生物过程中的自由基

自由基是具有非偶电子的基团或分子。它是正常生物化学过程的中间产物，在生物机体的正常及病理过程中都存在。例如在生物氧化、酶促反应、电子传递、能量转移、光合作用、视觉过程、核酸功能、放射生物效应、癌变、衰老、炎症、心肌损伤、动脉硬化、突变等生命现象中都起作用。自由基反应在生物过程中的重要性是从五十年代开始认识的，而对于自由基中活性氧尤其是超氧阴离子重要性的认识只是近十年来的事。
在一个化学反应中，分子中共价键分裂的结果，使共享的电子对完全转移至一方，则形成离子。若分裂的结果使共享电子对分属于两个原子，则形成自由基。自由基的化学活性很高，是反应的中间产物，平均寿命仅10-3s，不过有些是寿命很长的稳定性自由基。自由基反应往往是链式反应，只要极少量的引发剂就可启动反应，一经启动，新生的自由基就与基质进一步反应，导致基质的消耗和各种产物的形成。如果加入少量自由基清除剂就可使反应减慢或抑制。自由基彼此结合可使反应链终止。自由基可借助于物理的电子自旋共振仪(ESR)或化学的超氧化物歧化酶(SOD)等手段来进行研究。
(1) 自由基与肿瘤： 自由基与肿瘤的关系深受人们注意，这是因为
❶肿瘤组织中有特异性的自由基信号，
❷癌变过程中有自由基反应的参与，
❸许多抗癌药物能终止自由基反应。
有人根据不同因素能引起相同肿瘤，同一因素又能引起不同部位肿瘤，似乎任何一种致癌因素在一定程度上均能引起某种相同的破坏，导致癌变。因此认为直接致癌因素不是致癌物本身，而是能破坏细胞正常生长的能量，这种能量的载体是自由基。
人及大鼠的肝癌均有一g=2.035的特异性ESR信号，正常肝中不存在，而且早在临床症状或显微检查阳性结果之前出现，这也许可作为早期诊断的指标。在小鼠腹水癌细胞中可测到ESR波谱信号，当机体注射自由基阻化剂棓酸丙酯，经过一定时间后，发现癌细胞中自由基数量显著减少。慢性淋巴细胞性白血病治疗前白细胞中自由基含量比正常人高4～5倍；慢性骨髓型白血病患者比正常人高2倍。当用各种药物治疗后，可使临床症状缓解血象好转，自由基的含量下降。治疗无效者，自由基含量不下降。但是也有不少工作证明处于生长期中的肿瘤组织所含的自由基比正常同类组织更少。
许多化学致癌剂本身并无生物活性，而是通过机体代谢获得致癌能力的，其原因是由于这些化合物常在体内代谢中形成自由基，进一步使细胞发生癌变。三类有名的致癌剂多环芳烃类、氨基偶氮化合物类、烷基取代化合物类在体内均可形成自由基。
具有抗癌作用的物质遍及芳香族化合物、酚类、芳香胺和喹啉等，结构各异，但大体可归纳成二类，一类为自由基清除剂，一类为抗氧化剂，他们能捕获自由基，并终止自由基链锁反应。甚至有人提出：1930年以后美国胃癌发病率下降可能与广泛食用含有天然抗氧化剂的小麦，以及1947年开始用合成的酚类抗氧化剂作为食物中的防腐剂有关。
(2) 自由基与细胞分裂： 自由基反应的产物能影响有丝分裂。自由基反应的天然阻化剂水平增高，则有丝分裂加速；反之，阻化剂水平降低，则有丝分裂减慢。自由基浓度与有丝分裂指数间似呈反比关系。
(3) 自由基与中枢神经系统功能： 成熟大白鼠中枢神经系统中功能上比较复杂的节段其自由基浓度较大，各节段中自由基含量的差异是在出生后三周才开始出现的。在此以前脊髓中的自由基比脑中的多。作为成熟动物特征的这种相对关系是由于出生后24～26天自由基浓度在大脑半球皮层以及小脑中逐步增大，在脊髓中减少的结果。中枢神经系统各节段的成熟与自由基含量变化几乎发生在同一时期，似乎自由基含量是功能完备的必需条件。
(4) 自由基与衰老： 有人认为机体衰老的原因之一是组织中自由基含量的改变，这种改变使机体功能遭受破坏。给动物喂饲自由基阻化剂维生素E时，可延长寿命。有人提出衰老的交联假说，认为衰老是由于信息分子与其它重要生物分子发生交联而引起的，自由基正是这种重要的交联剂。老年人神经细胞、心肌细胞、肝细胞等实质细胞中出现脂褐素，它可能与组织老化、学习和记忆衰退有关，而自由基参与了它的形成。
(5) 自由基与污染： 光化学烟雾的生成过程中，自由基，尤其是HO·及HO₂·起着关键性中间产物的作用。吸入肺部的O₃及NO₂能与细胞膜上的不饱和脂肪酸发生过氧化作用，形成过氧化基团。这种过氧化反应能被酚类抗氧化剂，如维生素E所终止。缺乏维生素E的大白鼠对于吸入的O3及NO2更不能耐受。对于烟草中自由基也早已引起注意，这些自由基至少含有两类物质，一类为蒽型阳离子基，另一类与苯并芘阳离子基有关，而苯并芘是很强的致癌物。
(6) 自由基与放射生物效应(见“放射生物物理”条)。
(7) 活性氧： 近年来在正常生化反应中，例如黄嘌呤酶促氧化、血红蛋白及肌红蛋白自动氧化、含巯基化合物自动氧化；在环境因素中，例如电离辐射、超声波、大气污染等过程中可发现氧的各种自由基中间产物，总称为“活性氧”。他们具有多种生理、病理作用，正成为生命科学中一个跨学科的重要课题，对预防医学及临床医学也有现实意义。
氧在生物体内还原时，由于获得的电子数目不同，可以形成不同的产物。当O₂获得一个电子时形成超氧阴离子基 ·O^-₂, 当获得了3个电子和3个H⁺时形成H₂O及OH·。由于·O₂-及OH·的氧化能力极强，他们与单线态氧、过氧化氢及有机过氧化物一起称为“活性氧”。活性氧的积极作用表现为：
❶它们在机体防御系统中发挥作用。 如白细胞的杀菌能力与 ·O^-₂有关，不能产生 ·O^-₂的白细胞无杀菌能力。嗜酸性白细胞也可释放出大量的· O^-₂，以杀伤不能被吞噬的寄生虫，而且释放的 ·O^-₂比嗜中性白细胞的多3～6倍。
❷有些重要生物物质在体内生成中需活性氧的参与，例如花生四烯酸产生前列腺素的反应。
活性氧的消极作用表现为：
❶将酶中的巯基和色氨酸残基氧化，导致酶的失活；
❷氧化细胞膜上的脂肪酸，使膜功能破坏；
❸攻击DNA残基，破坏结构，从而出现变异。