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衰老的“游离基理论”错了吗? 精选

已有 9486 次阅读 2013-3-10 13:16 |系统分类:科普集锦| office, style, center, 衰老, 游离基

衰老的“游离基理论”错了吗?

 

“长生不老”是人类自古以来的愿望。人类有远超过其它动物的生活条件和精神生活,自然想尽量长久地享受这一切。生活优裕的人自然希望长命百岁,就是处境艰难的人,也想活得更长来改变自己的命运,以及给后代创造更好的条件。

 

古代皇帝令人炼制的“仙丹”已经证明不是长寿的妙药,弄不好还会送命。不过人类寻求这类“长寿仙丹”的努力一直没有停息过,近年来对于衰老机制的研究更是不遗余力。生命科学的许多研究成果,都会被人当作延缓甚至阻止衰老的突破口,包括DNA的修复机制、端粒酶、与胰岛素有关的信号传递链,以及衰老的“游离基理论”等等。其中为多数人接受的就是衰老的“游离基理论”。

 

这种理论认为,外源(如辐射)和内源(主要是通过新陈代谢)产生的游离基,或“活性氧”,能够修改和破坏我们身体里面的各种分子。我们的身体里面虽然有一整套机制来对抗这些“活性氧”,但是这种防御不是百分之百有效的。总会有分子如脂肪酸,蛋白质,和DNA受到伤害。日积月累,这些被破坏的分子就会越来越多,造成身体的各种功能下降,导致衰老。科学实验也证明,我们的身体里面确实有被“活性氧”破坏的分子,而且它们的数量随着年龄而增高。

 

既然我们身体里面的防御机制不是百分之百有效,那么从外面补充各种“抗氧化剂”,也许就能延缓衰老的进程。在这种思想指导下,许多人去摄取各式各样的“抗氧化剂”,包括维生素C、维生素Eb-胡萝卜素等等。市场上关于“抗氧化”的宣传更是随处可见。

 

然而,近年来许多科学研究的结果,包括数次世界范围的,大规模的对“抗氧化剂”效果的试验却表明,这些“抗氧化剂”并没有延缓衰老的作用。在一些情况下,这些物质还会缩短人的寿命,增加癌症的发生率。这些结果使人感到困惑:难道“游离基理论”错了吗?我们还需要补充“抗氧化剂”吗?为了回答这些问题,我们需要更详细地了解衰老的“游离基理论”及其形成的过程。

 

人为什么会变老?

 

人要想“长生不老”,自然就会去想人为什么会变老,这样才能有办法来延缓或者阻止衰老的进程。最朴素,最直接的想法就是把生命过程比作物质的消耗和工具的使用。

 

比如古人从灯油的消耗速度中发现,灯芯越粗,火苗越大,灯油消耗得也越快。人的生命也如灯油,“火苗”越大(劳作越多),老得就越快。所以中国春秋时期的思想家老子(约公元前600年出生)就说“人生有期,百年为限。节护之者,可至千岁。如膏之用,小炷与大耳。”(见南梁时期陶弘景(456-536)所著《养性延命录》上卷中的《教诫》篇)。这里“膏”即点灯用的油脂,“炷”即灯火。所以要想长寿,就要减少不必要的消耗,“形不过用,精不过欲,体不过疲,情不过纵”。《黄帝内经》里的《上古天真论》中也主张“食饮有节,起居有常,不妄作劳”。这个“不妄作劳”看来就有“把生命省着用”的意思。

 

在西方,希腊的哲学家亚里士多德(Aristotle384 BC – 322 BC)也说,小火消耗物质慢,所以燃得久,而大火很快就烧完了(A lesser flame is consumed by a greater one, for the nutriment, to wit the smoke, which the former takes a long period to expend is used up by the big flame quickly)。

 

与人的衰老相类似的现象是工具的使用。许多工具都会在使用过程中逐渐被用坏,而且用得越多,使用强度越大,工具也坏得越快。比如衣服和鞋袜,少穿就用得比较久,穿得越多,坏得越快。汽车也一样:一年跑两万公里的,报废的速度就比一年跑两千公里的要快。

 

在把人的寿命与其它哺乳动物的寿命相比较时,人们发现,体型越小的动物寿命越短。比如大鼠(rat)和小鼠(mice)的寿命只有两、三年,狗可以活十几年,牛和马可以活30年左右,大象则可以活到60年或更长。1908年,德国的生理学家Max Rubner 1854-1932)比较了豚鼠、猫、狗、牛、马和人的寿命,并且计算了这些动物消耗的能量,发现每克组织在一生中消耗的总能量基本相似。虽然有一些差别(不包括人时数值相差1.9倍,包括人时差别为5.1倍),但是考虑到这些动物的体重差别达1000倍左右(豚鼠为400-500克,牛为400-500公斤),这些动物在一生中单位组织消耗的能量还是相当接近的。

 

这个结果自然使人想到,豚鼠生命短,是因为它消耗能量太快了。这个速度也反映在这些动物的心率(每分钟心脏跳动的次数)上面。比如豚鼠的心率为每分钟300次左右,小鼠更高达每分钟500-600次,猫为每分钟110-130次,而牛每分钟只有50-80次。

 

这些事实和上面说的“用得多则坏得快”的想法是一致的。在这些结果的基础上,人们提出了“生命速率学说”(Rate of living theory),即动物一生单位重量的组织消耗的能量大体相近;新陈代谢的速率越高,动物老得越快。

 

对这种现象的一个解释是简单的几何因素,即体重(与线度成立方关系)变大时,身体表面积(与线度成平反关系)并不按比例增大。所以对于体重大的动物,单位重量的组织所“分”到的身体体表面积就越小。比如动物的体重加倍时,皮肤面积只增加60%左右(58.75%,即22/3次方减1)。如果所有的动物都有相似的新陈代谢速率,大的动物就有散热不足的问题。有人计算过,如果马的新陈代谢速率和小鼠一样,那么马的皮肤温度要高到100度才能把新陈代谢所产生的热量散掉。反过来说,小的哺乳动物由于相对表面积大,单位组织就要消耗更多的能量才能保持体温。这就像一碗热汤,它凉得就比一锅汤要快。

 

