博文

JERP | 抗氧化剂，预防疾病保护健康

已有 382 次阅读 2024-10-15 15:54 |系统分类:论文交流

本文“Antioxidants for the Prevention and Treatment of Non-communicable Diseases”在期刊Journal of Exploratory Research in Pharmacology上发表。

投稿：2022年3月10日；修回：2022年5月19日；接受：2022年6月8日；上线：2022年7月6日

QQ图片20241015152342.png

文章导读

各种应激使植物和动物产生过多的超氧自由基，这些超氧自由基具有明显的毒性，从而对组织造成伤害，导致疾病的发生。抗氧化剂可以通过对抗自由基来预防疾病来。抗氧化剂分为天然和合成两大类。水果、蔬菜和香料中的天然抗氧化剂可以食用，而合成抗氧化剂是在实验室中通过化学过程产生。近期发表在Journal of Exploratory Research in Pharmacology(JERP)上的一篇题为“Antioxidants for the Prevention and Treatment of Non-communicable Diseases”的论文（https://www.xiahepublishing.com/2572-5505/JERP-2022-00028）广受关注，文章综述了天然和合成抗氧化剂的来源、药理作用、应用和前景。抗氧化剂可以通过抑制氧化反应和产物预防如衰老和炎症过程、肿瘤、肾脏和肝脏疾病、冠心病、白内障、肾脏中毒和神经系统疾病。此外，饮食中的抗氧化剂还具有预防氧化应激相关疾病的能力。

Part1. 抗氧化剂的来源及其分类

抗氧化剂是减缓或防止生物体内目标分子的氧化损伤的制剂。它们是人体以及水果和蔬菜中的次要元素。为了避免脆弱的底物被氧化，植物创造了一系列可重新标记的抗氧化剂，如生物碱、酚类、维生素C和E。抗氧化剂还通过防止细胞和组织损伤来充当清道夫。预防过程、修复机制以及物理和抗氧化剂的防御都有助于细胞抵御过量的自由基。

抗氧化剂广义上可以分为天然和合成。这种分类取决于其来源，即由生物体产生或在实验室中合成。然而，根据它们的生物活性（酶性和非酶性）、可溶性（水溶性和脂溶性）和大小（小分子和大分子），它们又被进一步细分为更小的类别（图2）。还有其他的分类，如内源性和外源性抗氧化剂；初级和二级抗氧化剂。酶促性抗氧化剂通过将有害的氧化产物转化为过氧化氢来分解和清除自由基，而过氧化氢在辅助因子的存在下通过过氧化氢酶进一步代谢为水。非酶性抗氧化剂抑制自由基的再激活。水溶性抗氧化剂，如维生素C可以在细胞中找到，如胞浆和胞膜。而维生素E、硫辛酸、和类胡萝卜素是脂溶性抗氧化剂，主要存在于细胞膜中。在自由基清除过程中，小分子抗氧化剂清除ROS并将其运走。另一方面，大分子抗氧化剂清除ROS并阻止它们破坏其他重要的蛋白质。

QQ图片20241015152751.png

图1 抗氧化剂的分类

内源性抗氧化剂是由人体制造的抗氧化剂，而外源性抗氧化剂是通过人的饮食补充获得。然而，内源性和外源性的抗氧化剂可以协同工作，以维持或建立氧化还原平衡。此外，初级抗氧化剂与氧化剂（自由基）相互作用，将其转化为更稳定、不反应的产物。

抗氧化剂被认为是通过两种不同的方式发挥作用。第一个机制是断链反应，其中主要的抗氧化剂给现有的自由基一个电子。第二步包括中和引发链的催化剂，从而去除ROS（二级抗氧化剂）。抗氧化剂还通过一系列过程影响生化途径；即释放电子、螯合金属离子、共同调节抗氧化剂和基因组。

经常食用抗氧化剂将有助于消除体内自然产生的自由基，从而通过减少癌症、糖尿病、白内障、肾毒性、冠心病以及肝脏和肾脏疾病等非传染性疾病的机会来提高健康水平。抗氧化剂还可以保护皮肤免受阳光照射的干燥、皱纹、紫外线引起的皮肤癌和阳光引起的皮肤水肿，因此有必要宣传抗氧化剂的医学重要性或优势。

