抗氧化劑

抗氧化劑是指能減緩或防止氧化作用的分子。氧化是一種使電子自物質轉移至氧化劑的化學反應，過程中可生成自由基，進而啟動鏈反應。當鏈反應發生在細胞中，細胞便會受到破壞或凋亡。抗氧化劑則能去除自由基，終止連鎖反應並且抑制其他氧化反應，同時其本身被氧化。抗氧化劑通常是還原劑，例如硫醇、抗壞血酸、多酚類。抗氧化劑也是一種汽油中重要的新增劑。它可以防止油料在儲存過程中氧化變質形成膠質沉澱從而妨礙內燃機的正常運轉。雖然氧化反應十分重要，但它也能對生命體造成傷害；因此，動植物演化出多種抗氧化劑，如常見的谷胱甘肽、維生素C與維生素E，過氧化氫酶、超氧化物歧化酶等酶，以及各種過氧化酶。低階的抗氧化劑或抗氧化酶的抑制劑，則會引發氧化應激，導致細胞的損傷和死亡。由於氧化應激是一些許多疾病的重要組成部分，所以藥理學對抗氧化劑的使用，特別是在對中風和神經退化性疾病的治療中有深入研究。此外氧化應激也是一些疾病的誘因和結果。抗氧化劑被廣泛應用在營養補充劑中。對於一些疾病比如癌症、冠心病甚至高原反應的預防作用已經得到研究。儘管先前的初步研究表明補充抗氧化劑可能促進健康，但後來對一部分抗氧化劑進行大量臨床試驗得到的結果並沒有顯示出補充抗氧化劑會使罹患某些疾病的相對風險上升一到五個百分點。瑞典哥德堡大學薩爾葛蘭斯卡研究院(Sahlgrenska Academy)研究指出，抗氧化劑會加速肺癌及其他癌細胞的進展惡化。另外也有一個持續數年的跟蹤研究證實大劑量的抗氧化劑可以使罹患心血管疾病的風險降低65%，但具體機理不明。抗氧化劑在其他諸多領域也有用途，比如食品和化妝品防腐劑以及延緩橡膠的老化降解。抗氧化劑的歷史.為了適應從海洋生物演變為陸地生物，陸生植物開始產生海洋生物所不具有的抗氧化劑，比如維生素C、多酚和生育酚。五千萬年到兩億萬年前，特別是在侏羅紀時代，被子植物植物在進化的過程中發展出了許多抗氧化的天然色素，來作為一種抵禦光合作用副產物活性氧類物質的化學手段。本來抗氧化劑一詞特指那類可以防止氧氣消耗的化學物質。在19世紀末至20世紀初，廣泛研究集中在重要的工業生產過程對抗氧化劑的使用上，比如防止金屬腐蝕、橡膠的硫化、由燃料聚合導致的內燃機積垢等。生物學對抗氧劑的研究早期集中在如何使用抗氧化劑來避免不飽和脂肪酸氧化引起的酸敗。可以透過將一塊脂肪置於一個充氧的密封容器後，對其氧化速率進行測定以度量抗氧化活性。然而隨著具有抗氧化作用的維生素A、C、E的發現和確認，人們意識到抗氧化劑在生物體內起到生化作用的重要性。當認識到具有抗氧化活性的物質可能本身就容易被氧化的事實後，對抗氧化劑可能作用機理的探索首先開始。透過研究維生素E如何防止脂質過氧化，明確了抗氧化劑作為還原劑透過與活性氧物質反應來避免活性氧物質對細胞的破壞，達到抗氧化的效果。生物體應對氧化的方法.對於生物體的代謝有一種自相矛盾的情況，雖然大部分地球上的生物需要氧氣來維持生存，但同時氧氣又是一種高反應活性的分子，可以透過產生活性氧物質破壞生物體。所以生物體中建立了一套由抗氧化的代謝產物和酶構成的複雜網路系統，透過有抗氧化作用的代謝中間體和產物與酶之間的協同配合使得重要的細胞成分比如DNA、蛋白質和脂類免受氧化損傷。