2018论自由基生物学与物理学

3200627

　　　　论文关键词 自由基，自由基生物学，物理学，电子自旋共振
　　论文摘 要 自由基生物学与物理学关系密切，没有物理学关于电子的理论和检测技术,就没有自由基生物学今天的辉煌，没有自由基生物学与物理学的结合，也许至今大部分人都还不知道什么是自由基。文章从自由基生物学的发展讨论物理与生物学的关系。?
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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)???
　　
　　自由基生物学（free radical biology）是研究自由基在生物体系中产生和作用规律及其与疾病和健康关系的科学。自由基生物学是一门新兴的前沿和交叉科学，是一个具有重要理论意义和广泛应用前景并且与人类健康密切相关的科学。自由基不仅具有重要的生物功能，而且可以引起衰老和多种疾病的发生和发展。自由基生物学自1968年发现超氧化物岐化酶（superoxide dismutase,SOD）以来［1］，在过去三十几年时间获得了迅速发展和辉煌的成就。1998年，一氧化氮自由基研究获得诺贝尔生物和医学奖，将自由基生物学和自由基医学研究推向另一个新高潮［2］。今后自由基生物学在衰老和疾病关系的理论研究方面将有所突破，为人类健康和延寿做出更大贡献。物理学和自由基生物学看似两门相差很远的学科，其实关系很密切。从自由基生物学的发展来看，可以说，没有物理学的理论和技术就没有自由基生物学今天的辉煌，当然没有自由基生物学与物理学的结合，也许至今大部分人都还不知道什么是自由基。本文不打算在物理学和生物学方面做广泛讨论，只从自由基生物学这一学科讨论物理学与生物学的关系，也就是从生物物理学或物理生物学的一个侧面讨论物理学和生物学的关系。?
　　
　　1 物理学是自由基生物学的基础?
　　
　　可以毫不夸张地说，物理学是自由基生物学的基础，自由基的概念、理论和检测技术都是来自物理学。按照自由基的概念和定义，“任何包含一个未成对电子的原子或原子团，均称之为自由基”，从物理学角度看自由基的实质就是一个电子。电子除了具有质量?m，电荷e?之外，它还具有另一个特性，就是自旋S。所谓自旋,我们可以想像电子像地球一样绕一个轴旋转。电子是一个带电体，带电体的旋转就会产生磁场，这样一个旋转着的电子就好像一个小磁偶极子。在力学上可以用磁偶极矩?μ来描述，它具有方向性，因此是一个矢量。如果将这一磁偶极矩放在磁场H?中，它们之间就会产生一个相互作用能?E?，这个能量可以用量子力学的薛定谔方程描述和求解，即
　　
　　这里g是一个没有量纲的常数,称为g因子，β是玻尔磁子。自旋磁矩与外磁场平行的电子具有较低的能量－gβH，自旋磁矩和外磁场反平行的电子具有较高的能量gβH。若用辐射的方法给处于低能级的电子一个能量hν,正好等于gβH，它们就会吸收这一能量跃迁到高能级,我们就称电子在频率ν?发生了共振。这就是电子自旋共振（electron spin resonance, ESR）或顺磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR))的基本原理，也是检测自由基最特异、最直接和最有效的技术［3］。?
　　至此，我们可以看出，自由基完全可以用纯物理学的语言通过一个电子的物理性质来表述。正是描述一个电子在磁场中的自旋共振奠定了自由基的检测方法，才使得我们可以利用ESR波谱仪检测自由基，因此可以说ESR是自由基物理学，它包括自由基的基本理论和自由基的检测技术——电子自旋共振，当然还包括该技术在物理学中的应用。?
　　尽管在物理学中对自由基的研究已经很深入，甚至自由基在化学中的应用也获得巨大发展，比如，辐射化学和放射化学的反应基础都是自由基理论，有机化学中的聚合反应和有机化工也都是以自由基理论作为基础的，但是直到上世纪60年代，人们根本没有想到一个具有小小电子的自由基会与生物学有什么关系，更不能想像会产生一门独立的自由基生物学和该学科今日取得的辉煌。?
　　
　　?2 生物学与物理学的结合带来了自由基生物学的发展和辉煌??
　　
　　1968年,发现生物体内存在超氧化物岐化酶（SOD），而SOD的功能是清除和歧化超氧阴离子自由基，由此，人们认识到生物体内存在自由基［1］。许多物理学家和生物学家分别或联合起来开展了自由基生物学研究，三十多年来获得了巨大的发展和辉煌的成就。1998年,一氧化氮自由基研究获得诺贝尔生物和医学奖，将自由基生物学研究推向一个新高潮［2］。这归功于物理学与生物学结合的生物物理学或物理生物学研究。自由基生物学在以下几个方面取得突出进展：??
　　
　　2.1 建立和发展了多种检测自由基的新技术和方法?
　　自由基检测是研究自由基的关键。物理学发展了多种检测短寿命自由基的手段，如研制成功时间分辨的ESR技术和ESR成像仪，不仅可以检测自由基的种类和浓度，而且可以检测自由基在生物体内的空间分布。并且利用这些方法系统地研究了氧自由基和一氧化氮自由基的性质、生物功能和疾病的关系，特别是在炎症、心脑缺血再灌注损伤和神经退行性疾病中的作用［4—6］。?
　　上世纪60年代建立和发展起来的用氮氧自旋标记技术，使ESR技术的应用范围扩展到生物学的各个领域，其中包括研究细胞膜和蛋白质构象及其动力学性质技术，研究细胞膜磷脂和膜蛋白巯基结合位置的结构特点和动力学性质［7］。??
