生物體之抗氧化防禦系統(antioxidant defense system)

生物體進行氧化作用等代謝時，比如粒線體中氧化磷酸化作用、免疫作用、CYP 藥物代謝，常伴隨自由基與活性氧物質(reactive oxygen species)的產生，如超氧陰離 子(superoxide anion radical，O2-^‧

)、過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)、氫氧自由 基(hydroxyl radicals，^‧OH)及過氧化自由基(peroxyl radical)等，除了來自前述內生性 反應外，也有部分活性氧來自外在因子，比如離子輻射、紫外線照射、抽菸、空氣 汙染、重金屬、氧化物、藥物等。當胞內或體內製造出過多自由基與活性分子時，

它們會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發生 反應，產生氧化壓力(oxidative stress)，引起生物體氧化性傷害；為抵禦氧化傷害，

生物體因此演化出一套抗氧化防禦系統，達到自我保護的效果。依抗氧化的作用性

質，此系統可概分為兩類，一類為由非酵素分子組成的抗氧化系統(non-enzymatic antioxidant defense)，主要成員包括脂溶性的維生素 E、類胡蘿蔔素與水溶性的維生 素 C、麩胱甘肽(glutathione, GSH)等；另一類則是由多種抗氧化酵素所組成的酵素 系統(enzymatic antioxidant defenses)，酵素成員有超氧化物歧化酶(superoxide

dismutase, SOD)、觸 酶(catalase, CAT)、麩胱甘 肽過氧化酶(glutathione peroxidase, GPx) 與血基質氧化酶(heme-oxygenase, HO)等；第三類則是輔助系統，參與成員有麩胱甘 肽還原酶(glutathione reductase, GRd)、葡萄糖-6-磷酸去氫酶(glucose-6-phosphate dehydrogenase, GAPDH)和運鐵蛋白(transferrin)等，這些成員分別有各自的生化功 能，並未直接與活性分子反應，但是它們卻可透過間接方式，協助抗氧化分子或抗 氧化酵素的作用，協同抵抗活性氧分子的生成(Berlett and Stadtman, 1997)。

1. 麩胱甘肽(glutathione, GSH)

麩胱甘肽(glutathione, GSH)為胞內重要三胜肽分子，由麩氨酸(glutamate)、半胱 氨酸(cysteine)及甘氨酸(glycine)三個氨基酸所組成(圖七)，分子量為 307.33 Da，是 一廣泛分布於生物體內的天然抗氧化物質，通常以還原態(glutathione , GSH)及氧化 態(glutathione disulfide, GSSG)二種型式存在，正常狀態下，還原態 GSH 含量遠高於 氧化態，一般細胞中，超過 90%的 GSH 是以還原態型式存在。哺乳動物細胞內的 GSH 濃度約 1~10 mM 間，以肝臟為例，GSH 濃度可高達 10 mM (Knapen et al., 1999;

Lu, 2009; Lu et al., 1999; Soltaninassab et al., 2000)。

證據顯示 GSH 在體內扮演著多種生理角色(Fang et al., 2002; Han et al., 1997a, b) 重要者有：(1)抗氧化作用：清除自由基與過氧化物(Griffith and Mulcahy, 1999;

Pompella et al., 2003)；(2)參與外來異物(xenobiotics)的藥物代謝或解毒作用；(3)維持 蛋白質分子中硫醇基之氧化與還原狀態間的平衡；(4)作為半胱胺酸的儲存及運送型 式；(5)參與維生素 E 再生(Halliwell and Cross, 1994)；(6)參與蛋白質與 DNA 合成、

調節細胞生長與代謝；(7)增進免疫功能：刺激干擾素 IL-1 (interleukin)及 IL-2 產生 (Wu et al., 1994)等，其中又以它在抗氧化及藥物代謝上扮演的角色受到最多重視。

圖七、麩胱甘肽(Glutathione)之結構(Lu, 2009)

◆GSH 之抗氧化功能

GSH 的抗氧化作用主要與其 cysteine 側鏈的硫醇基有關，可提供電子給自由 基，終止自由基的連鎖反應；GSH 除了直接與活性氧反應外，亦可透過 GSH peroxidase (GPx)的作用，參與胞內過氧化物的還原，因此 GSH 在還原體內過氧化 氫與消除自由基中扮演重要角色。在這些反應中，GSH 將形成氧化態的 GSSG，此 時 GSSG 在 NADPH 的存在下，可經由 GSH reductase (GRd)的作用，還原為 GSH，

提供細胞後續再利用，同時維持胞內還原態和氧化態 GSH 含量的平衡(圖八)。這也 解釋胞內 GSH/GSSG 比值的變化所以被視為抗氧化和氧化壓力間平衡的指標的原 因(Knapen et al., 1999; Pompella et al., 2003)。

圖八、GSH 之抗氧化功能(Lu, 2009)

2. 血基質氧化酶(Hemeoxygenase, HO; EC 1.14.99.3)