2007年,澳大利亚Wollongong大学的A.J.Hubert收集和比较了267种哺乳动物的体重(公斤),基础(休息时)的新陈代谢的速率(千焦耳/公斤体重/天),最长寿命(年),以及计算所得出的每种生物一生消耗的总能量(百万焦耳/公斤),证实了Rubner的结果,并且得出了这些参数之间的平均数值关系。

 

按照Hubert的分析结果,哺乳动物体重和基础代谢率的关系是,

 

基础代谢率 = 227 x 体重-0.31

 

也就是基础代谢率按体重的负0.31次方减少。体重每增加一倍,基础代谢率降低约20%。牛的体重是豚鼠的1000倍,这样计算出来的牛的基础代谢率就应该是豚鼠的12%左右。

 

哺乳动物的预期寿命和体重的关系是:

 

预期寿命 = 10.2 x 体重0.22

 

也就是预期寿命按体重的0.22次方增加。体重每增加一倍,预期寿命增加16% 这样算下来,牛的预期寿命应该是豚鼠的4.6倍,和实际的比值相近(豚鼠的寿命为6-8年,牛为30年左右)。

 

由于基础代谢率和体重的关系,与预期寿命和体重的关系是相反的,而且幂的数值相近(-0.310.22),在计算哺乳动物一生消耗的总能量(基础代谢率x 预期寿命)时,这两个参数在很大程度上互相抵消,使得消耗总能量随着体重变化的程度很小(只有-0.09),也就是体重每增加一倍,单位组织的总能量消耗只减少约6%

 

这些统计结果看上去支持“生命速率学说”,也就是各种哺乳动物,尽管体重相差很大,一生中单位重量的组织消耗的总能量是大致恒定的。能量消耗越快,预期寿命越短。

 

不过要注意,这里列出的数值只是几百种哺乳动物的平均值,是很粗略的。动物之间的实际差异可以很大。比如在这几百种哺乳动物之间,一生之中单位重量的组织消耗的总能量可以相差17倍之多。

 

有些动物实验似乎也支持“生命速率学说”。比如可以自由飞翔的家蝇(housefly)和果蝇(Drosophila)的寿命,就没有被保持在无法飞翔状态下的家蝇和果蝇的寿命长。在较低温度下生活的果蝇(Drosophila)活得也比在较高温度下生活的果蝇久。

 

衰老的“游离基理论”

 

“生命速率学说”能够在总体上解释体重、新陈代谢速率、以及它们和寿命之间的关系,但是却缺乏具体的分子机制,即新陈代谢的速率是如何具体影响寿命的。“游离基理论”的出现则提供了一个看似完美的解释。

 

游离基(radicals)是带有“未配对电子”的原子、原子团和分子。它们一般具有高度的化学反应性,能与许多分子发生化学反应。由于它们的“寿命”一般很短,在长时期中没有人认为游离基能够在人体内存在,或者和衰老有什么关系。

 

这个情形由于美国科学家Denham Harman1916年出生)的想法和工作而发生了改变。在加州大学伯克利分校(UC Berkeley)工作期间,他注意到原子弹和X射线的辐射能在人和动物的身体内产生游离基,同时缩短人和动物的寿命。当时人们已经知道,富含“抗氧化剂”的食物能减轻放射线的危害,这使他去思考游离基是否与衰老有关。为了验证他的这个想法,他给受到射线照射,从而寿命很短的小鼠喂各种“抗氧化剂”,包括2-硫代乙醇胺(2-mercaptoethylamine),发现这些物质能够延长这些小鼠的寿命30%左右。

 

随后的研究发现,游离基不仅可以由外部的原因(如射线)产生,它还是人体正常新陈代谢的“副产品”。只要动物进行“有氧呼吸”,游离基就会产生。游离基,由于它们高度的化学反应性,能够与细胞膜上的脂肪分子,蛋白质分子和DNA发生反应,破坏这些分子。

 

这这些事实的基础上,Harman确信游离基是人和动物衰老的原因,提出衰老的“游离基理论”。

 

用“游离基理论”来解释衰老现象符合衰老过程的几个特点:

 

一是衰老的原因是内源性的。在同样的生活环境下,不同的动物有不同的平均寿命,说明是动物自身的原因控制了寿命的长短。而游离基正是在身体内部产生的。

 

二是引起衰老的因素是终身起作用的,因此衰老是一个渐进的过程。每位老人都知道他们的面容和身体状况是如何在几十年的时间当中缓慢而持续地变化的。游离基是伴随着新陈代谢的过程产生的,终身持续不断。

 

三是引起衰老的作用是破坏性的。它引起身体各种机能的退化。游离基的作用也是破坏性的。他破坏身体里面的各种分子,引起细胞、组织和器官功能的退化。

 

四是衰老过程一般是不可逆的。年过花甲的身体不可能再恢复到20岁时的身体。游离基所引起的损害也是积累性的。

 

由于游离基是新陈代谢的“副产品”,新陈代谢的速率越高,游离基产生得也越多。这就可以解释前面谈到的体重、新陈代谢率和寿命的关系,因为身形小的动物新陈代谢速率高,产生的游离基也多,它们老化就更快,也就是寿命相对较短。

 

随后的研究发现,对人体有害的不仅是游离基(包括“超氧化物”O2-,和“氢氧游离基”OH·等等),还有非游离基的“过氧化物”,比如“过氧化氢”H2O2。所有这些化合物都含有氧,化学性质活泼,所以衰老的“游离基理论”又可以称为衰老的“活性氧物质”(reactive oxygen species,简称ROS)理论。不过这两种名称现在都还在使用,它们的实际意义也基本相同。为了与“抗氧化”的说法对应,我们下面使用“活性氧”这个名称来指具有破坏性的含氧物质,包括游离基和非游离基。

 

这个理论提出后,得到许多科学研究结果的支持。再加上这个理论形象易懂,它就逐渐为大多数人所接受。“活性氧”是“坏”的,“抗氧化剂”是“好”的,这样的想法几乎已经成为大家的共识,而且有许多人“身体力行”,经常服用“抗氧化剂”,希望能改善自己的健康状况,延长自己的寿命。下面我们就先谈谈支持这个理论的证据。

 

我们的身体对游离基的“防御系统”

