第二章、 文獻回顧
第四節 體內抗氧化系統
一、自由基與活性氧之簡介
自由基 ( free radical ) 是一個原子或分子擁有一個或是多個不成對的電子，
在軌域中電子的不帄衡會使得自由基產生高度化學活性，容易與其他分子進行反 應而產生電子對，才會使自由基變得較為穩定 ( Halliwell， 1995) 。一般而言，
大部分的自由基都處於不穩定狀態，易與其他分子進行反應。
活性氧 ( reactive oxygen species，ROS ) 是以氧原子為中心之高反應分子，
例如：過氧化氫 ( hydrogen peroxide，H2O2 ) 、超氧陰離子自由基 ( superoxide radical， ‧O2- )、羥基自由基 ( hydroxyl radical， ‧OH ) 及其衍生物的氧化活性 分子，包括有脂質過氧化物 ( lipid peroxide，ROO‧ ) 、單重態氧 ( singlet oxygen，
1O2 ) 等 ( Jacob，1995 )。
生物體中自由基與活性氧的來源可分為外在與內在兩大類。外在來源包括環 境汙染物、抽菸、輻射等皆會導致體內產生自由基連鎖反應；內在來源為細胞進 行氧化過程中產生的自由基與活性氧，包括粒線體的電子傳遞鏈、氧化反應、吞 噬細胞的吞噬作用，如粒線體生成腺核苷三磷酸 ( ATP ) 的電子傳遞系統中，氧
進行不完全氧化，因而產生超氧自由基，另外吞噬細胞活化時也會釋放出 H2O2
( Fang et al.，2002 )。
28
圖 2-7、 自由基與活性氧的生成途徑。
Figure 2-7. Production of free radicals and reactive oxygens.
( Fang et al.，2002)
二、自由基對生物體之傷害
當細胞內外生物分子受到自由基與活性氧攻擊時，會導致細胞內促氧化-抗氧 化的帄衡偏向於促氧化狀態，此種不帄衡的現象稱之為氧化壓力 ( oxidative stress ) 。而細胞內外的主要組成物脂質、蛋白質與 DNA、RNA 便成為自由基與 活性氧主要攻擊的目標 (Brawn and Fridovich，1981 ) 。以下分述脂質、蛋白質與 DNA 的氧化傷害：
29
(一) 對脂質之傷害
脂質的氧化作用是自由基所起始的連鎖反應，藉由多元不飽和脂肪酸上的雙
鍵相鄰的亞甲基上的氫被金屬離子或是‧OH 抽離，因而進行一連串的氧化反應
( Qi et al.，1999 ) 。而脂質氧化作用後所裂解之二級氧化產物當中，丙二醛 ( malondialdehyde，MDA ) 和 4-羥基壬烯醛 ( 4-hydroxynonenal，4-HNE ) 等醛 類，其本身活性很高，極易與生物分子反應，造成生物分子的氧化進而產生疾病，
例如：老化、致突變性、致癌性等 ( Vanditti and Meo，1996 ) 。
(二) 對蛋白質與 DNA 之傷害
蛋白質的氧化作用較脂質不敏感，因此較不容易發生自由基鏈鎖反應，然而 蛋白質上的一些胺基酸，例如芳香環或是含硫胺基酸，極易受到自由基與活性氧 之攻擊。在酵素上的一些活性部位皆含有此類的胺基酸，因此容易受到活性氧或 自由基的攻擊而失去活性，最後造成細胞死亡。而 DNA 是自由基另一個攻擊的 重要目標，‧OH 攻擊 DNA 後會造成多種化學性改變，例如鹼基配對產生錯誤、
遺漏或是 frame shift ，甚至 DNA 股斷裂，這對細胞造成相當大的傷害，特別是 雙股 DNA 斷裂無法由細胞修復 ( Simic，1991，1992 ) 。
三、體內抗氧化系統
生物體在代謝過程中，原本就會產生自由基與活性氧物質，這些自由基與活 性氧會攻擊體內蛋白質、脂質、核酸等，對生物體造成氧化傷害，而在正常情況 下，體內的抗氧化防禦系統會啟動抵抗自由基之攻擊，使氧化與抗氧化系統處在 動態帄衡的情況 ( Mates et al.，1999； Young and Woodside，2001； Zachara et al.，
2006) 。然而生物體中的抗氧化系統又可分為非酵素性與酵素性，分述如下：
30
(一) 非酵素性抗氧化系統
1. 維生素 C ( ascorbic acid )
維生素 C 為水溶性維生素一種，又稱為抗壞血酸 ( ascorbic acid )，
是血漿及細胞間內有效的自由基清除劑，可藉由提供氫質子來清除活性氧 族群，本身會變成氧化態之脫氫維生素 C ( dehydroascorbic acid )，再藉由 glutathione 使其還原 ( Frei et al.，1989 ) 。維生素 C 也可作用於脂質過 氧化自由基 ( peroxyl radical，‧ROO )、triplet carbonyl、單重態氧 ( singlet oxygen，1O2 )，同時維生素 C 也可經由電子的轉移將氧化的維生素 E 自 由基予以還原。作用過程中的維生素 C 本身會被氧化或耗盡，都可藉由 GSH 或是 NADPH 將其還原，使其具有活性 ( Doba et al.，1985 ) 。也 有許多研究指出，維生素 C 的補充，可以降低體內脂質、蛋白質、DNA 等 氧化損傷 ( Krakcovicova-Kudlackova et al，2006；Valko et al.，2006 ) 。 體外實驗發現，將低密度脂蛋白培養於富含鐵或銅等促氧化金屬離子狀態 下，維生素 C 添加可以延緩脂質過氧化速率 ( Jialal et al，1990；Padayatty et al.，2003；Retsky and Frei，1995 ) 。
