論自由基生物學與物理學

趙保路

論文關鍵詞自由基，自由基生物學，物理學，電子自旋共振

論文摘要自由基生物學與物理學關系密切，沒有物理學關于電子的理論和檢測技術，就沒有自由基生物學今天的輝煌，沒有自由基生物學與物理學的結合，也許至今大部分人都還不知道什么是自由基。文章從自由基生物學的發展討論物理與生物學的關系。

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AbstractThere is a close relationship between free-radical biology and physics. The great advances in modern free-radical biology would not have occurred if physics had not provided the theory and detection technology for electrons. Without the combination of free-radical biology with physics， many people today might not even know what a free radical is. The relationship between biology and physics is discussed from the viewpoint of the development of free-radical biology.

Keywordsfree radical， free-radical biology， physics， electron spin resonance(ESR)

自由基生物學（free radical biology）是研究自由基在生物體系中產生和作用規律及其與疾病和健康關系的科學。自由基生物學是一門新興的前沿和交叉科學，是一個具有重要理論意義和廣泛應用前景并且與人類健康密切相關的科學。自由基不僅具有重要的生物功能，而且可以引起衰老和多種疾病的發生和發展。自由基生物學自1968年發現超氧化物岐化酶（superoxide dismutase，SOD）以來［1］，在過去三十幾年時間獲得了迅速發展和輝煌的成就。1998年，一氧化氮自由基研究獲得諾貝爾生物和醫學獎，將自由基生物學和自由基醫學研究推向另一個新高潮［2］。今后自由基生物學在衰老和疾病關系的理論研究方面將有所突破，為人類健康和延壽做出更大貢獻。物理學和自由基生物學看似兩門相差很遠的學科，其實關系很密切。從自由基生物學的發展來看，可以說，沒有物理學的理論和技術就沒有自由基生物學今天的輝煌，當然沒有自由基生物學與物理學的結合，也許至今大部分人都還不知道什么是自由基。本文不打算在物理學和生物學方面做廣泛討論，只從自由基生物學這一學科討論物理學與生物學的關系，也就是從生物物理學或物理生物學的一個側面討論物理學和生物學的關系。

1 物理學是自由基生物學的基礎

可以毫不夸張地說，物理學是自由基生物學的基礎，自由基的概念、理論和檢測技術都是來自物理學。按照自由基的概念和定義，“任何包含一個未成對電子的原子或原子團，均稱之為自由基”，從物理學角度看自由基的實質就是一個電子。電子除了具有質量m，電荷e之外，它還具有另一個特性，就是自旋S。所謂自旋，我們可以想像電子像地球一樣繞一個軸旋轉。電子是一個帶電體，帶電體的旋轉就會產生磁場，這樣一個旋轉著的電子就好像一個小磁偶極子。在力學上可以用磁偶極矩μ來描述，它具有方向性，因此是一個矢量。如果將這一磁偶極矩放在磁場H中，它們之間就會產生一個相互作用能E，這個能量可以用量子力學的薛定諤方程描述和求解，即

這里g是一個沒有量綱的常數，稱為g因子，β是玻爾磁子。自旋磁矩與外磁場平行的電子具有較低的能量－gβH，自旋磁矩和外磁場反平行的電子具有較高的能量gβH。若用輻射的方法給處于低能級的電子一個能量hν，正好等于gβH，它們就會吸收這一能量躍遷到高能級，我們就稱電子在頻率ν發生了共振。這就是電子自旋共振（electron spin resonance， ESR）或順磁共振(electron paramagnetic resonance， EPR))的基本原理，也是檢測自由基最特異、最直接和最有效的技術［3］。

至此，我們可以看出，自由基完全可以用純物理學的語言通過一個電子的物理性質來表述。正是描述一個電子在磁場中的自旋共振奠定了自由基的檢測方法，才使得我們可以利用ESR波譜儀檢測自由基，因此可以說ESR是自由基物理學，它包括自由基的基本理論和自由基的檢測技術——電子自旋共振，當然還包括該技術在物理學中的應用。

