第二章 文獻回顧
第一節 氧化壓力與DNA損傷
一、氧化壓力的產生
氧氣對我們的生活非常重要，人體的每個細胞，皆需要氧氣來進 行氧化作用。氧化作用的過程可以將能量營養素(例如醣類、脂肪或 蛋白質)分解而釋出能量，人體便藉由此能量的獲得而賴以生存。然 而，人體細胞在進行氧化作用的同時也會產生自由基(free radicals)對 細胞造成氧化傷害。所謂的自由基是指構成物質的原子團在電子軌域 上具有不成對電子的情形，這種電子結構極不穩定，易與其他分子發 生反應。在所有自由基種類中，以氧為中心的自由基與其代謝產物稱 為活性氧分子，包括氫氧自由基(hydroxyl radical, OH.)，超氧陰離子 (superoxide anion, O2-.)，單重態氧(singlet oxygen, 1O2)以及過氧化氫 (hydrogen peroxide, H2O2)等，對人體健康的危害最大。由於ROS大多 都不穩定，因此極易與其他分子碰撞而形成許多連鎖反應(chain reaction)，進而產生更多的ROS。ROS的生成有以下兩個來源
(一)、生物體內正常代謝產生
ROS主要生成於細胞內的粒線體、內質網、細胞膜、核膜等 (Gutteridge and Halliwell, 1990)。目前已知生物體內產生ROS的來源包 括：
1.自發性氧化還原反應(auto-oxidation)：例如核黃素(flavin)的自我氧 化作用會產生O2- . (Massey, 1994)。
2.電子傳遞鏈反應(electron transfer chain)：生物體在正常的呼吸作用 下，O2自粒線體電子傳遞鏈獲得電子後，便會產生O2-.，O2- .在超氧歧 化酶(Superoxide dismutase；SOD)的作用下產生H2O2 (圖一)。此外H2O2
在二價鐵的存在下進行Fenton作用，產生更具毒性的OH. (圖二)。
3.代謝反應過程中產生的中間產物：例如黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)將黃嘌呤代謝成尿酸(uric acid)，將伴隨產生H2O2與O2- .(Janero, 1990)。
4.白血球的發炎免疫反應：白血球在吞噬外來物質時，會產生O2- 來 弒殺外來物質以對抗外來物質的侵襲(Nishikawa, et al., 1999)。
(二)、外在環境暴露
環境中的ROS主要來源包括以下：
1.輻射、紫外線以及電磁波：日光曝露或癌症患者接受放射線治療都
會產生自由基，因為生物體持續暴露在遊離輻射下，會使體內的水分 子裂解而產生OH. (Hagen, 1989) 。
2.環境污染：交通運輸工具所排放出來的燃油飛灰(oil fly ash)，伴隨 產生許多ROS。環境污染包括空氣、飲用水以及土壤等(Kadiiska, et al., 1997)。
圖一：超氧歧化酶(SOD)的作用
Figure 1：The reaction of SOD (Szeto,2006)
Fe2+ + H2O2 ----> Fe3+ + .OH + OH -圖二：Fenton化學反應
Figure 2：Fenton reaction
Glossary of terms used in bioinorganic chemistry (IUPAC Recommen dations 1997) on page 1274
3.毒性化學物質暴露：例如不當的食品添加劑(例如漂白劑中含有 H2O2)、農藥、被毒素污染的食品(例如黃麴毒素)以及毒品等(Jayashree and Subramanyam, 2000)。
4.精神壓力狀況：現代都市人，壓力過大、急躁、焦慮、鬱悶、緊張 等情緒問題，也會產生ROS (Hapuarachchi, et al., 2003)。
一旦體內ROS的產量超出人體天然防禦的範圍，可和體內許多重 要分子如核酸、蛋白質、或生物膜上之多元性不飽和脂肪酸反應，形 成氧化壓力 (oxidative stress)，導致生物體氧化性傷害。主要之反應 為自由基，容易引發細胞膜上之不飽和脂肪酸進行脂質過氧化反應之 外，並會與膜上酵素或接受體行共價結合，破壞細胞膜的完整性，改 變其結構功能及通透性；另外自由基亦可和細胞內之蛋白質行交錯連 結反應致使蛋白質變性或結構改變，喪失酵素活性，進而使細胞內之 正常功能無法進行；同時自由基亦會攻擊DNA分子，破壞其鹼基結 構使其功能改變，造成基因突變。