 

如果“活性氧”是“坏”的,那我们的身体就不应该对游离基的破坏作用“放任不管”,而“应该”有对付它们的“防御系统”。实际情形也真的是这样。

 

我们的身体里有多种化学反应可以产生“活性氧”。比如长链脂肪酸在“过氧化体”(peroxisome)中被氧化时,就会产生过氧化氢。不过我们身体里面产生“活性氧”的地方主要是在“线粒体”(mitochondria)中。

 

“线粒体”是细胞里面的“发电厂”,它“燃烧”食物中的物质如葡萄糖和脂肪酸,把它们氧化成二氧化碳和水,在此过程中释放出来的能量则用来合成“高能化合物”ATP (化学名称“三磷酸腺苷”)。 “燃烧”的过程不是像在发电厂的锅炉里面那样,直接让燃料与氧反应,而是先把“燃料”上的氢原子“脱”下来,让氢原子里面的电子沿着一条“电子传递链”移动,一路释放能量,最后才与氧结合生成水(想详细了解这个过程的读者,可以参看我在本博克里面的另一篇文章《人体内“烧”氢的“发电厂”》)。

 

“线粒体”有两层膜,外膜与内膜,“电子传递链”位于内膜上。电子在传递过程中,必须要经过一种叫做“泛醌”(ubiquinone)的物质。它在被氧化的状态下叫做“醌”(用Q代表),被两个氢原子还原后叫“氢醌”(hydroquinone QH2)。通过这样反复地被还原和氧化,电子就被传递下去。

 

但是从“醌”到“氢醌”不是“一步到位”的,而是先接受一个电子,形成“半醌”(semiquinoneQH·)。问题就出在这里。这个“半醌”本身就是游离基,性质不十分稳定。虽然被结合于蛋白质上受到“保护”,但是还是可以被氧分子“钻空子”,把它上面的那个电子“抢”过来,形成“超氧化物”O2-。这是线粒体中“活性氧”形成的最初过程。

 

据估计,在“线粒体”消耗的氧中,约有0.1%变成了“超氧化物”。这个比例看上去不大,但是如果考虑到人每天要消耗大约750克氧气(500-600升),那么每天产生的“超氧化物”就是0.023克分子。如果不被消灭掉,它在细胞里面的浓度可以达到0.5毫摩尔(mM)左右。这是一个可观的浓度。

 

“超氧化物”是极为活泼的,能迅速和其它分子发生反应。比如它能攻击“不饱和脂肪酸”,形成“超氧化脂肪酸”。而“超氧化脂肪酸”本身又是游离基,又可以和其它分子发生反应,形成破坏性的链式反应。它也可以攻击蛋白质分子中氨基酸的“侧链”,破坏蛋白质分子的功能。它还攻击遗传物质DNA,造成“碱基”(相当于遗传密码的“字母”)改变和链断裂。如果任其到处破坏,细胞的结构和功能很快就会被摧毁。

 

对付“超氧化物”的是一类蛋白质,叫做“超氧化物歧化酶”(superoxide dismutase,简称SOD)。它们能把“超氧化物”变成“过氧化氢”(H2O2)和氧。

 

2O2- + 2H+   ——〉  H2O2 + O2

 

这是我们的身体对于“活性氧”的第一道防御,但是仅有一种SOD还不够。

 

氧是可以从线粒体内膜的两边与“半醌”反应,生成“超氧化物”的。由于生成的“超氧化物”带负电,不容易通过线粒体内膜,位于内膜这边的SOD“管”不了内膜那边的“超氧化物”,于是线粒体准备了两种SOD。一种含有铜和锌,叫“铜锌超氧化物歧化酶”(Cu/ZnSOD),位于线粒体的内膜和外膜之间,以及在细胞质中,叫做SOD1。另一种含有锰,叫做“锰超氧化物歧化酶”(MnSOD),位于线粒体内膜的内侧,叫做SOD2。还有第三种SOD 位于细胞之外,叫做SOD3,负责“清理”细胞外生成的“超氧化物”。它也含有铜和锌,但是蛋白质结构和SOD1不同。所以光是对付“超氧化物”,细胞就“层层设防”,这本身就表示“超氧化物”是有害的。

 

“超氧化物”的问题有办法解决了,可是它的产物,“过氧化物”仍然属于“活性氧”。“过氧化氢”的水溶液叫做“双氧水”,具有很强的氧化性能,对身体仍然有害。所以我们的身体里不但有“超氧化物歧化酶”,还有“过氧化氢酶”(catalase 简称CAT),它可以把“过氧化氢”变为氧和水:

 

2H2O2  ——〉  2H2O + O2

 

在一般情况下,哪里有SOD,哪里就有CAT,“就近处理”SOD产生的“过氧化氢”。

 

除了CAT外,细胞还有其它酶可以“消灭”“过氧化氢”,比如“谷胱甘肽过氧化物酶”(glutathione peroxidase,简称Gpx),“硫氧化还原蛋白过氧化物酶”(peroxireducxin,简称Tpx)等等。所以对于“过氧化氢”,细胞也是“层层设防”,以降低它的浓度,减少伤害。

 

以上所有这些清除体内“活性氧”的酶都可以称为“抗氧化酶”。它们的活性一般都很高。比如SODCAT都是活性非常高的酶,只要“活性氧”到达它们的“反应中心”,就会立即被“销毁”,限制因素只是这些“活性氧”扩散到这些酶的时间。但是酶也有一个“缺点”,就是因为它们是蛋白质,体积通常很大(相对“活性氧”而言),比如SOD1就是一个“二聚体”,分子量32500。这就使得这些“抗氧化酶”无法到达细胞里面所有的“犄角旮旯”。相反,“活性氧”分子量很小(比如“超氧化物”的分子量只有32),可以“见缝就钻”,到处“藏匿”,“抗氧化酶”不可能把“藏”在各个角落里的“活性氧”都“抓住”。

 

除了“抗氧化酶”以外,我们的身体里面还有一些非酶的“抗氧化剂”,比如抗坏血酸(维生素C)、生育酚(维生素E)、b-胡萝卜素等等。它们的分子量比较小,能够到达“抗氧化酶”去不了的地方,与“活性氧”反应。由于这些化学反应不是由酶催化的,速度比酶反应慢得多(慢1000倍以上)。在它们发生作用前,有一些“活性氧”就已经完成它们的“破坏作用”了。

