在我们探讨有机化学反应机理时，自由基理论应用极其广泛（见图1），事实上，这也是有机反应的基础理论。人体内也在不停地发生化学反应，那人体内是否有自由基存在呢？答案当然是肯定的。

图1. 甲烷的氢被氯取代的反应机理

但自由基的存在时间极短，不容易观察，直到1954年，Barry等人才证实了在生物体内存在自由基，1956年，Denham猜测自由基可能是体内酶反应的副产物，并且他将自由基描述成一个罪恶的潘多拉魔盒，它可能导致严重的细胞损伤、突变、癌症以及生命老化，也开启了自由基认知的第一个时代。

 1969年，Mccord 发现了超氧化物歧化酶SOD，能将氧自由基转换成双氧水，并且证实超氧化物歧化酶广泛分布在哺乳动物体内。原来我们的体内是有抵抗自由基的机制，并不是在自由基这个恶魔面前，细胞只能任其蹂躏，因此开启了自由基研究的第二个时代。科学家开始研究自由基对DNA、蛋白质、脂质和细胞其他结构造成的氧化损伤。




进入21世纪，现已经有大量证据表明，生物体不仅适应了与自由基的不友好共存，而且事实上已经发展出了有益于自由基利用的机制。涉及自由基或其衍生物的重要生理功能包括以下方面：调节血管张力、感知氧张力和调节由氧浓度控制的功能、增强各种膜受体（包括淋巴细胞抗原受体）的信号转导以及确保维持氧化还原稳态的氧化应激反应，鉴于氧化应激在多种疾病中的作用，氧化还原调节领域也越来越受到临床医学的关注。这些病理条件证明了氧化还原调节的自由基显然是生命的一个重要方面。生物“氧化还原调节”科学是一个快速发展的研究领域，对生理学、细胞生物学和临床医学等多个学科都有影响。


现在我们已经知道，生物体内主要的自由基类型有活性氧（ROS，包括超氧自由基O2−·，羟基自由基•OH，H2O2，单线态氧1O2等）和活性氮（RNS，例如一氧化氮自由基NO·，硝基阳离子NO2+，过氧亚硝酸盐ONOO-等），还有其他外界的应激比如紫外线照射会产生自由基。但人体内95%的自由基来自于线粒体，这一切的起点在哪里呢？我们便不得不说地球历史上一个重大的事件——大氧化。（以下摘录整理自孙学军博客 大氧化事件和线粒体的产生）



在地球生命诞生之初，地球上没有氧气，此时的生命都是厌氧生物。大约在26亿年前，大气中的氧气突然增加。而氧气对这些厌氧生物来说是有毒的，导致大量的生物灭绝，但生命从开始出现，就是在和恶劣环境不断斗争的历史，宇宙环境充满各种对生命有害的物理化学因素，例如各种射线、雷电、高温、高盐、强酸强碱等，不一而足。不过这些恶劣的环境几乎都是促进生命产生和进化的条件和动力。所以，生命从产生到进化的整个历史，就是一个充满矛盾的结果。这次大氧化事件，氧气成为威胁地球生命的重要环境因素，不过氧气自身也是生命进化过程的必然结局，因为这些氧气正是富含叶绿体的优势物种带来的代谢产物，氧气参与的供能也更高。生命如何应对大氧化事件呢？此时，线粒体出现了。



线粒体是细胞中制造能量的结构，科学界也给线粒体起了一个别名叫做“powerhouse”，即细胞的发电厂。一个细胞内含有线粒体的数目可以从几百个到数千个不等，越活跃的细胞含有的线粒体数目越多，如时刻跳动的心脏细胞和经常思考问题的大脑细胞含有线粒体的数目最大，皮肤细胞含有线粒体的数目则比较少。

线粒体，是一种存在于大多数真核细胞中的由两层膜包被的细胞器，直径在0.5到10微米左右。除了阿米巴、蓝氏贾第鞭毛虫以及几种微孢子虫外，大多数真核细胞或多或少都拥有线粒体。这种细胞器拥有自身的遗传物质和遗传体系，但因其基因组大小有限，所以线粒体是一种半自主细胞器。线粒体是细胞内氧化磷酸化和合成三磷酸腺苷（ATP）的主要场所，为细胞的活动提供了能量，所以有“细胞动力工厂”之称。除了为细胞供能外，线粒体还参与诸如细胞分化、细胞信息传递和细胞凋亡等过程，并拥有调控细胞生长和细胞周期的能力。



