自由基与衰老

16．1．5　自由基与衰老

人类机体的衰老是一个很复杂的过程，因而研究衰老的原因就有各种不同的学说，如免疫学说、中毒学说、自由基学说。它们各有各的理论及证据，成为衰老与抗衰老研究的几个主要方面。尤其是自由基学说，近年来更引起人们的注意。

衰老的自由基学说是经得起实践考验的第一个衰老理论。这一理论是Denham Harman于1956提出的。这个理论主要认为随着年龄增大的退行性变化是由于自由基的副作用所引起的。在正常情况下，机体内自由基的产生与消失是处于动态平衡的。一方面，自由基包括氧自由基在内在正常细胞新陈代谢中不断地产生，并且参与了正常机体内各种有益的作用，如机体防卫作用、某些生理活物质的合成等。在机体生长发育阶段或正常运转阶段，即使某种自由基的产生多了一些，也会被机体内的各种自由基清除剂所清除而不至于损害人体健康。这类自由基清除剂包括一系列酶如SOD、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等，以及一些小分子有机抗氧剂如维生素A、维生素E、维生素C、谷胱甘肽、半胱氨酸等。当机体衰老时，或者是自由基产生稍高于平常，或者是由于某一环节变得薄弱，机体内清除自由基的能力出现急性或慢性减弱，从而清除不了多余的自由基，这样就使自由基的产生与消除失去了平衡。过剩的自由基可对构成组织细胞的生物大分子化学结构发生破坏性作用。随着破坏层次的逐步扩展，会损伤正常组织形态和功能的完整性。当损伤程度超过修复能力或机体丧失其代偿能力时，组织器官的机能就逐步发生紊乱及障碍，表现出机体逐渐趋于衰老。

衰老是一个极为复杂的过程，自由基学说只能解释其部分现象，还不能解释衰老过程的全部表现。但自由基促使衰老过程加快的作用是确切的，而且有实验依据。自由基可通过各种机理对机体施以破坏作用。由自由基所引起的结缔组织大分子的交联会阻碍营养物质的扩散并损伤组织的活性。自由基对DNA的破坏、交联所引起的突变可导致体细胞突变并使主要酶的表达缺失，引起机体死亡。氧自由基引起的膜脂类的过氧化作用会引起亚细胞器完整性的丧失和细胞内过氧化脂蛋白碎屑（脂褐素）的积聚，而后者则会损伤细胞的功能。对细胞施加连续性的氧化应力会使能量的转移成为必需，从而减少了正常的生物合成过程、修复过程所需能量的供应。对氧敏感的—SH基的氧化会引起细胞临界专一功能（如有丝分裂时细胞质的微管的集合和分散）的丧失而使细胞受损，等等。

16．1．5．1　SOD与抗衰老

人类的寿命受多种因素影响。在自由基生物学和医学中，SOD被认为是人体中不可缺少的具有特殊生物活性的酶，它能分解自由基，是清除衰老启动因子————最有效、最重要的酶之一。

早在1955年，Harman就提出衰老与自由基有关。在机体中，不饱和脂肪酸比饱和脂肪酸丰富得多，它们主要分布于生物膜上，如线粒体膜、溶酶体膜和内质网。机体衰老时，由于自由基的不平衡，会导致体内多种不饱和脂肪酸的过氧化，尤其是生物膜上的多种不饱和脂肪酸发生过氧化作用，使膜结构起变化，导致膜功能严重受损而使机体处于不正常状态。Cutler等研究了12种灵长类和2种啮齿类动物后，认为SOD的活性与其寿命成正比，这意味着防御的能力越强，氧耗越少，则物种寿命越长。几十年前，由美国国立老年医学研究所克特拉博士、东京大学小野博士等人研究证明，体内SOD总量水平越低则寿命越短。在生理需要量内，适当增加SOD活性和含量对于延长寿命有积极意义。

人和几种动物器官内SOD的总量和平均寿命见表16－1。

表16－1　人和动物的平均寿命与SOD含量的关系

1956年，Harman从辐射生物学的研究出发，首次提出老化的自由基学说。他认为机体在受到电离辐射等作用时可产生自由基，在体内的氧化还原反应中也有2%～5%的氧会产生，衰老的过程也可能就是细胞和组织中不断进行着的自由基所致损伤的总和。用加有自由基清除剂的饲料饲养小鼠，可延长寿命。美国著名生物学家、“SOD之父”Fridovich经过大量的实验得出结论：SOD是人类战胜疾病与衰老的钥匙。这一结论在国际生物学界引起了巨大的震动，开创了自由基与抗自由基研究的新纪元。

