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自由基化學與醫學

自由基經由健康食品公司的宣傳廣告,已經是一個很普遍的名詞,但是一般人對自由基並沒有什麼了解,或有似是而非的看法。
 
 
 
自由基是什麼

自由基是一個帶有不配對電子的化學單元,這包括原子、分子或離子,也可以說凡是具有「奇數」電子的化學單元都是自由基。一般穩定的化學分子都擁有成雙成對的電子,化學鍵也都以成對的電子排成。

近代的化學動力學的研究發現:在化學反應過程中,由於能量的變化,化學鍵會斷裂,分子會分解成原子、離子、自由基等,這些分解的化學單元會重新組合而形成新的化合物。化學鍵的斷裂和重新組合的時間相當短暫,可能發生在幾十到幾百飛秒(femtosecond, 10−15 秒)內。美國加州理工學院的化學教授齊威爾(Ahmed H. Zewail)就是因為研究飛秒化學而榮獲 1999 年諾貝爾化學獎。自由基常是那瞬間產生的過渡中間產物。

當分子具有一個不配對的電子圍繞在軌道上時,會呈現不穩定狀態而有較大的活性,因此自由基會急速地和附近的分子起作用。大部分自由基的生命期都極短暫,最短的在飛秒間,不容易測量到。但有些自由基,在低溫的環境下能保持不配對電子的狀態長達幾十年。自由基本身的穩定性由2個條件決定:化學結構形態和靜電作用。我們可以把自由基譬喻成不穩定的「單身漢」,在舞場中會急切去找對象來配對,因而破壞場面的穩定性。但有些單身漢的惰性大,親合力低,能我行我素,保持終身光棍。

活躍的鏈鎖反應

自由基在化學反應中扮演一個相當重要的角色,它的形成有二個主要途徑:氧化還原反應和高能量輻射化學反應。氧化還原反應如雙氧水在亞鐵離子中會分解成氫氧自由基(又稱羥基自由基),化學符號是‧OH,而亞鐵離子變成正鐵離子,我們說亞鐵氧化成正鐵,而雙氧水被還原成氫氧自由基。

當有足夠的輻射能量去打斷化學鍵時會產生自由基,如雙氧水在紫外線(波長小於 270 nm)的照射下會分解成二個氫氧自由基,眼睛看得到的光線(400 ~ 700 nm)並不能分解雙氧水。在X或 γ 射線的照射下,也會產生自由基。另外有機化合物在高溫情況下,也有可能引起自由基化學反應。

在化學反應中產生的自由基會急速地和附近的分子起作用,有時候會引起「鏈鎖反應」。它的化學程序有 3 個步驟:起發階段、推廣和終止階段。在推廣過程中,一個自由基可以帶動一串的分子參與化學作用,這是鏈鎖反應的起因,因此自由基有雪球愈滾愈大的起動力。許多塑膠的聚合作用就是靠自由基的推廣和鏈鎖反應產生的。你可以想像如果人體內有自由基的出現,它會帶來些什麼後果。

人體內自由基的來源

近代醫學研究證實人體內有自由基的存在。在正常情況下,人體會產生適量的自由基來運作各種生命機制。因為自由基的活性高,它可以用來殺菌滅毒(有免疫功能),也可以當訊息傳遞者。

例如一氧化氮自由基(‧NO)是人體中樞神經系統傳遞訊息的分子,能激發男人的勃起性機能(威而剛發威的原動力),也能控制人體的免疫功能,因此一氧化氮是人體不可或缺的自由基。3 位美國醫藥學教授傅齊格(Robert F. Furchgott),依古納咯 (Louis J. Ignarro)和莫拉(Ferid Murad),就是因研究一氧化氮對心臟血管的生理功能而榮獲 1998 年諾貝爾生理/醫學獎。但是如果有「過量」的一氧化氮或其他自由基出現時,則會引起疾病。

人體內自由基的形成有三個途徑。

生物合成物 在人體內合成,如一氧化氮是經由精胺酸(L-arginine)合成,過程中需要一氧化氮合成酶的配合才能進行。

代謝產物 人體利用氧氣把蛋白質、碳水化合物等營養分轉變成能量。就像汽車需要汽油(相當於營養分),但汽油必須經過氧的燃燒作用才能釋出能量推動汽車。人在代謝過程中,大約有 3% 經由呼吸進入體內的氧氣會變成超氧化陰離子自由基(superoxide anion radical ‧O2−),它的活性極高,能進一步衍化成破壞性更大的氫氧自由基,這些含氧的自由基統稱為氧自由基。

