第五章 自由基清除劑

第五章 自由基清除劑

本章要點

1. 自由基理論的產生機理及來源

2. 自由基對機體活動的影響

3. 自由基清除劑的基本概念

隨著生命科學的飛速發展，英國人Harman於1956年提出了自由基學說。該學說認為，自由基攻擊生命大分子造成組織細胞損傷，是引起機體衰老的根本原因，也是誘發腫瘤等惡性疾病的重要起因，其中的觀點被越來越多的實驗所證明。

自由基（Free radical）是人體生命活動中各種生化反應的中間代謝產物，具有高度的化學活性，是機體有效的防禦系統，若不能維持一定水平則會影響機體的生命活動。但自由基產生過多而不能及時地清除，它就會攻擊機體內的生命大分子物質及各種細胞器，造成機體在分子水平、細胞水平及組織器官水平的各種損傷，加速機體的衰老進程並誘發各種疾病。

近年來，國內外對自由基及自由基清除劑的研究十分活躍，在各類食品科學、生命科學及醫學書籍上都有許多關於自由基及其清除劑的研究報道，自由基清除劑作為功能性食品的重要原料成分之一，通過人們日常消費的食品來調節人體內自由基的平衡，已受到食品營養學家的廣泛重視。

第一節 自由基理論

一、自由基的產生機理及來源

自由基又叫遊離基，它是由單質或化合物的均裂（Homdytic Fission）而產生的帶有未成對電子的原子或基團。它的單電子有強烈的配對傾向，傾向於以各種方式與其他原子基團結合，形成更穩定的結構，因而自由基非常活潑，成為許多反應的活性中間體。

人體內的自由基分為氧自由基和非氧自由基。氧自由基佔主導地位，大約佔自由基總量的95%。氧自由基包括超氧陰離子（O₂^－·）、過氧化氫分子（H₂O₂）、羥自由基（OH·）、氫過氧基（HO₂^－·）、烷過氧基（ROO·）、烷氧基（RO·）、氮氧自由基（NO·）、過氧亞硝酸鹽（ONOO^－）、氫過氧化物（ROOH）和單線態氧（¹O₂）等，它們又統稱為活性氧（reactive oxygen species，ROS），都是人體內最為重要的自由基。非氧自由基主要有氫自由基（H·）和有機自由基（R·）等。

（一）自由基的產生

人體細胞在正常的代謝過程中，或者受到外界條件的刺激（如高壓氧、高能輻射、抗癌劑、抗菌劑、殺蟲劑、麻醉劑等藥物，香煙煙霧和光化學空氣污染物等作用），都會刺激機體產生活性氧自由基。

人體內酶催化反應是活性氧自由基產生的重要途徑。人體細胞內的黃嘌呤氧化酶、髓過氧化物酶和NADPH氧化酶等在進行酶促催化反應時，會誘導產生大量的自由基中間產物。除酶促反應外，生物體內的非酶氧化還原反應，如核黃素、氫醌、亞鐵血紅素和鐵硫蛋白等單電子氧化反應也會產生自由基。外界環境，如電離輻射和光分解等也能刺激機體產生自由基反應，如分子中的共價鍵均裂後即形成自由基。

自由基反應包含3個階段，即引發、增長和終止階段。反應之初，引發階段佔主導地位，反應體系中的新生自由基形成許多鏈的開端，反應物濃度高。引發後的擴展階段為反應的主體，若起始有幾個引發自由基在擴展階段沒有消失或增加，那麼反應中就有幾條鏈。隨著反應的進行，體系中的反應物濃度越來越低，自由基相互碰頭的機會越來越多，反應速度就越來越慢，自由基越來越少，最後反應停止。由此可見，自由基反應動力學有別於普通的分子反應，自由基可以連續傳遞而出現連鎖反應。

過氧化物作為引發劑可以使反應在較低溫度下進行，如果反應體系中有自由基清除劑存在，它就能很快地捕捉自由基使擴散不能形成。活性強的自由基清除劑能阻止連鎖反應的開始。因為氧分子與許多有機物反應時產生自由基，而自由基清除劑能捕捉過氧自由基而中斷連鎖反應，阻止有機物的氧化，所以自由基清除劑又稱為抗氧化劑。

（二）自由基的來源

人體內特定的自由基有不同的來源。

超氧陰離子自由基（O₂^－·）在其中扮演著非常重要的角色，因為在反應順序上其他許多活性中間產物的形成都始於與 O₂^－·起作用。它是從黃嘌呤氧化酶、NADPH氧化酶通過酶的一電子還原作用釋放的氧產生的或由呼吸鏈裂解生成的。人體利用的氧氣中約有1%～3%轉化為O₂^－·。

過氧化氫分子（H₂O₂）也是一種重要的非自由基活性物，容易在活細胞中擴散。過氧化氫酶能有效地將其轉變成水，生成氧自由基。

羥自由基（OH·）的活性最強，其半衰期估計為10^-9秒，其產生後能迅速起反應。在射線等高能輻射下，通過體內水的均裂作用或經金屬催化過程由內源的過氧化氫分子形成。紫外線能將過氧化氫分子分裂成兩個羥自由基分子。

過氧基自由基的半衰期比較長，可達數秒，在生物系統中擴散的途徑相當長。在脂質過氧化過程中，從多不飽和脂肪酸去掉一個氫原子開始，能形成過氧基自由基。羥自由基能啟動這一反應過程。

脂質過氧化作用進一步產生烷氧自由基（RO·）和有機的氫過氧化物（ROOH），後者可能重排成為內過氧化物中間產物，然後分裂產生乙醛。

單線態分子氧（¹O₂）是另一種非自由基的活性物，可能是體內的組織暴露於光中形成的。其半衰期估計為10^-6秒，具體時間取決於周圍基質的性質。它能通過轉移其激發態能量或通過化學結合與其它分子相互作用。單線態分子氧優先發生化學反應的靶為雙鍵部位。

氧化氮自由基（NO·）也是一種很重要的自由基，它是精氨酸在酶作用下形成的一種信號化合物，能鬆弛血小管平滑肌，防止血小板的凝集，從而降低血壓。也可通過激活參與初級免疫的巨嗜細胞而產生。它的半衰期為6～50秒，很容易與氧發生反應，反應產物NO₂也是自由基。它還能與生物分子直接反應或與O₂^－·結合形成過氧亞硝酸鹽（ONOO^－）。NO·過多會產生細胞毒性。

二、自由基對機體生命活動的影響

自由基是體內各種生化反應的中間代謝產物，在人體的生命活動過程中，各種生化反應，不管是酶促反應還是非酶促反應，都會產生各種自由基。從自由基的化學結構可以看出，它含有未配對的電子，是一類具有高度化學活性的物質。在正常的情況下，體內自由基處於不斷產生與清除的動態平衡之中，並在代謝中發揮著重要作用，參與一些酶和前列腺素的合成，增強白細胞吞噬活性，提高殺菌效果等。但是，如果自由基過多或清除過慢，則會對人體造成嚴重危害。

（一）自由基積極的生物學功能

自由基作為人體正常的代謝產物，對維持機體的正常代謝有特定的促進作用。這種促進作用主要表現在對機體危害物的防禦作用。

1．增強白細胞的吞噬功能，提高殺菌效果

白細胞在吞噬細菌的過程中，對氧的消耗量激增，會產生大量的O₂^－·和H₂O₂ ，兩者通過Haber-Weiss 反應還會進一步產生OH·，這些活性氧對病原菌都有很強的殺滅效果。OH·還可引發被吞噬細菌的不飽和脂肪酸降解，降解終產物丙二醛也是一種強力殺菌劑，足以致細菌死亡。