抗氧化系統大體上透過兩種方式實現抗氧化作用，一種是透過阻止活性氧物質的產生來實現，另一種是在這些活性物質對細胞的重要成分造成損傷之前將其清除以達到抗氧化作用的。然而這些活性氧物質也有重要的細胞功能，比如在生化反應中充當氧化還原訊號分子。因此生物體中抗氧化系統的作用不是氧化性物質徹底地全部清除，而是將這些物質保持在適當的水平。在細胞內產生的活性氧物種包括過氧化氫產生的。這些氧化劑透過引發鏈反應比如脂質的過氧化反應、或氧化DNA和蛋白質破壞細胞。受到損害的DNA如果沒有得到修復會引起突變、誘發癌症。對蛋白質造成的損傷會使酶的活性受到抑制，蛋白質發生變性或降解。人體新陳代謝產生能量的過程中需要消耗氧氣生成活性氧物種。這個過程中，電子傳遞鏈的幾個步驟能產生副產物超氧化物陰離子。特別重要的是複合物III中的輔酶Q在被還原的過程中會變成高活性的自由基中間體，“洩漏”的電子跳出正常的電子傳遞鏈，直接將氧分子還原生成超氧負離子。過氧化物也可以由還原態的黃素蛋白比如複合體Ⅰ的氧化產生。然而，儘管這些酶會生成氧化劑，但是目前尚不清楚電子傳遞鏈相比其他同樣可以產生過氧化物的生化過程是否更為重要。在植物、藻類和藍菌進行光合作用的過程中尤其是在高輻照強度下，同樣會產生活性氧物種，但是類胡蘿蔔素作為光保護劑吸收過度強光保護細胞，藻類、藍菌中所含的大量碘和硒也能抵消高輻照強度對細胞造成的氧化損傷，類胡蘿蔔素、碘和硒作為抗氧化劑透過與被過度還原的光合反應中心反應避免活性氧物種的產生。抗氧化代謝物.抗氧化劑可根據溶解性分為兩大類：水溶性抗氧化劑和脂溶性抗氧化劑。水溶性抗氧化劑通常存在於細胞質基質和血漿中，脂溶性抗氧化劑則保護細胞膜的脂質免受過氧化。這些化合物或在人體內生物合成或透過膳食攝取。不同抗氧化劑以一定範圍的濃度分佈於體液和組織中。谷胱甘肽和輔酶Q10主要存在於細胞中，而其他抗氧化劑比如尿酸它們的分佈更為廣泛。一些抗氧化劑由於既有抗氧化作用也是重要的病原體和致病因子，所以只存在於某些特定機體組織中。一些化合物透過與過渡金屬配位螯合來阻止金屬在細胞中催化自由基的產生，從而起到抗氧化防禦的作用。這種抗氧化防禦手段中特別重要的一點是要將鐵離子透過配位螯合隔離起來，因為鐵離子是一些鐵結合蛋白，這兩種元素本身沒有抗氧化作用但會對一些抗氧化酶的活性起到作用。尿酸.尿酸是血液中濃度最高的抗氧劑。尿酸是嘌呤代謝的中間產物，由黃嘌呤透過黃嘌呤氧化酶氧化產生，是一種有抗氧化性的氧嘌呤。在大部分陸地動物體內，尿酸氧化酶可催化尿酸進一步氧化成尿囊素，但人和一些高階靈長類動物的尿酸氧化酶基因不發揮作用，所以尿酸在體內不會進一步分解。尿酸氧化酶功能在人類進化過程中丟失的原因仍是一個有待探討的問題。尿酸的抗氧化性使研究者推測這種突變有利於早期的靈長類動物和人類。對生物高海拔環境適應性的研究結果支援這樣一種假設：尿酸作為抗氧化劑可以緩解由高原低氧引發的氧化應激。在氧化應激所促發疾病的動物實驗中發現尿酸可以預防或緩解疾病，研究者將其歸因於尿酸的抗氧化特性。關於尿酸抗氧化機理的研究結果也支援這一提議。