（一）自由基與活性氧的定義及種類
自由基醫學的開始於 1969 年由 McCord 和 Fridovich 成功自牛紅 血球細胞中分離出超氧歧化 Superoxide Dismutase（SOD）（89）， 自此自由基研究在醫學扮演一重要角色。生物體在正常代謝過程中會 形成自由基（free radical）與活性氧（reactive oxygen species），當 體內的自由基與活性氧過量時，則易與細胞膜上之多元不飽和脂肪酸 作用，而引發脂質過氧化（lipid peroxidation）的作用，造成膜傷害 及擾亂許多代謝途徑，導致人類許多疾病的發生（90-94）。
自由基乃是指具有一個或多個不成對電子的原子或分子（95），可依 其未成對電子所在位置區分成以碳、氧、氮或硫為中心之自由基（96）。 大部分自由基具有高度之反應性，處於較不穩定的狀態，會與非自由 基反應而產生新的自由基以形成連鎖反應（chain reaction）。
活性氧是指反應性較三重態氧強的含氧分子。大氣中是以較安定 的三重態氧（triplet oxygen，3O2）存在，此氧分子可經由電子轉移 及能量轉移兩種反應途徑而活化（97）。前者包括氧分子連續接受電子 所形成的一系列中間產物及反應物，如超氧陰離子、過氧化氫及脂質 過氧化自由基。後者則指由基態之三重態氧吸收能量激發為單重態氧
（singlet oxygen，1O2）。活性氧中有些也是自由基，這些含氧之自 由基亦稱為氧自由基（oxyradicals）。氧自由基與其他非自由基活性 氧合稱為反應性氧分子群（reactive oxygen species，ROS）（98,99）。
自由基與活性氧的種類很多（表二及表三）（100），大部分的自由基
與活性氧處於較不穩定的狀態，大多是瞬間產生，半衰期很短（101）， 反應性較非自由基分子高，易與其它分子發生反應，對人體有重大影 響的可歸納為五種（102）（圖十一）：
1. 超氧化物自由基 (Superoxide anion radical) ：· O2-
通常是最先也是最常產生的自由基，體內的吞噬細胞及粒線體中 的電子傳遞鏈等均會產生超氧化自由基。雖然其半衰期極短，可 是自由基會造成連鎖反應，而接著產生的二級產物、三級產物等，
即會造成傷害。
人體內含有 Mn-SOD、CuZn-SOD 可有效轉換· O2-成為 H2O2，再 由過氧化氫 (Catalase) 或麩氨基硫過氧化 (Glutathione peroxidase) 加以轉化為無害物質，如 H2O 等。
2. 過氧化氫 (Hydrogen peroxide) ：H2O2
除了由 SOD 作用轉化而來之外，體內 H2O2也可能來自吞噬細胞 的吞噬作用、醯基的β-氧化作用 (beta-oxidation of fatty acyl CoA) 及其他氧化還原循環反應 (redox cycle) 。過氧化氫對細胞的傷害 性較大，因其能通過細胞膜和體內轉運中的鐵和銅 (transition ions) 發生 Fenton 反應（103）而產生破壞性極大的羥基自由基 (· OH) 。
Fe2+ + H2O2 Fe3+ + ⋅OH + OH
過氧化氫可活化 myoglobin、hemoglobin 及 heme protein，使之 成為高氧化態的含鐵化合物 Fe（IV）或 Fe（V），而這些化合物 會促使細胞內的脂質過氧化或引發膜上之脂質過氧化。
3. 羥基自由基 ( Hydroxyl radical) ：· OH
羥基自由基可以說是最活躍的自由基之一，除了上述自由基轉換 造成之外，照射 X-ray 也會產生大量· OH。它主要會造成體內脂質 過氧化而破壞細胞，而且會和醣類、氨基酸、磷脂質、核醣體、
有機酸等任何生物體內物質反應。近年來研究指出，多元不飽和 脂肪酸（PUFA）的過氧化作用和羥基自由基有很密切的關係，一 般認為一個· OH 會因連鎖反應造成上百個 PUFA 的過氧化。
