自由基、超氧化物歧化酶与癌.pdf

第 2期 1 9 9 7年 6月 韩山 师 范 学 院 学 报 J o ur n a l o f Ha n s h a n Te a c h e r s Co l l e g e N O 2 J u n e 1 9 9 7 自由基、超氧化物歧化酶与癌 詹 嘉 红(韩 山师 范 学 院)曾 逊 生(潮 州 卫 生 学 校)摘 要 自由基在 生物体 内广泛存在，并参与各种生物氧化反应，在 多数情况下，对 机 体 产 生损 伤 作 用。超 氧 化 物 歧 化 酶 是 一 类抗 氧化 酶，它 能 催 化 超 氧 阴 离子 自 由基 的歧 化 反 应，对 机 体 起 保 护 作 用。本 文论 述 了 自由基 的 产 生，自由基、超 氧 化 物歧 化 酶 与 癌 的 关 系。关键 词 自由基 活性 氧 超 氧化 物 歧 化 酶癌 自 由基 是 具 有 不 配 对 价 电子 的原 子 或 原 子 团，分 子或 离 子 在 正 常 生 理 状 况 下，生 物 体 内 不 断 地 产 生 自由基，自由 基 的 产 生 与 清 除 处 于 平 衡 状 态 但在 某 些 病 理 情 况 下，自 由 基 产 生 过 多 时，就 会 对 DNA、蛋 白质 和 脂 类 等 生 物 大 分 子 造 成损 伤，导 致 机 体 疾 病 的 产 生 超 氧化 物 歧 化 酶(S u p e r Ox i d e l)i s mu t a s e简 称 S oD，E C 1 1 5 1 1)是 能 消 除 超 氧 阴离 子 自 由基(O)而 起 保 护 细 胞 作 用 的 重 要 抗 氧 化 酶 自从 1 9 6 9年 美 国 的 Mc C o r d和 F r i d o v i c h发 现 以来 L 1 ，就 引 起 了各 国科 学 工 作 者 的 极 大 重 视 迄 今 为 止，已发 现 的 S 0D 有 三 种 类 型，即 铜 锌 S 0D(Cu，Z nS oD)、锰 S oD(MnS oD)和 铁 S()D(Fe S OD)Cu，ZnSOD 通 常 存 在于 真 核 细 胞 的细 胞 质 中Mn S OD 大 部 分 存 在 于 原 核 细 胞 和 真 核 细 胞 的 基 质 中，F e S OD 大 部分 存 在 于 原 核 细胞 中 由于 S OD 能 催 化 生 物 n n 氧化 产 生 的 O 的 歧 化 反 应(oj+Oj+2 H 一H：O：+O。)，故 对 因 O 引 起 的 机 体 损 伤 有 防护 作 用 目前 认 为，S OD 与 机 体 衰 老，癌症 和 自身 免 疫 性 疾 病 等 密 切 有 关 1 机 体 内 自由基 的产 生和 清 除 当生 物 体 处 于 内外 环 境 的 复 杂 情 况 下，体 内 便 经 常 不 断 地 产 生 自由基 自由基 的形 成 可 分 为 两 个 方 面：一 是 病 理 性；二是 生理 性：当 机 体 在 进 行 细 胞 呼 吸 时，呼 吸链 上 的 氧 化 还 原 酶 系，由于 电 子 传 递 的 结 果，经 常 可 产 生 一 些()另 外，有 些 氧化 酶 如 黄 嘌 呤 氧 化 酶、半 乳 糖 氧 化 酶 作 用 时 也 会 产 生 O；机 体 内 的 吞 噬作 用、免 疫 反 应 等 均 能 产 生 收 搞 日期：1 9 9 7 0 1 1 0 维普资讯 9 8 韩 山师 范学 院学报(自然 科学 版)o 当某 一 自 由基 一 旦 产 生，即可 作 为 引 发 自由 基 而 引 起 其 他 种 类 的 自由 基 生 成 如L 3“：2 O+2 H+一 0+H2()H，0+O 一OH 一+()H+()2 RH+OH R+H2 O(不 饱 和 脂 肪 酸)R +0 一R00 ROO +RH RO()H+R 在 各 种 自由 基 中，对 机 体 有 特 殊 意 义 的是 活 性 氧 活性 氧是 由 氧 直 接 或 间 接 转 变 的 氧 自由 基 及 其 衍 生 物 s ，它 们 包括 氧 的单 电 子反 应 产 物 Oj、HO；、H O 、OH 及 其衍 生 物()及 脂 类(RH)过 氧 化 中 间 产物 R、ROO、ROOH 等 比 氧活 泼 的物 质 在 正常 生物 体 内，自由基 的 产生 与 清除 可维 持 低 水 平 的、有 利 无 害 的 平 衡 一 方 面，自由基 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 性 物 质 的 合 成 等 另一 方 面，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 加 害 人 体 这些 自由 基 清 除 剂 有 两 大 类：一 类 是 酶，例 如 S OD 就 是 Oi 的有 效 清 除 剂、过 氧 化 氢 酶 和谷 胱 甘 肽 过 氧 化 物 酶 却是 H O 的 清 除 剂、谷 胱 甘 肽 过 氧化 物 酶和 谷 胱 甘 肽转 硫 酶 还 是 脂 类 氢 过 氧 化 物 的清 除 剂 另一 类 是 一 些 小 分 子 有 机 抗 氧 化 剂，如 维 生 素 A、维 生 素 E、维 生 素 C、谷 胱 甘 肽、半 胱 胺 等 当生 物 体 内 自由 基 的 生成 与 清除 这 一动 态平 衡 被 打 破，而 致 自由基 浓 度 超 过 生 理 限度 时，就 会 导 致 机 体 的各 种 损 伤 2 自由基 与癌 长 期 以来，人 们 曾从 不 同 的 角 度 来 探 索 癌 症 发 生 的 原 因在 五 十 年 代 初，C o n g e r和 F a i r c h i l 就 观 察 到 氧 在 破 坏 染 色 体 和 致 突 变 方 面 的 作 用 七 十年 代 后，大 量 文 献 报 道：电 离 辐 射 所 致 DNA 损 伤 与 活 性 氧类 的 产 生 有 关，某 些 化 学 物 质 自动 氧 化 过 程 中 产 生 的 活 性 氧 类 是其 致 癌、致 突变 的 主 要 原 因 6 因 而 提 出致 癌 自由基 机制 理 论：即致 癌 物 在 体 内 经 代 谢 性 氧 化 后 形 成 自由 基，同 时 伴 随 着 分 子 氧 的单 电 子 还 原，形 成 活 性 氧 类，然 后 发 挥 致 癌 作 用 7 从 癌 症 的 产 生 来 看，一 个 正 常 细 胞 要 转 变 成 癌 细 胞 必 须 经 过 两 个 阶 段，即诱 发 与促 进，这 就 是 所 谓 的两 步 致 癌 学说 4 在 小 鼠皮 肤 癌 上 首 先 发 现，有些 致 癌物 在 剂 量 很 小 时 不 足 以 产生 癌，但 在这 基 础 上，多 次使 用 一些 非 致 癌 物 质，就 产 生癌 前 者 为 诱 发 期，后 者 为 促 进 期 诱 发 期 的 特 点 是：阈 下 剂 量 的致 癌 物 只 需 使 用 一 次，其 作 用 是 不 可逆 的，诱 发 剂 一 旦 与 DNA 结 合 就 不 再 分 离 这 一期 对致 癌 是 必 需 的，但 尚不 充 分，如仅 停 留在 此 期 则 并 不 产 生 癌 促 进 期 的特 点 是：有 些 物 质 本身 无 致 癌作 用，例 如 巴豆 油等，但 在 已 经诱 发 的 细 胞 中多 次 重 复 作 用，癌 终 于 发 生 了 现 认 为，致 癌 的两 个 阶 段 都 与活 性 氧 有 关 在 诱 发 阶 段，活性 氧 如 Oi 和 OH，既 可直 接 损 伤 DNA，也 可通 过 