肝损伤时的抗氧化防御机制

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1、一、前言肝脏是人体最大的实质性器官，执行大量的新陈代谢的功能，是药物和其他 异物如杀虫剂主要的代谢器官。这些功能的实行需要线粒体中很多的有氧代谢来 提供足够量的三磷酸腺苷（ATP）。然而，这种代谢过程可不断产生一些氧化活 性物质（reactive oxygen species, ROS）。除此之外，药物的代谢和炎症时细胞 的损伤能明显地增加细胞与器官氧化应激的负担。本篇重点讨论活性氧和过氧化 硝酸盐的形成，介绍不同细胞和血管腔隙中抗氧化系统，并分析肝脏中过多的氧 化应激所产生的不良后果。二、活化氧和氮的中间产物氧分子可以通过一个电子的转移生成超氧化物（O2-），过氧化氢（H2O2），羟 自由基

2、（OH.），然后可以生成水。超氧化物不稳定，可在超氧化物歧化酶的作用下 快速生成过氧化氢和单价氧分子，以及另一个ROS。然而，在一氧化氮中，超氧 化物易跟一氧化氮反映，生成过（氧化）亚硝酸盐。过（氧化）亚硝酸盐生成的 比率取决于一氧化氮和超氧化物（一级动力学）的浓度，这个反应倾向于扩散控 制。在生物体内，由于二氧化碳和碳酸氢根的普遍存在，过（氧化）亚硝酸盐根 二氧化碳快速反应，生成反应中间体，这些中间体是可以高效的氧化和硝化的物 质。除此之外，过（氧化）亚硝酸盐可以经过质子化生成过氧乙酸，过氧乙酸是 很强的氧化剂。过氧化氢可以与过渡态金属发生氧化还原反应，生成羟基（芬顿 反应）。然而，如果吞噬

3、细胞释放髓过氧化物酶（myeloperoxidase，MPO），次 氯酸就会产生，次氯酸也是一种强力氧化剂。除了一些被发现的活性中间体，一 些次要的自由基也可以形成，如烷基、过氧自由基和烷氧自由基。一般而言，在 反应中，次要的自由基反应活性低且有更多的选择性。在机体中，这些活性氧和 氮的形成和浓度的稳定取决于很多因素，包括：前体的形成率，解毒反应，酸碱 度和过渡金属的可利用性。三、细胞内和血管中氧化剂的来源1线粒体所有的肝细胞和脉管产生的主要的初始氧化活性物质就是超氧化物和 过氧化氢。细胞内一种主要的连续的超氧化物形成的来源就是：线粒体中的电子 传递链。每个细胞中约有2%的氧用来产生超氧化物。

4、 即使在生理条件下，还原 型辅酶I脱氢酶（复合体1）和泛酿细胞色素b复合体（复合体3）也能释放超 氧化物。研究发现，在缓慢的安静状态下，每分钟呼吸四次，线粒体中超氧化物 的形成最多，话句话说，当呼吸链中的组分主要处于简化形式时，超氧化物的形 成最多。当线粒体受损时，线粒体中的超氧化物可以明显增加。当超氧化物从电 子传递链中释放出来时，它可以和一氧化氮反应生成过（氧化）亚硝酸盐。据推 测，线粒体中包含一氧化氮合成酶（NOS）。然而，是否真的存在一氧化氮合成酶 还是个问题。不过，当一氧化氮从线粒体外扩散进线粒体时，线粒体中也可以形 成过(氧化)亚硝酸盐。除了位于线粒体内膜的电子传递链，位于外膜上的

5、单胺 氧化酶也可以产生一定量的过氧化氢，它是通过生物胺的氧化脱氨作用产生的。 由于定位的关系，单胺氧化酶对线粒体内和胞浆内的氧化应激具有重要的贡献。 已证实，线粒体的氧化应激与它在某种情况下的功能异常有关：如缺血再灌注， 化学缺氧，细胞外的氧化应激，乙醇的毒性和胆汁酸。在对乙酰氨基酚肝毒性中， 活性氧和过(氧化)亚硝酸盐在线粒体中形成。2微粒体在异源性物质 I 相代谢的过程中，微粒体中的细胞色素 P450 酶类系统可 以释放活性氧中间体。有资料显示，分离出的微粒体可以产生过氧化氢和超氧化 物。然而，药物代谢的体内实验很少能证实氧化应激的增加，说明体内完整的细 胞中细胞色素 P450 酶类和分离

6、出的微粒体相比，产生的氧化活性物质比较少。 另一方面，细胞色素 P450 2E1 是肝脏中乙醇代谢时，产生氧化活性物质的主要 来源。此外，肝脏中的药物代谢可以引起二次氧化应激，例如，损伤线粒体和影 响过渡态金属的动员。一种严重的氧化应激可以通过氧化还原因子的代谢产生， 如敌草快，百草枯，维生素K。这些化合物质可以通过细胞色素P450还原酶转 化为一种基础的物质，从而可以为氧转化为超氧化物提供原始材料。氧化还原循 环的因子在被排泄和产生强大的氧化应激前，可以经历很多的循环，使肝脏严重 受损。3过氧化物酶体过氧化物酶体包括很多的氧化酶，例如，脂肪酸酰基辅酶 A 氧化酶，氨 基酸氧化酶和尿酸氧化酶，