對於多發性硬化症，Gwen Scott解釋了尿酸作為抗氧化劑對於多發性硬化症的重要意義，血清中的尿酸水平與多發性硬化症的發生率呈相反關係，因為多發性硬化症的病人血清中的尿酸水平低，而患有痛風的病人很少患有這種疾病。更重要的是尿酸可用於治療實驗性質的一種多發性硬化症的動物模型：變態反應性腦脊髓症。總之，雖然尿酸作為抗氧化劑的機理得到廣泛的支援，但聲稱體內尿酸水平影響患多發性硬化症風險的說法仍存爭議，且需要更多的研究。尿酸是所有血液抗氧化劑中濃度最高的，它的貢獻佔人類血清中總抗氧化能力的一半。尿酸的抗氧化活性很複雜，它不能與一些氧化劑比如超氧化物反應，但能對過氧亞硝基陰離子、過氧化物和次氯酸起到抗氧化作用。抗壞血酸.抗壞血酸的底物，這種酶對植物的抗逆性有特別重要的作用。維生素C以較高的含量普遍存在於植物的各個部位，特別是在葉綠體中的濃度可以高達20mmol/L。谷胱甘肽.谷胱甘肽是一種含有半胱氨酸的多肽，存在於多數需氧生物體內。它不能從膳食中攝入而是在細胞內從相應的氨基酸合成而來。由於半胱氨酸上的巰基具有還原性，能在氧化後再被還原，所以谷胱甘肽有抗氧化功能。在細胞內，谷胱甘肽在被一些代謝物和酶比如谷胱甘肽-抗壞血酸迴圈替代。褪黑素.褪黑素是一種很強的抗氧化劑。它可以輕易地穿過細胞膜和血腦屏障，和其他抗氧化劑不同，它不參與到還原迴圈。生育酚和生育三烯酚.維生素E是由生育酚和生育三烯酚構成的8種相關化合物的統稱，它們是一類具有抗氧化功能的脂溶性維生素。在這類化合物中，由於人體優先吸收和代謝α-生育酚，所以α-生育酚的生物利用度最大，也是已經被研究的最多的。據稱α-生育酚是最重要的脂溶性抗氧化劑。它清除遊離的自由基中間體並且停止自由基的鏈增長，以此保護細胞膜免受有過氧化鏈反應產生的過氧化脂質的破壞，由此產生的氧化態α-生育酚自由基可被其他抗氧化劑比如維生素C、視黃醇或泛醇還原，使其重新回到活性還原態繼續起到抗氧化作用。相關研究發現是α-生育酚而非水溶性抗氧化劑起到有效保護缺少谷胱甘肽過氧化物酶4的細胞避免其死亡的作用，而GPX4是已知的唯一一種能有效減少生物膜中過氧化脂質的酶，這一研究發現與α-生育酚的細胞膜抗氧化作用是一致。但是還尚不清楚其他的幾種維生素E在抗氧化作用中的角色和重要性。儘管γ-生育酚作為親核試劑可以和親電性的誘突變物質反應，而生育三烯酚對於保護神經元免受損壞起到重要作用，但是對於除α-生育酚外的其他幾種維生素E在抗氧化方面的作用仍知之甚少。促氧化劑.起到還原劑作用的抗氧化也能扮演促氧化劑先將將高價態的過渡金屬離子還原，之後被還原的金屬離子透過反應產生自由基。2 Fe3+ + 抗壞血酸 → 2 Fe2+ + 脫氫抗壞血酸2 Fe2+ + 2 H2O2 → 2 Fe3+ + 2 OH· + 2 OH−補充抗氧化劑對健康的潛在損害.某些抗氧化劑的不適當補充會誘發疾病和增加人的死亡機率。有假設認為，體內的自由基能誘導啟動內源性反應來對抗外源的自由基使人體受到保護。最近的實驗證據也有力地證實事實確實如此，內源性自由基產生的誘導作用使得秀麗隱杆線蟲的壽命延長。