物理學(xué)論文-論自由基生物學(xué)與物理學(xué).doc

物理學(xué)論文-論自由基生物學(xué)與物理學(xué)論文關(guān)鍵詞自由基，自由基生物學(xué)，物理學(xué)，電子自旋共振論文摘要自由基生物學(xué)與物理學(xué)關(guān)系密切，沒有物理學(xué)關(guān)于電子的理論和檢測技術(shù),就沒有自由基生物學(xué)今天的輝煌，沒有自由基生物學(xué)與物理學(xué)的結(jié)合，也許至今大部分人都還不知道什么是自由基。文章從自由基生物學(xué)的發(fā)展討論物AbstractThereisacloserelationshipbetweenfree-radicalbiologyandphysics.Thegreatadvancesinmodernfree-radicalbiologywouldnothaveoccurredifphysicshadnotprovidedthetheoryanddetectiontechnologyforelectrons.Withoutthecombinationoffree-radicalbiologywithphysics,manypeopletodaymightnotevenknowwhatafreeradicalis.Therelationshipbetweenbiologyandphysicsisdiscussedfromtheviewpointofthedevelopmentoffree-radicalbiology.Keywordsfreeradical,free-radicalbiology,physics,electronspinresonance(ESR)自由基生物學(xué)（freeradicalbiology）是研究自由基在生物體系中產(chǎn)生和作用規(guī)律及其與疾病和健康關(guān)系的科學(xué)。自由基生物學(xué)是一門新興的前沿和交叉科學(xué)，是一個具有重要理論意義和廣泛應(yīng)用前景并且與人類健康密切相關(guān)的科學(xué)。自由基不僅具有重要的生物功能，而且可以引起衰老和多種疾病的發(fā)生和發(fā)展。自由基生物學(xué)自1968年發(fā)現(xiàn)超氧化物岐化酶（superoxidedismutase,SOD）以來1，在過去三十幾年時間獲得了迅速發(fā)展和輝煌的成就。1998年，一氧化氮自由基研究獲得諾貝爾生物和醫(yī)學(xué)獎，將自由基生物學(xué)和自由基醫(yī)學(xué)研究推向另一個新高潮2。今后自由基生物學(xué)在衰老和疾病關(guān)系的理論研究方面將有所突破，為人類健康和延壽做出更大貢獻。物理學(xué)和自由基生物學(xué)看似兩門相差很遠的學(xué)科，其實關(guān)系很密切。從自由基生物學(xué)的發(fā)展來看，可以說，沒有物理學(xué)的理論和技術(shù)就沒有自由基生物學(xué)今天的輝煌，當(dāng)然沒有自由基生物學(xué)與物理學(xué)的結(jié)合，也許至今大部分人都還不知道什么是自由基。本文不打算在物理學(xué)和生物學(xué)方面做廣泛討論，只從自由基生物學(xué)這一學(xué)科討論物理學(xué)與生物學(xué)的關(guān)系，1可以毫不夸張地說，物理學(xué)是自由基生物學(xué)的基礎(chǔ)，自由基的概念、理論和檢測技術(shù)都是來自物理學(xué)。按照自由基的概念和定義，“任何包含一個未成對電子的原子或原子團，均稱之為自由基”，從物理學(xué)角度看自由基的實質(zhì)就是一個m，電荷eS。所謂自旋,我們可以想像電子像地球一樣繞一個軸旋轉(zhuǎn)。電子是一個帶電體，帶電體的旋轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生磁場，這樣一個旋轉(zhuǎn)著的電子就好像一個小磁偶極子。在一磁偶極矩放在磁場HE量可以用量子力學(xué)的薛定諤方程描述和求解，即這里g是一個沒有量綱的常數(shù),稱為g因子，是玻爾磁子。自旋磁矩與外磁場平行的電子具有較低的能量gH，自旋磁矩和外磁場反平行的電子具有較高的能量gH。