　　
　　2.2 自由基在生物体内的产生和功能?
　　随着自由基生物学的发展，发现体内很多细胞活动过程都与自由基的产生和参与有关，酶的活化、电子的传递、白细胞的免疫反应都离不开自由基。体内主要通过以下几个途径产生自由基［8—10］：?
　　(1) 白细胞和多形核白细胞在吞食外来异物和细菌过程产生呼吸爆发，释放大量活性氧，其中包括超氧阴离子自由基、羟基自由基、过氧化氢、单线态氧等。它们既可以作为杀伤外来入侵者的有力武器，在炎症和免疫方面发挥着巨大作用，但是也可以对正常细胞膜及其他细胞成分产生损伤作用。?
　　(2)线粒体的正常功能是通过氧化磷酸化在呼吸链上将氧气还原成水，合成ATP，为细胞提供能量。但有1％—3％的氧气生成自由基。这些自由基如果泄漏出来，就会造成严重的细胞损伤。?
　　(3)一氧化氮自由基在脑的发育过程起着重要作用，它是神经传导的逆信使，在学习和记忆过程中发挥着重要作用。?
　　（4）植物中叶绿体光合作用产生大量自由基，甚至在一些植物抗病、感病和免疫过程中自由基也发挥着重要作用。??
　　
　　2.3 自由基可以诱导细胞凋亡和导致疾病?
　　自由基虽然有很多生物功能，但如果产生过多就会对细胞造成损伤，引起一系列严重的神经疾病。我们系统地研究了一氧化氮和氧自由基在心脑缺血再灌注损伤和神经退行性疾病中诱导细胞凋亡和导致疾病的作用规律，发现一氧化氮和氧自由基在诱导细胞凋亡和导致这些疾病作用的分子机理和信号通路。老年痴呆症、帕金森综合症等神经系统疾病都有自由基的参与；在循环系统，动脉粥样硬化，血栓的形成，心肌缺血再灌注损伤的发病过程中，氧自由基起着重要作用；肝炎和糖尿病与氧自由基密切相关；致癌，促癌和癌的形成的每一步都有氧自由基的产生和参与［11—14］。?
　　我们在转基因细胞和动物模型中，利用电子自旋共振和基因沉默（RNAi）等技术系统研究了自由基诱导细胞凋亡和导致疾病规律，发现一氧化氮（NO）和氧自由基（ROS）及铁、铜等金属离子在心脏缺血再灌注损伤、中风、老年痴呆症、帕金森综合症等神经退行性疾病中均起着重要作用，并且参与了与淀粉样蛋白（Aβ）、细胞色素（Cyt.）C释放、活化有丝分裂蛋白激酶（MAPK）有关的信号通路中的作用［13—16］。?
　　2.4 自由基和衰老?
　　衰老的学说很多，大部分不能用于抗衰老的实践。而衰老的自由基学说是可以用于指导抗衰老的学说之一。衰老的自由基学说认为氧自由基在体内的产生和对细胞成分的损伤可以引起衰老，保持体内适当抗氧化剂水平可以延缓衰老。这从后来研究人员用一种含自由基清除剂(1%2-巯基乙胺)的食物喂养老鼠能增加老鼠的平均寿命30％得到了证实。这相当于将人类的平均寿命从73岁增加到了95岁。以后又研究发现随着年龄增加，体内自由基产生和脂质过氧化水平提高，而抗氧化酶和抗氧化剂水平下降。老年斑就含有高浓度的自由基和脂质过氧化物。最近，美国和英国的权威杂志Science 和Nature发表研究文章表明，一些自由基清除剂，小分子多酚类物质，特别是从葡萄汁分离出来的白藜芦醇，可以启动长寿基因SIRI1,阻断细胞凋亡，延缓衰老和延长寿命。我们最近在基础饲料中添加天然抗氧化剂茶多酚和奎宁酸，可分别延长果蝇和线虫的寿命，并使动物体匀浆中SOD活性增加，脂质过氧化水平降低。自由基生物学研究的进展很可能对衰老这个还没有解决的重大基础科学问题提供新的线索和希望［17］。??
　　
　　2.5 天然抗氧化剂预防和治疗退行性疾病研究?
　　人类的进化使得人类对有害自由基产生了一套比较完善的抗自由基体系。例如抗氧化酶体系，体内就有超氧化物岐化酶(SOD),谷胱甘肽过氧化物酶，过氧化氢酶等。抗氧化剂有维生素C，维生素E，谷胱甘肽，尿酸，胡萝卜素等。这些抗氧化酶和抗氧化剂在体内组成了一道道防线，防止有害自由基对机体的伤害，维持体内自由基产生和清除的平衡,保证机体的健康。我们应当尽量保持体内这一平衡，不破坏这一平衡。?
　　喝茶有益健康，我们对绿茶的有效成分茶多酚的结构和功能进行了系统的研究，发现四种茶多酚单体及其不同异构体对氧自由基的清除能力不同，并且确定了它们与自由基反应的活性位点。发现它们之间存在协同作用并能与铁、铅等金属离子螯合发挥抗氧化作用。我们研究了茶多酚对帕金森综合症的预防和治疗作用。探索了茶多酚通过清除氧自由基和一氧化氮预防帕金森综合症的途径，阐述了茶多酚清除自由基抗氧化反应机理以及预防和治疗帕金森综合症的分子机理［12］。?