Part.2 自由基、氧化应激与疾病

氧化应激是自由基生成增加或抗氧化剂数量减少的结果。氧化应激导致自由基和抗氧化剂的失平衡。自由基是不稳定的，与其他物质反应时具有高度的活性。此外，代谢途径产生自由基，可以破坏碳水化合物、脂质、蛋白质和核酸。此外，自由基的积累损害了蛋白质、脂质和DNA的生物成分，因为它分解了DNA的单链和双链，降解了含氮碱基，并将DNA与蛋白质转化和交叉连接。这些受损的DNA修饰可以加速衰老，并导致神经退行性疾病、致癌性疾病、自身免疫性疾病、心血管疾病和其他疾病（图3）。因此，自由基可以使蛋白质的骨架及其侧链氧化，这将与它们的功能团发生反应，产生羰基。通过破坏细胞膜，自由基还可以分解肽键，氧化氨基酸，以及导致脂质过氧化。因此，自由基在体内的积累可能引发一系列非感染性疾病。因此，抗氧化剂有助于将它们保持在体内的最低浓度。

QQ图片20241015153105.png

图2 氧化应激与疾病

Part.3 抗氧化剂及其作用机制

抗氧化剂的防御能力因物种而异，但具有普遍性。因此，氧化反应是生命所必需的，因为它有助于维持人体的复合结构，但它如果不加控制地进行，也可能是有害的。氧化是一个化学过程，会产生大量的ROS，从而导致一系列的连锁反应，破坏细胞。因此，各种非生物因素会增加体内的ROS数量，从而导致组织损伤和疾病。抗氧化剂可以中和ROS，以防止或治疗与氧化应激有关的疾病。它们可以中和自由基，对维持最佳细胞功能至关重要。此外，它们通过防止新自由基的形成、捕获自由基以防止连锁反应以及修复自由基造成的损害，对保护生物系统至关重要。

防御系统中的抗氧化剂在多个层面上运作，包括预防、抗自由基、修复以及适应。此外，抗氧化剂可以清除活性自由基，以防止连锁反应的启动和/或破坏连锁反应的传播过程。哺乳动物细胞的细胞膜和线粒体中的修复性抗氧化剂可以识别、分解和消除氧化损伤的蛋白质，从而防止氧化性蛋白质堆积。

Part.4 天然与合成抗氧化剂

天然抗氧化剂要么在人体内合成，要么从其他天然产物获得。天然抗氧化剂广泛存在于食品材料和药用植物中，并发挥了许多生物效应，从抗衰老、抗癌、抗炎到抗动脉硬化。它们是一些植物的重要组成部分。酚类化合物在结构上是多种多样的，简单的一些酚类物质除了具有抗氧化活性外，还具有抗菌活性，从而对食品的质地和味道产生影响。维生素E是一种脂质，包括生育酚和生育三烯酚，有四种异构体形式（α、β、γ和δ），但只有α-生育酚具有营养价值。α-生育酚可以在豆类和谷物中找到。蔬菜和水果也是类胡萝卜素的良好来源，但已知具有抗氧化活性的类胡萝卜素是β-胡萝卜素、α-胡萝卜素、叶绿素和叶黄素（图3），除了抗氧化活性，类胡萝卜素还被用作食品的着色剂。

合成抗氧化剂（图3）是化学反应产生的化合物，在自然界中不存在，但可以作为防腐剂添加到食品中，以抑制脂质氧化。由于天然抗氧化剂的不稳定性，合成抗氧化剂已被用于稳定脂肪和油，几十年来被用作人类食品的抗氧化剂。合成抗氧化剂通常用于食品生产，它们包括丁基羟基苯甲醚（BHA）、丁基羟基甲苯（BHT）、丙基棓酸盐（PG）和叔丁基氢醌（TBHQ）。此外，2-萘酚（2NL）、4-苯基苯酚（OPP）和2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-DA）是水果和蔬菜中最常用的抗氧化剂。然而，尽管合成抗氧化剂仍然被用于保存食品，研究人员已经提出了关于使用它们的安全问题。这些健康问题与长期摄入合成抗氧化剂有关，包括引发某些疾病。