脂 类 过 氧化 而 间接 损 伤 DNA 已有 许 多 实 验 证 明所 有 脱 氧 核 苷 对 OH 都 十 分 敏 感 如 B r a wn等 6 用 氧 存 在 下 的 黄 嘌 呤 氧 化 酶 系 统 作 为 0j 的 生 成 源，结 果 造 成 DNA 链 断 裂，加 入 低 浓 度 的 S OD 或 过 氧 化 氢 酶 可 抑 制 链 断 裂 的 发 生 维普资讯 第 2期 詹嘉 红 曾逊 生：自由基、超 氧 化物 歧化 酶 与癌 9 9 OH清 除 剂 如 甘 露 醇、苯 甲 酸 等 不 与 O 或 H O 发 生 直 接 作 用，也 能 阻 断 链 断 裂 结 果 提 示 O 与 H O 的 二 级 反 应 产 物 OH 可 能 是使 DNA 链 断 裂 的 直 接 原 因 郑 荣 梁 等 利 用 非 周 期 性 DNA 合 成 和 DNA 合 成 速 率抑 制作 用 作 为 DNA 损 伤 的两 个 指 标，结 果发 现 凡 是 能 加 强 活 性 氧 的物 质，如 二 乙 基 二 硫 代 氨 基 甲 酸 钠 和 氨 基 二 唑 都 能加 剧 哺 乳 动 物 细 胞 DNA 损 伤 凡 是 抑 制 活 性 氧产 生 的物 质，如苯 甲 酸、甘 露 醇、3，5 一 二 异 丙 基 水 杨 酸 铜、谷 胱 甘 肽 都 能 减 轻 损 伤 活 性 氧 也 能促 进 不饱 和 脂 肪 酸 进 行 脂 类 过 氧 化 作 用，而 脂 类 过 氧化 作 用 的 产 物 既 能致 癌，也 能 致 突 变 如 L 8 小 牛 胸 腺 DNA 与 过 氧 化 的 亚 油 酸 作 用，在 最 大 激 发 波 长 3 1 5 n m 和 最 大 发 射 波 长 4 2 0 n m 处 检 测 产 生 荧 光 的 DNA 氧化 产物，发 现 其 结 构 的 变 化 J o h a n s s o n等 的 实 验 则 显 示：加 入 过 氧 化 脂 质 可 使 由某 些 氨 基 酸、单 糖、肌 酐 相 互 作 用 而 产 生 的 2 一 氨 基一 3，4 一 二 甲基 异 吡 唑 喹 啉 和 2 一 氨 基一 3 一 甲基 异 吡 唑 喹 喔 啉 的 量 大 大 增 加，而 这 些 都 是 具 有致 癌 性 的 杂 环胺 类 可 见 脂 质 过 氧 化 除 了本 身 的促 癌 作 用 外，也 能 促 使 一 些 其 他 致 癌 物 产 生，对癌 肿有 间接 促 成 作 用 促 癌 阶 段 也 与 自由基 反 应 有 关 有 资 料 证 明，促 癌 剂 能 间 接地 使 DNA 损 伤，即促 癌 剂 能 使 细 胞 产 生 包 括 Oi、H O 和 有 机 过 氧 化物 等 活性 氧，然 后 通 过 这 些 活 性 氧 去 攻 击 DNA实 验 证 明，受 光 照 的 小 鼠胚 胎 细 胞，在 高 压 氧 中其 转 化 频 率 会 提 高；Oi 能 促 使受 辐 射 或 化 学 诱 发 的小 鼠胚 胎 成 纤 维 细 胞 转 化；H O 、过 氧 乙酸、过 氧 化 苯 甲 酰 和 其 他有 机 过 氧 化物 也 能 促 进 受 化 学 诱 发 的小 鼠上 皮 细 胞 的 癌 变 相 反，许 多抗 氧 化 剂，如 丁基 化 羟 甲苯(B HT)、维 生 素 C 和维 生 素 E 能 抑 制促 癌 作 用S OD 以及 拟 S OD 物 质：3，5 一 二 异 丙 基 水 杨 酸 铜(Cu Dl P S)也 能 抑 制 促 癌 作 用 由此 进 一步 证 明，自由 基 尤其 是 活性 氧 与 致 癌 的 相 关 性(如 图 1 4 3)3超 氧化 物歧 化 酶 与癌 在 现在 这个“谈 癌 色 变”的年 代，人们 更 加 关 心 的是 如何 防 