2. 維生素 E ( α-tocopherol )
維生素 E 為脂溶性維生素一種，又稱為生育醇。生物體中，維生素 E 可以有效抑制脂質過氧化，其清除過氧化自由基的速率比自由基攻擊鄰近 的脂質分子側鏈或是細胞膜上蛋白質的速率還快，當生育醇受到脂質自由 基攻擊時，會形成相當安定的生育醇自由基，因而阻斷了自由基的鏈鎖反 應 (Burton，1994 ) 。生育醇自由基會在移至細胞膜的水相介面，藉由水 溶性的維生素 C 再將其還原生育醇 ( Doba et al.，1985 ) 。因此，維生素 C 與生育醇具有相輔相成之作用，以保護細胞膜對抗脂質過氧化脂傷害。
31
3. 麩胱甘肽 ( glutathione， GSH )
麩胱甘肽由三種胺基酸所組成，分別為甘胺酸 ( glycine ) 、半胱胺酸 (cysteine )、麩胺酸 ( glutamic acid ) ，為一低分子量的硫醇類物質，是體 內重要的天然抗氧化物質。GSH 具有兩項功能，一是做為過氧化氫和有 機氫過氧化物的還原劑，在麩胱甘肽過氧化酶的作用下，可將過氧化物還 原 ， 還 原 態 的 麩 胱 甘 肽 ( reduced glutathione ， GSH ) 為 一 具 有 γ -glutamyl-cysteinyl-glycine 三個胺基酸所組成的低分子量蛋白質，還原態 的 glutathione 會在 glutathione peroxidase 的協助下將過氧化物質還原，
而使其本身轉變為氧化態的 glutathione ( glutathione disulfide，GSSG ) ， 而氧化的 glutathione 會再藉由 glutathione reductase 以及 NAPDH 的輔 助之下，還原成還原態的 glutathione ( Von Sonntag，1987 ) 。GSH 本身 也具抗氧化性，當羥基自由基攻擊 DNA 時，會從 DNA 上奪取氫質子因 而形成 DNA 自由基，而 GSH 即可提供氫質子予以修復此種損傷。
(二) 酵素性抗氧化系統
1. 超氧歧化酶 ( superoxide dismutase，SOD )
超氧歧化酶 ( superoxide dismutase，SOD ) 是一群含有金屬離子之蛋 白質家族，通常存在於粒線體中，是生物體內抗氧化酵素之一，主要功能 為清除體內過多的‧O2-，而根據酵素活性中心所含的金屬離子不同，SOD 又可區分為 Cu/ Zn-SOD、Mn-SOD 與 extracellular superoxide dismutase ( EC-SOD )等 ( Arslantas，2002；Mates et al.，1999) 。 SOD 會將生物體 內的 ‧O2
-轉變為毒性較低的 H2O2，以避免在細胞內堆積，對細胞造成傷 害。
32
2. 觸酶 ( catalase，CAT )
主要存在於細胞中的過氧化小體 ( peroxisome ) 內，人體以肝臟與紅 血球中含量最高。Catalase 為四個蛋白質次單元體組成，每個單元體各含 一個 heme group 與 一分子的 NADPH，分子量約 240 kDa，其反應速率 非常快，約莫 107 M/ sec，顯示其可有效快速的將 H2O2 轉換為 H2O 與 O2 ( Mates et al.，1999；Young and Woodside，2001 ) 。
3. 麩胱甘肽過氧化酶 ( glutathione peroxidase，GPx )
麩胱甘肽過氧化酶 ( glutathione peroxidase，GPx ) 為四個單元體所組 成，分子量大小約莫 80 kDa，為一活性中心帶有微量元素硒 ( Se ) 之抗 氧 化酵素 ， 其 主要功 能為清除 H2O2 或 是其他 氫過氧化 物 ( LOOH/
ROOH ) ，而在催化的過程中需要有 GSH 的存在，才能進行氧化還原反 應。目前已知存在於哺乳動物體中之 GPx 共有五種形式，其中除 GPx5 以外，其餘四種皆為硒依賴型酵素。GPx1 主要作用於清除 fatty acid hyroperoxide 與 H2O2，存在於大部分組織中，在紅血球、腎臟與肝臟中 含量最多；GPx2 與 GPx3 體內含量並不多，而 GPx2 主要存在於腸胃道 中，GPx3 則主要位於腎臟中；GPx4 位於大部分組織的細胞質與細胞膜 上，可以保護脂質蛋白或細胞膜抵抗氧化傷害，其中又以腎臟上皮細胞及 睪丸中濃度最高；GPx5 是近期被發現的新成員，主要存在於副睪中 ( Mates et al.，1999；Zachara et al.，2006 ) 。
33