 

因此,我们的身体里面虽然有众多的“抗氧化酶”和“抗氧化剂”,它们也不能把“活性氧”百分之百地消灭掉。总会有一些“活性氧”对细胞造成伤害。细胞里的“修复”机制,比如用完整的脂肪酸来替换被氧化了的脂肪酸,把受损的蛋白质“降解”掉,修复被损坏的DNA等,可以在很大程度上修复被“活性氧”造成的伤害,但是修复机制也不是百分之百有效,伤害还是会逐渐积累,造成细胞的功能下降。

 

体内“活性氧”浓度的变化对寿命的影响

 

SODCAT和体内其它“抗氧化酶”与“活性氧”作用,产物是氧和水。由于这样产生的氧和水与人每天消耗的氧和水的数量相比微不足道,说明这些酶的作用并不是为细胞提供必要的物质,而是消除“活性氧”的作用。这也间接说明“活性氧”的作用很可能是有害的。

 

但是要更有力地证明“活性氧”是引起衰老的原因,最好的办法是变化体内“活性氧”的浓度。如果增加“活性氧”的浓度能加速衰老,或者减少“活性氧”的浓度能延缓衰老,那就是对衰老的“游离基理论”的直接证明。

 

分子生物学技术的出现使人们可以用“超量表达”(overexpression)的办法来增加体内“抗氧化酶”的量,或者用“基因敲除”(knock out)的办法来除去一个或多个“抗氧化酶”的基因。从理论上讲,对“抗氧化酶”的“超量表达”应该增强动物对抗“活性氧”的能力,减少体内游离基的数量,延缓衰老,延长寿命;而“敲除”“抗氧化酶”的基因则应该降低动物对抗“活性氧”的能力,增加体内游离基的数量,加速衰老和缩短寿命。

 

但是“活性氧”的寿命很短,直接测量它们的浓度比较困难,可以用体内各种分子被“活性氧”氧化的产物的多少来间接推断体内游离基的多少。这些产物包括“羰基化”的蛋白质(protein carbonyl),“8-氧脱氧鸟苷”(0-oxo-2deoxyguanosineDNA被“活性氧”氧化的产物),以及“异前列腺素”(isoprostanes,脂肪酸被“活性氧”氧化的产物)。

 

这些氧化产物的名称比较奇怪,需要解释一下。“羰基”是由以两个“化学键”(又叫“双键”)相连的碳原子和氧原子组成的基团(C=O)。这样的“羰基”在蛋白质分子中赖氨酸、精氨酸、脯氨酸和组氨酸的“侧链”中本来不存在,是“活性氧”攻击这些“侧链”所形成的,所以可以作为“活性氧”破坏蛋白质分子的指标。“8-氧脱氧鸟苷”中的头一个“氧”,是指“活性氧”在“鸟苷”(由“鸟便嘌呤”和“脱氧核糖”组成)中第8位的碳原子上面加上一个氧原子,是DNA受到氧化伤害的标志。而后面的“脱氧”来自“鸟苷”的组成成分“脱氧核糖”,是正常成分。“异前列腺素”是“花生四烯酸”被“活性氧”氧化后形成的带环状结构的分子,在结构上类似“前列腺素”,所以叫“异前列腺素”,它是脂肪酸被“活性氧”氧化的一个指标。

 

另一个间接的办法是测定“抗氧化酶”的浓度变化后,细胞对“活性氧”的抵抗能力的变化。如果“抗氧化酶”真的有保护细胞免于“活性氧”攻击的作用,提高“抗氧化酶”的浓度就应该使细胞更加能对抗“活性氧”的作用,反之亦然。测定这种抵抗能力的方法就是给细胞一种物质,人为地提高细胞内“活性氧”的浓度,再观察在什么浓度下这种物质能把细胞杀死。如果细胞抵抗“活性氧”的能力增加,就要用更高浓度的这种物质才能杀死这些细胞。

 

在衰老实验中常用的这种物质就是“百草枯”(paraquat)。它是一种除草剂,被人和动物吸入后,会造成肺损伤。研究表明,“百草枯”在体内得到一个电子后(从NADPH得到)可以和氧分子发生反应,形成“超氧化物”。它还可以和“超氧化物”反应,生成“过氧化氢”。因此“百草枯”可以在动物实验中人为地提高细胞中“活性氧”的浓度,可以用来测定细胞对游离基的抵抗能力。

 

许多实验结果与衰老的“游离基理论”所预期的一致。比如把小鼠的SOD1基因“敲除”以后,血浆中“异前列腺素”的浓度增加了23倍,说明脂肪酸被“活性氧”氧化程度增加了。与此同时,DNA和蛋白质的氧化产物也增加。部分“敲除”SOD2基因(只“敲除”两个SOD2基因中的一个)也使脂肪酸,蛋白质和DNA的氧化增加,细胞对“百草枯”的抵抗力也下降。“敲除”小鼠的“谷胱甘肽过氧化物酶”(Gpx)的基因也会造成脂肪酸的氧化增加,对“百草枯”的敏感性也升高。这些结果都说明“抗氧化酶”的确有减少“活性氧”,保护细胞的作用。

 

研究“活性氧”浓度对动物寿命的影响的一些实验也符合衰老的“游离基理论”。比如“敲除”果蝇的SOD1的基因使果蝇的寿命缩短80%,而“超量表达”SOD1基因可以延长果蝇的寿命40%。在小鼠(mice)中,“敲除”SOD1的基因也缩短寿命30%,并且使小鼠提前出现与年龄相关的疾病,如听觉丧失、视网膜黄斑病变、白内障等等、以及肝癌的发生率增加。

 

去除SOD2基因的后果更为严重。用“RNA干扰技术”(RNAi)降低果蝇SOD2基因的表达,或者“敲除”果蝇的SOD2基因,都会严重影响果蝇的寿命。“敲除”小鼠的SOD2基因使小鼠出生后很快死亡。由于SOD2位于线粒体内,是“活性氧”产生的地方,这些结果说明SOD2的保护作用对于这些动物的存活是绝对必要的。

