第二章 總論
第三節 抗氧化之文獻考察
一、自由基的介紹：
隨著文明的進步及科技的高度發展，使得人類的生活越來越便 利，但卻也造成嚴重的環境污染及生態破壞，進而對人體產生傷害，
造成疾病，這些疾病大部分是導因於自由基對細胞的傷害，其途徑包 括破壞DNA、改變酵素及細胞膜功能、引發脂質過氧化作用等等。
(一)何謂自由基：
自由基(free radical)是指含有一個或多個具有不成對電子的原 子、分子或離子。因其半衰期非常短，約在 10-2~10-9秒之間，故其化 性極不穩定，反應性較其他分子高，很容易攻擊週遭的分子，搶奪鄰 近分子的電子形成電子對，產生氧化還原反應，使本身達到穩定的狀 態，而被搶奪電子的分子則變得不穩定67，極易與其他分子碰撞，造 成連鎖反應(chain reaction)，促使更多的自由基產生。
(二)自由基的種類68-70：
在生物體內，氧(O2)是細胞生存不可缺的物質，在生物體之有氧 代謝過程中會伴隨許多自由基的產生，而生物體中氧的毒性主要來自 於其被部分還原所產生的氧自由基，又稱為活性氧(reactive oxygen
species, ROS)，可分為自由基型與非自由基型氧代謝物 (表二)。其中 由氧衍生出來，且與人體疾病有關的主要活性氧有：
1.超氧陰離子(Superxide anion radical；O2-．)
為體內最先產生的自由基，是由體內吞噬細胞(phagocyte)及粒線 體中的電子傳遞鏈產生，也可能經由血中的葡萄糖與蛋白質作用而產 生。半衰期極短，較少對生物體直接造成傷害，但由於會引起連鎖反 應生成二級產物或三級產物如H2O2、OH•、peroxynitrite...等，對生物 體造成嚴重的傷害，因此在生物體中扮演關鍵性的角色71。
2.過氧化氫(Hydrogen peroxide； H2O2)
為非自由基型活性氧，屬於弱氧化劑，為人體之自然代謝產物，
主要由超氧陰離子經超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)歧 化生成，或由吞噬細胞進行吞噬作用所產稱。H2O2 本身雖比其他的 自由基穩定，但對細胞的傷害較大，主要是因為 H2O2不帶電荷，故 可自由進出細胞膜，直接和體內某些過渡金屬離子如鐵或銅發生費敦 反應(Fenton reaction)(Fe2+＋H2O2ÆFe3+＋OH-＋OH．)，因而產生破 壞性極大的氫氧自由基或次氯酸72,73。
3.氫氧自由基(Hydroxyl radical；OH．)
由過氧化氫在銅、鐵、錳等金屬離子的催化下進行 Fenton 反應
所產生，或由過多 X-ray 及日光的照射在體內產生。OH．在體內具 有高反應性且半衰期短，是破壞力最強的自由基，易造成體內的脂質 過氧化。當 1 個 OH．與不飽和脂肪酸產生過氧化反應，接下來的連 鎖反應就會造成上百個不飽和脂肪酸的氧化，使體內的細胞膜遭到破 壞。此外，OH．與體內醣類、胺基酸、磷脂質、核醣體、有機酸等 任何物質均可反應，使得組織不能發揮應有的功用而產生疾病，而當 DNA 的鹼基受到 OH．的攻擊時，會造成細胞的死亡或突變 72,73。
4.單線態氧(Singlet oxygen, 1O2)
屬於非自由基型之活性氧物質，是一個強氧化劑，是由一般的三 線態氧經紫外線的照射，使得電子軌域的電子基態(ground state)轉變 到激發態(excited state)所形成，而單線態氧比三線態氧每莫耳高出 22 Kcal 的能量，故單線態氧的活性非常高，具有高度的親電性，易與 脂肪或其他大分子，如多元不飽和脂肪酸或 DNA 的鹼基反應，產生 自由基或造成脂質過氧化72,73。
5.過氧化脂質(Lipid hydroperoxide, LOOH)
脂質和脂蛋白的不飽和脂肪酸對自由基引起的氧化特別敏感，因 不飽和脂肪酸具有特殊之化學結構，烯丙基(allylic)的雙鍵以 CH2 基 分開，導致 CH2 基上的氫易受自由基的攻擊而生成碳中心自由基，
再與基態氧分子結合形成過氧化自由基與脂質過氧化物。不飽和脂質 (carcinogenesis)等皆有關連75-77。
表二、自由基型與非自由基型氧代謝物69
名 稱 符號
Oxygen radicals
Oxygen(bi-radical) O2..