2．促進前列腺素的合成

前列腺素是人體內的一種重要的激素，它以花生四烯酸為前驅物質，經膜上多酶系統催化氧化生成，其生物合成途徑中必須有氧自由基（OH·或O₂^－·）的參與。

3．參與脂肪加氧酶的生成

血小板脂肪加氧酶作用於花生四烯酸生成1，2-氫過氧化-5，8，11，14-碳四烯酸（12-HPETE）及其他相關的化合物，該類化合物是一系列具有強生物學活性化合物（如白三烯）的前體。在HPETE形成過程中有活性氧自由基參與。

4．參與膠原蛋白的合成

膠原蛋白的前體稱原膠原蛋白。原膠原蛋白中的脯氨酸和賴氨酸經羥化酶的羥化作用是原膠原蛋白合成的關鍵步驟。在此酶促羥化過程中，需要O₂^－·、H₂O₂ 、OH·或 ¹O₂等活性氧自由基的參與。

5．參與肝臟的解毒作用

機體對外來毒物的解毒作用主要在肝臟進行，解毒作用實質是在肝微粒體細胞色素 P450催化下對各類毒物的羥化作用。一定劑量範圍內的外來毒物可被羥化並排出體外而完成解毒作用，當劑量大時，機體受不住就會出現中毒。在肝解毒過程中，連接於細胞色素上的O₂^－·自由基是真正起羥化作用的物質。

6．參加凝血酶原的合成

凝血酶原是凝血酶的前體。在凝血酶原合成過程中，其前體蛋白質氨基端的10個谷氨酸殘基經過酶促羧化作用轉變為10個γ-羧基谷氨酸殘基，形成凝血酶原。該羧化過程與氧自由基密切相關，沒有氧自由基的參加，就不能形成凝血酶原。

7．參與血管壁鬆弛而降血壓

NO·是精氨酸在酶作用下形成的一種信號化合物，還作為細胞鬆弛因子而鬆弛血管壁，降低血壓。血管擴張劑（如乙醯膽鹼等）啟動一個鈣調節受體，在NO·合成酶催化和NADPH參與下，氧化L-精氨酸的胍基生成NO·並釋放到細胞外。接著活化可溶性鳥苷酸環化酶，使血管平滑肌與血小板中的cGMP水平增加，從而促進血管平滑肌鬆弛，抑制血小板凝聚和粘附到內皮細胞上。

8．殺傷外來微生物和腫瘤細胞

NO·和O₂^－·結合以後生成ONOO^－陰離子，在略高於生理pH的鹼性條件下相當穩定，從而允許其由生成位置擴散轉移到較遠的位置。一旦在低於生理pH的酸性條件下（病理條件下往往如此），ONOO^－立即分解生成NO·和O₂^－·，這兩種自由基的氧化性非常強，具有很大的細胞毒性，對於殺傷外來微生物和腫瘤細胞非常有意義。

然而，在生命活動中，由於經常受到各種外界不良因素的刺激，導致機體組織中的自由基數量往往過多，甚至對機體組織產生危害。

（二）自由基對生命大分子的損害

自由基具有高度的活潑性和極強的氧化反應能力，能通過氧化作用攻擊體內的生命大分子，如核酸、蛋白質、糖類和脂質等，使這些物質發生過氧化變性、交聯和斷裂，從而引起細胞結構和功能的破壞，導致機體的組織破壞和退行性變化。

OH· 是最活潑的自由基，也是毒性最大的自由基。它可和活細胞中的任何分子發生反應而造成損傷，而且反應速度極快，被破壞的分子遍及糖類、氨基酸、磷脂、核苷和有機酸等。

O₂^－·的毒性是機體發生氧中毒的主要原因，由它引起的損傷表現在使核酸鏈斷裂、多糖解聚及不飽和脂肪酸過氧化作用，進而造成膜損傷、線粒體氧化磷酸化作用的改變及其他一系列的變化。

所有能產生 O₂^－·的生物系統都能通過歧化反應生成 H₂O₂，能使少數酶的-SH（巰基）氧化失活。因為H₂O₂能迅速穿過細胞膜，而O₂^－·不能，在細胞內的H₂O₂能與Fe²⁺ 或Cu²⁺ 離子反應生成OH·，另外紫外線也能使H₂O₂均裂生成OH·，這是H₂O₂毒性的真正原因。

1．自由基對核酸的損害

自由基作用於核酸類物質會引起一系列的化學變化。例如，氨基或羥基的脫除、鹼基與核糖連接鏈的斷裂、核糖的氧化和磷酸質鍵的斷裂等。反應還會形成新的自由基，發生連鎖反應，導致核酸鹼基破壞，產生遺傳突變，嚴重受損的不能修復，導致細胞死亡。

2．自由基對蛋白質的損害

自由基可直接作用於蛋白質，也可通過脂類過氧化產物間接作用於蛋白質而產生破壞作用。如過氧自由基（ROO·）可使蛋白質分子發生交聯，生成變性的高聚物，其他自由基則可使蛋白質的多肽鏈斷裂，並使個別氨基酸發生化學變化。更嚴重的是，自由基可改變酶蛋白的化學結構，導致酶生物活性的喪失。

3．自由基對糖類的損害

自由基通過氧化性降解使多糖斷裂，如影響腦脊液中的多糖，從而影響大腦的正常功能。自由基使核糖、脫氧核糖形成脫氫自由基，導致DNA主鏈斷裂或鹼基破壞，還可使細胞膜寡糖鏈中糖分子羥基氧化，生成不飽和的羰基或聚合成雙聚物，從而破壞細胞膜上的多糖結構，影響細胞免疫功能的發揮。

4．自由基對脂質的損害

脂質中的多不飽和脂肪酸由於含有多個雙鍵而化學性質活潑，最易受自由基的破壞，發生過氧化反應。磷脂是構成生物膜的重要部分，因富含多不飽和脂肪酸故極易受自由基破壞。膜中磷脂發生過氧化作用，會引起膜中蛋白質及酶的交聯或失活，導致膜通透性的變化，嚴重影響膜的各種生理功能。亞細胞器膜磷脂所含的不飽和脂肪酸比質膜的還多，所以對過氧化反應更為敏感。如果細胞內線粒體膜被氧化受損，則會使能量生成系統受到影響。溶酶體膜若受到破壞則會釋放出其中的水解酶系，會使細胞內多種物質水解，嚴重時甚至會造成細胞自溶，組織壞死。由此可見，若自由基對生物膜的破壞很嚴重，就會引起細胞功能的極大紊亂。

（三）自由基學說

人們根據對衰老機理的不同理解，提出了許多種衰老學說，主要有自由基學說、免疫功能下降學說、腦中心學說、代謝失調學說、生物膜衰老學說、脂褐素與衰老學說、衰老過程中基因淋巴因子及其基因表達改變的學說等。自由基學說能比較清楚地解釋機體衰老過程中的種種癥狀，如老年斑、皺紋及免疫力下降等，是目前最有說服力的學說。

自由基學說認為，自由基的強氧化作用，損傷了機體的生命大分子，引起人體細胞免疫和體液免疫的功能減弱，最終導致免疫疾病的出現。其作用機理可概括為以下幾個方面。

1．生命大分子的交聯聚合和脂褐素的累積

自由基作用於脂質能發生過氧化反應，其氧化的終產物丙二醛等會引起蛋白質、核酸等生命大分子的交聯聚合，形成脂褐素。由於脂褐素不溶於水，所以不能隨著機體的代謝排出體外，在細胞內逐漸堆積。其顆粒呈圓形或橢圓形，直徑約為1~5微米，顆粒大小會隨年齡的增大而增大。老年斑就是由脂褐素在皮膚的堆積而形成的，老年斑的出現是人體衰老的一個明顯的外表象徵。另外，隨著膠原蛋白的交聯聚合，會使膠原蛋白溶解性下降、彈性降低及水合能力減弱，會導致皮膚失去張力，皺紋增多，老年骨質再生能力減弱等。脂褐素在腦細胞中的堆積，會出現記憶力的減退或使智力發生障礙，甚至出現老年性痴呆症。眼球晶狀體長期暴露於光和氧中，極易發生脂質氧化損傷，導致視網膜模糊，引起白內障和老年黃斑變性。