若用輻射的方法給處于低能級的電子一個能量h,正好等于gH，它們就會吸收這一能量躍遷到高能級,這就是電子自旋共振（electronspinresonance,ESR）或順磁共振(electronparamagneticresonance,EPR)的基本原理，也是檢測自由基最特異、最直接和最有效的技術(shù)3至此，我們可以看出，自由基完全可以用純物理學(xué)的語言通過一個電子的物理性質(zhì)來表述。正是描述一個電子在磁場中的自旋共振奠定了自由基的檢測方法，才使得我們可以利用ESR波譜儀檢測自由基，因此可以說ESR是自由基物理學(xué)，它包括自由基的基本理論和自由基的檢測技術(shù)電子自旋共振，當(dāng)然還包括該盡管在物理學(xué)中對自由基的研究已經(jīng)很深入，甚至自由基在化學(xué)中的應(yīng)用也獲得巨大發(fā)展，比如，輻射化學(xué)和放射化學(xué)的反應(yīng)基礎(chǔ)都是自由基理論，有機化學(xué)中的聚合反應(yīng)和有機化工也都是以自由基理論作為基礎(chǔ)的，但是直到上世紀60年代，人們根本沒有想到一個具有小小電子的自由基會與生物學(xué)有什么關(guān)系，2生物學(xué)與物理1968年,發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)存在超氧化物岐化酶（SOD），而SOD的功能是清除和歧化超氧陰離子自由基，由此，人們認識到生物體內(nèi)存在自由基1。許多物理學(xué)家和生物學(xué)家分別或聯(lián)合起來開展了自由基生物學(xué)研究，三十多年來獲得了巨大的發(fā)展和輝煌的成就。1998年,一氧化氮自由基研究獲得諾貝爾生物和醫(yī)學(xué)獎，將自由基生物學(xué)研究推向一個新高潮2。這歸功于物理學(xué)與生物學(xué)結(jié)合的生物物理學(xué)或物理生物學(xué)研究。自由基生物學(xué)在以下幾個方面取得突出進展：2.1自由基檢測是研究自由基的關(guān)鍵。物理學(xué)發(fā)展了多種檢測短壽命自由基的手段，如研制成功時間分辨的ESR技術(shù)和ESR成像儀，不僅可以檢測自由基的種類和濃度，而且可以檢測自由基在生物體內(nèi)的空間分布。并且利用這些方法系統(tǒng)地研究了氧自由基和一氧化氮自由基的性質(zhì)、生物功能和疾病的關(guān)系，特別是在炎癥、心腦缺血再灌注損傷和神經(jīng)退行性疾病中的作用46上世紀60年代建立和發(fā)展起來的用氮氧自旋標記技術(shù)，使ESR技術(shù)的應(yīng)用范圍擴展到生物學(xué)的各個領(lǐng)域，其中包括研究細胞膜和蛋白質(zhì)構(gòu)象及其動力學(xué)性質(zhì)技術(shù)，研究細胞膜磷脂和膜蛋白巰基結(jié)合位置的結(jié)構(gòu)特點和動力學(xué)性質(zhì)7。2.2隨著自由基生物學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)很多細胞活動過程都與自由基的產(chǎn)生和參與有關(guān)，酶的活化、電子的傳遞、白細胞的免疫反應(yīng)都離不開自由基。體內(nèi)主要通過以下幾個途徑產(chǎn)生自由基810(1)白細胞和多形核白細胞在吞食外來異物和細菌過程產(chǎn)生呼吸爆發(fā)，釋放大量活性氧，其中包括超氧陰離子自由基、羥基自由基、過氧化氫、單線態(tài)氧等。它們既可以作為殺傷外來入侵者的有力武器，在炎癥和免疫方面發(fā)揮著巨大作用，(2)線粒體的正常功能是通過氧化磷酸化在呼吸鏈上將氧氣還原成水，合成ATP，為細胞提供能量。但有13的氧氣生成自由基。這些自由基如果泄漏(3)一氧化氮自由基在腦的發(fā)育過程起著重要作用，它是神經(jīng)傳導(dǎo)的逆信使，（4）植物中葉綠體光合作用產(chǎn)生大量自由基，甚至在一些植物抗病、感病和免疫過2.3自由基可以誘導(dǎo)細胞凋亡和導(dǎo)致自由基雖然有很多生物功能，但如果產(chǎn)生過多就會對細胞造成損傷，引起一系列嚴重的神經(jīng)疾病。我們系統(tǒng)地研究了一氧化氮和氧自由基在心腦缺血再灌注損傷和神經(jīng)退行性疾病中誘導(dǎo)細胞凋亡和導(dǎo)致疾病的作用規(guī)律，發(fā)現(xiàn)一氧化氮和氧自由基在誘導(dǎo)細胞凋亡和導(dǎo)致這些疾病作用的分子機理和信號通路。