Superoxide ion O2
.-Hydroxyl OH.
Peroxyl ROO.
Alkoxyl RO.
Nonradical oxygen derivatives
Nitric oxide NO.
Organic peroxide ROOH
Hypochlorous acid HOCL
Ozone O3
Aldehydes HCOR Singlet oxygen 1O2
Peroxynitrite ONOOH
(三)自由基的來源：
在正常生理情況下，人體內約有 1％~5％的分子氧可通過多種途 徑產生氧自由基，如圖八所示，其來源大致可分為內源性及外源性兩
大類69：
1. 內源性：
如圖九所示，自由基的形成是生物體代謝過程的正常產物，在人 體內可由細胞氧化還原反應及酵素催化作用代謝過程中不斷產生，如 粒腺體及微粒體的電子傳遞鏈(electron transport chain)、酵素的催化如 黃 嘌 呤氧 化酵 素(xanthine oxidase)、一氧化碳合成酶(nitric oxide synthase) 、 環 氧 化 酶 (cyclooxygenase) 等 ， 還 有 細 胞 色 素 P-450(cytochrom P-450)的解毒反應、過氧化體(peroxisome)代謝反 應、訊息傳遞(signal transduction)與細胞凋亡(apoptosis)等生理作用皆 會產生自由基78,79。此外，白血球細胞之嗜中性球(neutrophils)、嗜酸 性球(eosinophils)、淋巴球(lymphocytes)、單核球(monocytes)、嗜鹼性 球(basophils)等，在與細菌和外來物戰鬥時，體內吞噬細胞的耗氧量 會增加，藉著 NADPH oxidase 的作用，產生大量的超氧陰離子，進 而形成過氧化氫，以嗜殺外來物。
臨床上約有200 多種疾病，如癌症、糖尿病、心血管疾病、發炎、
燒傷、腸道疾病及神經退化性疾病等，皆與體內活性氧之生成有關。
圖八、活性氧(ROS)的外源性與內源性69
圖九、內源性自由基的主要來源80
2. 外源性：
暴露在γ 射線下會產生氫氧自由基及過氧化氫等氧自由基；若暴
露在非離子輻射下如：UV-C (＜290nm)、UV-B (290~320nm)、UV-A (320~400nm)，會產生包括單線態氧、過氧化氫、超氧陰離子等多種 活性氧。過氧化氫經過 UV 輻射的催化會產生氫氧自由基。此外藥物 也 是 活 性 氧 產 生 的 來 源 之 一 ， 如 bleomycin 、 adreanmicine 、 acetaminophen、tricyclic antidepressants 等。此外，環境污染，如有機 溶 媒 ， 過 量 使 用 化 學 藥 物 如 農 藥 或 防 腐 劑 ， 缺 血 後 再 灌 流 (reperfusion)，抽煙、食物高溫油炸等會產生自由基74,81,82。
(四)自由基對生物體分子的傷害：
自由基的形成會經由生物性和環境性過程產生，並引起連鎖反應 而形成更多的自由基。由於自由基極富反應性，因此生物體中的蛋白 質、碳水化合物、脂肪、核酸等組成份皆是自由基攻擊的主要目標，
當細胞內外分子受到自由基氧化傷害，進而破壞體內的細胞膜，最後 會使細胞受損和器官機能障礙，導致人體組織的抵抗力變弱，造成人 類疾病、老化，甚至死亡，如表三所示83-85。
1.脂質：
細胞膜及其他脂蛋白(lipoprotein)構造上皆含有高濃度的多元不 飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid；PUFA)，特別容易受到自由基 攻擊，造成脂質損傷，稱為脂質過氧化反應(lipid peroxidation)。脂質
氧化的二級產物，特別是丙二醛(malondialdehyde；MDA)，本身活性 很高，極易與生物分子如蛋白質、胺基酸和DNA 反應，造成生物分 子的損傷進而衍生疾病67。