 

这些实验结果都表明,“活性氧”对于动物的健康和寿命是有害的,也可能是引起衰老的原因。在世界范围内,衰老的“游离基理论”被多数人认为是已经被证明了的理论。既然如此,延长我们寿命的一个重要途径看来就是“抗氧化”,即尽量减少我们身体里面“活性氧”的数量。

 

不过在目前,还没有安全有效的办法来增加我们体内“抗氧化酶”浓度的方法,比较可行的就是从外面补充各种“抗氧化剂”,包括维生素C,维生素Eb-胡萝卜素等等。在美国,有52%的人经常服用维生素制剂。人们也相信,富含“抗氧化剂”的食物,比如蔬菜和水果,也是对身体有好处的。

 

与衰老的“游离基理论”相矛盾的事实

 

虽然衰老的“游离基理论”有大量的实验结果支持,但是仔细想想,也发现有另外一些事实与这个理论相矛盾。

 

比如运动会增加能量消耗,同时也增加“活性氧”的产生。按照“生命速率说”,静止或少动的生物应该活得更长。不许飞的苍蝇的确比可以自由飞翔的苍蝇活得长。但是在人身上这个办法却不成立:好活动的人身体更健康,寿命更长。这个结果也在小鼠试验中得到证实。最为活动,因而消耗能量最多的小鼠,比那些最不活动的小鼠寿命长36%

 

小狗的基础代谢率比大狗高,心跳也比大狗快。小狗的心率可以快到每分钟150次,而大型狗的心率可以慢到每分钟50次。按说小狗的寿命应该比大狗短才是,但在实际上,小狗比大狗活得长。

 

蚂蚁的“王后”和工蚁都是雌性,它们的遗传物质也相同。但是“王后”可以活28年,工蚁却只能活1~2年。然而,“王后”体内SOD1的水平却比工蚁要低。

 

鸟类每单位重量的组织在休息状态下消耗的能量平均是哺乳动物的1.44倍,但是鸟的寿命比重量相同的哺乳动物平均几乎长一倍(1.93倍)。

 

“限食”可以延长许多动物的寿命,包括线虫(C. elegans)、果蝇(Drosphila)和小鼠(mice),但是并不降低这些动物的新陈代谢率,也不降低动物体内“活性氧”的数量。

 

乌贼和鲑鱼产卵后就很快死亡,“活性氧”的作用也不会突然就把动物杀死啊。它们的死亡更像是某种程序控制的,而不是“活性氧”的破坏作用。

 

最令人困惑的是对维生素功效的试验。虽然维生素制剂已经出现许多年了,大家也都相信吃维生素的好处,包括它的“抗氧化”作用。不过作为科学工作者,还是要看到实际数据心里才踏实。但是几十年来数次在世界范围的大规模试验,却发现维生素并没有延长寿命的效果。

 

维生素对人体寿命和疾病的影响不是很容易测定的,需要长时期,大规模的随机对照实验。即便如此,也有一些研究设计不当(比如缺乏适当的对照、人数不足、时间不够等等),或者实验者本来就有偏见(比如已经认为维生素有效或无效),所以不是所有的研究报告都是可靠的。要得到可以信赖的结论,最好的办法不是看单篇文献,而是把有关的文献全部收集起来,剔出那些有偏见,设计不当的报告,再对符合标准的文献进行综合评估(meta-analysis),这就是Cochrane综合评定(Cochrane review),是一种疗法是否有效的权威标准。Cochrane已故英国流行病学家Archie Cochrane 19091988),Cochrane 系统评价机构是按照他生前的倡议,于1993年在英国成立的非盈利性国际评价协作网,目前在100多个国家(包括中国)有超过1万名协作员。

 

2007年,丹麦哥本哈根大学的Cochrane机构评估了68个对“抗氧化剂”的随机对照试验,涉及232606人,共385篇研究报告。他们从中挑选了质量最高的47个试验,涉及180938人。对这些报告的综合分析表明,维生素(ACEb-胡萝卜素)没有延长寿命的效果。相反,一些维生素还会增加死亡率(约5%)。其中维生素A、维生素Eb-胡萝卜素和死亡率的增加有关。

 

2012年,塞尔维亚的Cochrane机构评估了78个对“抗氧化剂”的随机对照实验,其中对健康人的研究有26个,涉及215900人,对有各种疾病的人的研究52个,涉及80807人。评估结果与2007年的相似,即维生素ACEb-胡萝卜素对降低死亡率均没有效果,反而轻度升高(百分之几)死亡率。

 

同时,科学家们也综合评估了“抗氧化剂”对各种具体疾病的预防效果,包括肝脏疾病(病毒性肝炎、肝脏自体免疫性疾病、酒精肝、肝硬化)、黄斑病变、白内障、骨关节炎、风湿性关节炎、感冒、肺癌、皮肤癌、胃癌、肠癌、前列腺癌、心血管疾病、肺炎、老年痴呆症、男性不育、先兆子痫、流产等等,都没有发现“抗氧化剂”有预防这些疾病的功效。

 

在有的情况下,“抗氧化剂”还会显著增加癌症的发生率。1996年,位于美国西雅图的Hutchinson癌症中心研究了维生素Ab-胡萝卜素对吸烟者,前吸烟者,以及接触石棉者患肺癌几率的影响。他们的试验涉及18314人。在平均四年的观察以后,他们发现维生素Ab-胡萝卜素不仅不能减少肺癌的发生率,反而增加这些人肺癌的发生率28%

 

如果说这些对“抗氧化剂”大规模试验的结果出乎人们的预料,近年来一些对动物研究的结果更是与衰老的“游离基理论”相冲突。

 

比如源于东非的裸鼠(naked mole rats),体型和小鼠差不多,寿命却是小鼠的8倍,最长可以活30年。它们对癌也有高度的抵抗性。但是裸鼠肝脏中“谷胱甘肽”的氧化程度却比小鼠高,尿中“异前列腺素”的量是小鼠的十倍,肝和肾中蛋白质和DNA的氧化程度都比小鼠高。这些指标说明裸鼠体内的“活性氧”造成的分子损伤比小鼠要严重。

 