QQ图片20241015153657.png

图3 水果中一些酚类和合成抗氧化剂的化学结构

Part.5 抗氧化剂的植物来源

植物是自然界中许多抗氧化剂的主要来源（图4）。根据以前的研究，这些抗氧化剂在植物中的积累是：1.正常的生理功能，以及对病原微生物和动物食草动物的保护；2.对环境压力条件的反应能力的建立。其中一些抗氧化剂在许多植物的叶子、果实、坚果和根部积累成彩色的色素。这些彩色色素，如β-胡萝卜素、叶黄素、番茄红素和玉米黄素，都是类胡萝卜素的初级或次级形式，在多叶蔬菜和水果中大量存在。例如，β-胡萝卜素在胡萝卜、多叶蔬菜、菠菜和西红柿中积累。叶黄素在绿叶蔬菜中积累，玉米黄质在菠菜中积累，而番茄红素在西红柿、西瓜、番石榴、粉红葡萄果和血橙中含量丰富。同样，研究表明，一些绿茶叶和草药是比蔬菜和水果更好的抗氧化剂。

另一种在植物中积累的抗氧化剂是维生素。众所周知，维生素A在甘薯中含量丰富，维生素C（抗坏血酸）在水果和蔬菜以及谷物中含量丰富，而维生素E（α-生育酚）在一些植物油中积累，如小麦胚芽油、大豆油和玉米油。来自牛至和丁香的精油被发现具有潜在的抗氧化剂，这可能是由于其高酚含量。例如，文化习俗、基因型和环境条件影响了番茄果实中番茄红素的积累。

QQ图片20241015154027.png

图4 天然来源生物活性化合物的抗氧化机制

Part.6 抗氧化剂的动物来源

动物或动物产品在自然界中不是抗氧剂的重要来源，因为与植物性抗氧化剂相比，它们的浓度较低。牛奶中的一些抗氧化剂，特别是酪蛋白，在消化成肽后，其抗氧化活性会增加。尿酸也可由微生物核苷酸的瘤胃分解形成，是一种重要的牛奶抗氧化剂。来自动物的抗氧化剂主要来自动物产品中富含蛋白质的化合物，这些化合物被来自动物或动物产品的一些微生物群的蛋白酶消化成肽。

Part.7 抗氧化剂的微生物来源

微生物群落可能包含自然界中最大的抗氧化剂库。这可能是由于细菌、真菌和微藻类物种的多样性。微生物的多样性和它们的代谢活动确定了产生各种生物活性化合物的多样化生物合成途径。"发酵"一词被用来描述由微生物生产各种化合物的过程。因此，发酵过程可以导致细胞内或细胞外产生生物活性化合物，这些化合物可以作为完整的全细胞或使用有机溶剂的无细胞提取物进行回收。此外，在细菌群落中，革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都有可能产生抗氧化化合物。然而，链霉菌属和乳酸菌可能在抗氧化剂生产方面更为突出。

超氧化物歧化酶（SODs）是由需氧微生物，如谷氨酸杆菌（Corynebacterium glutamicum）产生的高浓度的功能食品。益生菌（嗜热链球菌）和许多乳酸菌（乳酸菌属）作为完整的全细胞或无细胞提取物都是多种抗氧剂的极佳来源。据报道，链霉菌产生番茄红素，这是一种类胡萝卜素，可作为食品工业中的着色剂。微生物产生的抗氧化剂的浓度和活性取决于发酵过程的一些物理化学参数，以及用于抗氧化剂提取的有机溶剂的类型。

有无数的真菌物种可以产生抗氧化剂。包括丝状真菌，如曲霉属和青霉属。曲霉属和青霉属IFO5956含有一种生物活性化合物（2,3-二羟基苯甲酸），具有高抗氧化性。曲霉菌属和青霉菌属也能产生抗氧化剂，如柠檬酸、原儿茶酸、曲霉酸、阿托品和没食子酸。例如，一些发酵的大豆食品的甲醇提取物呈现出高活性的抗氧化剂化合物。