2.蛋白質：
在氧化狀態下，蛋白質其胺基酸殘基會受到多種的氧化傷害，如 蛋白質 OH 基(carbonyls)的形成。許多活性氧也可以氧化蛋白質上的 -SH 基，然而許多酵素的活性部分都含有這些胺基酸，因此易受活性 氧攻擊而造成酵素失去活性。此外，由於蛋白質上經常會結合過渡金 屬離子，因而 H2O2會在蛋白質的特定位置上形成羥基，使蛋白質成 為攻擊目標。蛋白質在氧的存在下也會進行連鎖氧化反應，此現象可 能導致細胞中自由基的產生增加數倍之多，並造成細胞的傷害甚至死 亡。
3.DNA：
DNA 很容易經由內源性的氧化作用機制而受到氧化傷害。氧化 性 DNA 的主要機轉，是由於活性氧中的氫氧自由基攻擊 DNA 上鳥 糞嘌呤(guanine)鹼基的第 8 個碳後，形成穩定的 DNA 氧化鹼基鍵結 物，稱為 8-碳基-鳥糞嘌呤(8-oxo-guanine)。8-oxo-guanine 一旦被氧 化，就會形成 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine(8-OHdG)，而分佈於血液、
組織及尿液當中。8-oxo-guanine 和 8-OHdG 都是 DNA 氧化傷害的指 標。
活性氧引起 DNA 氧化損傷的機制包括：會造成修飾鹼基的改 變、單股或雙股的DNA 斷裂或染色體突變、DNA 交聯、損傷去氧核 糖、嘌呤的脫除、損傷 DNA 修復系統等。其中受損的 DNA 是藉由 本身的修復機制而進行修補作用，恢復其正常功能，但若DNA 損傷 沒有及時修補或修補時發生錯誤，都會造成生物體基因的不正常表 現，誘使基因突變而導致疾病的產生48,86。
表三、活性氧對脂質、蛋白質及DNA 傷害之例子87
(五)自由基與疾病：
自由基的形成是生物體代謝過程的正常產物，在人體內可經由氧 化代謝中不斷的產生，也不斷的被清除。當人體中的自由基超過人體 正常防禦的範圍時，將會使身體的氧化還原平衡失調，形成氧化壓力
(oxidative stress)88,89，進而破壞細胞使得器官組織受影響，造成身體 嚴重的損害，圖十表示氧化壓力與疾病之間的關係；很多研究已顯 示，許多疾病的發生、細胞損傷死亡及基因突變等，皆與自由基有密 切關係90，包括許多慢性病、退化性或老年常見疾病……等，都被認 為可能與活性氧自由基對個體的長期損害有關，故了解自由基在疾病 中所扮演的角色，在疾病預防與發展上是一個重要研討方向。與自由 基有關的疾病有下列：(A)心臟循環系統：心肌梗塞、動脈粥狀硬化；
(B)呼吸系統：肺氣腫、成人呼吸困難症候群；(C)腦與神經系統：老 年痴呆症、腦血管病變；(D)腎臟系統：腎臟移植排斥作用；(E)消化 系統：肝炎、胰臟炎、消化性潰瘍；(F)癌症、老化、高血壓、糖尿 病、自體免疫疾病(關節炎、紅斑性狼瘡)……等91,92。
圖十、氧化壓力與疾病之間的關係73
二、抗氧化劑的介紹：
抗氧化劑在食品工業佔有一重要的地位，主要是因其能阻止脂質 的氧化酸敗，也因此「抗氧化劑」一詞常常被狹義的認定為脂質氧化 的抑制劑，然而就生物體而言，自由基所能攻擊的目標物，除了脂質 外，還包括了蛋白質、醣類、及DNA 等。因此應給予抗氧化劑更廣 泛的定義，即在低濃度下即可產生抗氧化效應的物質稱之。也就是 說，具有保護基質、對抗或延遲氧化傷害(oxidative damage)的化合物 即稱為抗氧化劑93。而這基質是指任何自由基或活性氧所能攻擊的目 標，包含可發現於食品及生物體組織的分子，如蛋白質、脂質、醣類
及DNA 等。所以，無論是食品或是生物體，抗氧化劑的存在與否，
對於氧化作用的發展皆有著重要的影響。
(一)抗氧化劑的作用機制：大致可粗分為三大類 1.自由基終止型(free radical terminators)：
這類的抗氧化劑大多都具有苯環(phenolic hydroxyl group)結構，
這類的抗氧化劑大多都具有苯環(phenolic hydroxyl group)結構，