目前已知有三種血基質氧化酶，分別為第一型血基質氧化酶(HO-1)，分子量 約 32 kDa，第二型血基質氧化酶(HO-2)，分子量約 34 kDa，以及第三型血基質氧 化酶(HO-3)，分子量約 33 kDa。三者可能源自同一基因，所以分子量相近，事實 上，HO-1 及 HO-2 二者同源性(homology)約 40%，然而 HO-2 與 HO-3 的同源性則 高達 90%。HO-1 屬於誘導表現(inducible)的酵素，多存在於脾臟、肝臟及睪丸組 織中(Siow et al., 1999)；HO-2 和 HO-3 則是持續表現(constitutive expression)在腦、

神經系統以及心血管組織等各組織細胞中，而且表現量相當高。

由於 HO-1 的可誘發性質，因此被視為是細胞在氧化壓力誘發下重要的抗氧化 酵素蛋白質之一。HO-1 負責催化血基質(heme)之分解，產生等莫耳數的膽綠素 (biliverdin)、鐵離子(Fe⁺²)以及一氧化碳(carbon monoxide, CO) (圖九) (Farombi and Surh, 2006)。

圖九、HO-1 之作用及其代謝產物(Farombi and Surh, 2006)

許多研究指出，HO-1 受到許多因子的誘發，例如低氧(hypoxia)、血基質(heme)、

內毒素、發炎、紫外線、局部缺血(ischemia)、熱休克、重金屬(鎘、砷)等(Clark et al.,

2000; Gruber et al., 2010; Minamino et al., 2001))，也有文獻指出，多種天然植化物 (phytochemicals)，如 resveratrol、curcumin、quercetin 等，亦可透過調控 HO-1 表現，

因應胞內氧化壓力(Farghali et al., 2009)。上述證據可知，當組織或細胞處於氧化壓 力或損傷等壓力情況時，均會誘導 HO-1 的大量表現，達到保護細胞的目的，因此 HO-1 也被稱為誘導性壓力蛋白(inducible stress protein)。

HO-1 具調節多種生理機能的特性，除了藉由本身酵素活性及其反應產物降低 細胞氧化壓力的強抗氧化能力外，另外還有(1)抗發炎：可透過降低內皮細胞之黏附 因子與趨化因子的表現，直接或間接抑制發炎反應(Chao et al., 2011; Minamino et al., 2001; Vachharajani et al., 2000)；(2)抗細胞凋亡：在 TNF-α 誘發小鼠初代肝細胞損傷 模式下，上調 HO-1 表現有助於抑制細胞凋亡(Zuckerbraun et al., 2003)；(3)保護心血 管(Idriss et al., 2008)；(4)避免移植的排斥現象：增加 HO-1 活性可防止心血管受到 局部缺氧/再灌流(ischemia/reperfusion)的傷害(Yet et al., 2001)。

3.

GCL;

GCL 又稱γ- glutamylcysteine synthase (GCS)，為 GSH 生合成之第一反應步驟，

也是 GSH 生合成的速率限制酵素(rate-limiting enzyme)。GCL 主要作用為催化 glutamate 上的γ-羧基(carboxyl group)經由 ATP 的活化，形成醯基磷酸(acyl phosphate)中間產物，再與 cysteine 上α-胺基形成 γ-glutamylcysteine；

γ-Glutamylcysteine 形成後，再藉由 GS 催化與 glycine 結合，即可完成三胜肽 GSH 的生成。由於 GCL 是決定胞內 GSH 含量多寡的主要酵素，因此在調控體內氧化 還原平衡中，扮演著重要角色，所以在多種抗氧化酵素基因中，GCL 基因表現的 調節機轉也受到不少的注意。

在低等生物體中，GCL 為單一基因產物；但在多數真核生物體中，GCL 為異 質二聚體(heterodimer)，由兩個獨立的蛋白質所構成，一為麩氨酸-半胱氨酸接合酶

催化次單元(glutamate-cysteine ligase catalytic subunit, GCLC)，分子量約 73 kDa，

另一則是負責調節 GCLC 活性的麩氨酸-半胱氨酸接合酶調節次單元

(glutamate-cysteine ligase modifier subunit, GCLM) 分子量約為 31 kDa，兩者共同合 作形成具催化效率之 GCL (圖十) (Dalton et al., 2000; Franklin et al., 2009; Seelig et al., 1984)

圖十、麩氨酸-半胱氨酸接合酶與 GSH 生合成(Franklin et al., 2009)

GCLC 具有活化 ATP，催化 cysteine 上α-胺基與 glutamate 上的 γ-羧基形成 γ-glutamylcysteine 之位點。GCLM 本身並不具酵素活性，但可與 GCLC 交互作用，

所以在調控 GCL 活性上有著重要的角色。一般情況下，雖 GCLC 的活性受到 GCLM 的調節，但當 GCLC 大量表現時，亦可直接擔負 GCL 活性，單獨催化

γ-glutamylcysteine 的生成，當然和 GCLC/GCLM 形成的異質二聚體相較，單獨 GCLC 的催化活性遠較異質二聚體低(Chen et al., 2005; Seelig et al., 1984)。