2．器官組織細胞的破壞與減少

器官組織細胞的破壞與減少是機體衰老的癥狀之一。器官組織細胞破壞或減少主要是由於自由基引起的脂質過氧化而造成對細胞膜與細胞器膜的損害，改變了生物膜的結構與功能，影響了膜的通透性與流動性，從而導致了膜功能的紊亂，加快機體的衰老。

另外，自由基作用於核酸引起的基因突變改變了遺傳信息的傳遞，導致蛋白質與酶的合成錯誤及酶活性的降低。自由基還可與膜上的酶發生作用，影響細胞正常生理功能的發揮。自由基通過對脂質的侵襲加速了細胞的衰老進程。這些結果的積累，造成了器官組織細胞的老化與死亡。

3．免疫功能的降低

免疫功能是指機體抵抗外來有害物質入侵的能力。人體內的免疫系統包括細胞免疫和體液免疫。自由基作用於免疫系統，會引起人體細胞免疫與體液免疫功能減弱，並使免疫識別力下降，免疫系統在攻擊病原體和異常的細胞時，也侵犯了自身正常的細胞和健康組織而出現自身免疫性疾病。

有研究表明，彌散性硬皮病、系統性硬結、潰瘍性結腸炎和成膠質病變等自身免疫性疾病往往伴有較多的染色體斷裂現象，這類病人血液中有一種血清因子能夠促進正常的淋巴細胞染色體發生斷裂。自身免疫疾病的病變過程與自由基關係密切，其致病機理可能是由於特殊血清斷裂因子的作用或細胞的氧化代謝而產生了大量的OH·和O₂^－·所致。

（四）自由基與疾病的關係

越來越多的臨床和干預實驗，以及來自基礎研究的證據表明，自由基參與許多疾病的病理過程，從而誘發如心血管疾病、某些癌症、老年白內障和黃斑變性、某些炎症及多種神經元疾病。

1．自由基與心血管疾病

大多數心血管疾病的主要原因是動脈粥樣硬化，是動脈壁的一種多因素疾病。自由基攻擊動脈血管壁和血清中的不飽和脂肪酸使之發生過氧化反應而生成過氧化脂質，後者能刺激動脈壁，增加粥樣硬化的趨勢。動脈硬化的程度與硬化斑中脂質過氧化程度呈正相關，血管內壁的蠟樣物質就是脂質發生過氧化反應的直接證明。動脈粥樣硬化的早期，在內皮下層間隙形成脂質沉澱，即所謂的脂肪條紋。隨著年齡的增加，粥樣硬化症呈增多的趨勢，這與老年人動脈壁不飽和脂肪酸含量高，血清中Fe²⁺和Cu²⁺含量高，Fe²⁺或Cu²⁺通過Haber-Weiss反應促使OH·產生，OH·的存在加劇了脂質過氧化進程。過氧化產物丙二醛促使彈性蛋白髮生交聯，破壞了其正常的結構和功能，其應有的彈性與水結合能力喪失，最終產生了動脈硬化症，從而引起冠心病等其他心血管疾病。

2．自由基與癌症

致癌過程是一個複雜的多階段的過程，包括誘發和促進兩步。一個正常的細胞發生癌變必須經歷誘發和促進這兩個階段，這就是兩步致癌學說。

大量研究證明，誘發階段與自由基關係密切，促癌階段也與自由基有關，促癌能力與其產生自由基的能力相平行。致癌物必須在體內經過代謝活化形成自由基並攻擊DNA才能致癌，抗癌劑也必須通過自由基形式去殺死癌症。

3．自由基與肺氣腫

自由基作用於肺部的巨嗜細胞，使其釋放了蛋白水解酶類而導致了對肺組織的損傷破壞，從而引起細支氣管和肺泡管的破裂，肺泡間隔面積縮小，周圍血液與肺之間氣體交換量減少，導致肺氣腫。

正常情況下，肺組織細胞間的蛋白酶與抗蛋白酶能夠保持平衡，蛋白酶抑製劑控制著水解蛋白酶類的釋放與活性。如果缺乏這種抑製劑，就有可能導致肺氣腫。長期吸入香煙及其他大氣中的污染物，會使肺中氧自由基增多，使水解蛋白酶增多和使水解蛋白酶的天然抑製劑失活，最終導致肺氣腫的出現。

4．自由基與缺血後重灌流損傷

缺血所引起的組織損傷是致死性疾病的主要原因。有許多證據說明，在完全性缺血、缺氧時，組織損傷程度較輕，而在缺血後再灌注時，由於自由基的急劇增多而使組織損傷更加嚴重。

在缺血後重灌流狀態下，細胞內的氧自由基主要來自黃嘌呤氧化酶，它是由前體黃嘌呤脫氫酶轉變而來的。該脫氫酶廣泛存在於各種組織細胞中，它是以NAD⁺為電子接受體，所以不產生自由基。當組織細胞缺血時，ATP生成量減少，導致細胞內能量不足，不能維持正常的離子濃度。於是，Ca⁺⁺重新分布使得細胞內Ca⁺⁺濃度增大，激活了一種蛋白酶而將脫氫酶不可逆地轉化成氧化酶。另外，缺血使得細胞內ATP減少，AMP增多，AMP又可逐步分解成次黃嘌呤，而次黃嘌呤是氧化酶的適宜作用底物。當重灌流時，氧分子重新進入組織，與組織中積累的次黃嘌呤和氧化酶發生反應，生成大量的活性氧自由基。這些活潑且有強氧化性的自由基使細胞膜脂質過氧化，使透明質酸和膠原蛋白降解，從而改變了細胞的結構與功能，造成組織的不可逆損傷。另外，在缺血組織中具有清除自由基的抗氧化酶類合成能力發生障礙，從而加劇了自由基對缺血後重灌流組織的損傷。

5．自由基與眼病

由自由基氧化損傷引起的視力損害，最常見的當數白內障和老年黃斑變性。

老年人由於全身機體的衰老使得眼球晶狀體中自由基清除劑的含量與活性降低，導致對自由基侵害的抵禦能力降低。許多事實表明，白內障的起因和發展與自由基對視網膜的損傷導致晶狀體組織的破壞有關。

又由於眼晶狀體長期暴露於光和氧中，所形成的活性氧類物質可能與晶體蛋白質起反應。受損的蛋白質可能聚合和沉澱，從而喪失原來的功能。視覺活性最高的視網膜組織易受損害，從而引起老年黃斑變性。

6．自由基與炎症

當局部氧量過少或外來病原菌侵襲時，大量多形嗜中性白細胞積聚在病變處。這些白細胞由特殊作用的代謝物激活，結合在膜上的NADPH₂氧化酶被激活，氧化NADPH₂成為NADP⁺，同時產生大量的O₂^－·。氧自由基一方面破壞病原菌和病變細胞，另一方面進攻白細胞本身而造成白細胞大量死亡，引起溶酶體酶的大量釋放，進而殺傷組織細胞，造成骨、軟骨的破壞，導致炎症和關節炎。

7．自由基與貧血

貧血的出現也與自由基有關。據研究表明，地中海貧血的病理變化包含紅細胞膜的過氧化，膜上多不飽和脂肪酸含量減少，-SH轉變成-S-S基團和維生素E含量減少。缺鐵性貧血的病變過程也有自由基參與，因為此時紅細胞的維生素E和過氧化酶含量減少，易被自由基破壞而縮短壽命。