4. 單重線態氧 (Singlet oxygen) ：1O2
是體內穩定的氧受紫外線照射後會大量產生不穩定的物質，單重 態氧極易與氫反應，直接攻擊不飽和脂肪酸，造成自由基物或脂 質氧化。
5. 過氧化脂質 (Lipid hydroperoxide) ：LOOH
過氧化脂質可以說是許多自由基物反應後的產物，而且多半發生 在細胞膜上的多元不飽和脂肪酸。過氧化脂質可以再斷裂成其他 自由基物形成有害的醛類、鹼類或其他產物。過氧化脂質或其他 產物會直接和蛋白質、酵素、核酸作用，導致細胞甚至器官的變 性或死亡。
（二）活性氧與自由基的來源
近年來有許多研究報告指出，自由基在癌症、心血管疾病及老化 上，均扮演極重要的角色（95,104），而人體在代謝過程中亦會產生活性 氧與自由基，在正常狀態下，生體之抗氧化系統會與自由基對抗取得 一個平衡，以維持生體正常生理，唯當此平衡遭到破壞時，活性氧與
傷害，甚至死亡，而此平衡之破壞害，日積月累不斷形成與累積，亦 可能導致多種疾病之發生（105）。
活性氧與自由基之來源可分為內生性與外生性二部分。在內生性 方面，生物系統於好氧之條件下，有兩種方式可產生活性氧與自由基
(106) 。
1. 偶發性之產生
生體行好氧性呼吸時，氧分子經一連串步驟由粒線體電子傳遞 鏈、微粒體、細胞色素 P-450 或其他酵素系統，接受四個氫原子或 四個電子而還原成水，在電子轉移之過程中，會依序產生超氧陰離子
（· O2-）、過氧化氫（H2O2）及氫氧自由基（· OH），而較複雜之生合 成或代謝過程中，亦會產生其他之自由基（107）。
2. 需要性之合成
人體會因活化細胞或殺死一些細菌之需要而產生活性氧，如白血 球在活化時會產生· O2-、H2O2與 HOCI 活性氧，此類自由基在殺死侵 入人體之病菌上扮演重要之角色 (108-110) ，另外像淋巴細胞（111）、纖維 細胞（112）、血管內皮細胞（113）亦會產生·O2-。此外，人體內的某些氧 化酵素之代謝，也會產生 H2O2，如 Glycolat oxidese、Xanthine oxidese 及以 D-amino acid oxidase (114) ，而生物體罹患疾病時，亦 會產生許多之活性氧與自由基（104）。
表二 活性氧之分類（100）
自由基 非自由基
· O2- superoxide H2O2 Hydergen peroxide
· OH Hydroxyl radical 1O2 Singlet oxygen
· HO2 Hydroperoxyl radical LOOH Lipid hydroperoxide
· L Lipid radical Fe=O Iron-oxygen complexes
· LO2 Lipid peroxyl radical HOCl Hypochlorite
· LO Lipid alkoxyl radical
· NO2 Nitrogin dioxide
· NO Nitric oxide
· RS Thiyl radical
· P Protein radical
表三 活性氧的產生方式（100）
活性氧的種類 產生方式
超氧自由基（Hydroperoxyl radical）
· O2- （· HO2） Alkoxyl 和 peroxyl radicals
LO •LO2• 氫過氧化物經由金屬催化分解
圖十一 氧分子之氧化還原及激發狀態（102）
外在環境中自由基之來源包括空氣污染、化學藥劑、香煙、煙霧、
紫外光照射及農藥等（115）。對人體損傷最大的空氣污染源是二氧化氮
（NO2）和臭氧（ozone）（116）。臭氧會與不飽和脂肪酸（PUFA）反 應產生自由基，再形成臭氧群及誘導脂質的自動氧化。高能量之幅射 線會引起人體傷害，因人體含水約百分之七十，而輻射線會將水解離 成氫原子、氫氧自由基、氧分子及過氧化氫等，造成細胞的損傷。煙 草經燃燒後，產生多環芳香羥（polyaromatic hydrocarbon，PAH）、