7、它们的主要作用就是产生过氧化氢。这是因为在过氧 化物酶体中有很多过氧化氢酶，在生理条件下，对其不利的影响很少。然而，高 脂饮食和药物这些过氧化物酶体增值剂可以引起脂肪酸酰基辅酶A氧化酶的增 加，并增加细胞器中氧化应激的可能性。4胞浆黄嘌呤脱氢酶是所有肝细胞的胞浆中主要的酶。虽然在肝脏的三种细胞 中，这种酶的活性是一样的，但是肝细胞包含了大于85%的该种酶的总活性。长 期的缺血和某些药物可以引起该酶的蛋白水解，导致结合辅酶烟酰胺腺嘌呤二核 苷酸(NAD )的能力降低。相反，这种酶可以起到氧化酶的活性，它通过把氧分 子作为电子接受体，这样可以在胞浆中产生超氧化物和过氧化氢。不久前，黄嘌 吟脱氢酶(

8、XO)被认为是在缺血再灌注时的细胞内活性氧形成的主要来源。然而， 在肝细胞中，黄嘌吟脱氢酶(XO)是否可以产生一定量的相关的氧化应激得到质 疑。在培养基中，限制黄嘌吟或次黄嘌吟的供应，可能是黄嘌吟脱氢酶(XO)相关 的活性氧形成持续性和程度的限制性因素。这说明黄嘌吟脱氢酶(XO)可能是枯否 细胞中活性氧的一个来源，当它被肝细胞释放时，就和内皮细胞结合在一起，成 为血管内皮细胞中氧化应激的主要来源。5血管的氧化应激枯否细胞激活和肝脏中的中性粒细胞募集可在下列情况下发生：药物代谢， 缺血再灌注，内毒素血症，酒精性肝炎和阻塞性胆汁淤积症，这可能会引起肝损 伤。许多炎性介质被激活，包括激活的补体因子、

9、肿瘤坏死因子和血小板活性因 子，枯否细胞也被激活，中性粒细胞被招募，用来增强超氧化物的形成，枯否细 胞的位置是固定的，它位于窦状小管内。枯否细胞中还原型辅酶II(NADPH)氧化 酶产生的超氧化物，被释放到窦状小管内和窦周隙。因为和其它细胞挨得很近， 枯否细胞产生的活性氧可以直接引起细胞损伤，血管的抗氧化剂可以抑制这种现 象。与枯否细胞相比，附于血管内皮细胞上的中性粒细胞只有在过度刺激时才会 产生细胞毒性介质。然而，在机体的病理生理中，这种现象罕见发生。当发生趋 化刺激、迁移，中性粒细胞粘附到肝细胞后，才会引起损伤。这个过程需要很多 的粘附分子，包括：B2整合素和细胞间粘附分子-l(ICAM-

10、l)。B2整合素Mac-1 (CDllb/CD18 )的上调与跟这个受体的粘附性是中性粒细胞诱导产生活性氧的关 键因素。每个中性粒细胞引发的肝损伤中都可见到 Mac-1 的表达，这种现象证实 了上述假说。此外，加入 Mac-1 的抗体，中性粒细胞引起的缺血后氧化应激明显 减低，抑制中性粒细胞引发的肝损伤。还有，在 CD18 基因敲除的小鼠中，当患 上阻塞性胆汁淤积症或者用萘基异氰酸酯处理时，中性粒细胞诱发的氧化应激和 引起的损伤是明显降低的。活化氧在中性粒细胞介导的细胞杀伤中的作用机制还不清楚。共培养系统显 示：在体外，超过 15小时，活化的中性粒细胞通过蛋白酶的释放引起肝细胞损 伤，而不是通

11、过氧化应激。然而，最近的研究发现：通过迁移和中性粒细胞粘附 所产生的活化氧，不仅可以引起脉管系统内的氧化应激，在细胞内也可以引起。 在中性粒细胞毒性中， 3-氯酪氨酸蛋白加合物和改造的次氯酸蛋白决定簇的出现 证明在目标细胞中，中性粒细胞衍生的氧化剂的存在。此外，在谷胱甘肽过氧化 物酶(GPx)基因敲除的小鼠中，对中性粒细胞毒性的高敏感性说明：中性粒细胞 可以通过活化氧杀伤肝细胞，这个过程发生在中性粒细胞侵袭不到一小时的时 候。我们怎么解释体内试验和体外培养系统中结果的明显不同呢？对这种相反的 结果的最可能的解释就是：肝细胞的作用不同。在体内，当中性粒细胞引起趋化 因子细胞间粘附分子-1(ICA