8．自由基與癲癇

有關研究證明，癲癇活動伴有活躍的自由基反應。清除自由基，阻斷自由基反應對癲癇的預防和治療有一定作用。自由基反應在癲癇發生中的作用日益受到重視。

目前認為，老年性聾與自由基受損關係密切；自由基與糖尿病也有比較複雜的關係；大骨節病與克山病也有密切的關係。隨著自由基理論的研究發展，許多人類重大疾病與自由基反應的關係正在逐步被揭示。自由基對人類健康的影響作用正在被更多的人所接受，越來越多的專家正在運用自由基理論，在確保人體健康方面的研究中取得較大的成果。

第二節 自由基清除劑

一、自由基清除劑簡介

自由基是人體正常的代謝產物，正常情況下人體內自由基是處於不斷產生與清除的動態平衡中，人體內存在少量的氧自由基，不但對人體不構成威脅，而且可以促進細胞增殖，刺激白細胞和吞噬細胞殺滅細菌，消除炎症，分解毒物。但如果人體內自由基的數量過多，就會對生物膜和其他組織造成損傷，破壞細胞結構，干擾人體的正常代謝活動，引起疾病，加速人體衰老進程。

在長期的進化過程中，生命有機體內必然會產生一些物質能清除這些自由基，將它們統稱為自由基清除劑（Scavenger）。

自由基清除劑是指能清除自由基或能阻斷自由基參與的氧化反應的物質。自由基清除劑的種類繁多，可分為酶類清除劑和非酶類清除劑兩大類。酶類清除劑一般為抗氧化酶，主要有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）等幾種。非酶類自由基清除劑一般包括黃酮類、多糖類、維生素C 、維生素E、β-胡蘿蔔素和還原型谷胱甘肽（GSH）等活性肽類。

自由基清除劑大多為抗氧化劑，通過清除作用降低活潑自由基中間體濃度，降低自由基連鎖反應中擴展階段的效率來控制自由基的生成。但有些抗氧化劑是通過抑制自由基引發劑（如某些金屬元素）的產生而起作用的。自由基清除劑也不都是抗氧化劑，有些系統並未進行氧化作用。

自由基清除劑發揮作用必須滿足三個條件：第一，自由基清除劑要有一定的濃度；第二，因為自由基活潑性極強，一旦產生馬上就會與附近的生命大分子起作用，所以自由基清除劑必須在自由基附近，並且能以極快的速度搶先與自由基結合，否則就起不到應有的效果；第三，在大多數情況下，清除劑與自由基反應後會變成新的自由基，這個新的自由基的毒性應小於原來自由基的毒性才有防禦作用。

這些自由基清除劑對維持機體的正常生命活動，保持健康起著重要的作用。但是，隨著年齡的增長，機體內產生自由基清除劑的能力逐漸下降，從而減弱了對自由基損害的防禦能力，使機體組織器官容易受損，加速了機體的衰老，引發一系列的疾病。為了防止此類現象的發生，可以人為地由膳食補充自由基清除劑，從而達到防禦疾病、延緩衰老的目的。

二、酶類自由基清除劑

（一）超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）

超氧化物歧化酶（SOD）是目前研究得最深入、應用得最廣泛的一種酶類自由基清除劑。

1．種類、結構及分布

1968年，美國人McCord在 Fridovich指導下，從牛紅細胞中提取Cu·Zn的酶蛋白質，並發現它能催化O₂^－·歧化，所以把這種酶蛋白命名為超氧化物歧化酶，英文簡稱為SOD。

SOD存在於幾乎所有靠氧呼吸的生物體內，包括細菌、真菌、高等植物、高等動物和人體中。SOD是一類含金屬的酶，按其所含金屬輔基不同可分為含銅鋅SOD（Cu·Zn-SOD）、含錳SOD（Mn-SOD）和含鐵SOD（Fe-SOD）3種。

含銅鋅金屬輔基的Cu·Zn-SOD是最為常見的一種酶，主要存在於真核細胞的細胞質中或高等植物的葉綠體基質、類囊體內以及線粒體膜間隙中。在動物血液、牛肝、豬肝、牛心、豌豆、麥葉等動植物組織中均有存在，是目前應用最廣泛的一類酶。該酶由兩條肽鏈組成，每條肽鏈含有銅、鋅原子各一個，活性中心的核心是銅。

Fe-SOD主要存在於原核細胞中，一些真核藻類甚至高等植物如銀杏、檸檬、番茄等組織內也有存在。此酶也由兩條肽鏈組成，一般每個二聚體含有一個鐵原子。

Mn-SOD主要存在於原核細胞和真核細胞的線粒體中，在植物的葉綠體基質、類囊體內也會存在，在人體肝臟中含量較高。此酶的純品呈粉紅色，由兩條或四條肽鏈組成。

2．理化及生物學特性

SOD屬酸性蛋白酶，對pH、熱和蛋白酶水解等反應比一般酶穩定。又由於SOD屬於金屬酶，其性質不僅取決於蛋白質，還取決於結合到活性部位的金屬離子。三類SOD的活性中心都含有金屬離子。如採用物理或化學方法除去金屬離子，則酶活喪失；如重新加上金屬離子，則酶活又恢復。

不同來源的Cu·Zn-SOD具有較高的同源性，它們的物化特性也很相似，據推測它們可能由同一原始酶進化而來。不同來源的Mn-SOD和Fe-SOD也具有相似的物理性質和較高的同源性，它們可能由另一原始酶進化而成。

SOD是生物體內防禦氧化損傷的一種十分重要的金屬酶，對氧自由基有強烈清除作用，特別對於超氧陰離子（O₂^－·）， SOD可將其催化歧化而生成H₂O₂和O₂，故SOD又稱為清除超氧陰離子自由基的特異酶。

3．SOD的生理功能及應用

SOD作為功能性食品基料的生理功能主要有以下幾方面。

（1）清除體內產生的過量的超氧陰離子自由基，保護DNA、蛋白質和細胞膜免遭O₂^－·的破壞作用，減輕或延緩甚至治癒某些疾病，延緩因自由基損害生命大分子而引起的衰老現象，如延緩皮膚衰老和老年斑的形成等；

（2）提高人體對自由基外界誘發因子的抵抗力，增強機體對煙霧、輻射、有毒化學品及醫藥品的適應性；

（3）增強人體自身的免疫力，提高人體對自由基受損引發的一系列疾病的抵抗力，如炎症、腫瘤、白內障、肺氣腫等，治療由於免疫功能下降而引發的疾病；

（4）清除放療所誘發的大量自由基，從而減少放射對人體其他正常組織的損傷，減輕癌症等腫瘤患者放化療時的痛苦及副作用；

（5）消除疲勞，增強對劇烈運動的適應力。

因此，具有清除自由基功能的SOD就成為醫學、食品和生命科學等領域研究的熱點。

目前，SOD已廣泛地應用於人們生活的各個方面。如深受女性消費者喜愛的化妝品中有大寶SOD、康妮SOD 、SOD 康舒達霜劑等。SOD添加於化妝品有明顯的防晒效果和抗炎作用，可有效防止皮膚受電離輻射（如紫外線）的損傷。

SOD在醫療上的應用更是不勝枚舉，它尤其對治療關節炎和類風濕性關節炎療效顯著。此外，SOD對治療癌症、缺血後重灌流損傷、肺氣腫、白內障、糖尿病、貧血等疾病均有療效。