盡管在物理學中對自由基的研究已經很深入，甚至自由基在化學中的應用也獲得巨大發展，比如，輻射化學和放射化學的反應基礎都是自由基理論，有機化學中的聚合反應和有機化工也都是以自由基理論作為基礎的，但是直到上世紀60年代，人們根本沒有想到一個具有小小電子的自由基會與生物學有什么關系，更不能想像會產生一門獨立的自由基生物學和該學科今日取得的輝煌。

2 生物學與物理學的結合帶來了自由基生物學的發展和輝煌

1968年，發現生物體內存在超氧化物岐化酶（SOD），而SOD的功能是清除和歧化超氧陰離子自由基，由此，人們認識到生物體內存在自由基［1］。許多物理學家和生物學家分別或聯合起來開展了自由基生物學研究，三十多年來獲得了巨大的發展和輝煌的成就。1998年，一氧化氮自由基研究獲得諾貝爾生物和醫學獎，將自由基生物學研究推向一個新高潮［2］。這歸功于物理學與生物學結合的生物物理學或物理生物學研究。自由基生物學在以下幾個方面取得突出進展：

2.1 建立和發展了多種檢測自由基的新技術和方法

自由基檢測是研究自由基的關鍵。物理學發展了多種檢測短壽命自由基的手段，如研制成功時間分辨的ESR技術和ESR成像儀，不僅可以檢測自由基的種類和濃度，而且可以檢測自由基在生物體內的空間分布。并且利用這些方法系統地研究了氧自由基和一氧化氮自由基的性質、生物功能和疾病的關系，特別是在炎癥、心腦缺血再灌注損傷和神經退行性疾病中的作用［4—6］。

上世紀60年代建立和發展起來的用氮氧自旋標記技術，使ESR技術的應用范圍擴展到生物學的各個領域，其中包括研究細胞膜和蛋白質構象及其動力學性質技術，研究細胞膜磷脂和膜蛋白巰基結合位置的結構特點和動力學性質［7］。

2.2 自由基在生物體內的產生和功能

隨著自由基生物學的發展，發現體內很多細胞活動過程都與自由基的產生和參與有關，酶的活化、電子的傳遞、白細胞的免疫反應都離不開自由基。體內主要通過以下幾個途徑產生自由基［8—10］：

(1) 白細胞和多形核白細胞在吞食外來異物和細菌過程產生呼吸爆發，釋放大量活性氧，其中包括超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫、單線態氧等。它們既可以作為殺傷外來入侵者的有力武器，在炎癥和免疫方面發揮著巨大作用，但是也可以對正常細胞膜及其他細胞成分產生損傷作用。

(2)線粒體的正常功能是通過氧化磷酸化在呼吸鏈上將氧氣還原成水，合成ATP，為細胞提供能量。但有1％—3％的氧氣生成自由基。這些自由基如果泄漏出來，就會造成嚴重的細胞損傷。

(3)一氧化氮自由基在腦的發育過程起著重要作用，它是神經傳導的逆信使，在學習和記憶過程中發揮著重要作用。

（4）植物中葉綠體光合作用產生大量自由基，甚至在一些植物抗病、感病和免疫過程中自由基也發揮著重要作用。

2.3 自由基可以誘導細胞凋亡和導致疾病

自由基雖然有很多生物功能，但如果產生過多就會對細胞造成損傷，引起一系列嚴重的神經疾病。我們系統地研究了一氧化氮和氧自由基在心腦缺血再灌注損傷和神經退行性疾病中誘導細胞凋亡和導致疾病的作用規律，發現一氧化氮和氧自由基在誘導細胞凋亡和導致這些疾病作用的分子機理和信號通路。老年癡呆癥、帕金森綜合癥等神經系統疾病都有自由基的參與；在循環系統，動脈粥樣硬化，血栓的形成，心肌缺血再灌注損傷的發病過程中，氧自由基起著重要作用；肝炎和糖尿病與氧自由基密切相關；致癌，促癌和癌的形成的每一步都有氧自由基的產生和參與［11—14］。