老年癡呆癥、帕金森綜合癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病都有自由基的參與；在循環(huán)系統(tǒng)，動脈粥樣硬化，血栓的形成，心肌缺血再灌注損傷的發(fā)病過程中，氧自由基起著重要作用；肝炎和糖尿病與氧自由基密切相關(guān)；致癌，促癌和癌的形成的每一步都有氧自由基的產(chǎn)生和參與1114我們在轉(zhuǎn)基因細胞和動物模型中，利用電子自旋共振和基因沉默（RNAi）等技術(shù)系統(tǒng)研究了自由基誘導(dǎo)細胞凋亡和導(dǎo)致疾病規(guī)律，發(fā)現(xiàn)一氧化氮（NO）和氧自由基（ROS）及鐵、銅等金屬離子在心臟缺血再灌注損傷、中風(fēng)、老年癡呆癥、帕金森綜合癥等神經(jīng)退行性疾病中均起著重要作用，并且參與了與淀粉樣蛋白（A）、細胞色素（Cyt.）C釋放、活化有絲分裂蛋白激酶（MAPK）有關(guān)的信號通路中的作用1316。2.4衰老的學(xué)說很多，大部分不能用于抗衰老的實踐。而衰老的自由基學(xué)說是可以用于指導(dǎo)抗衰老的學(xué)說之一。衰老的自由基學(xué)說認為氧自由基在體內(nèi)的產(chǎn)生和對細胞成分的損傷可以引起衰老，保持體內(nèi)適當(dāng)抗氧化劑水平可以延緩衰老。這從后來研究人員用一種含自由基清除劑(1%2-巰基乙胺)的食物喂養(yǎng)老鼠能增加老鼠的平均壽命30得到了證實。這相當(dāng)于將人類的平均壽命從73歲增加到了95歲。以后又研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡增加，體內(nèi)自由基產(chǎn)生和脂質(zhì)過氧化水平提高，而抗氧化酶和抗氧化劑水平下降。老年斑就含有高濃度的自由基和脂質(zhì)過氧化物。最近，美國和英國的權(quán)威雜志Science和Nature發(fā)表研究文章表明，一些自由基清除劑，小分子多酚類物質(zhì)，特別是從葡萄汁分離出來的白藜蘆醇，可以啟動長壽基因SIRI1,阻斷細胞凋亡，延緩衰老和延長壽命。我們最近在基礎(chǔ)飼料中添加天然抗氧化劑茶多酚和奎寧酸，可分別延長果蠅和線蟲的壽命，并使動物體勻漿中SOD活性增加，脂質(zhì)過氧化水平降低。自由基生物學(xué)研究的進展很可能對衰老這個還沒有解決的重大基礎(chǔ)科學(xué)問題提供新的線索和希望172.5天然抗氧化劑預(yù)防和治療人類的進化使得人類對有害自由基產(chǎn)生了一套比較完善的抗自由基體系。例如抗氧化酶體系，體內(nèi)就有超氧化物岐化酶(SOD),谷胱甘肽過氧化物酶，過氧化氫酶等?？寡趸瘎┯芯S生素C，維生素E，谷胱甘肽，尿酸，胡蘿卜素等。這些抗氧化酶和抗氧化劑在體內(nèi)組成了一道道防線，防止有害自由基對機體的傷害，維持體內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除的平衡,保證機體的健康。我們應(yīng)當(dāng)盡量保持體內(nèi)這喝茶有益健康，我們對綠茶的有效成分茶多酚的結(jié)構(gòu)和功能進行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)四種茶多酚單體及其不同異構(gòu)體對氧自由基的清除能力不同，并且確定了它們與自由基反應(yīng)的活性位點。發(fā)現(xiàn)它們之間存在協(xié)同作用并能與鐵、鉛等金屬離子螯合發(fā)揮抗氧化作用。我們研究了茶多酚對帕金森綜合癥的預(yù)防和治療作用。探索了茶多酚通過清除氧自由基和一氧化氮預(yù)防帕金森綜合癥的途徑，闡述了茶多酚清除自由基抗氧化反應(yīng)機理以及預(yù)防和治療帕金森綜合癥的分子機理12我們研究了茶多酚對6-OHDP誘導(dǎo)細胞凋亡和動物帕金森綜合癥的保護作用。在細胞體系發(fā)現(xiàn)茶多酚抑制6-羥多巴（6-OHDA）誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生的活性氧（ROS），6-OHDA導(dǎo)致的線粒體腫脹和細胞內(nèi)鈣離子的增加，明顯減少6-OHDA引起的NO自由基產(chǎn)生的增加和這兩種一氧化氮合酶（NOS，其中一種為神經(jīng)型的NOS，用nNOS表示，另一種為誘導(dǎo)型的NOS，用iNOS表示）表達的上調(diào)，茶多酚還可以清除6-OHDA自氧化產(chǎn)生的醌類自由基。