細胞衰老原因：自由基學(xué)說介紹 教學(xué)素材-高一上學(xué)期生物人教版必修1

細胞衰老的原因：自由基學(xué)說詳細介紹其概念、來源、性質(zhì)、與細胞衰老的關(guān)系及其防御系統(tǒng)與抗衰老機制。以便對高中生物教師分析細胞衰老的原因做補充。（一）自由基的概念首先明確什么叫自由基，自由基的另一個說法叫做游離基，這些游離基包括原子或原子團、分子或離子，概括來說自由基是一類具有未配對電子的化學(xué)實體。在機體內(nèi)，自由基是由物質(zhì)氧化代謝而產(chǎn)生的。自由基的種類很多，其中性質(zhì)十分活潑的是活性氧(ROS)。所謂活性氧是通過直接或間接方式形成的氧自由基及其衍生物，因為比氧的活性高，故叫活性氧。（二）自由基的來源機體內(nèi)自由基的主要來源有多方面。1、呼吸鏈產(chǎn)生的自由基，例如超氧陰離子自由基O2-、過氧化氫H2O2和羥自由基(·OH-)，它們是細胞進行正常需氧代謝時線粒體呼吸鏈的副產(chǎn)物。氧自由基主要來源于代謝旺盛的腦、心肌、肌肉的線粒體。這里補充呼吸鏈的概念：線粒體基質(zhì)是呼吸底物氧化的場所，底物在這里氧化所產(chǎn)生的NADH和FADH2將質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移到內(nèi)膜的載體上，經(jīng)過一系列氫載體和電子載體的傳遞，最后傳遞給O2生成H2O。這種由載體組成的電子傳遞系統(tǒng)稱電子傳遞鏈，因為其功能和呼吸作用直接相關(guān)，亦稱為呼吸鏈。2、脂質(zhì)過氧化及其他大分子降解時的副產(chǎn)物是H2O2。脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生氧自由基、烷氧自由基、烷基自由基及擴散醛類。3、巨噬細胞吞噬細菌或病毒感染細胞時呼吸爆發(fā)的產(chǎn)物，所產(chǎn)生的自由基是O2-和H2O2。中性粒細胞在激活劑作用下發(fā)生呼吸爆發(fā)也產(chǎn)生O2-。4、細胞色素P450酶系在發(fā)揮其對食物的解毒作用時產(chǎn)生活性氧。細胞色素P450酶系化學(xué)本質(zhì)是一族蛋白質(zhì)，在真核生物中，作為一種膜結(jié)合蛋白，主要分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體內(nèi)膜上。P450酶系作用之一是針對外源性物質(zhì)包括人工合成的化學(xué)品（農(nóng)藥、致癌物、藥物、抗氧化劑、添加劑、麻醉劑等）起到解毒與活化作用。5、在代謝中，自由基不斷產(chǎn)生，也被不斷清除，當(dāng)清除ROS的能力和抗氧化能力下降時，則ROS增加，最后導(dǎo)致細胞凋亡。此外電離輻射、光敏作用、甚至機體劇烈運動都會產(chǎn)生自由基。（三）自由基的性質(zhì)自由基是強氧化劑，性質(zhì)相當(dāng)活潑，原因是在結(jié)構(gòu)上有一個未配對的電子，使自由基易獲得或失去一個電子形成鍵。自由基的特點概括來說，它是帶有不配對電子，所以不穩(wěn)定，容易失去電子，表現(xiàn)為活性高，可與體內(nèi)生物大分子作用。（四）自由基與細胞衰老的關(guān)系在代謝中，如果自由基的產(chǎn)生與清除平衡被破壞，自由基就會積累而危害機體，導(dǎo)致發(fā)生各種疾病、衰老及致癌等。