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自由基產生及清除系統簡介

Muting Functional Medicine
2023年9月8日
讀畢需時 6 分鐘

已更新：4月14日

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，自由基會不斷產生與清除，以維持生理平衡。例如，當自噬細胞啟動時，會透過「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，顯示自由基在健康狀態下是有其正面功能的。

自由基在免疫系統的角色

「爆炸性氧化作用」（Respiratory Burst）是人體免疫系統中的一項關鍵機制，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，會迅速產生大量的反應性氧化物質（ROS），如超氧陰離子與過氧化氫等。這些高度反應性的氧化物質能有效地殺死或抑制病原體。當白血球被激活時，氧氣消耗急劇上升，進而引發一連串酶促反應，釋放大量自由基，快速執行清除病原的任務。

然而，當自由基的產生超過身體抗氧化能力時，便會導致氧化壓力，進而損傷細胞結構，包括蛋白質、脂質與核酸。長期氧化壓力與多種疾病密切相關，如心血管疾病、神經退行性疾病與老化。

自由基的本質與破壞機制

自由基傾向於搶奪其他分子的電子，進而破壞健康細胞，誘發慢性發炎，促進細胞老化或凋亡。為維持健康，人體需保持自由基與抗氧化劑之間的平衡。透過飲食攝取豐富抗氧化物質，如維生素C、E與多酚類等，有助於降低氧化壓力、保護細胞與組織。

自由基毒性 — By Dan Cojocari - Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46529393

目錄：

自由基的生成

活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是在體內代謝過程中產生的反應性分子，包括超氧陰離子（O₂⁻）、過氧化氫（H₂O₂）、羥自由基（·OH）與單態氧（¹O₂）等。這些分子含有未配對電子，因此極不穩定，具有高度反應性。

ROS雖有破壞性，但在適量情況下也具重要生理功能，例如訊號傳遞與免疫防禦功能。自由基的來源可分為內源性與外源性，無論其來源，若過量產生都會引起氧化壓力，損傷細胞與器官功能。

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

線粒體是活性氧的最大來源。在細胞呼吸中，電子經由呼吸鏈從營養物質傳遞至氧氣，形成水。然而，約1–2%的氧在此過程中形成超氧陰離子（O₂⁻）。這些超氧陰離子主要來自於複合物I與III電子外洩後與氧結合所產生。

酶促反應

黃嘌呤氧化酶：參與嘌呤代謝，產生超氧陰離子與過氧化氫。
NADPH氧化酶：廣泛存在於免疫細胞，負責在呼吸爆發時產生超氧陰離子以對抗病原體。
脂氧合酶與環氧合酶：參與脂質代謝與發炎反應，生成ROS作為訊號傳導分子。

外源性ROS的產生機制

環境因素如空氣污染（臭氧、重金屬）、紫外線、電磁波、吸煙與某些化學藥品均可誘發ROS產生。飲食中攝入過量鐵或銅也會促使芬頓反應（Fenton reaction）發生，產生高反應性的羥自由基。

Fenton反應在慢性發炎與多種疾病（如動脈硬化、癌症、神經退行性病變）中扮演角色，為氧化壓力的重要來源。

自由基的消除

體內維持氧化還原平衡，仰賴內源性與外源性清除機制協同作用。前者包括酶與非酶抗氧化系統；後者則可透過飲食、補充劑等方式外援抗氧化劑，幫助中和環境誘導之自由基。

內源性ROS的清除機制

抗氧化酶

超氧化物歧化酶（SOD）：將O₂⁻轉化為H₂O₂。
過氧化氫酶（CAT）：分解H₂O₂為水與氧氣。
谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）：利用谷胱甘肽（GSH）將H₂O₂與有機過氧化物還原為水與醇。

非酶抗氧化劑

谷胱甘肽（GSH）：三肽分子，能中和ROS並再生其他抗氧化劑。
維生素C與E：C為水溶性，E為脂溶性，分別在細胞質與細胞膜發揮保護作用。
β-胡蘿蔔素與類胡蘿蔔素：擅於清除單態氧，特別在光照條件下發揮保護效果。

其他機制

Nrf2訊號途徑：氧化壓力升高時，Nrf2脫離Keap1抑制，進入細胞核，誘導抗氧化酶表達。
自噬作用：可降解受損線粒體，降低ROS持續產生。

外源性ROS的清除機制

維生素C與E：作為直接清除劑，廣泛存在於蔬果與堅果中。
氫分子（H₂）：體積小，可自由穿梭細胞膜，具選擇性清除羥自由基與過氧亞硝酸根的能力。
穀胱甘肽、β-胡蘿蔔素、植物多酚與類黃酮：來自食物的天然抗氧化劑，能提供額外保護。
微量元素如硒與鋅：作為抗氧化酶的輔酶，強化清除能力。

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可氧化LDL，形成泡沫細胞與動脈斑塊。
高血壓：ROS損傷血管內皮，干擾一氧化氮合成，導致血管收縮。

神經退行性疾病

阿茲海默症：神經元脂質與DNA氧化損傷與β-類澱粉蛋白堆積相關。
帕金森症：黑質神經元中ROS過量造成多巴胺神經元凋亡。

糖尿病及其併發症

糖尿病：高血糖引發ROS上升，破壞胰島β細胞。
糖尿病腎病變：氧化壓力促進腎臟結構纖維化與功能惡化。

癌症

致突變與促進癌化：ROS能造成DNA氧化損傷與基因突變。
促進腫瘤微環境：ROS可活化HIF-1α，增強腫瘤血管新生與轉移能力。

呼吸系統疾病

COPD與哮喘：空污與吸煙增加肺部ROS，促發慢性炎症與氣道反應。

自體免疫疾病

類風濕性關節炎、紅斑性狼瘡：ROS造成細胞損傷，活化免疫反應，引發組織破壞。

#自由基　＃抗氧化　＃氫分子

自由基常見問答 FAQ

自由基是什麼？為什麼會對身體有害？

自由基是體內帶有未成對電子的分子，具有高度反應性。它們可能會攻擊細胞膜、蛋白質與DNA，導致細胞老化甚至疾病，但少量的自由基也有助於免疫防禦與細胞訊號傳遞。

自由基從哪裡來？每天都會產生嗎？

是的！我們的身體每天都會產生自由基，來源包括：細胞產生能量時（線粒體活動）、免疫細胞對抗病菌，以及空氣污染、抽菸、紫外線、壓力等外在因素。

氧化壓力是什麼？為什麼大家都說它不好？

氧化壓力是指自由基過多、抗氧化劑不足，造成細胞受損的狀態。長期氧化壓力會促進老化、增加心血管病、癌症、糖尿病等慢性病風險。

抗氧化劑真的能幫助清除自由基嗎？

是的。抗氧化劑能「中和」自由基，避免細胞受損。體內會自行製造一些抗氧化酶；外在來源則包括維生素C、E、β-胡蘿蔔素、綠茶多酚等食物營養素。

我該怎麼在生活中減少自由基產生？

保持良好生活習慣是關鍵：避免抽菸、少油炸、減少暴露在污染與強烈陽光下，多運動、攝取天然蔬果與抗氧化營養素，都有助於降低自由基的產生。

氫氣吸入對自由基有幫助嗎？

根據部分研究，氫氣具有選擇性清除有害自由基（如·OH），並有抗發炎作用。雖仍屬研究階段，但已有不少初步證據顯示對於健康管理有潛力。

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

Biomedicines. Clinical Use and Treatment Mechanism of Molecular Hydrogen in the Treatment of Various Kidney Diseases including Diabetic Kidney Disease. Retrieved from MDPI