线粒体是如何进化形成的？其实正是得益于大氧化事件。大氧化事件来临后，过去地球上的厌氧生命已经难以生存，这时，一类具有专门消耗氧气的生命形式开始出现。这种能消耗氧气的原始生命就是线粒体，线粒体在有氧环境中可以生存，而且它们可以利用海藻类植物光合作用合成的葡萄糖，并将葡萄糖消化分解变成可以被自己使用的ATP。不过，线粒体虽然强大，但自己仍然有缺陷，毕竟在结构上过于简单，难以形成复杂的生命形式。此时，一件更加离奇的事情发生了，某些厌氧细胞，或者说厌氧细菌，一不小心和线粒体发生了融合，或说是线粒体感染了厌氧细胞。线粒体进入这种细胞，使后者获得了对付氧气的关键武器，让这些细胞拥有了克服高氧毒性的能力的同时，也带来了源源不断的ATP为细胞代谢提供能量。线粒体的出现，是厌氧生物向需氧生物转化的关键，是需氧生物形成的关键步骤。拥有线粒体的细胞就是我们现在所熟悉的所有需氧生物包括各种高等动物和植物的祖先。至此，地球生命形成了一种奇特的依赖关系。线粒体和原始厌氧细胞形成共生，一方面限制了氧气浓度的继续攀升，另一方面各自获得了向高等生命形式进化的关键武器，这些细胞在消耗氧气的同时，代谢能量物质供应ATP，这奠定了多细胞需氧生命进化的基础。

所以，线粒体是细胞供能之所在，是细胞内利用氧气的主要场所，在这个氧化最为剧烈的细胞器中，自由基的产生也最为丰富，现在也被科学证实。

在线粒体的呼吸链中，O2经过黄嘌呤氧化酶、NADPH氧化酶介导产生超氧自由基O2−·（见图2. 反应机理为自由基反应，所以活性氧是有氧代谢中无法避免的产物），O2−·在超氧化物歧化酶SODs的作用下生成H2O2，双氧水被谷胱甘肽还原为H2O和O2，被氧化的谷胱甘肽会被谷胱甘肽还原酶还原为谷胱甘肽继续起作用。但在过渡金属离子（例如Cu+、Fe2+）的存在下，O2−·会被催化形成羟基自由基•OH，这是一种仅次于氟的氧化剂，便会攻击脂质膜（生物体内的细胞膜和各种细胞器膜都是脂质膜）产生脂质自由基，在氧气存在的条件下，进一步生成脂质过氧化自由基，脂质过氧化自由基会和正常的脂肪链反应生成脂质氢过氧化物，或者链增长，生成分子量更大的自由基。最后分解为丙二醛和4-羟基壬烯醛（具有强还原作用的醛基会和蛋白质的氨基发生美拉德反应，导致胶原降解，机体衰老）。谷胱甘肽过氧化物酶可以还原脂质氢过氧化物，脂质自由基也能在辅酶Q10、Ve存在的条件下还原（辅酶Q10和Ve能保护脂质发生氧化）。

活性氮RNS的产生主要由精氨酸在NO合酶催化下，生成瓜氨酸和NO（自由基），NO和O2−·反应生成过氧亚硝酸盐（ONOO-），在质子（H+）的催化下，生成•OH和NO2+（硝酰阳离子），然后进入ROS的循环中。

除了线粒体里面产生的自由基，紫外线照射也是产生自由基的一个重要原因。三线态的氧（3O2，能量最低）在紫外照射下，生成单线态氧（1O2，活性高），然后进攻脂质膜，产生脂质自由基。紫外线也可以直接进攻脂质膜，产生自由基。（具体机理见关于紫外、结构与吸收的那些事）

图2. 自由基的生成以及清除过程

由于细胞（器）膜要行使正常的传递物质、酶的负载等各种功能，所以细胞膜一般具有流动性，在脂质膜中含有大量的不饱和脂肪酸。在各种有机反应中，苄基自由基和烯丙基自由基的稳定性最高，说明含有这种结构的物质更容易自由基化，这也是我们为什么总在保护脂质过氧化的原因（不饱和脂肪酸易生成烯丙基自由基）。




图3. 几种典型自由基的稳定性

经过亿万年的进化，生命已经学会与自由基和平共处，让体内自由基一直处在一个平衡的状态。如图4生成的ROS会引发机体一系列级联反应，抗氧化酶增加，蛋白质水解等，达到一个氧化还原稳态。在很多的研究中发现，自由基的清除伴随着蛋白质的水解，蛋白质水解对自由基的清除作用比较弱，所以机体会大量的水解蛋白质，这也是自由基能导致衰老、胶原蛋白流失的原因之一。

