目前學(xué)術(shù)界認(rèn)為，氫氣選擇性抗氧化是氫氣發(fā)揮生物學(xué)作用的基礎(chǔ)。選擇性抗氧化的理論根據(jù)自由基生物學(xué)研究基礎(chǔ)，就是在認(rèn)可自由基增加可造成生物分子氧化損傷的同時，重視自由基生理調(diào)節(jié)作用。
根據(jù)自由基活性和毒性不同，將細胞內(nèi)多種自由基分為弱活性自由基和強活性自由基兩大類，選擇性抗氧化就是只針對有毒強活性自由基選擇性中和的抗氧化方式。選擇性抗氧化的物質(zhì)的特點是還原性比較弱，不能直接中和弱活性自由基，只能中和強活性自由基反應(yīng)。研究證明，氫氣就是能選擇性中和羥基自由基這種最強毒性自由基的抗氧化劑。
在自由基生物學(xué)研究歷史上，科學(xué)家很早就認(rèn)識到自由基并不是單純有毒的物質(zhì)，而是重要的信號調(diào)節(jié)基礎(chǔ)，關(guān)于自由基信號作用，關(guān)于SOD的發(fā)現(xiàn)和研究歷史，就是這一研究歷史上比較重要的內(nèi)容。
選擇性抗氧化的含義：自由基是雙面分子，會導(dǎo)致細胞損傷，但也是功能分子，選擇性抗氧化是在保留自由基功能基礎(chǔ)上，減少氧化損傷一種抗氧化新理念。這種理念已經(jīng)獲得大量基礎(chǔ)和臨床研究證據(jù)。
上世紀(jì)30年代，Mann和Keilin從牛紅細胞和肝臟中分離到一種含銅藍色蛋白質(zhì)，將這種蛋白質(zhì)命名為血銅蛋白。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了含鐵和錳的同類蛋白質(zhì)，開始科學(xué)家不清楚這些蛋白質(zhì)有什么功能。超氧陰離子是一種自由基，也是30年代，美國化學(xué)家Linus Pauling研究放射線處理水過程中發(fā)現(xiàn)，射線誘導(dǎo)超氧陰離子產(chǎn)量依賴于水中氧氣濃度。后來通過脈沖射線技術(shù)，放射化學(xué)家確定超氧陰離子共軛酸的pKa，分析了超氧陰離子自身歧化反應(yīng)動力學(xué)性質(zhì)，確定了超氧陰離子的吸收光譜。但Pauling并不知道，這種超氧陰離子在生物體系也存在，更不清楚這種自由基會傷害組織細胞。也許正是因為這一點，Pauling教授后來對維生素C情有獨鐘，估計是對自己研究的自由基沒有聯(lián)系到生物學(xué)上的一種遺憾。
1969年，Irwin Fridovich和學(xué)生Joe McCord近一步優(yōu)化了這種蛋白的純化方法，確定血銅蛋白具有超氧陰離子歧化酶活性，根據(jù)這一功能將這類蛋白命名為超氧化物歧化酶SOD。根據(jù)Fridovich回憶，這一發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確時間是在1968年，這一年是一個多事之秋，新年伊始，越南戰(zhàn)場就展開了春季攻勢；4月著名美國黑人活動家馬丁路德金被暗殺；6月眾議員羅伯特·肯尼迪被暗殺。就在馬丁路德金博士被暗殺當(dāng)天，4月4日，美國杜克大學(xué)酶動力學(xué)實驗獲得重要結(jié)果，使Joe M. McCord和Irwin Fridovich發(fā)現(xiàn)一種新的蛋白酶，根據(jù)其活性命名為SOD，SOD的獨特作用是清除超氧陰離子自由基。雖然研究技術(shù)借助于放射化學(xué)，不過研究超氧陰離子的物理化學(xué)家們（Pauling教授？）不認(rèn)可這一發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為生物系統(tǒng)不可能存在超氧陰離子，也不認(rèn)為細胞內(nèi)會存在能催化超氧陰離子歧化反應(yīng)的酶。隨著越來越多的證據(jù)證明這一發(fā)現(xiàn)的正確性，最終這一發(fā)現(xiàn)被廣泛接受。