SOD在食品方面的應用也極為廣泛，可作為功能性食品的功能因子或食品營養強化劑，有良好的抗衰老、抗炎、抗輻射、抗疲勞等保健強身的效果。國外把SOD作為食品添加劑應用到口香糖和飲料中。國內也開發出了多種強化SOD的食品，如SOD雪糕、SOD豆奶、SOD啤酒、SOD果汁飲料、SOD的酸奶和SOD口服液等。還可用富含SOD的原料加工製成功能性食品，如大蒜飲料、刺梨SOD汁等。在人們越來越注重健康飲食的今天，SOD將成為功能食品中的活躍分子。

然而，SOD作為一類高分子抗氧化酶，分子量在32000道爾頓以上，又都帶有金屬輔基，且其來源大多從動物血（豬血、牛血）和動物臟器以及某些微生物中製備而來，多為生物種屬差異很大的異源性蛋白。因此，在應用上，它除了具有嚴格的針對性和有效性外，必然也有很大的局限性。SOD應用的局限性歸納起來主要有8個方面：

（1）半衰期短。SOD的體內半衰期為6～8分鐘，體外半衰期（25℃時）為9～10天。因此，體內注射表現為多次數、少濃度，體外塗抹則表現為高劑量、低效應；

（2）代謝速率快。SOD在體內代謝速率極快，注射6小時後，90%以上的大分子SOD經降解為小分子而隨泌尿系統排泄；

（3）酶分子量大，均在32000以上。其中，原核細胞Mn-SOD分子量為40000；真核細胞線粒體Mn-SOD都由9個相等亞基組成，其分子量為80000。因此，透皮或透膜吸收困難，體內或細胞內作用弱；

（4）酶製劑不宜口服，口服易被胃酸變性、胃蛋白酶和胰蛋白酶水解破壞，且SOD分子原形不易透過腸粘膜，因而難以發揮全身性藥效作用；

（5）大分子異性蛋白，不宜大劑量、長時間使用，否則會不可避免地出現某些過敏性變態反應，呈現明顯的不良反應性變化；

（6）對靶細胞或靶部位的親和力低，藥用趨向性不明顯。因此，對疾病的療效缺乏特異性作用；

（7）酶的穩定性不高，對理化因素較為敏感，過高溫度、過大劑量輻射、過長時間超聲波、過強酸鹼度、過多化學物質及變性劑、還原劑等均易導致SOD分子結構改變，酶活性喪失，形成不可逆性變化；

（8）藥物作用單一性大、常規劑量單獨使用療效欠佳。

針對SOD應用過程中客觀存在的局限性，國內外學者進行了大量卓有成效的研究工作，並已逐步探索或尋找出解決上述局限的一些有效方法和對策。

4． SOD的製備

SOD廣泛存在於動、植物和微生物體內，但目前我國主要是從動物血液中提取。受到血源和得率的限制，影響了SOD的生產成本和推廣應用。

由於利用微生物（深紅酵母）生產SOD具有易培養、易大規模工業化生產、不受季節與自然條件限制等優越性，因此，微生物SOD的生成具有更廣闊的發展前景。其工藝流程如下：

菌體培養→破壁→菌體破片 → Rnase酶解、離心30分鐘 → 清液→ 上DE32柱 → 0.2mol/L NaCl洗脫 → 洗脫液→ 加45%（NH₄）₂SO_4、離心 → 上清液 → 上DE32柱 → 洗脫 → 洗脫液→ 濃縮→ 冷凍乾燥→ SOD成品。

破菌的方法可採用超聲波處理法、酶裂解法、細胞自溶法、氯仿-乙醇法和甲苯法等。根據有關的研究表明，用甲苯法破壁對提取酵母SOD具有一定的優越性。另外，為了提高SOD純度，在洗脫時可採用梯度洗脫法。

5．SOD的純度檢查

SOD產品一般為淺綠色凍乾粉，其純度的檢查主要根據以下三個指標。

（1）均一性

通常用聚丙烯醯胺凝膠電泳檢查其均一性。也可用瓊脂糖凝膠電泳，其操作簡單，試劑單一且色帶的間隔比前者大，更易觀察與分析。還可進行超離心分析來檢查其均一性。

（2）酶的比活

要求達到一定的標準。如：化妝品用SOD比活≥3000u/mg蛋白質；口服用SOD比活≥3500u/mg蛋白質；標準（活性測定用）及藥用SOD比活≥5000u/mg蛋白質；試劑用SOD（電泳純）比活≥8000u/mg蛋白質。

（3）酶的重要理化性質

最重要的是金屬離子含量（常採用原子吸收分光光度法測定）、氨基酸含量和吸收光譜。如Cu·Zn –SOD中1分子的酶必須含有相當於兩原子Cu和兩原子Zn；雖然不同來源的酶所含的氨基酸不完全一致，但仍然顯示一定的規律；三種SOD都有特定的吸收光譜，觀察純酶的吸收光譜有助於判斷SOD的純度。

6．SOD的（活性測定）分析方法

一般分為直接法和間接法兩大類。

直接法往往需要操作複雜、價格昂貴的儀器，在一般試驗室無法使用。間接法需藉助超氧自由基產生劑和超氧自由基清除指示劑兩種物質。其中常用的產生劑包括最早使用的黃嘌呤-黃嘌呤氧化酶、鄰苯三酚及近年發展起來的非酶體系的NADH-PMS、核黃素-TEMED、鹼性二甲基亞碸、HXT-01050；清除指示劑則有最早發現的細胞色素C、NBT，到近年來的魯米諾和MTT等。

間接法中比色法最為常用，如黃嘌呤氧化酶-細胞色素C法和鄰苯三酚自氧化法。這兩種最為普及的方法多年來不斷得到改進，其靈敏度也不斷得到提高。另外，近年來新建立了多種方法，如化學發光法、光化學法、極譜氧電極法、免疫法等。其中化學發光法與極譜氧電極法由於方法簡便、靈敏度高，受到人們的青睞。

（1）黃嘌呤氧化酶（XO）- 細胞色素C法

國外多以該法測定SOD活性。在SOD被發現之初就是利用此法進行測定的，又稱之為McCord法，被認為是間接法中的經典方法。酶活性單位定義為：在一定條件下，3ml反應液中，每分鐘抑制氧化型細胞色素C還原率達50%的酶量定為一個活力單位。

McCord法靈敏度較低，但採取以下措施可得到提高:

①用乙醯化細胞色素C替代細胞色素C，可將靈敏度提高一倍，而且使測定結果不受樣品中細胞色素C氧化酶的影響；

②將pH7.8，0.05mo1/L磷酸緩衝液換成pH10.2的碳酸緩衝液，並將黃嘌呤濃度從0.05 mmo1/L 增至0.10 mmo1/L ，靈敏度可提高10倍；

③預先將黃嘌呤-黃嘌呤氧化酶溶液在25℃下保溫10分鐘，使O₂^－·產量達到穩定程度，即O₂^－·產生率與其自動歧化率達到平衡，靈敏度增加可高達710倍；

④利用FP9平行分析儀可進行半自動分析，快速、簡便，可以同時測定多個樣品。

（2）鄰苯三酚自氧化法

國外多使用經典的鄰苯三酚自氧化法（簡稱Marklund法），Marklund法是採用420nm處光吸收測定。酶活力定義為：在一定條件下1ml的反應液中，每分鐘控制鄰苯三酚在420nm波長的自氧化速率達50%的酶量定為一個活力單位。

該方法經過不斷改進，操作更為簡便、靈敏度更高。如將吸收波長由420nm改用325nm，測試靈敏度提高了6.4倍，稱為微量鄰苯三酚自氧化法，同時將鄰苯三酚耗量減少一半；

