甚至動物組織中。酚類化合物是植物次生代謝產(chǎn)物且天然存在于幾乎所有的植物材料，包括植物源食品。人類膳食中含有具有抗氧化活性或基于其結(jié)構(gòu)特性可清除ROS的一系列不同化合物。膳食抗氧化劑最突出的代表有VC、VE、類胡蘿卜素和黃酮類化合物。除了VC，這些抗氧化劑中的每一組均由結(jié)構(gòu)不同的化合物組成，例如，到目前為止已經(jīng)鑒定了600多種類胡蘿卜素且其中約50 種可能會出現(xiàn)在人類膳食中[94]。這些化合物被認(rèn)為是人類和動物膳食不可缺少的部分[95]。大部分天然抗氧化劑是酚類化合物，并且最重要的天然抗氧化劑類別有生育酚、類黃酮和酚酸。在膳食中，有可能存在這些不同化合物的協(xié)同效應(yīng)且目前尚難以評價。事實上，膳食作用可被認(rèn)為是成分之間相互作用引起的協(xié)同效應(yīng)，這是個別成分所沒有的性質(zhì)。

在體外研究中強調(diào)了植物性食物成分的細胞保護活性，如多酚類物質(zhì)及其混合物對抗氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細胞死亡有預(yù)防作用[96-97]。雖然公認(rèn)植物化學(xué)成分的抗氧化活性[5-6]，但在一定條件下其也可表現(xiàn)助氧化活性，如高劑量或金屬離子存在時[98]。助氧化或抗氧化活性與其濃度密切相關(guān)。在這方面，最近采用細胞模型的研究強調(diào)指出，已知作為抗氧化劑的幾種多酚物質(zhì)具有助氧化活性，如槲皮素、兒茶素（包括表兒茶素與表沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯（epigallocatechin-3-gallate，EGCG））和沒食子酸[99-100]。例如，已經(jīng)證實，高劑量的槲皮素（50 μmol/L）可以在離體線粒體和培養(yǎng)的細胞中增強O2－?的生成[99]。在另 一項研究中，觀察到低劑量（0.1～20 μmol/L）槲皮素具有抗氧化活性，而濃度較高（＞50 μmol/L）時卻降低細胞總抗氧化能力、細胞存活率和活力、巰基含量、SOD、CAT及谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase，GST）活性[100]。也已證明，低濃度（10～25 μmol/L）的黃酮類化合物（如槲皮素和漆黃素）保護大鼠H4IIE細胞對抗H2O2誘導(dǎo)的細胞毒性、DNA斷裂和細胞凋亡，而高濃度（50～250 μmol/L）則引起細胞毒性、DNA損傷和細胞凋亡[98]。因為高濃度的黃酮類化合物可以通過自氧化（如楊梅酮和六羥黃酮）或氧化還原循環(huán)（如槲皮素）產(chǎn)生ROS[101]。

酚類抗氧化劑在清除自由基時，可形成活性較低的酚氧自由基，由于芳環(huán)周圍未成對電子的離域作用而使之穩(wěn)定。然而，即使這些自由基是相對穩(wěn)定的，卻也可以表現(xiàn)助氧化活性，誘導(dǎo)細胞損傷[102]。公認(rèn)多酚（或富含抗氧化劑的水果和蔬菜）對抗癌癥發(fā)展的化學(xué)預(yù)防機制之一是抑制癌變的第一步——起始，其發(fā)生于DNA氧化損傷引起突變之后[103]。另一個可能的抗癌機制是單一膳食多酚的助氧化活性及促使線粒體功能障礙從而使細胞凋亡[102]。

事實上，已證明經(jīng)常食用水果和蔬菜的人群死亡率較低，可能是由于植物性食物可對抗癌癥或心血管疾病等與氧化應(yīng)激相關(guān)的慢性疾病的發(fā)展[104]。然而，一些特定的食品，如蘋果和洋蔥對肺癌和冠心病有保護作用。流行病學(xué)專家推測，蘋果和洋蔥對肺癌的有益影響，可歸因于少數(shù)甚至個別的物質(zhì)，如動物實驗研究中槲皮素對致癌物質(zhì)表現(xiàn)出強大的化學(xué)預(yù)防活性[105]。然而，越來越多的證據(jù)顯示，植物性食物的健康益處可能不會歸因于某一個特定的化合物，而是歸因于整個水果和蔬菜，即其中的植物化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)復(fù)雜的協(xié)同作用[103,106]。且在許多人體補充單一物質(zhì)實驗中未觀察到其健康益處，甚至提出抗氧化成分，在一定條件下可能是有毒的，例如高劑量或缺乏協(xié)同化合物時[7]。

個別抗氧化劑缺少有益的活性，甚至有毒，可能由于劑量差異所致[107-108]。由于對劑量的依賴突出了復(fù)雜混合物的重要特性，如全食物含有維生素、礦物質(zhì)等必需成分、膳食纖維和許多非營養(yǎng)植物化學(xué)物質(zhì)，包括黃酮類、酚酸類、幾種類胡蘿卜素等。一些研究表明，單獨補充VC、VE或β-胡蘿卜素沒有任何有益效應(yīng)[107]。如給30 名健康人每天補充500 mg高劑量的VC，引起淋巴細胞DNA的氧化損傷增加，表明高劑量的助氧化作用[108]。另外，通過補充VE和VC未能減少吸煙者DNA的氧化損傷[109]。與此相反，一些食用富含VC的水果和蔬菜的健康志愿者，DNA氧化損傷的水平卻下降了。有人提出，在生理條件下，VC的抗氧化性能超過其助氧化活性[109]。人體實驗和體外研究表明，氧化應(yīng)激導(dǎo)致VC和VE快速耗竭[110]。反之，VE的缺乏引起轉(zhuǎn)基因小鼠氧化應(yīng)激紊亂[111]。因此VC 與VE之間的協(xié)同作用對預(yù)防LPO很重要[3]。