和其他學(xué)科交流氫氣醫(yī)學(xué)效應(yīng)，遇到最難說服的就是化學(xué)家，他們認(rèn)為，身體內(nèi)存在大量還原性遠超氫氣的還原性物質(zhì)，例如肝臟組織內(nèi)的谷胱甘肽，氫氣無論如何都比不過這些物質(zhì)，怎么會產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)？這是典型用化學(xué)來理解生物學(xué)的看法，雖然生物學(xué)一定有化學(xué)基礎(chǔ)，但生物學(xué)是高于化學(xué)的領(lǐng)域，生物學(xué)不是簡單化學(xué)。氫氣產(chǎn)生生物學(xué)作用是化學(xué)難以理解，或者沒有弄清楚的內(nèi)容。這正是氫氣醫(yī)學(xué)值得繼續(xù)研究的前提。但用不好解釋來否定現(xiàn)象就和當(dāng)時否定SOD同樣可笑了。醫(yī)學(xué)要循證但不循理就是沒有辦法完全弄清楚機理造成。
McCord和Fridovich首先在美國實驗生物學(xué)會聯(lián)會會議上口頭報告，隨后1969年以分析技術(shù)形式發(fā)表在JBC雜志上，所以許多文獻將1969年作為SOD發(fā)現(xiàn)的時間。不久通過凝膠電泳發(fā)現(xiàn)有更多類型的SOD。SOD很快成為明星，成為所有金屬蛋白酶和氧化還原酶相關(guān)國際會議的必選主題。開始5年，SOD研究分化成兩大主題，一是關(guān)于SOD的化學(xué)研究，主要是酶學(xué)研究，另一個是生物學(xué)研究，主要是細胞和亞細胞分布和活性研究。
根據(jù)含有不同金屬離子，可將SOD分成許多類型，例如銅／鋅、鐵／錳和鎳SOD。銅／鋅SOD是真核細胞最常見的類型，幾乎所有細胞都存在。最早從牛紅細胞中純化的就是這種類型，這種蛋白是兩個32.5 kDa同源二聚體。1975年，牛銅／鋅SOD的結(jié)構(gòu)被解析，是由8個b折疊結(jié)構(gòu)，活性中心位于折疊區(qū)之間。兩個亞單位依靠疏水性和靜電作用緊密結(jié)合，6個組氨酸和1個天冬氨酸側(cè)鏈分別和兩個金屬離子結(jié)合，一個組氨酸在兩個金屬離子之間。鐵或錳SOD一般分布在線粒體內(nèi)。
SOD發(fā)現(xiàn)具有非常重要的意義，一方面首次確定自由基和機體的密切聯(lián)系，另一方面使自由基生物學(xué)研究擺脫了昂貴儀器束縛，在普通生化實驗室就能開展研究，從此自由基生物學(xué)從生物物理學(xué)領(lǐng)域迅速擴展到生物化學(xué)、細胞生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，由于這一突出貢獻，Fridovich和McCord曾經(jīng)在1982年成為諾貝爾獎候選人。SOD的發(fā)現(xiàn)，也給生物學(xué)家提供了發(fā)現(xiàn)重要生物分子并闡述功能的研究范式。比較成功的例子是1973年，Bernard Babior發(fā)現(xiàn)白細胞吞噬細菌時可通過NADPH氧化酶呼吸爆發(fā)產(chǎn)生大量超氧陰離子。這給人們深入理解NADPH氧化酶基因缺陷引起慢性肉牙腫提供了基礎(chǔ)。正是這一發(fā)現(xiàn)，打開了重新評價超氧陰離子生理功能的大門，不僅給人們從開始認(rèn)為SOD是自由基清除功能轉(zhuǎn)變?yōu)?SPAN style="BOX-SIZING: border-box !important; WORD-WRAP: break-word !important; FONT-SIZE: 14px; MAX-WIDTH: 100%; FONT-FAMILY: 宋體; COLOR: red; PADDING-BOTTOM: 0px; PADDING-TOP: 0px; PADDING-LEFT: 0px; MARGIN: 0px; PADDING-RIGHT: 0px">自由基平衡調(diào)節(jié)功能的看法奠定了基礎(chǔ)，而且關(guān)于氧化還原信號的概念正是起源于這一認(rèn)識�；钚匝跏悄芰看x副產(chǎn)物，總產(chǎn)量大約為氧氣消耗總量0.1%-0.2%，信號效應(yīng)肯定不是唯一功能。生物進化過程中，不僅逐漸形成了完善的氧化應(yīng)激對抗系統(tǒng)，也將氧化還原信號變成能影響基因表達和酶活性調(diào)節(jié)的有效工具。