Marklund法的另一缺陷是呈色反應與光吸收值的測定必須同步進行，因此樣品池必須保持恆溫，且不能同時處理多個樣品。通過使用二硫蘇糖醇（DTT）或L-抗壞血酸（VC ）作為終止劑，使反應暫時停止，使A₄₂₀在一定時間內保持恆定，可同時測多個樣品，有較高的重複性和回收率。同時，終止劑既不參與，也不影響鄰苯三酚的呈色反應，自氧化曲線與經典法的相吻合，最大抑制百分比和靈敏度也基本一致。

另外，為消除HCl對SOD的抑制作用，改用K₂HPO₄- KH₂PO₄緩衝液替代Tris - HCl緩衝液，靈敏度可提高50%。

（3）化學發光法

化學發光法依據的原理是：O₂^－·可與化學發光劑魯米諾（luminol）反應，產生激發態產物，當其迅速返回基態時，即發出光。SOD可消除O₂^－·，從而使發光強度降低，SOD濃度與發光百分率在一定時間內呈線性關係。活力單位定義為：在一定條件下，使每毫升反應液於1分鐘末發光率被抑制50%的酶量作為一個酶活力。

同傳統的比色法相比較，化學發光法專一性較強，其他干擾因素少，靈敏度高，最適用作粗提取液中SOD活性的檢測。

（4）極譜氧電極法

比色法測定的呈色反應往往不穩定，因此測定結果波動很大。極譜氧電極法利用了系統產生O₂^－·過程中消耗O₂，一定量的SOD又會使O₂^－·歧化產生O₂，從而使耗氧量減少的特性，使用極譜氧電極儀精確測出耗氧量而推算出酶活。SOD活力單位定義為：25℃， pH8.4，使每分鐘產生1μl O₂的SOD量定為1個酶活力單位。

該方法利用了O₂張力的變化，與所用試樣的物理狀態如澄清度、是否膠體或懸濁液、有無顏色等無關，尤其適用於各種組織勻漿。而且由於直接測定O₂量，方便、快速、微量化、靈敏度高、重複性好，且可自動連續記錄酶作用過程的變化。

除了以上幾種方法，其他方法如光化學法（正染法）等方法也都得到不斷的改進；而靈敏度、特異性均高於一般化學法的免疫法在醫學上也得到應用，並取得了很好效果。同時計算機也開始用於SOD的活性分析，並有用於SOD酶活力線性分析的專用軟體，可適用於各種產O₂^－·系統、各種清除劑系統及不同的酶提取液的活力測定。

（二）過氧化氫酶（catalase，CAT）

過氧化氫酶是另一種酶類清除劑，又稱為觸酶，是以鐵卟啉為輔基的結合酶。它可促使H₂O₂分解為分子氧和水，清除體內的過氧化氫，從而使細胞免於遭受H₂O₂的毒害，是生物防禦體系的關鍵酶之一。CAT作用於過氧化氫的機理實質上是H₂O₂的歧化，必須有兩個H₂O₂先後與CAT相遇且碰撞在活性中心上，才能發生反應。H₂O₂濃度越高，分解速度越快。

幾乎所有的生物機體都存在過氧化氫酶。其普遍存在於能呼吸的生物體內，主要存在於植物的葉綠體、線粒體、內質網、動物的肝和紅細胞中，其酶促活性為機體提供了抗氧化防禦機理。

CAT是紅血素酶，不同的來源有不同的結構。在不同的組織中其活性水平高低不同。過氧化氫在肝臟中分解速度比在腦或心臟等器官快，就是因為肝中的CAT含量水平高。

自1937年首次推出作為細胞內結晶化酶之一的牛肝過氧化氫酶之後，已利用不同方法（選擇性沉澱法和層析法）從牛、馬或人的紅細胞、肝和腎中提純過氧化氫酶。從不同機體分離出的大多數過氧化氫酶的分子量為240kDa，並具有4個相同的亞單位，在其活性部位各含一血紅素基團。來自哺乳動物以及某些真菌和細菌的過氧化氫酶還含有4個緊密結舍的NADPH分子，但其功能尚有爭議。

常用的CAT酶活性測定方法有以下幾類：

（1）分光光度法 包括鉬酸銨比色法、紫外速率直接法和改良比色法等。其中改良比色法簡便，快速，顯色穩定，重複性好，不需特殊試劑及儀器設備，適合一般實驗室採用，但生物樣品常會造成干擾；

（2）化學發光法 魯米諾（luminol）在一定條件下與H₂O₂及Co²⁺等金屬離子共存時發出強烈的藍光，當樣品中有CAT存在時，基質的H₂O₂將被分解，由H₂O₂所引起的化學發光強度減弱，由此計算總CAT酶活性。化學發光法易受試劑配製、操作技術和條件及測定時間等多種因素影響，但經過方法改進，可排除各種不良因素對測定的影響，是一種簡單靈敏、重複性好、特異性也較高的化學發光技術測定方法；

（3）極譜法 溶液中兩個電極間加以一定的電壓（極化電壓）後產生可測電流，極譜法是應用氧電極，通過測量這種電解電流量以測定溶質的方法。當反應體系中含有一定濃度的過氧化氫時，加入一定量的含有過氧化氫酶的樣品，過氧化氫就被分解而產生氧氣，記錄儀上可顯示出反應室中氧量增加，增加的程度與加入液體中酶的活性成正比。該方法廣泛用於生化方面的研究工作；

（4）滴定法 包括:①過硼酸鹽底物法：在中性水溶液中，CAT催化過硼酸鹽還原成硼酸鹽，同時釋出氧。經過一定時間後，加入硫酸使酶失活，以中止反應，用高錳酸鉀溶液滴定殘存的過硼酸鹽，結果反映CAT活性；②過氧化氫滴定法；一定量的細菌同一定量的H₂O₂發生反應，經過一定時間後加酸中止反應，然後用高錳酸鉀滴定剩餘的H₂O₂量，從而測定細菌過氧化氫酶的活性。

（5）檢壓測定法 在一定pH的緩衝液中，過氧化氫酶作用於過氧化氫釋出氧氣。此反應非常迅速、劇烈，在不斷攪拌、震蕩及減壓的條件下，所產生的氧氣得以迅速逸出溶液，在一定容量的容器內產生壓力變化，壓力變化數值可換算成產氧量，用來表示樣品過氧化氫酶的活性。

（三）谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）

谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）是在哺乳動物體內發現的第一個含硒酶，它於1957年被Mills首先發現，但直到1973年才由Flohe和Rotruck兩個研究小組確立了GPX與硒之間的聯繫。

研究表明，硒是谷胱甘肽過氧化酶（Se-GPX）的活性成分，是GPX催化反應的必要組分，它以硒代半胱氨酸（Sec）的形式發揮作用，攝入硒不足時使Se-GPX酶活力下降。在體內處於低硒水平時，活力與硒的攝入量呈正相關，但到一定水平時，酶活力不再隨硒水平上升而上升。Se-GPX存在於胞漿和線粒體基質中，它以谷胱甘肽（GSH）為還原劑分解體內的氫過氧化物，能使有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物，並使過氧化氫分解成醇和水，因而可防止細胞膜和其它生物組織免受過氧化損傷。它同體內的超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）一起構成了抗氧化防禦體系，因而在機體抗氧化中發揮著重要作用。

機體在正常條件下，大部分活性氧被機體防禦系統所清除，但當機體產生某些病變時，超量的活性氧就會對細胞膜產生破壞。機體消除活性氧O₂^－·的第一道防線是超氧化物歧化酶（SOD），它將O₂^－·轉化為過氧化氫和水，而第二道防線是過氧化氫酶（CAT）和GPX。CAT可清除H₂O₂，而GPX分布在細胞的胞液和線粒體中，消除H₂O₂和氫過氧化物。因此，GPX、SOD和CAT協同作用，共同消除機體活性氧，減輕和阻止脂質過氧化作用。