我們在轉基因細胞和動物模型中，利用電子自旋共振和基因沉默（RNAi）等技術系統研究了自由基誘導細胞凋亡和導致疾病規律，發現一氧化氮（NO）和氧自由基（ROS）及鐵、銅等金屬離子在心臟缺血再灌注損傷、中風、老年癡呆癥、帕金森綜合癥等神經退行性疾病中均起著重要作用，并且參與了與淀粉樣蛋白（Aβ）、細胞色素（Cyt.）C釋放、活化有絲分裂蛋白激酶（MAPK）有關的信號通路中的作用［13—16］。

2.4 自由基和衰老

衰老的學說很多，大部分不能用于抗衰老的實踐。而衰老的自由基學說是可以用于指導抗衰老的學說之一。衰老的自由基學說認為氧自由基在體內的產生和對細胞成分的損傷可以引起衰老，保持體內適當抗氧化劑水平可以延緩衰老。這從后來研究人員用一種含自由基清除劑(1%2-巰基乙胺)的食物喂養老鼠能增加老鼠的平均壽命30％得到了證實。這相當于將人類的平均壽命從73歲增加到了95歲。以后又研究發現隨著年齡增加，體內自由基產生和脂質過氧化水平提高，而抗氧化酶和抗氧化劑水平下降。老年斑就含有高濃度的自由基和脂質過氧化物。最近，美國和英國的權威雜志Science 和Nature發表研究文章表明，一些自由基清除劑，小分子多酚類物質，特別是從葡萄汁分離出來的白藜蘆醇，可以啟動長壽基因SIRI1，阻斷細胞凋亡，延緩衰老和延長壽命。我們最近在基礎飼料中添加天然抗氧化劑茶多酚和奎寧酸，可分別延長果蠅和線蟲的壽命，并使動物體勻漿中SOD活性增加，脂質過氧化水平降低。自由基生物學研究的進展很可能對衰老這個還沒有解決的重大基礎科學問題提供新的線索和希望［17］。

2.5 天然抗氧化劑預防和治療退行性疾病研究

人類的進化使得人類對有害自由基產生了一套比較完善的抗自由基體系。例如抗氧化酶體系，體內就有超氧化物岐化酶(SOD)，谷胱甘肽過氧化物酶，過氧化氫酶等。抗氧化劑有維生素C，維生素E，谷胱甘肽，尿酸，胡蘿卜素等。這些抗氧化酶和抗氧化劑在體內組成了一道道防線，防止有害自由基對機體的傷害，維持體內自由基產生和清除的平衡，保證機體的健康。我們應當盡量保持體內這一平衡，不破壞這一平衡。

喝茶有益健康，我們對綠茶的有效成分茶多酚的結構和功能進行了系統的研究，發現四種茶多酚單體及其不同異構體對氧自由基的清除能力不同，并且確定了它們與自由基反應的活性位點。發現它們之間存在協同作用并能與鐵、鉛等金屬離子螯合發揮抗氧化作用。我們研究了茶多酚對帕金森綜合癥的預防和治療作用。探索了茶多酚通過清除氧自由基和一氧化氮預防帕金森綜合癥的途徑，闡述了茶多酚清除自由基抗氧化反應機理以及預防和治療帕金森綜合癥的分子機理［12］。 我們研究了茶多酚對6-OHDP誘導細胞凋亡和動物帕金森綜合癥的保護作用。在細胞體系發現茶多酚抑制6-羥多巴（6-OHDA）誘導細胞產生的活性氧（ROS），6-OHDA導致的線粒體腫脹和細胞內鈣離子的增加，明顯減少6-OHDA引起的NO自由基產生的增加和這兩種一氧化氮合酶（NOS，其中一種為神經型的NOS，用nNOS表示，另一種為誘導型的NOS，用iNOS表示）表達的上調，茶多酚還可以清除6-OHDA自氧化產生的醌類自由基。在動物模型中，發現茶多酚可以降低中腦和紋狀體中ROS和一氧化氮自由基含量、脂質過氧化程度、硝酸鹽/亞硝酸鹽含量，同時降低nNOS 和iNOS 表達水平。茶多酚預處理可增加黑質致密部存活神經元，減少凋亡細胞。我們的實驗結果證明，口服茶多酚可以有效保護腦組織免于6-OHDA 損傷引起的神經細胞死亡，其保護作用可能是通過ROS 和NO 的途徑實現的［18］。

