自由基，在人體內扮演著重要的角色，不僅是一種可能導致細胞損傷和疾病的因子，也是身體防禦系統對抗入侵微生物的一部分。
自由基是指帶有未成對電子的分子或原子，這使得它們非常不穩定且具有高度反應性。在正常新陳代謝過程中，自由基會不斷產生和消除，以維持生理平衡。當自噬細胞啟動時，它們會通過「爆炸性氧化作用」產生超氧陰離子自由基來殺死細菌或受感染的細胞。這是人體免疫系統的一部分，顯示自由基在健康狀態下是有其正面功能的。
「爆炸性氧化作用」（Respiratory Burst），有時也被稱為「氧化爆發」，人體免疫系統中的白血球（特別是嗜中性粒細胞和巨噬細胞）在遭遇入侵的細菌或病毒時，迅速產生大量的反應性氧化物質（ROS），如超氧陰離子、過氧化氫等。這些高度反應性的氧化物質能夠有效地殺死或抑制侵入的病原體。當這些白血球被激活時，它們的氧氣消耗急劇增加，引發一連串的酶促反應，迅速釋放出大量的自由基。這一過程是身體防禦系統的關鍵部分，有助於迅速清除病原體，防止感染擴散。
當自由基的產生超出身體的抗氧化能力時，會導致氧化壓力，進而損傷細胞結構，包括蛋白質、脂質和核酸。長期的氧化壓力被認為與多種疾病的發生有關，包括心血管病、某些類型的癌症、和老化過程。
因此，保持自由基和抗氧化劑之間的平衡是重要的。日常生活中，透過飲食攝取豐富的抗氧化劑，如維生素C和E和其他抗氧化物質，可以幫助維持這種平衡，減少氧化壓力，保護身體免受損傷。
自由基的生成
活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS） 是氧在體內代謝過程中產生的化學反應性分子。活性氧包括超氧陰離子（O₂⁻）、過氧化氫（H₂O₂）、羥自由基（·OH）和單態氧（¹O₂）等。這些分子中含有一個或多個未配對的電子，這些未配對的電子使得自由基極不穩定，傾向於與其他分子反應來達到穩定狀態，具有高度反應性，可導致細胞損傷，過量的活性氧會導致氧化壓力，損害細胞和組織引發多種疾病，但在適量情況下也具有重要的生理功能，如信號傳導和免疫防禦。自由基於的來源和生成機制可分類為內源性、外源性區分。無論來源如何，過量的活性氧都可能對細胞造成損傷，引起氧化壓力影響組織和器官的功能。這就是為什麼身體需要有效的維持抗氧化系統來平衡和中和活性氧，保持細胞的健康和功能。
內源性活性氧的產生機制
活性氧的產生主要來自於線粒體呼吸鏈和酶促反應。我們需要線粒體產生大量的能量提供我們使用，如心跳、體溫、呼吸、日常生活都需要線粒體產生能量，在線粒體中，電子在呼吸鏈的複合物I和III泄漏並與氧氣結合，形成超氧陰離子（O₂⁻）。此外，NADPH氧化酶在免疫細胞中的活性也會生成超氧陰離子，用於消滅病原體。其他酶，如黃嘌呤氧化酶和脂氧合酶，也能在不同的代謝過程中產生ROS。
線粒體呼吸鏈
線粒體是活性氧的主要最大量產生場所。在細胞呼吸過程中，電子從營養物質轉移到氧氣，形成水。然而，約1-2%的氧在此過程中形成超氧陰離子（O₂⁻），這是活性氧的初始形式。
具體過程包括電子從線粒體呼吸鏈中的複合物I和複合物III泄漏，與氧氣結合形成超氧陰離子。
酶促反應
黃嘌呤氧化酶：這種酶在嘌呤代謝中生成超氧陰離子和過氧化氫。
NADPH氧化酶：存在於多種細胞中，特別是免疫細胞，能夠生成超氧陰離子以對抗病原體。
脂氧合酶和環氧合酶：在炎症反應中生成ROS，參與脂質代謝。
外源性ROS的產生機制
環境因素，例如空氣污染（如煙霧、臭氧...等）、紫外線或電磁輻射、吸煙、化學藥品、重金屬暴露等。這些因素可通過損傷細胞結構或干擾細胞功能來增加ROS的產生。
飲食中的某些成分也可能導致外源性ROS的增加。例如，過量的鐵或銅攝入可以通過芬頓(Fenton)反應產生自由基。
Fenton反應在生物體中的發生通常與炎症和氧化壓力相關，這也是許多慢性疾病（如心血管病、某些類型的癌症、神經退行性疾病）發生和進展的重要因素。
自由基的消除
內源性ROS的清除機制
活性氧（ROS）的清除主要依靠抗氧化酶和非酶抗氧化劑。抗氧化酶包括超氧化物歧化酶（SOD），將超氧陰離子（O₂⁻）轉化為過氧化氫（H₂O₂）；過氧化氫酶（CAT），將過氧化氫分解為水和氧氣；以及谷胱甘肽過氧化物酶（GPX），利用谷胱甘肽（GSH）將過氧化氫還原為水。非酶抗氧化劑如谷胱甘肽、維生素C和維生素E則通過直接中和ROS來保護細胞 。
維生素C和E：這些維生素能直接中和自由基，維生素C是水溶性抗氧化劑，可在細胞質中發揮作用；維生素E是脂溶性抗氧化劑，在細胞膜上發揮作用，保護脂質不受氧化損害。
β-胡蘿蔔素和其他類胡蘿蔔素：這些抗氧化劑可以捕捉自由基，尤其是在光照下的保護作用顯著，防止自由基損害細胞結構。
穀胱甘肽：這是一種強效的抗氧化劑，能夠直接與自由基反應，並且是其他抗氧化酶系統的重要組成部分。
抗氧化酶
超氧化物歧化酶（SOD）：將超氧陰離子（O₂⁻）轉化為過氧化氫（H₂O₂）。
過氧化氫酶（CAT）：將過氧化氫（H₂O₂）分解為水和氧氣。
谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）：利用谷胱甘肽（GSH）將過氧化氫和有機過氧化物還原為水和相應的醇。
非酶抗氧化劑
谷胱甘肽（GSH）：一種三肽，通過還原反應清除ROS，並參與再生其他抗氧化劑。
維生素C（抗壞血酸）和維生素E（α-生育酚）：能夠捕捉和中和自由基。