美国德克萨斯大学Arlan Richardson 18种方式“敲除”小鼠的“抗氧化酶”,包括SOD1基因(全“敲除”),SOD2基因(半“敲除”,因为全“敲除”是致命的),Gpx1基因(全“敲除”),Gpx4基因(半“敲除”),MsrA基因(“硫氧蛋氨酸还原酶A”,修复被氧化的蛋氨酸,全“敲除”),Trx2基因(“硫氧化还原基因2,修复被氧化的半胱氨酸,半“敲除”)以及它们的各种组合。只有SOD1基因全“敲除”的小鼠寿命缩短约三分之一,其余的“基因敲除鼠”的寿命完全不受影响。

 

不用基因“敲除”的方法,而是“超量表达”SOD1SOD2 CAT以增加小鼠对抗“活性氧”的破坏作用,也不能延长小鼠的寿命。

 

线虫(C. elegans)虽然是低等动物,却有5SOD。加拿大McGill大学的Sirgfried Hekimi将这5SOD全部“敲除”,线虫对“百草枯”的敏感度大幅度升高(在0.1 mM“百草枯”浓度时寿命只有正常线虫的三分之一),但是在没有“百草枯”时,它们的寿命却和正常的线虫没有什么不同。单独“敲除”SOD2基因在果蝇和小鼠中是致命的,但是却能延长线虫的寿命。

 

线虫中线粒体蛋白质的一种突变(nuo-6)会使线粒体产生的“超氧化物”增加。奇怪的是,这些线虫的寿命却比普通线虫长70%。更奇怪的是,给这些突变体线虫“抗氧化剂”(“乙酰半胱氨酸”,N-acetyl-cysteine,简称NAC)来对抗“超氧化物”时,这些线虫延长的寿命反而消失了,又回到和正常线虫一样的寿命。

 

用低浓度的“百草枯”(0.01mM0.1mM)处理线虫,线虫的寿命随着“百草枯”的浓度增加而延长,最多可以长58%。同样奇怪地,在用“抗氧化剂”NAC处理后,“百草枯”延长寿命的效果又消失了。

 

以上结果表明,体内“活性氧”的浓度和衰老速度之间,并没有普遍的因果关系。对线虫的研究结果更表明,升高的“活性氧”,只要浓度不太高,反而能延缓线虫的衰老。这就提出了一个问题,“活性氧”是纯粹的“坏蛋”,还是有“好”的一面?衰老的“游离基理论”到底是对还是错?

 

硫化氢作为舒张血管物质的启示

 

对线虫的研究中,有一个现象非常值得注意,就是用不同浓度的“白草枯”处理线虫时,线虫的寿命先是随“白草枯”浓度的增加而延长,在0.1mM时寿命最长,然后再变短,在0.5mM以上时缩短寿命,而不是像衰老的“游离基理论”预期的那样,线虫的寿命只是随着“百草枯”的浓度增加而单方向地越变越短。

 

即使是在0.01mM0.1mM低浓度区间,线虫体内的“活性氧”也显著增加,表现为蛋白质的羰基化程度上升。这说明在低“百草枯”浓度下线虫寿命的延长是在体内“活性氧”浓度增加的情况下发生的。这个情况使我们不得不重新思考衰老的“游离基理论”:也许“活性氧”浓度的“适度”提高对身体有益?

 

在思考这个问题时,有必要回顾一下地球上“有氧呼吸”的历史。

 

地球上的“有氧呼吸”已经有非常长的历史。在大约23亿年以前,由于能进行光合作用的微生物(比如蓝绿藻cyanobacteria)释放氧气的作用,使得大气中的氧含量明显增加。这使得以氧为电子受体的能量代谢成为可能。产生氧气的蓝绿藻本身也具有和线粒体里的电子传递链类似的电子传递途径,把氧还原成水,所以蓝绿藻也能进行“有氧呼吸”来产生合成ATP所需要的能量。

 

它的电子传递链里也用醌作为电子载体,不过不是线粒体里面的“泛醌”ubiquinone,而是化学结构稍有不同的“质体醌”(plastoquinone),其功效与泛醌类似。在传递电子的过程中。“质体醌”也会产生“半醌”,这样产生的“半醌”也会与氧反应产生“超氧化物”。为了对抗“超氧化物”,蓝绿藻已经具有SOD。这说明“氧化”与“抗氧化”的斗争在20多亿年前就开始了。

 

人体细胞里面的线粒体是由远古时代能进行“有氧呼吸”的细菌被真核细胞“俘获”演变而来的,所以里面“氧化”和“抗氧化”也已经有很长的历史。在这么长的进化过程中,难道生物的身体对“活性氧”就只有“被动抵抗”,而不会“主动利用”?

 

在这个方面,硫化氢是一个很好的例子。硫化氢是剧毒的气体,万分之五的浓度就会使我们呼吸困难,万分之八的浓度就能致命。而且它非常臭,像鸡蛋坏了时发出的气味。谁想得到硫化氢对我们的身体还有“好处”呢?

 

但是近年来的研究却发现,哺乳动物(比如小鼠、牛、和人)的血管就能生产硫化氢。用小鼠进行的实验表明,血管里产生的硫化氢和一氧化氮一样,可以使血管松弛扩张,使血压降低。“敲除”小鼠体内生产硫化氢的酶(“胱硫醚g裂解酶”,cystathionine g lyase,简称CSE),小鼠就会患高血压。给这些小鼠注射含有硫化氢的液体,小鼠的血压就下降。硫化氢还可以保护处于缺血状态的细胞,延长这些细胞的生命。

 

有趣的是,让线虫在低浓度的硫化氢中生活,它们的寿命可以延长70%左右。这说明连低等动物都有利用“硫化氢”为自己服务的能力

 

这种“正面利用”硫化氢的能力,大概是在5亿5千万年前就开始形成。那时由于地球上大规模的火山爆发,释放出大量的二氧化碳,导致大气中氧浓度下降,使进行“有氧呼吸”的生物大量死亡。与此同时,不需要氧的生物,如绿色硫细菌(green sulfur bacteria),却大量繁殖,产生硫化氢,导致“二叠纪”的物种大灭绝。据估计,大约95%的海洋生物和70%的陆地生物因此灭绝。