微藻类抗氧化剂与植物抗氧化剂相似，可能是因为两者在生理学和环境影响方面有相似的特点。例如，植物和微藻都通过光合作用的过程获得食物，并接受相同或类似的环境刺激，从而引发氧化应激。微藻类物种非常多样化，显然是自然界中最丰富的抗氧化剂来源。微藻类积累了不同类型的抗氧化剂，如多糖、类胡萝卜素、甾醇、维生素（A、C、D、K和E）、类黄酮、氨基酸、多不饱和脂肪酸、矿物质、硫酸化多糖、硫酸脂、肽、辅酶Q、植物蓝蛋白和cytonemin（蓝绿藻的来源）。尽管所有由微藻产生的抗氧化剂都没有被商业化，但其中一些被广泛生产的抗氧化剂具有很高的市场价值，包括叶黄素、虾青素和β-胡萝卜素。在环境压力下，每个微藻物种都是潜在的抗氧化剂来源，尽管抗氧化剂的浓度和类型取决于该生物体所遭受的压力类型。

相对而言，微生物抗氧化剂的生产在商业化方面比植物或动物资源更有前景。这一论断不仅仅是基于微生物产生的许多抗氧化剂，而且还基于优化的潜力，通过遗传、代谢和环境工程提高生产力。

Part.8 抗氧化剂的临床应用

药用植物是抗氧化剂和抗炎症化合物的重要来源，可用于不同疾病的治疗。表1总结了现有抗氧化剂的临床前和临床研究。天然抗氧化剂的不平衡导致来自许多环境和生物来源的自由基产生，这将导致广泛的炎症疾病。生物碱、多酚类、萜类和类黄酮是经过充分研究的具有抗炎活性的植物营养素含有这些植物成分的植物被用作抗炎剂。

在氧化损伤和致癌的进展中，有两个不同的机制。第一个机制是通过基因表达调节。基因表达的表观遗传变化可以刺激生长信号和增殖。自由基导致遗传变化，如突变和染色体构象变化，这可能有助于第二个机制中致癌的发生。抗氧化剂也可以作为抗癌剂，因为它们可以清除可能导致DNA构象改变、DNA/蛋白质交联和DNA损伤的自由基，导致细胞突变、转化和癌症。β-胡萝卜素作为一种抗氧化剂，可以防止癌症的发展。它的光保护活性可以防止紫外线引起的细胞损伤和癌症的发展，它的免疫力增强可能有助于防止癌症的发展。同样，维生素C可能有助于预防癌症，因为它具有强大的抗氧化活性，可以抑制亚硝胺的发展，增强免疫反应，并产生肝酶的解毒作用。此外，维生素E通过提高体液免疫再赞助、细菌感染抵抗力、细胞免疫力、炎症细胞产生的肿瘤坏死因子，以及抑制突变、DNA修复和微细胞的形成来提高免疫能力。

糖尿病是一种代谢紊乱，以相对或绝对的胰岛素分泌不足为标志，导致慢性高血糖和碳水化合物、脂质和蛋白质代谢异常，代谢紊乱引起各种并发症。此外，糖尿病与自由基形成的增加和抗氧化剂活性的降低有关，这也导致了ROS和抗氧化剂生成之间的不平衡，从而导致了细胞蛋白质、脂质和核酸的氧化性损伤。在糖尿病的发病过程中，抗坏血酸、谷胱甘肽和超氧化物歧化酶的低浓度是最普遍的抗氧化剂缺陷。因此，植物，特别是那些具有大量和有效的抗氧化剂化学品，可以治疗与氧化应激有关的疾病，如糖尿病。

此外，食用水果和蔬菜的抗氧化剂有助于心血管疾病的预防和治疗。由于抗氧化过程可以改变心血管疾病，它们有可能带来巨大的健康和寿命的好处。多不饱和脂肪酸构成了血液中低密度脂蛋白（LDL）的很大一部分，它们的氧化在动脉粥样硬化中起着重要作用。随着血液中大量氧化脂蛋白的出现，血管发生损伤，这可能导致泡沫细胞和斑块的形成，导致动脉粥样硬化。因此，动脉粥样硬化的氧化低密度脂蛋白被认为是产生动脉粥样硬化斑块的关键。此外，氧化的低密度脂蛋白具有细胞毒性，可以直接伤害内皮细胞。同样，抗氧化剂如β-胡萝卜素和维生素E对预防心血管疾病很重要。由于机体对合成抗生素的耐药性不断增加，必须将注意力转移到天然抗氧化剂上，这些产品具有一系列的科学多样性，在防止微生物复制和产生抗药性的同时，还能提供有效的治疗效果。酚类物质也是重要的抗菌抗氧化剂，因为它们可以抑制细菌的生长及其致病活性。