由自由基介導(dǎo)所致的衰老表現(xiàn)在以下幾方面。脂質(zhì)過氧化引起的細胞衰老自由基對機體損傷的重要方面是產(chǎn)生脂質(zhì)過氧化物，脂質(zhì)過氧化物的主要產(chǎn)物可與脂類、蛋白質(zhì)類、糖類及核酸類進行交聯(lián)、斷裂等反應(yīng)，使生物膜變性，膜的多種功能受損，組織破壞并老化。氧化是導(dǎo)致細胞衰老的主要原因，體內(nèi)自由基及脂質(zhì)過氧化物隨年齡增加而升高。老化細胞蛋白質(zhì)的緩慢消旋、膜脂質(zhì)成分改變、線粒體內(nèi)膜自由基及來自溶酶體的脂褐素隨年齡的增加而增加，這些都說明脂質(zhì)過氧化既是細胞膜衰老的誘因也是細胞衰老的結(jié)果。自由基損傷核酸所致的細胞衰老自由基的強氧化作用，直接或間接地引起DNA損傷，危害機體。自由基引起DNA損傷的方式有：有氧氧化、甲基化、脫氨基、脫嘌呤等作用，結(jié)果造成堿基片段丟失，堿基修飾及插入突變等。損傷后的DNA一般不易被降解或直接修復(fù)，未被修復(fù)的DNA損傷片段積累于基因組中，使mRNA的產(chǎn)生隨增齡而下降，最終加速細胞衰老甚至死亡。氧自由基(O2-和H2O2等)破壞核酸是通過進攻嘌呤堿基和嘧啶堿基實現(xiàn)的。后者形成嘧啶堿加成物，在有氧條件下生成嘧啶過氧化物；無氧下生成乙醇酸。核酸結(jié)構(gòu)或代謝調(diào)節(jié)控制改變是導(dǎo)致機體衰老的主要因素，顯示衰老的發(fā)生首先是代謝調(diào)控的改變，其次才是結(jié)構(gòu)的改變。自由基介導(dǎo)線粒體DNA損傷所致的細胞衰老ATP在衰老變化過程中，以ATP為主要能源的器官組織是代謝旺盛的腦、心臟、肌肉組織，這些組織隨著增齡，線粒體氧化磷酸化產(chǎn)生的自由基逐漸積累，到一定程度時損傷線粒體DNA，影響線粒體tRNA、rRNA及蛋白質(zhì)合成。線粒體結(jié)構(gòu)和功能的退化，首先表現(xiàn)為衰老。4、自由基損傷蛋白質(zhì)所致的衰老根據(jù)近年來的研究，衰老組織中蛋白質(zhì)的合成同年幼細胞一樣是正確的可靠的。蛋白質(zhì)和脂類物質(zhì)一樣，容易受活性氧自由基攻擊，肽鏈中的二硫鍵和幾種氨基酸(如Cys、His等)殘基易發(fā)生自由基介導(dǎo)的修飾反應(yīng)，結(jié)果肽鏈斷裂或結(jié)構(gòu)改變。同時其中有五種氨基酸(Cys、His、Met、Trp和Tyr)還是多種酶的活性部位的必需基團，由于氧化損傷作用而影響酶功能。如老年斑(脂褐素)是蛋白質(zhì)與DNA，脂質(zhì)過氧化物、糖、色素、金屬離子等的交聯(lián)物?？傊诶匣^程中蛋白質(zhì)的變性是一個復(fù)雜過程。變性蛋白質(zhì)分子的積累將導(dǎo)致整個機體的衰退。（五）自由基的防御系統(tǒng)與抗衰老機制自由基的防御系統(tǒng)亦叫清除系統(tǒng)，是氧化應(yīng)激自然產(chǎn)生的結(jié)果，也是相生相克的產(chǎn)物。機體中自由基不斷產(chǎn)生，又不斷被清除，在正常生理情況下，處于動態(tài)平衡之中。據(jù)統(tǒng)計，正常細胞內(nèi)每天能產(chǎn)生1011個ROS分子，當(dāng)自由基的防御系統(tǒng)表現(xiàn)正常功能時則能延緩衰老。自由基的防御系統(tǒng)有人把它們分為兩類，一類是酶促防御系統(tǒng)，超氧歧化物酶(SOD)是細胞內(nèi)RO