 

硫化氢虽然对生物是灾难,但是存活下来的生物却发展出了“正面利用”硫化氢的能力,包括上面说的舒张血管,降低血压。除了硫化氢,我们身体还利用另一种毒性气体——“一氧化碳”(“煤气中毒”的元凶)来松弛血管。它由降解“血红素”的酶(“血红素氧合酶”Haeme oxygenase 1,简称HO-1)所产生,对细胞有保护作用。

 

“有氧呼吸”的历史比生物与硫化氢“斗争”的历史要长得多,进行“有氧呼吸”的生物更有可能发展出“正面利用”“活性氧”的机制。

 

“活性氧”的“正面作用”

 

生物“正面利用”“活性氧”的例子,当然最明显的就是用“活性氧”来攻击敌人。淋巴细胞(如巨噬细胞,嗜中性粒细胞等)在吞食侵入身体的微生物以后,会在“吞食包”中通过酶反应产生“活性氧”,将微生物杀死。这是典型的“以毒攻毒”,用“活性氧”来对付敌人。有没有利用“活性氧”为自己正常的生理活动服务的例子呢?

 

1908年,德国科学家Otto Warburg1931-1970)发现,海胆的卵受精后,耗氧量会大量增加,形成所谓的“耗氧爆发期”(oxygen burst)。研究表明,一种叫“海胆双氧化酶”(Sea Urchin dual Oxidase 1, 简称Udx1)的蛋白质,利用氧来产生“过氧化氢”。用化学物质抑制Udx1,或者用抗体结合于Udx1,受精卵中的细胞就停止分裂。用低浓度(10mM)的“过氧化氢”可以使一些细胞恢复分裂。这说明“过氧化氢”为海胆受精卵的发育所必需。

 

“活性氧”由于化学性质非常活泼,在细胞里的“寿命”很短,一般都立即和附近的分子发生反应而消失(这也是“抗氧化酶”不能完全消灭它们的原因)。相比之下,“过氧化氢”是比较稳定的。而且由于它不带电,可以容易地穿过细胞内的膜系统(比如线粒体的膜),扩散到细胞内的其它地方,因而可以对细胞的生理活动发挥更广泛的影响。由于同样的原因,外加的“过氧化氢”也可以穿过细胞膜,到达细胞内部,因而可以用来研究“活性氧”浓度变化对细胞的影响。

 

实验表明,当“过氧化氢”的浓度在50微摩尔(50mM)或以上时,细胞就停止生长,到1000mM1mM)时,细胞就会死亡(一般通过“自杀”,即“程序性死亡”apoptosis的方式)。这说明高浓度的“活性氧”对细胞是有害的,符合衰老的“游离基理论”。

 

但是,在低浓度(0.001mM 10mM,但不超过10mM)下,“过氧化氢”却可以促进细胞的生长和增殖。比如在1mM的浓度下,“过氧化氢”可以刺激仓鼠(Hamster)成纤维细胞(BHK-21细胞)的生长。0.001mM1mM浓度的“过氧化氢”也可以刺激晶状体中成纤维细胞的增殖。

 

低浓度(从0.01mM开始)的“过氧化氢”能够促进人血管壁中平滑肌细胞进行“有丝分裂”。加入能分解“过氧化氢”的CAT,刺激作用就消失,说明是“过氧化氢”的作用。加入对抗“碱性成纤维细胞生长因子”(basic fibroblast growth factor,简称bFGF)的抗体,这个刺激作用就消失,说明这个刺激作用是通过bFGF的作用。

 

把从牛的主动脉提取的内皮细胞(endothelial cells)埋藏于两层胶原蛋白之间以观察这些内皮细胞形成血管的能力,结果发现低浓度的“过氧化氢”(0.1mM1mM)能够刺激内皮细胞生长和迁移,形成管状物。同样,CAT可以抑制这种刺激作用。在这些浓度下,“过氧化氢”也能够增加“转录因子”(控制基因“开关”的蛋白质)ETS-1的表达,也许“过氧化氢”对血管生成的刺激作用部分是通过“上调”ETS-1来实现的。

 

低浓度的“过氧化氢”是如何刺激细胞生长和分裂的,即细胞最初是如何“接收”到“过氧化氢”发出的“信号”的,细胞里面有没有专门与“过氧化氢”作用的“受体”,现在还不清楚。有可能“过氧化氢”通过氧化某些蛋白质中氨基酸(主要是“半胱氨酸”)的侧链,改变蛋白质分子的性质,从而改变细胞里面的生理活动。

 

比如“蛋白酪氨酸激酶”(protein tyrosine kinase,简称PTK,在蛋白质的酪氨酸侧链上加上一个磷酸根)在细胞的信号传递中起非常重要的作用,包括细胞增殖和分化。另一个酶,叫“蛋白酪氨酸磷酸酶”(protein tyrosine phosphatase,简称PTP)。它的的作用与PTK相反,是把酪氨酸残基上面的磷酸根去掉。所以PTPPTK“一正一负”,一起控制信号的传输。

 

PTP的化学反应中心有一个“半胱氨酸”残基,由于它特殊的局部环境,比较容易被“过氧化氢”所氧化,失去催化能力。PTP的活性下降,就会增加PTK的作用,所以“过氧化氢”可以通过这条途径影响细胞里面的信号传输和生理调节。

 

也许由于类似的作用,“过氧化氢”也可以修改其它信号传递系统中蛋白质分子的性质,从而对细胞的活动起到调节作用,其中包括刺激细胞的修复功能。

 

为什么低浓度的“活性氧”对身体有好处?--“小冲击理论”(Hormesis

 

上面的结果说明,“活性氧”不完全是“坏东西”,在适当的浓度下,它们对身体还有“好处”。我们的身体已经“学会”了如何利用“活性氧”的这些“正面作用”。

 

火是危险的东西,火灾能造成生命财产的重大损失,但是人也学会了控制火和利用火,把火变成我们的生活中必不可少的东西。同样,“一氧化碳”和“硫化氢”是毒物,在比较低的浓度下就能对我们的健康造成伤害,甚至致人死亡,但是我们的身体也“学会”了如何利用它们来为我们的身体服务。“游离基”在生命的历史中已经有二十多亿年,我们也可以想象我们的身体也“学会”了如何“正面”地利用“游离基”。

