细胞衰老原因：自由基学说介绍 教学素材2022——2023学年高一上学期生物人教版必修1

细胞衰老的原因：自由基学说 关于细胞衰老的原因，科学家提出了多种理论。高中生物教材提及的关于细胞衰老的原因有两个，分别是自由基学说和端粒学说。目前，这两种学说是被大多数研究者认同的。本文针对自由基学说，将详细介绍其概念、来源、性质、与细胞衰老的关系及其防御系统与抗衰老机制。以便对高中生物教师分析细胞衰老的原因做补充。 （一）自由基的概念 首先明确什么叫自由基，自由基的另一个说法叫做游离基，这些游离基包括原子或原子团、分子或离子，概括来说自由基是一类具有未配对电子的化学实体。在机体内，自由基是由物质氧化代谢而产生的。自由基的种类很多，其中性质十分活泼的是活性氧(ROS)。所谓活性氧是通过直接或间接方式形成的氧自由基及其衍生物，因为比氧的活性高，故叫活性氧。 （二）自由基的来源 机体内自由基的主要来源有多方面。 1、呼吸链产生的自由基，例如超氧阴离子自由基O2-、过氧化氢H2O2和羟自由基(·OH-)，它们是细胞进行正常需氧代谢时线粒体呼吸链的副产物。氧自由基主要来源于代谢旺盛的脑、心肌、肌肉的线粒体。这里补充呼吸链的概念：线粒体基质是呼吸底物氧化的场所，底物在这里氧化所产生的NADH和FADH2将质子和电子转移到内膜的载体上，经过一系列氢载体和电子载体的传递，最后传递给O2生成H2O。这种由载体组成的电子传递系统称电子传递链，因为其功能和呼吸作用直接相关，亦称为呼吸链。 2、脂质过氧化及其他大分子降解时的副产物是H2O2。脂质过氧化产生氧自由基、烷氧自由基、烷基自由基及扩散醛类。 3、巨噬细胞吞噬细菌或病毒感染细胞时呼吸爆发的产物，所产生的自由基是O2-和H2O2。中性粒细胞在激活剂作用下发生呼吸爆发也产生O2-。 4、细胞色素P450酶系在发挥其对食物的解毒作用时产生活性氧。细胞色素P450酶系化学本质是一族蛋白质，在真核生物中，作为一种膜结合蛋白，主要分布在内质网和线粒体内膜上。P450酶系作用之一是针对外源性物质包括人工合成的化学品（农药、致癌物、药物、抗氧化剂、添加剂、麻醉剂等）起到解毒与活化作用。 5、在代谢中，自由基不断产生，也被不断清除，当清除ROS的能力和抗氧化能力下降时，则ROS增加，最后导致细胞凋亡。 此外电离辐射、光敏作用、甚至机体剧烈运动都会产生自由基。 （三）自由基的性质 自由基是强氧化剂，性质相当活泼，原因是在结构上有一个未配对的电子，使自由基易获得或失去一个电子形成键。自由基的特点概括来说，它是带有不配对电子，所以不稳定，容易失去电子，表现为活性高，可与体内生物大分子作用。 （四）自由基与细胞衰老的关系 在代谢中，如果自由基的产生与清除平衡被破坏，自由基就会积累而危害机体，导致发生各种疾病、衰老及致癌等。由自由基介导所致的衰老表现在以下几方面。 1、 脂质过氧化引起的细胞衰老 自由基对机体损伤的重要方面是产生脂质过氧化物，脂质过氧化物的主要产物可与脂类、蛋白质类、糖类及核酸类进行交联、断裂等反应，使生物膜变性，膜的多种功能受损，组织破坏并老化。氧化是导致细胞衰老的主要原因，体内自由基及脂质过氧化物随年龄增加而升高。老化细胞蛋白质的缓慢消旋、膜脂质成分改变、线粒体内膜自由基及来自溶酶体的脂褐素随年龄的增加而增加，这些都说明脂质过氧化既是细胞膜衰老的诱因也是细胞衰老的结果。 2、 自由基损伤核酸所致的细胞衰老 自由基的强氧化作用，直接或间接地引起DNA损伤，危害机体。自由基引起DNA损伤的方式有：有氧氧化、甲基化、脱氨基、脱嘌呤等作用，结果造成碱基片段丢失，碱基修饰及插入突变等。损伤后的DNA一般不易被降解或直接修复，未被修复的DNA损伤片段积累于基因组中，使mRNA的产生随增龄而下降，最终加速细胞衰老甚至死亡。氧自由基(O2-和H2O2等)破坏核酸是通过进攻嘌呤碱基和嘧啶碱基实现的。后者形成嘧啶碱加成物，在有氧条件下生成嘧啶过氧化物；无氧下生成乙醇酸。核酸结构或代谢调节控制改变是导致机体衰老的主要因素，显示衰老的发生首先是代谢调控的改变，其次才是结构的改变。 3、 自由基介导线粒体DNA损伤所致的细胞衰老 ATP在衰老变化过程中，以ATP为主要能源的器官组织是代谢旺盛的脑、心脏、肌肉组织，这些组织随着增龄，线粒体氧化磷酸化产生的自由基逐渐积累，到一定程度时损伤线粒体DNA，影响线粒体tRNA、rRNA及蛋白质合成。线粒体结构和功能的退化，首先表现为衰老。 4、自由基损伤蛋白质所致的衰老 根据近年来的研究，衰老组织中蛋白质的合成同年幼细胞一样是正确的可靠的。蛋白质和脂类物质一样，容易受活性氧自由基攻击，肽链中的二硫键和几种氨基酸(如Cys、His等)残基易发生自由基介导的修饰反应，结果肽链断裂或结构改变。同时其中有五种氨基酸(Cys、His、Met、Trp和Tyr)还是多种酶的活性部位的必需基团，由