除了抗氧化劑的活性在體內(nèi)受不同濃度影響外，氧代謝物的雙刃效應(yīng)也有據(jù)可查。細胞的氧化還原狀態(tài)及其波動決定其功能。在低劑量時，ROS對多種生理功能起關(guān)鍵作用，如細胞信號傳導(dǎo)、基因表達、免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)及促進抗氧化防御機制[3,112]。例如，已經(jīng)證實至少有40多種基因在哺乳動物細胞中被H2O2激活[113]。因氧化還原平衡對健康尤為重要，所以，盡管高劑量的抗氧化劑可作為助氧化劑，其也與最佳細胞功能所需的生理濃度ROS相互作用，破壞氧化還原平衡，導(dǎo)致細胞功能障礙。

7　結(jié) 語

線粒體是細胞生物能學(xué)的必要調(diào)節(jié)器，以應(yīng)答環(huán)境刺激（如激素、營養(yǎng)成分與氧張力）的變化。適應(yīng)性的抗氧化系統(tǒng)對維持細胞臨界氧化還原的平衡至關(guān)重要，因為線粒體可適應(yīng)于ROS通量的變化，且其在細胞適應(yīng)過程中起核心作用：在應(yīng)答多種刺激時調(diào)節(jié)代謝、生物能學(xué)和ROS效應(yīng)，以促進細胞生長和存活或死亡。氧化還原信號可快速適應(yīng)于各種環(huán)境刺激，依賴于氧化還原的過程影響細胞的大部分功能，如分化、增殖和凋亡。線粒體是這些過程的中心，因為線粒體既生成ROS以驅(qū)動氧化還原敏感事件，又應(yīng)答ROS介導(dǎo)的細胞氧化還原狀態(tài)的變化[114]。線粒體氧化還原平衡的破壞參與線粒體疾病、癌癥、神經(jīng)退行性疾病和心血管疾病的發(fā)病機制[115]。因此，保護線粒體對健康長壽具有重要意義[116]。

氧化與抗氧化平衡是健康的關(guān)鍵所在。在細胞氧化還原態(tài)，雙刃劍效應(yīng)不僅涉及ROS，還有抗氧化劑。生理劑量的外源性抗氧化劑可以保持或重新建立氧化還原平衡。然而，高劑量的外源性抗氧化劑可能會破壞氧化還原平衡。服用抗氧化化合物的人類流行病學(xué)研究和實驗，與食用天然食品（如水果、蔬菜、糧食等）的對比中發(fā)現(xiàn)，植物化學(xué)物質(zhì)和營養(yǎng)成分對健康有益。植物性食物中的物質(zhì)可能比補充單一的、高劑量的化合物更安全和健康。植物性食物的有益活性可能源于兩個主要因素：1）一般在天然食物基質(zhì)中的營養(yǎng)和非營養(yǎng)物質(zhì)濃度都較低；2）植物化學(xué)成分和營養(yǎng)物質(zhì)的復(fù)雜混合物是共同作用或協(xié)同作用的。從研究中觀察到矛盾的結(jié)果，可能是由于補充時一般未考慮這兩個因素。

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Recent Advances in Mitochondrial Oxidative Stress and Natural Antioxidants

LI Xingtai, JI Ying (College of Life Science, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Abstract:Reactive oxygen species (ROS), mainly from mitochondrial respiration, is a “two-edged sword”. On one hand, they are widely involved in cellular signal transduction and life processes at physiological concentrations; on the other hand, they can cause mitochondrial oxidative stress when overdo se used, resulting in aging and related diseases. How to maintain the balance of oxidation and antioxidant (redox balance), neither excessive oxidative damage, nor excessive antioxidant affect the normal redox-dependent signal transduction, is extremely important for health. Therefore, the relationship between cellular redox regulation and aging mechanism is no longer the simple “free radical theory of aging”, nor the simple anti-aging with antioxidant. Antioxidants are necessary for good health, and an antioxidant-rich diet may help reduce the incidence of cardiovascular diseases, neurodegenerative diseases, cancer and other major diseases. This review describes the importance of oxidation and antioxidant balance for health from the perspectives of mitochondrial oxidative stress, the necessity and sources of antioxidants, antioxidant defense systems, redox balance and antioxidant paradox, natural antioxidants, etc. New ideas for promoting health and anti-aging are provided.

Key words:mitochondria; oxidative stress; antioxidant; reactive oxygen species; redox balance

doi:10.7506/spkx1002-6630-201507048

中圖分類號：Q505

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6630（2015）07-0268-10

作者簡 介：李興太（1966—），男，副教授，博士后，研究方向為功能食品及中藥線粒體生化藥理。E-mail：xtli@dlnu.edu.cn

基金項目：大連市科技計劃項目（2013E15SF131）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（DC12010210）；大連民族學(xué)院人才引進科研項目（20116126）

收稿日期：2014-06-04