環境污染物 包括輻射、空氣及水的污染、某些食品、藥物、農藥或防腐劑、菸煙、一氧化氮、二氧化氮等。如人的眼睛中有高濃度的雙氧水,它經紫外線照射會產生氫氧自由基,造成極大的氧化壓力,導致白內障。

自由基會引起慢性疾病

自由基會引起氧化作用,因此自由基會帶來「氧化壓力」(oxidative stress)。早在 1960 年代,科學家就發現自由基對人類的生理有很大的影響力,近 30 年來,醫藥的研究指出:自由基的產量因人而異,「過多」氧自由基會氧化低密度脂蛋白,引起脂質過氧化,破壞細胞薄膜的完整性,引起心臟血管粥狀化,促使細胞老化、基因突變,改變代謝程序,引起腫瘤、癌和許多慢性疾病。

近年來的研究又報導:腦中風發作過程中會產生很多氧自由基而導致神經細胞死亡,由於神經細胞死亡後不易再生,因而會帶來半身不遂或死亡。自由基也會改變體內分泌的抗氧化酶的基因表現,而帶來一連串的惡性循環和疾病。事實上,醫學研究指出和自由基有關的疾病有一百多種,英國自由基病理權威古特雷基(J.M. Gutteridge)曾經列舉了 8 大自由基的來源和引起的疾病。

如何避免自由基的傷害

人的生命運作是依靠生物化學反應來維持的,而生物化學是依靠酶(又稱酵素)來推動的。酶是一種催化生物化學反應的觸媒蛋白質,它能縮短化學反應時間。醫學研究發現:要減輕或避免「過多」自由基的傷害,必須在氧自由基形成的瞬間就儘快把它排除掉。回頭來看自由基的化學反應,必須先能打斷自由基的鏈鎖反應,才有可能終止自由基的傷害。

人類在進化的過程中,演化成有消除自由基傷害的本能,能製造「抗氧化酶」來解除氧自由基對人體細胞的破壞,因此抗氧化酶是體內抗氧化作用的第一道防禦線。人體內有 3 種主要抗氧化酶:超氧化歧化酶(superoxide dismutase,簡稱 SOD),過氧化氫分解酶及麩胱甘肽過氧化酶。

超氧化歧化酶(SOD)能把超氧化陰離子自由基變成無害的氧分子。SOD 是經由 sod 基因的表現產生,如果 sod 基因表現失調,身體無法及時排除氧自由基,會帶來許多疾病。sod 的表現會因人而異,也會隨著年齡的增長而下降,生活環境也會改變基因的表現程度,因此控制基因的表現機制是一項目前很重要的功能基因研究。SOD 蛋白含有鋅、銅和錳。

過氧化氫分解酶是含鐵的蛋白質,而麩胱甘肽過氧化酶是含硒的蛋白質,兩者的功能是把雙氧水轉變成普通水。這是因為雙氧水容易分解成氫氧自由基,所以有必要先把雙氧水排除掉。

當製造這些抗氧化酶的機制失調時,如有關基因的表現能力下降或基因發生突變,就必須另外尋覓第二道防線。目前研究指出:補充抗氧化物質(或稱抗氧化劑,antioxidants)能輔助抵抗外來的氧化壓力。

注意飲食內容

目前的醫學研究發現:上列的抗氧化酶很難由口服補充,因為這些蛋白質經由胃酸作用會分解成短小的分子,如胺基酸。然而身體必須有充分的各種化學材料才能製造抗氧化酶,如鐵、銅、鋅和硒是製造抗氧化酶的必要成分,雖然需要量不多,但身體內必須經常貯存這些原料才能補給製造抗氧化酶。這些材料可以從日常飲食攝取,或者食用綜合維他命加以補充。

抗氧化劑能和自由基起作用,把不配對的電子搶奪過來,自己就多了一個電子而變成自由基。從化學觀點來看,這是一個還原作用,因此抗氧化劑也就是還原劑。抗氧化劑能避免自由基帶來的鏈鎖反應,能中斷或破壞已經發生的鏈鎖反應。抗氧化劑必須能以少量的物質,去抑制大量容易被氧化的反應物的氧化作用;這是以「少量」去對付「多量」的戰術,用棒球術語來說是一種「犧牲打」的做法。