癌、治 癌 综 上 所 述，自 由 基 尤 其 是 O 等 活 性 氧 与 癌 变 有 密 切 的联 系，而 作 为 O 的 重 要 清 除 剂 S OD 或 许 有 防 癌、抗 癌的作 用 自从 1 9 6 9年重新 发现 S OD 以来，对其在癌 中的含量进行 了大量且详 细 的研 究 实 验 表 明，任 何 原 因引 起 的各 种 各 样 癌，无 论 物 理、化 学、病 毒诱 发 的 癌、移 植 性 癌 或 自发 性 癌，整 体 或 离 体 的，人 或 动物 的 癌，与 相 应 的 正常 组 织 相 比，癌 中的 C u，Z n S OD 常 常 低 于 正 常，而 Mn S OD 毫 无 例 外地 一 定低 于 正 常 L 4 Ob e r l e y等 人 对 这方 面 进 行 了广 泛 而 系 统 的 研 究，他 们 用 凝 胶 电泳 测 定，其 结 果 以 比活 性(u mg蛋白质)表 示，得 出正 常小 鼠肝 Cu，Z n S OD 为 1 2 2，Mn S OD 为 3 5；再 生 肝 在 术 后 4天 Cu，Z n S OD 为 4 6，Mn S OD 在 术 后 2 5天 为 6 5，术 后 4天 降 为 3 5，近 于 正 常 水 平，而 在 H6肝 癌 中 Cu，Z n-S OD 为 4 0，Mn-S OD 为 零，这 似 乎 说 明，S OD 酶 活 力 的减 少 是 导 致 Oi 进 一步 为 害 的 主 要 原 因又 如 小 鼠乳 腺 癌 C 3 H 中总 S OD 为 1 5，而 Mn S OD 亦 为零；S a h u等 人 也 发 现 艾 氏腹 水 癌 细 胞 中只 有 Cu，Z n S OD，而 无 Mn S OD；Di o n i s i 等 人也 证 明肝 癌 线 粒 体 中无 S OD 从 以 上 这 些 事 实 来 看，似 乎 癌 细 胞 内 S OD 减 少 或 丧 失，是 致 使 Oi 净 增，成 为 癌 发 展 过 程 的重 要 因 素 那 么，如果 外 加 S OD 是 否 可 以 改 变 癌 细 胞 的 性 质，例 如 停 止 分 裂 或 促 进 分 化?在 动物 方 面 的 资 料 表 明，当注 射 S OD 进 入 已转 移 了的 黑 色 素 瘤 的 仓 鼠体 内 时，引起 了存 活 时 间 的增 加，但 在 这 种 情 况 下，S OD 的 酶促 作 用 机理 尚不 清 楚 有 一点 维普资讯 1 0 0 韩 山师 范学 院学 报(自然 科学 版)1 9 9 7年 可 以 肯 定 的是，S OD 的 分 子 量 过 大(Cu，Zn S OD 分 子 量 约 为 3 1，0 0 0 3 3。0 0 0；Mn S OD 分 子 量 约 为 4 4，0 0 0 8 0，0 0 0；Fe S OD 分 子 量 约 为 3 6，0 0 0 4 4，0 0 0)，不 能 穿 透细 胞 膜，且 半 衰 期 较 短，用 S OD 直 接 进 入 癌 细 胞 中影 响 其性 质 是 很 难 的所 以人 们转 而 研 究 一 种 具 有 天然 Cu，Z n S OD 样 活 性，且分 子 量 小 得 多 的 亲 脂 性 鳌 合 物 3，5 一 二 异 丙 基 水 杨 酸 铜(C u DI P S)，实 验 表 明，Cu DI P S能 使 艾 氏腹 水 癌 小 鼠存 活 率 增 加 8 5 ，抑 制 离体 小 鼠神 经纤 维 细 胞 分 裂增 加 分 化 在 作 用 机 理 方 面 也 已证 明 Cu DI P S能 够 减 轻 由于 氧 自由 基 造 成 的 DNA 损 伤 A 未分化 的快 速生 长的癌 干细 胞 分化程度 B中等 分化的 中速 生长 的癌 干细胞 分化程度 C 分化 