GPX廣泛存在於哺乳動物的組織中，不同種類的GPX其分子量和比活性也有所不同。谷胱甘肽是此酶的特異性專一底物，而氫過氧化物則是非專一性底物。

GPX的活力測定常採用5，5′-二硫代對二硝基苯甲酸（DTNB）法，用單位時間內催化GSH氧化的減少量表示。GSH可和二硫代對二硝基苯甲酸（DTNB）反應生成黃色的5-硫-2,2-硝基苯甲酸陰離子，在412nm處有最大光吸收，測定該離子的濃度，即可計算出GSH減少的量。由於上述反應在非酶條件下仍能進行，故計算酶活力時，必須扣除非酶反應所引起的GSH減少量。

三、非酶類自由基清除劑

（一）維生素類

維生素不僅是人類維持生命和健康所必需的重要營養素，還是重要的自由基清除劑。對氧自由基具有清除作用的維生素主要有維生素Ｅ、維生素Ｃ及維生素Ａ的前體β-胡蘿蔔素。

維生素Ｅ又稱為生育酚，是強有效的自由基清除劑。它經過一個自由基的中間體氧化生成生育醌，從而將ROO·轉化為化學性質不活潑的ROOH，中斷了脂類過氧化的連鎖反應，有效地抑制了脂類的過氧化作用。維生素Ｅ可清除自由基，防止油脂氧化和阻斷亞硝胺的生成，故在提高免疫能力，預防癌症等方面有重要作用，同時在預防和治療缺血再灌注損傷等疾病有一定功效。

維生素Ｃ又稱為抗壞血酸，在自然界中存在還原型抗壞血酸和氧化型脫氫抗壞血酸兩種形式。抗壞血酸通過逐級供給電子而轉變成半脫氫抗壞血酸和脫氫抗壞血酸，在轉化的過程中達到清除O₂^-·、·OH、ROO·等自由基的作用。維生素Ｃ具有強抗氧活性，能增強免疫功能、阻斷亞硝胺生成、增強肝臟中細胞色素酶體系的解毒功能。人體血液中的維生素Ｃ含量水平與肺炎、心肌梗塞等疾病密切相關。

β-胡蘿蔔素廣泛存在於水果和蔬菜中，經機體代謝可轉化為維生素Ａ。β-胡蘿蔔素具有較強的抗氧化作用，能通過提供電子，抑制活性氧的生成，從而達到防止自由基產生的目的。許多試驗表明，β-胡蘿蔔素能增強人體的免疫功能，防止吞噬細胞發生自動氧化，增強巨噬細胞、細胞毒性Ｔ細胞、天然殺傷細胞對腫瘤細胞的殺滅能力。在多種食品中，β-胡蘿蔔素與不飽和脂肪酸的穩定性密切相關。

有實驗證明老年人攝入維生素C以及維生素E可以增進多項免疫功能，維生素C-E聯合物還可清除血液中的自由基等有害物質和循環應激激素。除此之外，維生素C、維生素E以及 ? 胡蘿蔔素等抗氧化性維生素可以延緩老齡化進程，還可以預防和治療許多老年疾病，如動脈粥樣硬化、高血壓、心臟病和腦卒中等，這些疾病都與低密度脂蛋白膽固醇的氧化有關。

維生素C還能有效保護維生素E和?-胡蘿蔔素不被過早消耗。每天攝入500毫克維生素C可以幫助高血壓患者降低血壓。攝入維生素E不但可增強老年人的記憶力、預防老年痴呆症及治療受自由基所累的遲緩型運動障礙，還可預防前列腺癌的發病、抑制消化道腫瘤（尤其是腸癌），並降低其死亡率。短期、大劑量地腸內補充維生素E 還可調整單核細胞、巨噬細胞對內毒素的反應，提高維生素E對於敗血症、缺血再灌注損傷均能起到保護性的治療作用。

健康人可以通過日常均衡的膳食攝取充足的維生素，但在機體受到感染、體力活動增加、服用特殊藥物、體液大量丟失及婦女懷孕和哺乳等情況下，機體對維生素的需求大大增加，不額外補充，則易導致維生素缺乏，自由基損傷機體，誘發或加速其他疾病。

（二）黃酮類化合物　

黃酮類化合物泛指兩個苯環通過中央三碳鏈相互聯結而成的一系列C₆-C₃-C₆化合物，主要是指以2-苯基色原酮為母核的一類化合物，在植物界廣泛分布。黃酮是具有酚羥基的一類還原性化合物。在複雜反應體系中，由於其自身被氧化而具有清除自由基和抗氧化作用。其作用機理是與Ｏ₂^-·反應阻止自由基的引發，與金屬離子螯合阻止·OH的生成，與脂質過氧化基ROO·反應阻斷脂質過氧化。

黃酮及其某些衍生物具有廣泛的藥理學特性，包括抗炎、抗誘變、抗腫瘤形成與生長等活性。黃酮在生物體外和體內都具有較強的抗氧化性，具有許多藥理作用，對人的毒副作用很小，是理想的自由基清除劑。目前已發現有4000多種黃酮類化合物，可分為如下幾類：黃酮、兒茶素、花色素、黃烷酮、黃酮醇和異黃酮等。

很多常用中草藥的活性成分是黃酮類化合物，其提取物蘆丁、芒果甙、青蘭甙、雙氫青蘭甙、芸香甙、橙皮甙和黃苓甙等均已應用於臨床。以黃酮類化合物為主要成分的銀杏葉提取物（EGB）已被廣泛應用於醫藥和功能性食品行業。研究表明：EGB在治療心血管疾病，調節血脂水平，治療腦供血不足和早期神經退行性病變等方面有良好的療效。另外，很多天然藥物或食物中的某些功效成分，同樣對氧自由基具有清除作用，如丹參中的丹參酮，黃苓中的黃苓甙，五味子中的五味子素，黃芪中的黃芪總黃酮、總皂甙、黃芪多糖，靈芝、雲芝、香菇、平菇等菇類的多糖，甘草中的甘草酸，竹葉（紫竹、高節竹、金毛竹、花哺雞竹、紅哺雞竹、斑竹等）中的黃酮類組分，麥麩中的膳食纖維等。而另外一些天然食物如堅果、葡萄的皮和籽、薯類、蜂膠等，雖然未能確定其起作用的功效成分，但仍可通過試驗揭示其對氧自由基有明顯的清除作用。

兒茶素是從茶葉中提取出來的多酚類化合物-茶多酚（Tea Polyphenols，簡稱TP）的主體成分，約佔茶多酚總量的60%～80%，茶乾重的12%～24%。作為茶多酚中含量最高、藥理作用最明顯的組分，已引起了廣泛的重視。大量體外實驗及動物試驗證實，兒茶素具有抗氧化、抗腫瘤、抗動脈粥樣硬化、防輻射、防齲護齒、抗潰瘍、抗過敏及抑菌抗病毒等作用，是一種優良的天然抗氧自由基清除劑。茶多酚溶液清除羥自由基活性大於VC溶液。茶多酚為羥自由基清除劑，茶多酚的主要成分兒茶素在清除自由基過程中扮演了重要的角色。大量的研究表明：兒茶素氧化聚合物也是一種有效的自由基清除劑和抗氧化劑，具有抗癌、抗突變、抑菌、抗病毒，改善和治療心腦血管疾病，治療糖尿病等多種生理功能。其在食品、醫藥保健等領域的作用越來越突出。作為兒茶素氧化聚合物的茶色素治療冠心病的作用機制在於提高SOD活力和降低MDA含量，削弱脂質過氧化作用，增加供氧和供血能力。茶色素對高血壓的預防和緩解作用也是通過提高SOD活力、增強機體的抗氧化能力而實現的。

