活性氧物种(缩写为ROS)是指含氧之化学活性分子,其中包括过氧化氢(H2O2)、次氯酸(HClO)、羟基自由基(HOŸ)、单线态氧(1O2)等。ROS是在正常新陈代谢后,由氧形成的天然副产品,在细胞讯息传递(cell signaling)及体内平衡(homeostasis)方面扮演重要的角色。然而在外界环境属于逆境时(如暴露在紫外线及高温下),ROS的浓度会急剧升高。这种现象会对细胞结构造成明显损害,长期累积下来,就形成氧化损伤(oxidative stress)。ROS也可能源自外来因素,如电离辐射(ionizing radiation)。

讯息传递与损害之效应

在正常的情况下,细胞会用一些酶对抗ROS之损害,如α-1-微球蛋白(alpha-1-microglobulin)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutases)、过氧化氢酶(catalases)、乳过氧化物酶(lactoperoxidases)、麸胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidases)以及过氧氧化还原蛋白(peroxiredoxins)。小分子的抗氧化剂如抗坏血酸(维生素C)、生育酚(维生素E)、尿酸及穀胱甘肽(glutathione)在作为细胞抗氧化剂方面,也扮演重要的角色。多酚抗氧化剂也有类似功能,可经由清除自由基而防止ROS造成伤害。比较起来,细胞外的抗氧化剂功能较小,例如人体最重要的血浆抗氧化剂是尿酸。

有许多种ROS对细胞新陈代谢造成的效应,已经充分被研究。这些效应不但包含ROS在细胞凋亡(apoptosis)中的角色,也有些正面的效应,如引发基因的主体防御,以及启动离子运输系统。这也代表ROS可作为生物体的传讯者,这种现象称为氧化还原讯息传递(redox signaling)。特别的是:血小板在参与伤口的修复及调整体内血液平衡时,会释放ROS,召集更多血小板到受伤的部位。此时也会经由召集白血球,调整免疫系统。

为回应许多发炎现象,包括心血管疾病,活性氧物种会参与细胞活动。动物与人体各式各样的听力障碍,无论是高音量引发的耳蜗受损、顺铂等药物的耳毒性,或先天耳聋,都与活性氧物种有关。细胞凋亡及缺血性损伤,如中风及心肌梗塞,也与活性氧物种的氧化还原讯息传递有关。

一般而言,活性氧物种所造成的伤害中,最常见的有:

1. DNA的损害。

2. 脂质中不饱和脂肪酸的氧化(脂质过氧化反应)。

3. 蛋白质中胺基酸的氧化。

4. 辅因子的氧化反应而造成特定酶的氧化性钝化作用。

细胞内的产生方式

自由基主要是在胞器(organelle)──例如粒线体──内产生,并释放到胞质液中。粒线体帮细胞把能量转化成有用的形式,腺苷三磷酸(ATP)。产生ATP的过程称为氧化磷酸化(oxidative phosphorylation),其中涉及利用电子传递链(electron transport chain)运输质子(氢离子),使质子穿过粒线体内膜。在电子传递链中,经由一系列蛋白质的氧化还原反应传递电子,链上的每一个受体蛋白质之还原电位,都比前一个受体蛋白质的还原电位高。电子沿着这条链传送的终点,是一个氧分子。在正常条件下,氧分子被还原,而产生水,然而沿着这条链传递的电子中,有0.1~2 %使氧过早且不完全还原(这个数据是对隔离的粒线体研究而得来的,在活体中準确的比率仍未获科学界的共识),而产生超氧自由基(·O2–)。超氧化物本身的活性并非特别大,但它可以使特定的酶钝化,或者它的质子化形式──过氧化氢基(HO2·)──启动脂质过氧化反应。

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参考资料:

1. 活性氧物种http://en.wikipedia.org/wiki/Reactive_oxygen_species

2. B. Rada, T. Leto, Contrib Microbiol. 2008, 15, 164-187

3. G. E. Conner, M. Salathe, R. Forteza, Am J Respir Crit Care Med. 2002,166, 57-61