一氧化氮（NO）、NO2及過氧化物自由基。一氧化氮與二氧化氮亦會 與過氧化氫作用，形成氫氧自由基，其會攻擊肺部組織，使之失去彈 性且引起水腫，如圖十二，亦會引起動脈粥狀硬化、心臟病及腦中風
（119）。
食品之調理方法如不當，亦會使人體在食入該食品後，在體內產 生自由基，如肉類經火烤、油炸、炭烤時會產生 PAH，其一旦進入 體內經代謝後會形成自由基，如由 Cytochrome P-450 與 Fe3+結合之 酵素作用，PAH 會被氧化成陽離子自由基（Cation radicals），再進 而與各種親核物（nucleophiles）作用，當其與 DNA 結合時，即會 引起突變或導致癌症之形成（120）。
日常生活中許多化學物質若誤攝入體內時，也會造成自由基的產 生。如常用的除草劑 paraquat 及 diquat 經氧化還原後會產生· O2
-（121），而四氯化碳在體內代謝也會產生多種自由基（122），且會誘發急 性肝細胞毒性（123）。
（三）活性氧與自由基對生物體損傷作用的機制
當生體曝露於活性氧和自由基之環境下時，自由基會直接或間接 的攻擊生物分子而造成傷害。細胞膜脂質上之不飽和鍵結是自由基作 用的主要目標，而其它如蛋白質、DNA、RNA、酵素等亦是活性氧
與自由基之攻擊標的。此外，過量之活性氧所產生氧化之逆境
（oxidative stress）亦會導致細胞傷害及死亡（93）。自由基對細胞的 影響如圖十三所示（124）。
由於自由基的發生及作用是連續的動作，一個自由基的產生，將 引發另一個新的自由基產生。此新生成的自由基會繼續和周圍的分子 反應，產生更多的自由基。雖然自由基的半衰期極短，但因反應性大 且自由基形成的氧化反應對生物體會導致嚴重的生理衰老和病理性 變化，仍有可能造成細胞的損傷、對蛋白質和 的損害及對核酸和染 色體的破壞，導致器官及身體極大的傷害。活性氧與自由基對生物體 之脂質過氧化作用及對蛋白質分子、核酸分子之氧化傷害機制概述如 下：
1. 對脂質之過氧化作用
不飽和脂肪酸較飽和脂肪酸更易受到自由基之攻擊，細胞膜上磷 脂質之不飽和雙鍵位置即為容易受到自由基攻擊之所在，例如，氫氧 自由基之過量產生會引起脂質過氧化作用，膜上脂質和蛋白質遭到破 壞而引起動脈粥狀硬化，該氧化作用亦會使 ATPase 等酵素之活性改 變，而離子通過率也隨之改變。多元不飽和脂肪酸受到自由基攻擊後 會形成脂質自由基，而且氧會與這些自由基反應而形成過氧化自由基
（peroxyl radicals）及氫過氧化物（hydroperoxide），這些化合物會 繼續進行連鎖反應而導致膜的損壞（125）。四氯化碳也會導致肝臟微粒 體（microsome）的氧化而形成丙二醛（malondialdehyde，MDA）
（126），此為脂質過氧化之二級產物，會與蛋白質、氨基酸和 DNA 反 應，並與老化、致突變（mutagenesis）和致癌（carcinogenesis）
有關連（127）。
煙霧及紫外線形成臭氧
（Ozone formation from 肺部的反應
Smog and UV radiation） （Pulmonary responses）
肺功能損傷 減少肺容積 增加呼吸道阻力 增加表皮滲透性 發炎
支氣管再活化
增加呼吸病症及
呼吸道感染的敏感性
黏液鼻炎 慢性咳嗽
圖十二 吸入空氣污染源對呼吸道功能的影響（118）
2. 對蛋白質分子氧化傷害
於氧化狀態下，蛋白質之胺基酸殘基會受到多種氧化修飾，許多 活性氧和自由基藉氧化蛋白質的-SH 基而改變其結構與功能性，如眼 球水晶體穿透度之喪失（128），而氫氧自由基亦會攻擊胺基酸殘基，此 外，蛋白質與過渡金屬鍵結時，亦會加速形成。脂肪酸氧化產生之氧
於氧化狀態下，蛋白質之胺基酸殘基會受到多種氧化修飾，許多 活性氧和自由基藉氧化蛋白質的-SH 基而改變其結構與功能性，如眼 球水晶體穿透度之喪失（128），而氫氧自由基亦會攻擊胺基酸殘基，此 外，蛋白質與過渡金屬鍵結時，亦會加速形成。脂肪酸氧化產生之氧