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1、 自 由 基 生 物 学 课 程 讲 稿第一章自由基的产生及其化学性质一、什么是自由基如方程式1、2所示，当 A 与 B两个分子或原子间形成共价键时，可以看作它们共享一对电子，这两个电子既可以是一个分子所供给的，也可以是每个分子各奉献出一个电子，前者称为配位作用，后者称为共价结合。10A:-+B+A:B配位作用1A.+B.A:B共价结合2其逆过程，即当一个共价键离解时，必需要供给能量自由能。反响式1的逆过程称为异裂，反响 式2的逆过程称为均裂。在均裂时所产生的分子或原子含有一个不配对电子这，种分子常具有高度化学活 性氧化活性。正由于如此，它们的寿命也极短暂。这些可单以独存在的具有一个或几个不配
2、对电子的分 子或原子就称为自由基free radical，用R表示，即在分子式的右上角加一个黑点作为自由基的特征标记，以表示存在着不配对电子。依据这个定义，我们可知道氯原子Cl、氧原子O:和 OH等都是自由基。有些自由基即使在室温的溶液中也是稳定的如，氧原子一个稳定的双基。有些自由基带有负电荷或正 电荷，所以叫做离子自由基或离子基。这种自由基往往又是氧化复原反响的中间产物。在氧化复原反响过程中，中性分子承受一个电子而变成负离子基，或失去一个电子而成为正离子基。二、自由基的产生一般而言，自由基是通过共价键的均裂而产生的，但也可通过电子俘获而产生。R+e-R.自然存在的自由基一般都是有用的自由基如
3、氧原子，或者是半衰期比较短的自由基如氯原子。但 是，由于某些分子，尤其是共价结合的有机分子吸取外部能量而产生均裂时所，形成的自由基是格外有害的。共价分子发生均裂而形成自由基的机制有：热解、光解和氧化复原反响。(1) 热解很多化合物，特别是含有弱键的有机化合物可以发生热均裂反响，生成活泼的自由基。典型的例子是热锅炒菜时，脂肪、蛋白质和糖类等有机养分物发生的热均裂反响；抽烟时，烟草的不完全燃烧也产生大量的自由基。(2) 光解电磁辐射可见光、紫外线、X 射线或粒子轰击如高能电子都可供给使共价键裂解的能量而形成自由基。如紫外线照耀可使水发生均裂而生成羟自由基OH:H O紫 外 线H+OH2羟自由基可与
4、机体内的有机物发生一系列的氧化复原反响，导致机体损伤，突变，甚至死亡。这就紫是外线杀菌的原理。（3） 氧化复原反响氧化复原反响过程中产生的电子转移也可形成自由基。机体的生命活动离不开能量，这种能量主要由养分物质来供给，生物体可将养分物氧化复原而自控地供给能量，这一过程产生了大量的电子，但是，电子可通过生物体的电子传递链有序地传递而产生少量的自由基中间产物，从而避开了大量的自由基对机体本身的损害。然而，有些时候机体中发生的氧化复原反响也可产生大量的自由基因，此对机体造成极大的损害。例如， 积食所造成的食物不完全氧化，便秘或宿便所造成的食物残渣被机体回收利用等。三、自由基的化学反响（1） 湮灭反响
5、两个自由基可发生自我湮灭反响self-annihilation又称复合反响或复合作用：R. + R.R-R但在正离子基和负离子基之间未见到这种反响，由于电荷一样时，二者由于静电相斥而发生排斥作用。（2） 夺氢反响这是格外普遍的自由基反响，也是自由基致年轻的主要缘由。R. + A-HR-H+A.夺氢反响在自由基去除剂的反响中也很重要，如硫醇类有机物大蒜、姜、葱等具有辛辣味的蔬菜中富有含有-SH 基团，在溶液中可与自由基发生包括夺氢反响在内的一系列反响：R. + X-SHR-H+X-S. 2X-S.X-S-S-X由此可见，硫醇类有机物在生物系统中是一种有效的自由基去除剂详见第三。章（3） 耗氧反响
6、+R.O2RO 2RO 2+ A-HR-OOH+A.这个反响是自由基使机体产生老年斑的主要缘由。碘、硫和醌类可代替氧发生这个反响。（4） 歧化反响有时一个自由基可从另一个自由基的碳上夺取一个质子，变成安定的化合物，另一个自由基则变成不饱和化合物，其结果与复合作用一样，使自由基消灭，以终止自由基反响，例如：2CH -CH .32岐 化 酶CH =CHCHCH+-2233（5） 加成反响X-C=C-X+R（6） 链锁反响RX-C-C-X有时，一个自由基的反响产物成为另一个自由基反响的底物，从而引起一系列的自由基链式反响，称为自由基的链锁反响。自由基链式反响包括三个阶段，即引发、增长和终止阶段。其过
7、程如下：A-A2A.引发A. + B-CA-B+C.C. + A-AA-C+A.扩展从总体来说，反响起始时，引发阶段占主导地位，反响体系中的生自由基形成很多链的开端，反响底物的浓度也很高。这时，反响体系中以扩展阶段为主体，假设起始时n有个引发自由基，那么在扩展阶段中 就有n 条反响链。当反响到确定阶段后，体系中的非自由基底物越来越少，自由根本身相互碰撞的时机也越来越多，于是终止阶段也就到来：2A.A-A2C.C-C终止A. +C.A-C固然，假设反响体系中从一开头就有抗氧化剂自由基去除剂存在，那么它很快就捕获住由引发产生的自由基，使反响不能扩展，从而很快终止了自由基的链式反响。抗氧化剂在生产上