良好的慢速 生长 的癌 坌 堡堕 干细 胞 f 转 化 癌 细胞 f 转 化 裂潜 力 癌 细胞 图 1 活 性 氧 与 癌 变关 系模 型 4问题 与前 景 无限分 裂潜 力 转 化 癌 细胞 无限 分裂潜 力 如 上所 述，自 由基 能 够 致 癌，但 是，另 一 方 面，自由基 也 能够 抗 癌 由于 活 性 氧 对 细 胞 有 杀 伤 能 力，而 癌 细 胞 自身 的 防 御 体 系又 存 在 缺 陷，即抗 氧化 酶 类 普 遍 下 降，因此，活性 氧对 癌 细 胞 的 杀 伤 能 力 应 大 于 正 常 细 胞 实 验 表 明：用 1 2 u mo l I 的 百 草 枯 使 细 胞 培 维普资讯 第 2期 詹 嘉 红 曾逊 生：自由基、超氧 化物歧 化酶 与癌 1 0 1 养 液 产 生 Oi，正 常细 胞 在 此 培 养 基 中生 长 4天 仅 出 现 轻 微 抑 制，但 癌 细 胞 的 生 长 却 显 著 抑 制，甚 至 死 亡 许多 具 有 抗 癌 能 力 的抗 生 索，如丝 裂 霉 素、链 黑 霉 索柔 红 霉 索、黑 孢 霉 素 和博 莱 霉 素 等抗 癌 药，均 能 产 生 Oi 或 OH 或 H 0 等 自由 基，从 而 起 到 杀 伤 癌 细 胞 的 作 用 但 是，另一 方 面，我 们 也 应 该 看 到，这 些 抗 癌 药 也 有 一 定 的 毒 副 作 用，因 为，它 们并 不 能 区分 DNA 的好 与 坏 这 些 抗 癌 药 在 杀 死 癌 细 胞 这 一 点 上，可 以 说，自由 基 的 作 用是 很 重 要 的，但 是，它 们 对 人 的毒 性，也 同样 是 由于 自由 基 的作 用 因 此 有 人 L】o 这 样设 想，若 能将 在 体 内 产 生 自 由基 的体 系 和 可 以 降低 癌 细 胞 防御 能 力 的 药 物分 别 包 人 脂 微 粒，在脂 微粒 上 再 接 上 单 克 隆 抗 体，制 成 导 弹 式 抗 癌 药(或 用 其 它 使 之 集 中 于 癌 细 胞 的方 法)，通 过 引发 可 使 癌 细 胞致 死 的 自 由基 反 应 而 抗 癌 显 然，这 是 一 个 值得 研 究 的 设 想 S OD 能 清 除细 胞 中过 多 的 Oi，对 正常 细 胞 起 到 保 护 作 用，但 是，另一 方 面，S OD 也 可 能 庇护 了癌 细 胞 有 些 抗 癌 药 物 对 癌 细 胞 的疗 效，却 受 到 癌 中 S OD 和 过 氧 化 氢 酶 的 作 用 而 减 弱，相 反，若 能 抑 制 S OD 的 活性，则 能加 强 癌细 胞 对氧 的毒 性，如 铜 络 合 物 二 乙 基 二硫 代 氨基 甲酸 钠(D DC)就 是 C u，Z n S OD 的强 烈 抑 制 剂，它 除 能 直 接 抑 制 癌 细 胞 的 生 长外，还 能 加 强抗 癌 药博 莱霉 素 对 癌 细 胞 的 杀 伤 能 力 1 1 3 因此，可 以 设 想 DD C 也 许 可 用 于 临 床 C u DI P S虽 然 能够 减 轻 氧 自由 基 造 成 的 DNA损 伤，但 是 在 实 用 方 面却 存 在 着 一些 问 题 当在 活体 中具 有 过 多 配 位 体(例 如 小 牛 血 清 蛋 白)时，C u DI P S的拟 活 性 即丧 失 其 次，C u DI P S的 毒 副作 用 如何，还 是 个 有 待 研 究 的 问题 总之，自由 基和 S OD 已 广 泛 参 与 生 物 体 的病 理 生 理 过 程，无 论 对 其 进 行 基 础 研究 还 是 临 床应 用 方 面 的研 究 都 将 会 给 生 物 学 和 医学 带 来 新 的进 展 参 考 文 献 殷 培 华、张 天 民 超 氧 化 