目前最常用的抗氧化物質有 3 種:維生素C(水溶性),維生素E(脂溶性)和胡蘿蔔素。這些抗氧化物質的補充量因人而異。一個值得推荐的膳食法是採取哈佛大學新訂製的地中海金字塔式,以富有抗氧化物質的蔬果類為主。譬如半個木瓜就含有 94 毫克維生素C,而 100 克的胡蘿蔔就含有 13,500 單位胡蘿蔔素。

抗氧化物質的補充對高齡者尤其重要,因為他們自身製造抗氧化酵素的機能日趨衰退。美國國家高齡老化研究中心的長期研究發現:人的壽命和體內抗氧化物質成正比,抗氧化物質可緩慢老化的腳步,延長人體器官的功能,有充分的抗氧化物質能延年益壽。

強力自由基擄捕劑

1980 年代 3 位科學家:庫耳(Robert Curl, Jr),克洛托(Harold Kroto)和史馬列(Richard Smalley),發現 60 個碳原子能結合成一個球狀分子,叫做碳六十(C60),又稱百奇球(buckyball,或稱巴克球),化學名稱是 fullerene。他們的碳六十研究於 1996 年榮獲諾貝爾化學獎。1991 年科學家在《科學》期刊上報導:碳六十有極高度的自由基清除能力,並稱碳六十為「自由基海綿」(free radical sponge)。但碳六十只溶解於有機溶液,不適合當醫藥用。

最近筆者的實驗室嘗試以水溶性碳六十化合物來擄捕自由基,水溶性碳六十化合物是由臺大化學系陸天堯教授實驗室合成,自由基化學則在筆者的實驗室進行,生物醫學在本校醫學院進行。這種水溶性碳六十化合物具有強力的自由基擄捕能力,尤其對腦神經細胞有保護功能,可以抵抗氧化壓力,避免自由基對神經細胞的傷害。研究成果的論文已發表在《美國國家科學院學刊》,也申請到美國專利。

抗氧化物質過猶不及

雖然抗氧化物質有消除自由基、防病抗癌、延年益壽等功能,但是抗氧化物質並非萬能藥丹,更不是長生不老的仙丹。人類的老化是一連串病狀組合而成的,並沒有單一的病源。老化可能是基因的缺陷、基因的表現能力失調、或遭受過多自由基的傷害,而又未能及時提防。另外,還有許多未知的因素也會促成老化,因此若說食用任何單一物質就能防止老化而青春永駐,那真是天方夜譚,抗氧化物質的補充只不過是其中的一個步驟而已。

有許多東西是多多益善,但服用愈多抗氧化物質或其他維生素並不會得到愈好的結果。當服用過多的維生素時,反而會得到反效果,是「過猶不及」的道理,適可而止最為理想,中庸之道最好。

營養學專家白爾斯(T. Byeres)曾說:「營養成分的吸收是一個相當微妙的平衡作用,不能僅靠單一成分,而應考慮到它和其他成分的互相作用效應。」如果服用超量維生素,就會有藥物反應,而不再是營養分的補充。藥物反應可能會引起組織器官的中毒,帶來許多後遺症。

人類的生命機轉是相當微妙的,經過幾百萬年的演進,從基因上的轉變,人體已經建立起一個健全的體系,能有效地抵抗氧化壓力,發揮免疫系統的功能去消菌滅毒,代謝運轉也有最好的效率,隨時隨地能修護 DNA 的破損。但在老化的過程中,基因會有新轉變(或突變),許多機能會開始萎縮,免疫功能下降,抗氧化壓力能力削減。如果懂得這些機制的轉變因素,並配合這些轉變而補充抗氧化物質,則儘管無法停止歲月的增長,還是可以延緩老化的腳步,這就是預防保健的工作。

深度閱讀
  1. 林天送(民 91,二版五刷)你的生命活力–從自由基談起,健康文化出版社,臺北。
  2. Gutteridge, J.M.C. (1993) Free radicals in disease process: a compilation of cause and consequence, Free Radical Research Communication, 19, 141.
  3. Dugan, L.L., T.S. Lin et al. (1997) Carboxyfullernes as neuroprotective agents, Proc. Natl. Acad. Sci., 94, 9434-9439.
  4. Cooper, C.E., M.T. Wilson, and D. Usmar (2004) Free Radicals: Enzymology, Signaling and Disease, Book News, Inc., Portland, OR, USA.
  5. Zewail, A. (2002) Voyage Through Time, The American University in Cairo Press.
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