8、很重要，主要有硫、磷、酚类、维生素E、维生素C、胡萝卜素等。2-CH=CH-CH - +R.RH+-CH=CH-HC.-O2-CH=CH-CH - +-CH=CH-HCO .-22-CH=CH-CH- 败酸O-OH图 1-1老年斑形成过程（7） 脂类过氧化作用自由基链锁反响的最好例子是脂类过氧化作用。生物膜中含有多种不饱和脂肪酸。如细胞膜、线粒体膜、 溶酶体膜和内质网膜等，它们均含有种类繁多的不饱和脂肪酸，其特点是：当有自由基和氧存在时，就发生氧化变质，常常伴有一股难闻的酸败气味，并且使得食物不行口。这是食品过期变质的原理。这一作用对于理解自由基对细胞的损伤也是重要的。即 R.可从不饱和脂肪酸
9、分子上夺走氢，使其变成自由基，不饱和脂肪酸自由基再吸取氧而形成败酸。败酸再和组织蛋白质结合形成脂褐质，俗老称年斑，即动物和人的神经细胞、心脏、肝及皮肤在老年时消灭的点状或弥散状色素冷静其。反响通式如图1-1：其次章活性氧一、氧的毒性大约 2109 年以前，地球上开头消灭氧气，随着臭氧O 在高空的消灭，以及臭氧和氧把有害的太阳3紫外线吸取掉后，才使较简洁的陆生生物的进化成为可能氧。气是地球上一切需氧生物赖以生存的必备条件， 但恰好又是最终导致其年轻或死亡的罪魁祸首。缘由是氧具有毒性！正常人静脉血中氧的含量为40mmHg，当氧的浓度增高时，就会发生中毒现象，主要表现为慢性中毒。 例如，1940 年
10、觉察很多早产婴儿眼晶体纤维化，到了1954 年才知道这是由于把早产婴儿放在高氧浓度的育 婴箱中造成的。后来认真把握氧的浓度后，这种病就不常见了。高浓度氧常能抑制视网膜血管的生长，当回复到正常浓度时，血管就会过分生长，有时会造成视网膜脱落，随后失明。高浓度氧对内分泌也有影响，使畸胎率增高。二、活性氧及其在生物体内的产生1. 活性氧的定义氧的毒性不是由于氧分子本身的反响力气，它的反响力气相对来说是微缺乏道。氧的毒性是由于氧分子复原成水时产生的很多中间产物，其中的绝大局部都是自由基，因此，把这些中间产物统称为活性氧active oxygen species，即氧分子被复原成水时所产生的中间产物的统称
11、，它包超括氧阴离子superoxide anion-O 、羟自由基hydroxyl radical OH、过氧化氢分子hydrogen peroxideH O 、烷氧基 RO、烷过氧222基 ROO、氢过氧化物ROOH 和氧分子 O2本身等等。其中 ROO和 ROOH又称为脂类过氧化物。氧分子还原成水的全过程如下：-O+e-O 222H+-O +e-H O222H O+e-OH.+H OH+222OH.+e-H OH+22. 活性氧的产生细胞在正常代谢过程中，或者受到高能辐射时，以及由于高压氧，药物抗癌药、抗生素、杀虫剂、麻醉剂等代谢、吸烟和受到光化学空气污染物等作用都能产生活性氧。三、活性氧
12、的毒性1. 羟自由基的毒性OH 格外活泼，几乎能与活细胞中任何分子发生反响，且反响速率极快。能反响的物质普及糖、氨基酸、磷脂、核酸和有机酸等。OH 是最活泼的自由基之一，在活性氧中也是最活泼的。它的反响可分为三大类夺：氢、加成和电子转移。其中夺氢和加成反响是OH导致生物机体细胞损伤、年轻或死亡的重要缘由。夺氢反响：OH 可从醇类上夺走一个氢原子，并与之结合生成水，使醇碳原子带有一个不成对电子。以乙醇为例：CH CH OH+OH.CH C. HOH+H O3232两个碳自由基可通过不成对电子构成共价键而生成非自由基产物：CH C. HOH+CH C. HOHCH CHOH333CH CHOH3O
13、H 与生物膜上的卵磷脂就是通过夺氢反响产生碳自由基而造成膜损伤的。O当H攻击糖，例如DNA中的脱氧核糖时，能产生很多不同的产物，其中有些具有致突变作用。加成反响：OH可与 DNA 中嘌呤或嘧啶的-C=C-发生加成反响，生成嘌呤或嘧啶自由基，这些自由基再发生一系列的反响，最终引起DNA链的断裂，严峻损伤DNA，以至于不能修复，使细胞死亡。即使活着也会发生突变或癌变。.电子转移：OH可与无机物或有机物发生电子转移。如：Cl-+OHCl.+OH-以上各种反响可见，OH 假设在机体内产生，那么它可以马上与四周的任何生物分子发生反响，生成活性各异的次级自由基，从而导致机体不同程度的损伤。2. 超氧阴离子的毒性-O 是氧分子被复原成水时所产生的第一个活性氧自由基，其化学反响性质O较H弱，具有双重性质，2既可作为电子供体复原剂，又可作为电子受体氧化剂。当其作为弱碱起作用时，可以成为电子供体，即复原剂，例如它能复原细胞色素一种含血红素的蛋白质和血红蛋白，使血红素中心的Fe3+复原成Fe2+：2细胞色素CFe3+/血红蛋白Fe3+ +O -O+细胞色素CFe2+/血红蛋白Fe2+2当它作为电子受体起作用时，可以成为弱氧化剂，能氧化抗坏血酸：抗坏血酸维生素C +O-+H+H O22 2+抗坏血酸维生素C自由基 剧毒也能使与NADH结合的酶如乳酸脱氢酶形成NAD 自由基：酶-+2NADH+O