二、DNA損傷
許多因素會造成DNA 的傷害，其中大致區分成自然突變以及外 在突變兩大項。自然突變發生在負責複製 DNA 的酵素，如 DNA 聚 合酵素(DNA polymerase)在複製的過程中將錯誤的鹼基引入 DNA 中，而產生 DNA 的配對錯誤。而外在的突變包括細胞受到外界的
遊離輻射、紫外線或化學物質的破壞。其中自由基及活性氧的產生，
乃因其與體內的抗氧化抵禦系統未能達平衡時所產生的氧化壓力，
此氧化壓力產生可能導致體內抗氧化防禦系統的耗盡、脂質的過氧 化、細胞膜的損壞、DNA 的破壞。與自由基的傷害有關的疾病包括：
動脈粥狀硬化(atherosclerosis)、氣腫(emphysema)、潰瘍性結腸炎 (ulcerative colitis) 、 糖 尿 病 (diabetes) 、 風 濕 性 關 節 炎 (rheumatoid arthritis)、巴金森氏症(Parkinson’s disease)及癌症(cancer)等(Machlin and Bendich, 1987；Briges, et al., 1992； Bonorden and Pariza, 1994) 。 許多的研究顯示氧化壓力可導致 DNA 損傷，包括 DNA 片斷化 和程式凋亡(Dreher and Junod, 1996)、鹼基修飾(Kasai, et al., 1984)及 DNA 單/雙股的斷裂(Sarker, et al., 1995)。DNA 的氧化修飾被認為與 致突變性(mutagenesis)和致癌性(carcinogenesis) (Dreher and Junod, 1996; Okamoto, et al., 1996)有關。因此，Halliwell 在 2000 年指出 DNA 氧化損傷可作為罹患癌症的風險生物指標(biomarker)，因此若是能
夠預防或降低 DNA 損傷，就可避免正常細胞發生癌化的作用
(carcinogenesis)。
三、抗氧化防禦系統的保護機制
流行病學的調查研究顯示：多攝取蔬菜水果可以顯著的減少各
種癌症的罹患率，亦即蔬果具有防癌的效果（Block, et al., 1992）。
而攝取蔬菜水果被認為具有降低慢性疾病發生的原因，一般認為是 與蔬果中所含的抗氧化物質有關(Foyer and Fletcher, 2001)，包括：
類胡蘿蔔素、維生素 C、維生素 E、硒（Young and Lowe, 2001;
McDermott, 2000）、類黃酮（Slobodan and Michael, 2000）、多酚類
（Wolf and Christa, 2002）等。
體 內 的 抗 氧 化 系 統 包 括 抗 氧 化 酵 素 ， 諸 如 ： 超 氧 岐 化 酶 (superoxide dismutase；SOD)、觸酶(catalase)、麩胱甘肽過氧化酶 (glutathione peroxidase ； GSHPx) 、 麩 胱 甘 肽 轉 移 酶 (glutathione -S-transferase；GST)等，以及抗氧化劑諸如：維生素 E、維生素 C、
胡蘿蔔素、GSH、尿酸(urate)、Carnosine 及 Anserine 等，甚至一些 可與過渡元素金屬結合之化合物，諸如：白蛋白(albumin)、轉鐵蛋 白 (transferrin) 及 藍 胞 漿 素 (ceruloplasmin) 亦 具 有 抗 氧 化 能 力 (Bonorden and Pariza, 1994)。自然界亦存在一些非營養價值之抗氧化 物質，諸如：酚類(phenolic compounds)、Furanones、單寧酸(tannins) 及 Phenylpropenoids 等。這些抗氧化物質在生物體內的作用原理包 括：自由基終止劑（如：維生素E）、還原劑或清除劑（如：維生素 C）及單旋態氧的抑制劑（如：胡蘿蔔素）(拱玉郎, 1997)。此外，
番茄紅素(lycopene)、花青素（anthocyanin）及兒茶素（catechin）等
（錢明賽 1998），因為具有苯環及雙鍵結構的多酚類，因此可以發 揮其抗氧化的特性。