 

人虽然和机器一样,也会在“使用”的过程中逐渐“磨损”和老化,但是人和机器的不同之处就在于人体有防御各种压力和冲击,主动修复自己的能力。一些看似有害的外部和内部刺激,如果比较“适度”,反而能“上调”身体的防御和修复系统,给身体带来好的后果。

 

按照这种想法,有人提出了“小冲击理论”(Hormesis),即通过让身体受到一些低强度的有害刺激,来取得对身体有利的结果。其理论是,对身体小的压力或冲击会增强身体的抵抗能力,包括修复机制,所以对其它的伤害也有修复作用。

 

这个想法得到了一些事实的支持。比如在低温下生活的果蝇固然可以活得更久(符合“生命速率理论”),但是多次,短时间的热处理(相当于让果蝇“发高烧”)也会延长果蝇的寿命。热处理人皮肤的成纤维细胞(一星期两次,每次411个小时)能增加细胞里面的热休克蛋白(heat shock proteins)的数量,增加蛋白酶体(proteosome,其功能是除去不再需要的,或者已经受损的蛋白质)的活性,提高它们对辐射和乙醇的抵抗性等等。

 

高浓度的乙醇对线虫有害,但是低浓度(1mM,即0.005%)的乙醇能使线虫的寿命加倍。“白草枯”能杀死线虫,因为它能在线虫体内产生“活性氧”。但是我们在前面提到过,低浓度的“百草枯”却能延长线虫的寿命。

 

体育锻炼造成的能量消耗增加以及随之而来的“活性氧”产生的增加对于身体也是一种冲击。但是这样的冲击看来能使身体的抵抗力更强,人活得更久。

 

限食,包括定期或不定期的禁食(所谓“辟谷”),也可以看作是“小冲击理论”的应用之一。我们的身体把食物的欠缺当作是一场“危机”,做出多方面的调整,使得能量的使用更加有效,修复系统工作更有效率等等。我们的祖先也认识到“小冲击”对于健康的重要性,认为生活中有“三分饥寒”对于健康是有好处的,而饱食和舒适的生活则容易使人生病。用冷水洗澡、冬泳(相当于“冷处理”)、“桑拿”(相当于“热处理”),如果使用得当,也是增进人健康的方法。

 

我们体内产生的“活性氧”也可以看作是对身体的一种“冲击”。只要浓度不太高,它们也能提高身体的活力和抵抗力。

 

所有这些“小冲击”是如何产生对身体有利的结果的,现在还不完全清楚,但是细胞的“自体吞噬”作用(autophage)看来在其中起重要作用。我们身体里面的细胞虽小,却也有“自我清扫”和“自我更新”的能力。“自体吞噬”就像细胞里面的“回收站”,把不用和已经损坏的细胞器和蛋白质进行回收。不能用的就销毁,还能用的“部件”(比如氨基酸)就再“循环使用”。“自体吞噬”的活动旺盛,细胞里面的“废物”就比较少。这是细胞自我更新,保持健康的重要机制。

 

许多对身体的“小冲击”都能增强“自体吞噬”作用。比如让小鼠运动后,细胞里的“自体吞噬”活动就明显增加。细胞里“活性氧”的适度增加,可能也会增加细胞“自体吞噬”的活力,并且连其它原因造成的细胞损伤一起消除,使细胞的寿命延长。

 

我们需要补充“抗氧化剂”吗?

 

上面列举的事实表明,“活性氧”和衰老的关系远不是原来想的那么简单,“活性氧”也不是纯粹的“坏蛋”。原先对于“抗氧化”的单方向想法(即“抗氧化行动”越多越好)也需要重新考虑。

 

衰老的机制至今仍然是没有解决的问题,虽然已经有众多的假说理论在。“游离基理论”显然不能解释许多与衰老有关的现象和科学实验的结果。到底“活性氧”是不是生物衰老的主要原因,它们在衰老过程中起多大的作用,现在还没有肯定的答案。

 

但是有一点看来是比较清楚的,就是大量补充各种“抗氧化剂”(以药片的方式,比如维生素E片)没有必要。对这些“抗氧化剂”进行的多次大规模的试验已经证明它们没有“抗衰老”和预防许多疾病的作用,在有的情况下甚至可以增加癌症发生率,缩短寿命。只要我们的饮食均衡,食物品种多样化,我们一般是不会缺乏这些“抗氧化剂”的。为了防止个别维生素缺乏(不一定是“抗氧化”的),隔几天吃一片维生素片未尝不可,但是不需要天天吃,更不能过量吃。

 

吃维生素片也不能代替蔬菜和水果。我们对于人体需要的物质并不完全了解,完全有可能蔬菜和水果含有我们尚不知道的,对人的健康有益的物质。这些物质的作用也不一定是“抗氧化”。

 

客观世界常常比我们想象的要复杂。在人类认识事物的过程中,也经常会有“简单化”和“一面倒”的情况。这是人类认识过程中的正常现象。一旦发现的事实揭示出了事物新的一面,我们的思想和行动也应该做相应的调整。

 

 

推荐参考文献:

 

Hulbert AJ, Pamplona R, Buffenstein R, Buttemer WA (2007) Life and Death: Metabolic rate, Membrane composition, and Lifespan of animals. Physiol Rev, 87:1175-1213.

 

Yang W, Hekimi S (2010) A mitochondrial superoxide signal triggers increased longevity in Caenohabditis elegans. PLoS Biology, 8(12):e1000556

 

Gems D, Doonan R (2009) Antioxidant defense and aging in C elegans, Is the oxidative damage theory of aging wrong? Cell Cycle, 8(11):1681-1687.

 

Moyer MW (2013) The myth of antioxidants, Scientific American, February, 62-67.

 

De Magalhaes JP, Church GM (2006) Cells discover fire: Employing reactive oxygen species in development and consequences for aging. Opinion/Experimental Gerontology, 41:1-10.

 

Rui Wang (2010) Toxic gas, life saver. Scientific American, March, 66-71.

 

 

 

初稿完成于201338,洛杉矶

 

 

 



http://blog.sciencenet.cn/blog-582158-668948.html

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