Fridovich是杜克大學(xué)生物化學(xué)教授，1969年首先發(fā)現(xiàn)銅／鋅SOD的酶活性后，再接再厲，又確定了線粒體內(nèi)存在錳SOD。他用細菌長期從事SOD酶活性分析以及超氧陰離子毒性研究，確定了SOD作為對抗超氧陰離子毒性的關(guān)鍵作用。根據(jù)谷歌學(xué)術(shù)的數(shù)據(jù)，Fridovich教授的文章被引用高達5萬多次，超過1000次的論文有7篇，H指數(shù)為97。他關(guān)于SOD的發(fā)現(xiàn)，極大地促進了自由基生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，是自由基生物醫(yī)學(xué)的奠基性發(fā)現(xiàn)。由于他在SOD研究方面的突出貢獻，他是美國科學(xué)院和科學(xué)藝術(shù)學(xué)院院士，曾擔(dān)任國際氧氣學(xué)會和自由基生物醫(yī)學(xué)學(xué)會主席。
雖然SOD是細胞內(nèi)非常重要的功能分子，但SOD并沒有受到藥物研究領(lǐng)域的重視。原因一方面是這些分子難以跨過細胞膜，無法達到發(fā)揮作用的部位，另一方面是隨著研究深入，科學(xué)家逐漸認(rèn)識到超氧陰離子雖然有毒，但本身具有十分重要的功能，SOD是調(diào)節(jié)超氧陰離子水平的關(guān)鍵分子，如果人為干擾SOD活性，不僅無法實現(xiàn)解毒目的，還會導(dǎo)致細胞功能紊亂。盡管如此，仍有少數(shù)人堅信SOD能作為治療疾病的藥物，并不斷進行研究，也有科學(xué)家針對這種蛋白的功能，開發(fā)出一些小分子SOD替代物。
關(guān)于SOD蛋白的早期研究，一般容易忽視的是60年代Huber從牛肝臟中分離出一種蛋白，他命名為Orgotein，證明這種蛋白具有抗炎癥效應(yīng)。不過1973年Bernard Babior證明炎癥反應(yīng)過程中，炎癥細胞可以通過呼吸爆發(fā)大量產(chǎn)生自由基，說明炎癥也是一種氧化應(yīng)激，理論上可以解釋Huber的發(fā)現(xiàn)。
SOD的發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致自由基生物學(xué)建立，開始學(xué)者認(rèn)為自由基是危害機體健康的有毒分子，認(rèn)為SOD是清除自由基的重要分子。隨著研究深入，尤其呼吸爆發(fā)等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，人們逐漸明白自由基也具有生理功能，免疫細胞正是利用自由基殺滅細菌，自由基平衡的概念逐漸被確認(rèn)。隨著對自由基功能研究的深入，發(fā)現(xiàn)生物體內(nèi)存在多種多樣自由基類型，這些自由基大部分都具有生理作用。例如一氧化氮就具有十分廣泛而重要的生理效應(yīng)，人們關(guān)注的重點逐漸從氧化損傷向氧化應(yīng)激，并逐漸過渡到氧化信號，雖然針對氧化損傷的研究依然十分重要，但對氧化信號和氧化調(diào)節(jié)的研究才是逐漸全面認(rèn)識自由基生物學(xué)效應(yīng)的更符合邏輯的方向。
活性氧小知識：SOD“解毒”作用。超氧陰離子和過氧化氫都屬于活性氧，SOD的作用是催化超氧陰離子轉(zhuǎn)化為過氧化氫和氧氣，在總數(shù)量上減少了一半。另外超氧陰離子作為離子，無法自由穿過細胞膜，容易在局部積聚，局部濃度過高會導(dǎo)致對周圍大分子的氧化損傷，過氧化氫是非極性分子，可以自由穿過細胞膜，很容易在組織內(nèi)跨細胞擴散，這是一種比較理想的稀釋解毒方式。最后，過氧化氫也可以在過氧化氫酶催化下變成水和氧氣，徹底被轉(zhuǎn)化為安全分子。 |