图4：氧化还原稳态机制

当然，生命体也会利用自由基来完成一系列生命活动比如免疫反应。

活化的巨噬细胞和中性粒细胞可通过NADPH氧化酶产生大量超氧化物及其衍生物。在炎症环境中，巨噬细胞产生大量H2O2，用来抗菌和杀死肿瘤细胞。而缺乏NADPH氧化酶的小鼠对感染的抵抗力降低。此外，吞噬细胞中NADPH氧化酶和髓过氧化物酶联合产生次氯酸（HClO），次氯酸是最强的生理氧化剂之一，也是一种强大的抗菌剂。受刺激的中性粒细胞和巨噬细胞也通过髓过氧化物酶或NADPH氧化酶的反应产生单线态氧。而且非常重要的是生理相关的活性氧浓度可以调节氧化还原敏感信号级联，增强淋巴细胞的免疫功能。活性氧自由基是机体抵御病原体的第一道防线。肌肉细胞和成纤维细胞是正常产生的大部分超氧化物的来源。

NO非常活泼，两个原子共有11个价电子，属于自由基。NO介导调节最突出的例子是控制血管张力和血小板粘附，参与各种级联反应。所以，在自由基学说第三个时代，我们不再单纯讲抗氧化，而是抗氧化应激（过量自由基导致机体产生反应）。

机体内氧化-抗氧化大多时候维持在一个平衡状态，此时活性氧的产生率和清除能力基本保持不变，细胞或组织处于稳定状态。然而在某些条件下，活性氧的产生会更强烈、更持久，抗氧化反应可能不足以将系统维持在氧化还原稳态，在这种情况下，可能导致更多的蛋白质水解，在衰老过程中已发现这种向更多氧化状态转变的迹象。

自由基能导致各种炎症、细胞衰老甚至死亡等情况，在此不再赘述（自由基不是导致衰老的必要条件，运动会产生更多的自由基，却不会影响健康，关键是维持氧化-抗氧化稳态）。但过量自由基导致的氧化应激是多种疾病的并发症，比如恶性疾病（癌症）、糖尿病、动脉粥样硬化、慢性炎症、人类免疫缺陷病毒（HIV）感染、缺血再灌注损伤和睡眠呼吸暂停等等，也越来越受到人们的关注。

那如何减少自由基的生成呢？

由于线粒体产生自由基的量受线粒体能量底物的显著影响，因此饮食限制是目前研究最好、最有希望的实验策略，可以延长寿命和提高老年人的生活质量。现在大家经常在网上看到这样的观点：吃得越饱，死得越早（该结论只在一些动物实验上成立，在人体还没有定论，但基本已被科学界所接受）。目前有很多的文献，对几种动物的研究表明，热量限制可改善氧化应激的某些表现，并导致寿命大幅延长。啮齿类动物的饮食限制还可延迟年龄相关疾病的发病，降低恶性肿瘤的发病率，并改善线粒体复合体的活性。另外科学研究也发现：饮食限制要从成年期开始，如果小鼠在年轻时随意进食，老年后才转变为限制饮食，就算后来体重减轻了，对寿命的影响却并不大。

如果我们一直摄取过量的食物，线粒体就在不停的氧化反应，因此会产生更多的自由基，就可能会严重影响我们的健康，这也是我们为什么说吃饭要吃7分饱的原因。不过在我们年轻的时候就得控制饮食，是不是太残忍。

通过外源性的补充抗氧化剂也是一个办法，有大量的数据证明抗氧化剂（例如Vc、Ve、植物黄酮等）对身体健康十分重要，这也是护肤中抗氧化的基础，后面将为大家分析各种抗氧化产品的机理与使用，敬请期待。


参考文献：


关于自由基二三说，小红书，三个配方酱


Commoner B ,  Townsend J ,  Pake G E . Free Radicals in Biological Materials[J]. Nature, 1954, 174(4432):689-691.


Aging H D . A theory based on free radical and radiation chemistry[J]. J Gerontol, 1957, 2.


Mccord J M ,  Fridovich I . Superoxide Dismutase: AN ENZYMIC FUNCTION FOR ERYTHROCUPREIN (HEMOCUPREIN)[J]. Journal of Biological Chemistry, 1969, 244.


大氧化事件和线粒体的产生 孙学军博客


Mittal C K ,  Murad F . Activation of guanylate cyclase by superoxide dismutase and hydroxyl radical: a physiological regulator of guanosine 3',5'-monophosphate formation.[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 1977, 74(10):4360-4364.


Chance B ,  Sies H ,  Boveris A . Hydroperoxide metabolism in mammalian organs.[J]. Physiological Reviews, 1979, 59(3):527-605.

Hahn O ,  Drews L F ,  An N , et al. A nutritional memory effect counteracts the benefits of dietary restriction in old mice[J]. Nature Metabolism.