類胡蘿蔔素：如β-胡蘿蔔素，能夠清除單態氧和其他ROS。
其他清除途徑
核因子E2相關因子2（Nrf2）：是一種轉錄因子，調控多種抗氧化酶和抗氧化劑的表達。在ROS水平升高時，Nrf2從其抑制蛋白Keap1中釋放，進入細胞核，啟動抗氧化基因的表達。
自噬作用：細胞自噬作用可以降解受損的線粒體，減少ROS的產生。
外源性ROS的清除機制
維生素C和E：這些維生素能直接中和自由基，維生素C是水溶性抗氧化劑，可在細胞質中發揮作用；維生素E是脂溶性抗氧化劑，在細胞膜上發揮作用，保護脂質不受氧化損害。
氫分子：可選擇性的清除自由基體積極小自由穿梭，對抗炎有著積極作的用。
β-胡蘿蔔素和其他類胡蘿蔔素：這些抗氧化劑可以捕捉自由基，尤其是在光照下的保護作用顯著，防止自由基損害細胞結構。
穀胱甘肽：這是一種強效的抗氧化劑，能夠直接與自由基反應，並且是其他抗氧化酶系統的重要組成部分。
飲食中的多酚、類黃酮、硒和其他抗氧化物質可以提供額外的保護，幫助中和和清除外源性ROS。
自由基相關疾病
活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）在正常細胞代謝中起著關鍵作用，但過量的ROS會導致氧化壓力，從而損害細胞和組織，引發多種疾病。以下是一些與ROS相關的重要疾病：
心血管疾病
動脈粥樣硬化：ROS可以氧化低密度脂蛋白（LDL），導致其在血管壁沉積，形成動脈粥樣硬化斑塊，進而引發心血管疾病 (Hindawi)。
高血壓：氧化壓力損害血管內皮細胞功能，導致血管收縮和高血壓的發生 (Hindawi)。
神經退行性疾病
阿茲海默症：過量的ROS會導致神經元中的脂質、蛋白質和DNA的氧化損傷，這是阿茲海默症發展的主要因素之一 (Hindawi)。
帕金森症：帕金森症患者的多巴胺神經元中ROS水平升高，氧化壓力導致這些神經元的退化和死亡 (Hindawi)。
糖尿病及其併發症
糖尿病：高血糖水平促進ROS的產生，損害胰島β細胞功能，影響胰島素分泌 (Frontiers)。
糖尿病腎病：氧化壓力在糖尿病腎病的發展中起重要作用，通過促進腎小球基底膜增厚和腎小管間質纖維化，損害腎功能 (Frontiers)。
癌症
癌症：ROS能導致DNA損傷和突變，促進癌細胞的形成和增殖。此外，ROS還能穩定缺氧誘導因子（HIF），促進腫瘤的生長和轉移 (Hindawi)。
呼吸系統疾病
慢性阻塞性肺病（COPD）：吸煙和空氣污染等因素增加肺部的ROS水平，導致肺組織損傷和炎症，進而引發COPD (Hindawi)。
哮喘：氧化壓力能夠加重氣道炎症和過敏反應，導致哮喘症狀的加重 (Hindawi)。
自身免疫性疾病
類風濕性關節炎：氧化壓力能促進關節滑膜細胞和軟骨細胞的損傷，導致關節炎症和破壞 (Hindawi)。
系統性紅斑狼瘡：患者體內的高水平ROS能夠損傷DNA和細胞膜，激活免疫系統，導致自體免疫反應 (Hindawi)。
ROS在細胞信號傳導和免疫防禦中具有重要作用，但過量的ROS會導致氧化壓力，損害細胞和組織。體內存在多種清除ROS的機制，包括抗氧化酶和非酶抗氧化劑，這些機制共同維持細胞內的氧化還原平衡。在腎臟疾病和其他病理狀況下，ROS的產生和清除平衡被打破，導致氧化壓力和相關疾病的發生。
參考文獻：
Hirano, S.-i.; Ichikawa, Y.; Sato, B.; Takefuji, Y.; Satoh, F. Clinical Use and Treatment Mechanism of Molecular Hydrogen in the Treatment of Various Kidney Diseases including Diabetic Kidney Disease. Biomedicines 2023, 11, 2817.
Hydrogen: A Novel Treatment Strategy in Kidney. Retrieved from Karger
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Frontiers. "Reactive Oxygen Species (ROS)-Responsive Biomaterials for the Treatment of Bone-Related Diseases." Frontiers.
Hindawi. "Reactive Oxygen Species and Oxidative Stress in Vascular-Related Diseases." Hindawi.
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Wikipedia contributors. (2024, March 22). Oxidative stress. In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 08:59, May 24, 2024, from https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Oxidative_stress&oldid=1214958780