這些有毒性的自由基在低濃度時可能有毒物興奮效應，能起到延長壽命和促進健康的效果，而補充過量的抗氧化劑則會淬滅這些對健康起到積極作用的自由基。抗氧化酶系統.概述.和化學抗氧化劑的作用一樣，有多種抗氧化酶相互作用所構成的網路能保護細胞免受氧化應激的損害。比如氧化磷酸化過程釋放出的過氧化物首先被轉變成過氧化氫，接著被還原成水。在這個解毒過程是多種酶協同作用的結果，第一步超氧化物轉變成過氧化氫的過程是在超氧化物歧化酶的催化下完成的，接著由多個不同的過氧化物酶來負責清除過氧化氫。和抗氧化代謝物在抗氧化過程中需要相互協作配合一樣，在抗氧化酶的防禦機制中這些酶之間也需要相互協調配合，不能單獨發揮作用，這也是從研究只缺少某一種抗氧化酶的轉基因小鼠的過程中認識到的。超氧化物歧化酶，過氧化氫酶和過氧化還原酶.超氧化物歧化酶是一類與催化超氧化物陰離子分解產生氧氣和過氧化氫密切相關的酶。過氧化氫酶是一種以鐵或錳為輔助因子、可催化過氧化氫分解成水和氧氣的酶。它們存在於大多數真核生物細胞的過氧化物酶體中。過氧化還原酶是一類可催化還原過氧化氫、有機過氧化物和過氧亞硝基陰離子的過氧化物酶。它可分為三類：典型的2-半胱氨酸過氧化物還原酶、非典型的2-半胱氨酸過氧化物還原酶和1-半胱氨酸過氧化物還原酶。硫氧還蛋白和谷胱甘肽系統.硫氧還蛋白體系包括12千道爾頓的硫氧還蛋白和與之相伴的硫氧還蛋白還原酶。谷胱甘肽體系包括谷胱甘肽、谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽"S"-轉移酶。這個抗氧化酶體系存在於植物、動物和微生物中。疾病中的氧化應激.氧化應激被認為與多種疾病例如老年痴呆症 、帕金森氏症，這此病理系引發於糖尿病、由糖尿病引起的併發症、類風溼性關節炎和肌萎縮性脊髓側索硬化症引發的神經退行性變有關。對於其中的大部分疾病尚不清楚是否是由氧化劑所引發的，或者是作為這些疾病的次生後果來自一般組織的損傷。氧化反應對DNA的損傷能引發癌症。比如超氧化歧化酶、過氧化氫酶、谷甘胱肽過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶、谷胱甘肽S-轉移酶等幾種抗氧化酶能保護DNA免受氧化應激的損害。這些酶的多型性與DNA損傷有關並提高個體的癌症易感性風險。對健康的潛在影響.器官功能.因為大腦的新陳代謝速率很快且腦部都大量的不飽和脂質，這些脂質易成為脂質過氧化反應的目標，所以大腦非常容易受到氧化損傷的侵害。抗氧化劑因此作為藥物可用於治療各類腦部損傷。超氧化物歧化酶的類似物作為試驗性藥物用於中風的治療。這些藥物似乎可以避免神經元的氧化應激，並防止細胞凋亡和神經損傷。與飲食的關係.多吃水果和蔬菜的人患心臟病和一些神經疾病的風險更低，也有證據顯示一些蔬菜和水果可能降低患癌症的風險。因為水果和蔬菜是營養素和植生素的由此推測抗氧化化合物可能會降低罹患一些疾病的風險。這個推斷通過幾種有限的方式進行了臨床試驗，結果顯示此觀點似乎不能成立，因為試驗顯示補充抗氧化劑對降低患某些慢性疾病比如癌症和心臟病的風險沒有明顯的效果。這暗示了從食用蔬菜和水果所帶來的健康益處水果和蔬菜中的其他成分或來自一個複雜的混合成分。