16．1．5．2　年龄变化与SOD的关系

研究表明，年龄与SOD含量之间的变化确有一定规律：随着年龄的增长，人体中SOD含量呈逐渐降低的趋势，特别是在疾病患者和老年人中更是如此。肿瘤患者的体内SOD含量仅为正常人的三分之一；老年人体内SOD总体水平也只是中年人的二分之一。

A．衰老期间的SOD变化

纵观1969年以来的文献资料，可以发现资料中普遍认为，衰老期间的确存在着SOD的变化，不仅表现为SOD活性和含量在一定程度上的减少，而且表现为SOD的生物学特性发生变化。衰老期间人体红细胞中SOD含量及活性较青壮年时显著降低（见表16－2，表16－3）。

表16－2　不同年龄段人红细胞中的SOD含量

表16－3　不同年龄段人红细胞中的SOD的活性

SOD活性随年龄增加而下降，与许多因素有关，包括：①随着年龄递增至衰老期后，机体中各个脏器的SOD活性下降；②老年人体内自由基生成增加，SOD破坏或消耗增加；③老年人体内SOD生物学特性发生变化，无活性SOD增加，导致SOD功能减弱；④衰老红细胞非酶性糖基化作用增强，导致SOD活性下降。除此之外，衰老期间SOD活性下降，也集中反映了老年人体内的生理特点，这对于探索自由基导致衰老的机理可能具有重要作用。

B．SOD抗衰老的机制

有关衰老的学说不下八九种，它们全都与自由基有关联。Harman最早提出了衰老与自由基有关，后经实验证实自由基与衰老确有明显的关系，一些科学家甚至认为自由基是引起衰老的主要原因。过量的氧自由基对生物体所产生的危害主要包括三方面：首先，氧自由基攻击蛋白质会导致特定氨基酸残基氧化、肽链断裂、反应产物交联和蛋白质电荷数改变，由此引发蛋白质的损伤；其次，氧自由基能够诱导DNA裂解、缺失突变或其他致死突变；第三，氧自由基会对生物膜进行攻击。自由基能促使体内脂褐素生成，脂褐素在皮肤细胞中堆积即形成老年斑，在脑细胞中堆积会引起记忆力减退或智力障碍，甚至出现老年痴呆症。自由基还可导致老年人皮肤松弛、皱纹增多、骨质再生能力减弱、视网膜病变、老年性视力障碍（如眼花、白内障）。而且，自由基还可引起器官组织细胞老化和死亡。老年人感觉与记忆力下降、动作迟钝及智力障碍的一个重要原因就是由于过多的自由基导致了神经细胞数量大量减少。

在生理情况下，机体内可产生少量的氧自由基，能被体内的抗氧化酶或抗氧剂迅速清除，一般不会产生细胞损伤作用。但是，随着年龄的增长，由于抗氧化酶活性不断下降，体内产生的过量氧自由基无法得到及时清除，以致大量的迅速与机体内的核酸、蛋白质、氨基酸、脂质等产生反应，生成氧化物或过氧化物。生物膜中不饱和脂肪酸被氧化生成过氧化物时，可使细胞膜的通透性改变和线粒体、微粒体膜膨胀破裂，造成细胞代谢和功能形态的改变，从而引起细胞的衰老和死亡。脂质过氧化作用能使结缔组织中的胶原蛋白产生交联而收缩，使皮肤发皱、酶活性降低、蛋白质变性。过氧化脂质还可与蛋白质发生交联形成脂褐素，沉积于脑、心肌、骨骼肌、肾上腺、睾丸、卵巢、肝、肾等细胞内，最终会破坏细胞的正常代谢，加速细胞乃至整个机体的衰老进程。此外，许多衰老学说都提到细胞DNA或基因的损伤是导致衰老的原因，这种损伤的起因也在于活性氧，DNA受到活性氧的攻击后产生8－羟基去氧鸟嘌呤核苷，该物质的含量越低，人的寿命越长。

SOD是人体清除的酶，是一种金属酶类，按所结合金属的不同，主要有Cu，Zn－SOD、Mn－SOD和Fe－SOD三种，在低等生物中尚存在Ni－SOD。这些SOD都能催化自由基发生歧化作用而生成O₂与H₂O₂，而后者又被体内的另几种抗氧化酶如CAT、谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）及谷胱甘肽还原酶（GSH－R）等清除，因而SOD是体内防止自由基损伤的第一道防线，是生物体内最重要的抗氧化酶。SOD作为抵御最有效、最重要的抗氧化酶之一，能有效清除老年机体代谢过程中所产生的过量，延缓由于自由基侵害而出现的衰老现象。