12、M-1)的上调，形成和释放CXC趋化因子的时候，肝细 胞暴露在相同的炎性介质中。趋化因子和细胞间粘附分子-1(ICAM-1)对中性粒细 胞的趋化和粘附在肝细胞上起重要的作用，这是中性粒细胞脱颗粒和长期持续的 活化因子形成的最后激活步骤。相比之下，所有的控制肝脏细胞的共培养实验都 做了。既然中性粒细胞不侵袭正常的细胞，它们在机体中并不是稳固的粘附，它 们的毒性取决于炎性因子过度的刺激。虽然活性氧可能会产生，但它可能不够引 起毒性，不易接近肝细胞。因此，体外的细胞毒性可能是有蛋白酶的缓慢消化引 起的，而不是因为活性氧的快速的定向攻击。四、氧化应激的病理生理结果1脂质过氧化肝细胞中的氧化应激可以引起

13、脂质过氧化(LPO),这是引起细胞损伤的较常 见的机制。然而，在定量的基础上，机体内的脂质过氧化(LPO )还不足以引起直 接的细胞死亡。在细胞内，单独的过量的超氧化物形成通过脂质过氧化(LPO)也 不足以杀伤肝细胞，即使在谷胱甘肽耗竭的情况下。除了活化氧形成外，体内肝 脏中过多的脂质过氧化(LPO )被发现出现在下列情况下：细胞内的抗氧化剂如维 生素E和谷胱甘肽(GSH)耗竭，胞膜中出现大量的多不饱和脂肪酸，还有就是铁 从细胞内的储存库中被动员。如果这些因素一起出现，过量的脂质过氧化(LPO) 就会引起严重的细胞损伤。然而，在很多病理生理情况下，脂质过氧化(LPO )是 很少的，直接引起细胞

14、损伤的可能性不大。这是不是就意味着脂质过氧化(LPO) 不重要？脂质过氧化(LPO )产物是中性粒细胞强有力的趋化因子，可以调节超氧 化物的形成。此外，脂质过氧化(LPO )产物可能增加趋化因子的形成。这些发现 可以解释除了原先的调节因子的形成外，脂质过氧化(LPO)产物在控制炎症反应 中的作用。此外，在活化的星状细胞中，脂质过氧化(LPO)产物促进胶原蛋白基 因的表达，并可以诱发纤维化。因此，在某些病理生理情况系，脂质过氧化(LPO) 产物可能是重要的信号分子。2过(氧化)亚硝酸盐的形成过(氧化)亚硝酸盐跟二氧化碳反应生成硝化产物，继而又和酪氨酸 发生反 应。在对乙酰氨基酚肝毒性期间，在线粒

15、体中，一种线粒体中的氧化应激可以跟 一氧化氮在诱导型一氧化氮合酶的作用下合成过(氧化)亚硝酸盐。当胞浆和线粒 体中的谷胱甘肽(GSH)被大量消耗时，过(氧化)亚硝酸盐被认为是细胞损伤的关 键调节因子，减少过(氧化)亚硝酸盐，不仅可以减少细胞死亡，还能促进细胞循 环活化与增殖。虽然，详细的机制没有完全搞清楚，过(氧化)亚硝酸盐被认为在 线粒体膜通透性转换(MPT)转运孔的开放中起作用。膜通透性转换(MPT)破坏线粒 体中的膜电位，引起ATP的耗竭，释放膜间隙蛋白，如：核酸内切酶G和凋亡诱 导因子，它们可以进入细胞核，进而使DNA断裂。这些足以说明对乙酰氨基酚诱 导的坏死的发展过程。在肝脏的缺血再

16、灌注损伤中，肝脏中可以检测到硝基酪氨 酸残基，在酒精性肝病中也可发现，但是相关的病理生理过程还不清楚。既然缺 血应激能促进肝脏脉管系统的血管收缩，肝脏中一氧化氮形成物对肝脏的血流也 起到重要的作用。在很多情况系，过氧化亚硝酸盐的形成，尤其是“清道夫”因 子如谷胱甘肽(GSH)，还原型辅酶II(NADPH)的出现，可以减少长期的血管收缩和 缺血引起的损伤。3活性氧和细胞死亡在没有脂质过氧化(LPO)损伤的情况下，活性氧可以引起肝细胞坏死。这种 细胞坏死的机制跟膜通透性转换(MPT )中，转运孔的开放有关，它可以引起线粒 体解耦联和丢失很多膜电位。显著的氧化应激可以使线粒体中的吡啶核苷酸发生 氧化作用，并诱导线粒体中氧化活性物质(ROS)的形成，这两种反应都可以增加 线粒体中游离的钙离子。膜通透性转换(MPT)可以由线粒体中增加的钙离子直接 诱导产生，也可以通过线粒体中丝氨酸蛋白酶(钙蛋白酶)的活化诱导。胞浆中 的钙蛋白酶可以通过破坏细胞骨架蛋白诱导胞膜毒性。这些反应可以在一小时内 导