比如富含黃酮的食物具有的抗氧化效果似乎應歸功於食物中的果糖而非食物本身所含的抗氧化劑，果糖起了誘導體內增加合成抗氧化劑尿酸的作用。血液中低密度脂蛋白的氧化被認為對造成心臟病起到了作用，最初的觀察研究發現攝入維生素E能降低患心臟病的風險。因此後來開展至少七個大型的臨床試驗來測試補充抗氧化劑維生素E的效果，補充的維生素劑量從每天50mg至每天600mg，這些試驗無一結果顯示維生素E的補充會對死亡總人數或因心臟病死亡的人數造成顯著性差異。進一步的研究也獲得了同樣結果。還不清楚在這些研究中所用的或在大多數膳食補充劑中所含的維生素E劑量是否足以顯著增加氧化應激。總體上，儘管對氧化應激在心血管疾病中扮演的角色已有清楚的認識，但使用抗氧化劑維生素E的對照研究顯示罹患心臟病的風險和已患疾病的發展速率均沒有降低。體育鍛煉.在體育鍛煉時，氧氣的消耗量會比平時增加超過10倍。耗氧量的增大會產生更多的氧化產物造成運動中和運動後的肌肉疲勞。劇烈運動後特別是在運動後的24小時內的遲發性肌肉痛也和氧化應激有關，在運動後的2至7天中免疫系統會對運動過程中出現的損傷進行修復，從而使身體素質提高。在這個過程中中性粒細胞會產生自由基用以清除受損組織。因此體內過高濃度的抗氧化劑會在這個修復過程中妨礙機體的修復和適應。補充抗氧化劑也會妨礙透過體育鍛煉增進健康，例如阻礙胰島素敏感度的增加。不利影響.有較強還原性的酸能起到反營養物質的效果，它們會在消化系統中透過與鋅、鐵等結合來阻止人體吸收膳食礦物質。典型的例子有草酸、單寧和植酸，它們在以植物性食物為主的飲食結構中含量很高。發展中國家的飲食結構中肉類攝入較少而含有植酸的豆類和未發酵的全麥麵包攝入較多，引致發展中國家的膳食中缺乏鈣和鐵的狀況相當常見。非極性抗氧化劑比如丁香油酚有毒性限制，所以過量濫用未稀釋的精油對健康不利。大劑量服用水溶性抗氧化劑比如維生素C時很少考慮它們的毒性，這是因為這些化合物能透過尿液迅速排出體外。大劑量服用某些抗氧化劑對健康有長期的危害影響，β-胡蘿蔔素和維生素A對肺癌患者的療效試驗研究發現給吸菸者大量補充含β-胡蘿蔔素和維生素A的物質會增加他們患肺癌的機率，隨後的一些研究也證實了這些不良影響。食品中的抗氧化劑.由於不同的抗氧化劑對各種活性氧物種的反應活性不同，所以衡量抗氧化劑的抗氧化性不是一個簡單的過程。在食品科學中，抗氧化能力指數。包括蔬菜、水果、穀物、蛋類、肉類、豆類和堅果在內的許多食物中都含有抗氧化劑。像番茄紅素和維生素C這樣的抗氧化劑易在長時間的儲存和烹煮下受到破壞。相比之下其他一些抗氧化劑比如全麥穀物和茶葉等食品中含有的多酚類抗氧化劑更為穩定。加工或烹飪食品對其中所含抗氧化劑的影響是較為複雜的，既可能增加抗氧化劑的生物利用度，比如蔬菜中的油溶性類胡蘿蔔素用油烹飪後更易被吸收利用；也可能因加工過程中暴露於空氣中而使抗氧化劑受到損失。其他一些抗氧化劑無需透過食物中獲取而是能夠由人體自身合成。比如泛醇很難從腸道吸收穫得而是由人體透過甲羥戊酸途徑合成產生。