物 歧 化 酶 在 医 药 上 的 研 究 概 况 中 国 药 学 杂 志，1 9 8 9 2 4(7)：3 9 2 3 9 3 李 文 杰、超 氧 化 物 歧 化 酶 在 治 疗 超 氧 阳 离 子 自 由 基 所 引 起 的 疾 病 及 抗 衰 老 上 的 应 用 中 国 药 学 杂 志 1 9 89 24(7)：397 钱 愈德 人体 内的单线 态 氧生 命 的化 学 1 9 8 6，6(3)：3 7 方 允 中、李 文 杰 自 由 基 与 酶 北 京：科 学 出 版 社 1 9 9 4 李 培 峰、方 允 中 活 性 氧 对 蛋 白 质 的 损 伤 作 用 生 命 的 化 学 1 9 9 4，1 4(6)：1 王 文 杰 超 氧 自 由 基 和 超 氧 化 物 歧 化 酶 生 理 科 学 进 展 1 9 8 5 1 6(3)：2 0 0 2 0 1 郑 荣 梁、S A Le s k o等 苯 并 芘 致 癌 自 由 基 机 制 的 验 证 生 物 化 学 与 生 物 物 理 学 报 1 9 8 71 9(4)：32O 许 小波 脂质 过氧 化与癌 肿形 成 生命 的 化学，1 9 9 5。1 5(6)：4 2 4 3 施 秉仪 超氧 化物歧 化酶 的生 物学 意义 生 物科 学动 态 1 9 8 4(5)：2 4 莫简 自由基在抗 癌 中的作 用 生物 化学 与 生物物 理进 展 1 9 8 4(4)：2 4 郑 荣 粱、莱 斯 科 S A等 超氧 化 物歧 化 酶 在癌 细 胞 毒性 中 的作 用 生物 化 学 与生 物 物理 进 展 1 984(4)：34 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 维普资讯 1 0 2 韩 山师 范学 院学报(自然科学 版)1 9 9 7年 Fr e e Ra di c a l s，S upe r o xi de Di s m ut a s e a nd Ca nc er s Zha n Ji aho n g(Ha ns h an Te a c h e r s c o l l e ge)Ze n xun s he n g(Ch a o z h o u Hy gi e nic Sc h oo 1)A b s t r a c t Fr e e r a di c a l s a r e no r m a l pr o du c t s of bi ol o gi c a l o xi da t i o n I n m a ny c a s e s，t he y c a n c a us e da ma ge t o or ga ni s m Supe r oxi de di s m u t a s e(SOD)i s a ki nd of a nt i oxi da s e，i t c a n a c c e l e r a t e t he di s m ut a t i on r e a t i on of O i a nd pr o t e c t t h e or ga ni s m And t hi s pa pe r di s cu s s e s t h e pr odu ct i on be t we e n f r e e r a di c a l s，t h e r e l a t i ons of f r e e r a di c a l s a nd SOD on CanCers K e y wor ds F r e e r a d i c a l s，Ac t i v e o x y g e n，S u p e r o x i d e d i s mu t a s e，C a n c e r s 维普资讯