原花青素是一種多酚類化合物，這種化合物在酸性介質中加熱均產生花青素，故將這類物質命名為原花青素。原花青素是由不同數量的兒茶素或表兒茶素縮合而成，分二聚體、三聚體直至十聚體。二至四聚體為低聚體，五聚體以上為高聚體，其中二聚體分布最廣。原花青素是一種天然有效的自由基清除劑，主要存在於葡萄、蘋果、可可豆、山植、花生、銀杏、花旗松、羅漢柏、白楊樹、刺葵、番荔枝、野草萄、高梁等植物中。此外，葡萄汁、紅葡萄酒、蘋果汁、巧克力和啤酒中也含有原花青素。原花青素多為水或乙醇提取物，少數經離子交換純化，用冷凍或噴霧乾燥成淡棕色粉末，味澀，略有芳香。分離後的原花青素二聚體、三聚體可以清除各種氧自由基，從而具有抗氧化、降血壓、抗癌等多種藥理活性，能增強免疫、抗疲勞、延緩衰老等功效。

異黃酮類作為一種有效的抗氧化劑國內外已有很多報道。大量實驗研究結果表明：異黃酮是一種有效的抗氧化劑和自由基清除劑。

（三）微量元素

除了上述的各種酶及維生素類、黃酮類化合物，許多微量元素也起到清除自由基的作用。

1.硒

硒是一種非常重要的微量元素，是硒谷胱甘肽過氧化酶的活性成分，Se-GPX存在於胞漿和線粒體基質中，能使有毒的過氧化物還原成無毒的羥基化合物，並使過氧化氫分解成醇和水，攝入硒不足時使Se-GPX酶活力下降，在體內處於低硒水平時，Se-GPX活力與硒的攝人量呈正相關，但到一定水平時，酶活力不再隨硒水平上升而上升。有人曾對糖尿病大鼠補充硒和維生素E，其GPX和超氧化物歧化酶（SOD）活性均有不同程度增加，而脂質過氧化產物丙二醛含量隨之下降，可能是因為抗氧化酶蛋白與葡萄糖的糖化反應受到硒和維生素E的抑制而使抗氧化酶活性得到保護。另外，高糖環境中增加的糖基化蛋白會自動氧化產生大量自由基，而引起一系列連鎖氧化過程，硒和維生素E的抗氧化性可阻斷這一過程中的某些環節。

2.鋅

鋅在清除自由基的過程中也起到很重要的作用。鋅能減少鐵離子進入細胞並抵制其在羥自由基引發的鏈式反應中的催化作用，鋅也能終止自由基引起的脂質過氧化鏈式反應。鋅可與鐵競爭從而抑制了脂質過氧化的多個環節，它們通過競爭與膜表面結合的位點，可使鐵複合物產生減少，通過Hater-Weiss反應產生·OH減少，造成脂類轉變為活性氧的鏈式反應被抑制。缺鋅還可以顯著降低GPX的活性。由於鋅可以激活體內的GPX，鋅缺乏使體內有活性的GPX數量減少，也由於鋅缺乏導致的過氧化脂質生成增多，而使GPX消耗增多，導致其活性下降。鋅還有穩定細胞膜的作用，由於鋅與紅細胞膜結合，抑制了膜脂質過氧化過程中所產生的自由基，從而降低了自由基對膜的損傷。鋅作為超氧化物歧化酶的輔酶，催化超氧離子發生歧化反應。鋅缺乏可以顯著降低Cu/Zn-SOD的活性，而使Mn-SOD活性代償性升高。但當缺鋅嚴重時，Mn-SOD活性的代償性升高仍然對自由基有抑制作用，且隨濃度增加而抑制增強。鋅可以誘導體內硫蛋白的產生而抵制自由基的損害，鋅與抗氧化劑鰲合，其抗氧化作用增強。

3.銅

Cu/Zn-SOD的活性中心是銅，銅藍蛋白中含有血清銅的大部分，是細胞外液重要的抗氧化劑。銅藍蛋白的抗氧化作用主要是防止過渡金屬Fe^2＋和Cu^2＋催化H₂O₂形成·OH。銅藍蛋白具有鐵氧化酶的活力，能將Fe^2＋氧化成Fe^3＋，防止Fenton反應的發生。

4.鐵

鐵是過氧化氫酶（CAT）的活性中心，體內三分之二的鐵存在於血紅蛋白中，血紅素缺乏，CAT活性下降。但活性鐵是脂質過氧化的催化劑，脂質過氧化啟動反應所產生的脂烷基與氧反應，產生脂烷過氧基。這些自由基再度作用於脂質，使反應以鏈式不斷進行，脂質過氧基的性質非常活躍，而造成細胞成分的損害。

5.錳

錳是體內多種酶的組成成分，與體內許多酶的活性有關。錳與銅同樣是超氧化物歧化酶（SOD）的重要組成成分，在清除超氧化物、增強機體免疫功能方面產生影響。Mn-SOD是體內自由基清除劑。對人來說，胚胎和新生兒體內的Mn-SOD含量高於成年人，隨著機體衰老，其含量逐步下降。老年色素斑中脂褐素在細胞內的形成和聚集與Mn-SOD有關。因此，錳的抗衰老作用主要與體內Mn-SOD有關。

6.鍺

有機鍺能降低脂質過氧化，保護細胞質膜，降低血漿、肝、腦等組織中過氧化脂質水平。

（四）類胡蘿蔔素

四、富含自由基清除劑的食品

隨著人們對自由基理論的了解，越來越多的人開始關注能夠清除自由基的功能食品。食品專家們也對此進行了積極的研究和探索。目前，對此類食品的研究大致有兩個方向。一是從天然動植中提取有效成分，添加於各種飲料或固態食品中作為功能性食品的功能因子或食品營養強化劑。目前已有添加SOD的蛋黃醬、牛奶、可溶性咖啡、啤酒、白酒、果汁飲料、礦泉水、奶糖、酸牛乳、冷飲類等類型的功能性食品面市。二是利用微生物發酵或細胞培養，得到自由基清除劑含量豐富的產品。

在許多天然動植物中含有抗自由基的活性成分。如姜含揮髮油和姜辣素，其成份有姜酚、姜酮和姜烯酚。綠茶的主要成分茶多酚，銀杏、竹葉的有效成分黃酮和酚類，各種果品蔬菜中的維生素，還有一些中藥如白首烏、五味子、葛根、小葉女貞、柴胡、車前子等也含有多種活性成分。另外，党參、靈芝等真菌中的多糖也是有效的活性成分。在動物的肝臟等器官，血液中也可提取有關的活性成分。

利用微生物發酵或細胞培養生產功能因子，也是目前研究的熱點。如在固體培養基上人工培育冬蟲夏草，由預處理的大豆經少孢根霉短期固態發酵生成丹貝異黃酮，用大蒜細胞培養或深紅酵母生產SOD。這些方法不受氣候、季節的限制，可實現工業化的連續生產。

二十一世紀，有利於確保人類健康的功能性食品將是食品行業發展的重點。關於自由基清除劑的深入研究，對預防和治療人類的許多疾病，以及對各類保健食品生產方面均具有指導意義。隨著研究的深入，將有更多更有效的自由基清除劑被開發和利用，將會進一步推動功能性食品行業向前發展，為保障人類的身體健康作出更大貢獻。

思考題

1. 自由基理論的核心內容是什麼？

2. 自由基對人體有哪些危害？怎樣消除或減少這些危害？

3. 什麼叫自由基清除劑？各有哪些種類？

4. SOD在食品中有哪些應用？

5. 微量元素與自由基清除劑有什麼關係？