另一個例子是透過氨基酸在人體內合成的谷胱甘肽，因為谷胱甘肽被人體吸收前會在腸道中全部水解成遊離的半胱氨酸、甘氨酸和穀氨酸，即使大劑量口服能無法提高體內谷胱甘肽的濃度。儘管大量補充乙醯半胱氨酸可以增加谷胱甘肽，但沒有證據顯示大量攝入這類谷胱甘肽的前驅體對健康的成人有益。對於治療某些疾病比如急性呼吸窘迫症、蛋白質和熱量攝入不足造成的營養不良、對乙醯氨基酚過量對肝臟造成的損傷，作為治療手段的一部分補充這些谷胱甘肽的前體是有幫助的。膳食中一些其他成分作為促氧化劑可調節體內抗氧化劑水平。它們透過消耗抗氧劑比如某些抗氧化酶來降低體內抗氧化劑濃度，以此途徑避免因抗氧化劑濃度過高所引起的氧化應激。這些化合物比如異硫氰酸酯和薑黃素，可能也是一種可用以阻斷正常細胞變為癌細胞甚至殺滅已有癌細胞的藥物預防手段。抗氧化劑在其他領域的應用.食品防腐劑.抗氧化劑作為食品新增劑可以幫助對抗食品變質。暴露在空氣和陽光下是食物氧化的兩大因素，所以為此可以將食物避光儲存和存放在密封容器中，或者像黃瓜那樣塗蠟包裹儲藏。然而，氧氣對於植物的呼吸作用也是十分重要的，將植物類食品在厭氧環境下存放後會產生難聞的氣味和難看的顏色，所以新鮮的水果和蔬菜一般都儲放在含8%氧氣的環境下。抗氧化劑是一類十分重要的防腐劑，不同於由細菌和真菌造成的食品變質，冰凍或冷藏食物仍然能被相對較快的氧化。這些有抗氧化作用的防腐劑包括天然的維生素C和維生素和人工合成的沒食子酸丙酯、TBHQ、BHT和丁基羥基茴香醚。不飽和脂肪酸是最常見的易被氧化的分子；氧化會引起它們的酸敗。由於氧化後的脂類變色併產生類似金屬或硫磺的味道,所以防止富含脂肪食品的氧化是非常重要的。因此這些含脂食物很少透過風乾存放，而是代之以煙燻、鹽漬或發酵的方法來儲藏。即使是一些脂肪較少的食物比如水果在用空氣乾燥之前也噴撒含硫抗氧化劑。氧化反應經常需要金屬催化，這就是為何像黃油這類的脂肪從不用鋁箔包裹或存放在金屬容器中的原因。一些含脂食物比如橄欖油由於食物本身就含有天然抗氧化劑所以能部分避免氧化，但仍然對光氧化很敏感。一些脂類化妝品比如唇膏、潤膚膏也需要加入抗氧化防腐劑避免酸敗。工業用途.抗氧化劑通常新增到工業產品中，一個常見的用途就是作為燃料和潤滑劑的穩定劑防止氧化，也可加在汽油中起到防止聚合從而避免引擎積垢形成的目的。2007年，工業抗氧劑的全球市場總量達到88萬噸，這創造了大約37億美元的收入。抗氧化劑廣泛用於高分子聚合物諸如橡膠、塑膠和粘合劑中，用於防止聚合物材料因氧化降解而失去強度和韌性。像天然橡膠和聚丁二烯這類聚合物的分子主鏈中都有碳碳雙鍵，它們特別易受氧化和臭氧化反應的破壞而發生斷裂，而抗氧化劑和抗臭氧化劑，後者則是在拉伸應變的垂直方向上出現更深的裂紋。聚合物的氧化和紫外線照射下的降解經常是有關聯的，主要是因為紫外線輻照會使化學鍵斷裂產生自由基。產生的自由基與氧氣反應產生過氧自由基會以鏈式反應的方式引起進一步的破壞。其它聚合物包括聚丙烯和聚乙烯也易受氧化的影響，前者對於氧化更為敏感是因為其主鏈的重複單元中存在仲碳原子，形成的自由基相比伯碳原子的自由基更為穩定，所以更易受到進攻而氧化。聚乙烯的氧化往往發生在鏈中的薄弱環節處，比如低密度聚乙烯中的支鏈點上。