在動物模型中，發(fā)現(xiàn)茶多酚可以降低中腦和紋狀體中ROS和一氧化氮自由基含量、脂質(zhì)過氧化程度、硝酸鹽/亞硝酸鹽含量，同時降低nNOS和iNOS表達水平。茶多酚預(yù)處理可增加黑質(zhì)致密部存活神經(jīng)元，減少凋亡細胞。我們的實驗結(jié)果證明，口服茶多酚可以有效保護腦組織免于6-OHDA損傷引起的神經(jīng)細胞死亡，其保護作用可能是通過ROS和NO的途徑實現(xiàn)的18在離體、在體和心肌細胞體系中系統(tǒng)研究了知母寧、銀杏黃酮在心臟缺血再灌注損傷中保護心肌的機理，發(fā)現(xiàn)它們主要是通過清除氧自由基和調(diào)節(jié)一氧化氮自由基產(chǎn)生防止心肌細胞凋亡發(fā)揮作用的。在利用山楂黃酮預(yù)防中風(fēng)研究中發(fā)現(xiàn)山楂黃酮可以通過調(diào)節(jié)體內(nèi)抗氧化水平和清除過量氧和一氧化氮自由基,防止海馬細胞凋亡5我們的研究還發(fā)現(xiàn)，山楂黃酮可以預(yù)防和治療中風(fēng)。蒙古沙鼠雙側(cè)頸動脈結(jié)扎引起的腦損傷中風(fēng)模型表明，在缺血再灌注過程中，腦組織中活性氧產(chǎn)生增多，脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物水平升高，抗氧化能力下降，動物口服山楂提取物可以減少缺血再灌注過程中產(chǎn)生的活性氧自由基，減少脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物含量，提高腦勻漿中抗氧化劑的水平。同時，在缺血再灌注過程中，腦組織中硝酸鹽亞硝酸鹽的濃度升高，ESR檢測到的一氧化氮產(chǎn)量降低，而用山楂提取物喂動物，降低了腦組織中硝酸鹽亞硝酸鹽的水平，提高了生物可利用的一氧化氮的濃度。iNOS在缺血再灌腦損傷的遲發(fā)性神經(jīng)元死亡中起重要的作用，研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化劑處理動物可以減少腫瘤壞死因子（TNF-）和核因子（NF-B）的水平，降低iNOS活性。用山楂提取物喂動物，可使動物缺血再灌腦損傷后海馬CA1區(qū)成活的大錐體神經(jīng)元數(shù)量增加，DNA損傷減少，對腦損傷有保護作用?？诜烊豢寡趸瘎┛梢蕴岣吣X中抗氧化水平，保護腦組織免于缺血再灌腦損傷引起的神經(jīng)細胞死亡，保護作用可能是通過ROS和一氧化氮的途徑實現(xiàn)的6我們研究大豆異黃酮對A導(dǎo)致的海馬神經(jīng)元凋亡的保護作用，發(fā)現(xiàn)大豆異黃酮可以有效抑制A導(dǎo)致的海馬神經(jīng)元凋亡。大豆異黃酮能明顯阻斷A導(dǎo)致的凋亡信號通道，從而降低細胞內(nèi)Ca2+水平，減少ROS的積累,防止DNA斷裂和凋亡基因caspase-3的激活。發(fā)現(xiàn)在低濃度是通過雌激素受體（ER）起保護作用的，而在高濃度是通過抗氧化機制起作用的19吸煙有害健康，一般人都認為尼古丁是吸煙中最有害的物質(zhì)，但流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，吸煙人群得老年癡呆癥和帕金森綜合癥的比不吸煙人群低，尼古丁很可能是吸煙中產(chǎn)生的預(yù)防這兩種疾病的有效物質(zhì)。我們對此進行了深入系統(tǒng)的研究，在轉(zhuǎn)基因動物、細胞、線粒體和分子等不同層次水平上對其機理和信號通路進行了研究。我們研究發(fā)現(xiàn)：（1）尼古丁可以有效清除活性氧自由基，抑制多巴胺自氧化，是一種抗氧化劑。（2）尼古丁能夠有效抑制6-OHDA和MPP+誘導(dǎo)的細胞色素C釋放。（3）尼古丁可以保護海馬神經(jīng)元抵抗淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的凋亡。（4）尼古丁可以防止淀粉樣蛋白在轉(zhuǎn)基因鼠腦中的沉淀。(5)尼古丁可以絡(luò)合金屬銅和鋅,防止其在腦