在離體、在體和心肌細胞體系中系統研究了知母寧、銀杏黃酮在心臟缺血再灌注損傷中保護心肌的機理，發現它們主要是通過清除氧自由基和調節一氧化氮自由基產生防止心肌細胞凋亡發揮作用的。在利用山楂黃酮預防中風研究中發現山楂黃酮可以通過調節體內抗氧化水平和清除過量氧和一氧化氮自由基，防止海馬細胞凋亡［5］。

我們的研究還發現，山楂黃酮可以預防和治療中風。蒙古沙鼠雙側頸動脈結扎引起的腦損傷中風模型表明，在缺血再灌注過程中，腦組織中活性氧產生增多，脂質過氧化產物水平升高，抗氧化能力下降，動物口服山楂提取物可以減少缺血再灌注過程中產生的活性氧自由基，減少脂質過氧化產物含量，提高腦勻漿中抗氧化劑的水平。同時，在缺血再灌注過程中，腦組織中硝酸鹽／亞硝酸鹽的濃度升高，ESR檢測到的一氧化氮產量降低，而用山楂提取物喂動物，降低了腦組織中硝酸鹽／亞硝酸鹽的水平，提高了生物可利用的一氧化氮的濃度。iNOS在缺血再灌腦損傷的遲發性神經元死亡中起重要的作用，研究發現，抗氧化劑處理動物可以減少腫瘤壞死因子（TNF-α）和核因子（NF-κB）的水平，降低iNOS活性。用山楂提取物喂動物，可使動物缺血再灌腦損傷后海馬CA1區成活的大錐體神經元數量增加，DNA損傷減少，對腦損傷有保護作用。口服天然抗氧化劑可以提高腦中抗氧化水平，保護腦組織免于缺血再灌腦損傷引起的神經細胞死亡，保護作用可能是通過ROS和一氧化氮的途徑實現的［6］。

我們研究大豆異黃酮對Aβ導致的海馬神經元凋亡的保護作用，發現大豆異黃酮可以有效抑制Aβ導致的海馬神經元凋亡。大豆異黃酮能明顯阻斷Aβ導致的凋亡信號通道，從而降低細胞內Ca2+水平，減少ROS的積累，防止DNA斷裂和凋亡基因caspase-3的激活。發現在低濃度是通過雌激素受體（ER）起保護作用的，而在高濃度是通過抗氧化機制起作用的［19］。

吸煙有害健康，一般人都認為尼古丁是吸煙中最有害的物質，但流行病學研究發現，吸煙人群得老年癡呆癥和帕金森綜合癥的比不吸煙人群低，尼古丁很可能是吸煙中產生的預防這兩種疾病的有效物質。我們對此進行了深入系統的研究，在轉基因動物、細胞、線粒體和分子等不同層次水平上對其機理和信號通路進行了研究。我們研究發現：（1）尼古丁可以有效清除活性氧自由基，抑制多巴胺自氧化，是一種抗氧化劑。（2）尼古丁能夠有效抑制6-OHDA和MPP+ 誘導的細胞色素C釋放。（3）尼古丁可以保護海馬神經元抵抗β淀粉樣蛋白誘導的凋亡。（4）尼古丁可以防止淀粉樣蛋白在轉基因鼠腦中的沉淀。(5)尼古丁可以絡合金屬銅和鋅，防止其在腦中積聚。（6）尼古丁可以通過煙堿型乙酰膽堿受體α7和MAPK的激活，抑制NF-κB和 C-Myc信號通路，抑制炎癥和誘導型NOS表達和一氧化氮生成，預防老年癡呆癥［15，16，20］。這對于解釋煙堿防治神經退行性疾病機理具有重要意義，對預防和治療老年癡呆癥和帕金森綜合癥藥物的研發及對有選擇地減少吸煙產生的焦油和降低吸煙的危害具有重要指導意義。

通過以上討論可以看出，物理學和自由基生物學關系很密切，可以說，沒有物理學的理論和技術就沒有自由基生物學今天的輝煌，甚至可以把自由基生物學看作是一門自由基生物物理學。今后物理學的發展將為自由基生物學提供更多的理論和技術，自由基生物學的發展將為人類健康和延壽做出更大貢獻。

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