抗氧化剂通过抑制核酸的产生、外膜的通透性和细胞质的渗漏，起到抗菌的作用。抗氧化剂的抗菌作用可能是由于其螯合铁的能力，而铁是所有细菌存在的必要条件。多酚类物质打破细胞壁，提高细胞质膜的渗透性，以及释放脂多糖。然而，抗氧化剂对微生物感染的功效正被越来越多的人所接受。它们还与现代抗菌药物一起发挥着对抗耐药微生物的作用。因此，抗氧化剂的结构决定了其抗微生物的效果。合成抗生素在用于治疗微生物感染时具有快速的治疗效果，但它们也构成了对胃肠道和肾脏毒性以及微生物抗药性的巨大风险。

尽管如此，最纯净的天然抗氧化剂对普通微生物具有出色的抗菌活性，但没有证据表明对这些物质产生抗药性，从而重新迫使人们研究天然产品以取代合成抗生素。然而，尽管抗氧化剂在抑制微生物生长方面作用缓慢，但它们的效果是一致的，在确定分离的抗氧化剂的抗菌性方面进行彻底的评估，可以帮助使用植物化学物质来对抗微生物感染，并将毒性和细菌的抗药性风险降到最低。

白藜芦醇增加了过氧化氢酶、SOD、血红素加氧酶和谷胱甘肽过氧化酶等酶的活性，同时抑制了黄嘌呤氧化酶的活性。抗氧化的微量元素，如视黄醇和抗坏血酸，也可以帮助预防眼部疾病。天然抗氧化剂，包括类黄酮、维生素、酚酸和类胡萝卜素，可以帮助预防和治疗眼部疾病，如白内障，可以通过使用基于纳米颗粒的抗氧化剂生物大分子来治疗，它是有效的、可生物降解的和无毒的。此外，可能导致与衰老有关的退行性变化的自由基， DNA，或生理和结构损伤的积累是衰老的主要原因。氧化应激的增加将在老年人中普遍存在，用抗氧化剂减少自由基或减缓自由基的形成将有助于延迟衰老过程。而抗氧化剂可能对氧化损伤有重大影响。抗氧化剂可以最大限度地减少自由基的损害，充分使用抗氧化营养素可以提高生活质量，帮助人们延长寿命。

QQ图片20241015154732.png

表1 抗氧化剂的分类、临床前和临床研究

Part.9 未来前景

各种抗氧化剂可以开发用于预防和治疗急性和慢性疾病，如神经退行性疾病、眼睛缺陷、癌症、衰老、糖尿病、肝病和心血管疾病。尽管在这些疾病的治疗和诊断方面有了新的发现，但这些疾病仍然相当普遍，对社会经济有很大影响。因此，有必要不断发现这类重要的治疗性化合物，以点燃进一步研究和开发的热情。植物和动物中天然抗氧化剂的多样性和普遍性是促使人们不断发现它们在这些疾病中的作用的因素。因此，由于药用植物的功效和安全性，它们的抗氧化作用需要在医学上得到应用。由于已经从植物和动物中发现了大量的天然抗氧化剂，考虑到这一来源的生物多样性，仍有更多的天然抗氧化剂有待发现。此外，在现有的抗氧化剂中，还有一些未被充分利用的来源。因此，对抗氧化剂的潜力进行更多的研究，可能会使人们更好地了解它们是如何对抗氧化过程的。

总结和展望

这篇综述提供了关于抗氧化剂的分类（天然与合成）、机制（清除自由基和ROS）、来源（植物、动物和微生物）以及它们在预防疾病作用的相关进展。仍有许多未被识别、未被收集或未被充分利用的抗氧化剂来源，特别是蔬菜和水果，可作为预防和治疗疾病的一种策略加以探索。饮食是抗氧化剂防御系统的一个关键部分，因为它提供重要的抗氧化剂，如维生素C、维生素E和类胡萝卜素。因此，这些营养物质含量高的食物应被纳入常规饮食中。

引用本文：

Ayoka TO, Ezema BO, Eze CN, Nnadi CO. Antioxidants for the Prevention and Treatment of Non-communicable

Diseases. J Explor Res Pharmacol. 2022;7(3):179-189. doi: 10.14218/JERP.2022.00028.

原文链接：https://www.xiahepublishing.com/2572-5505/JERP-2022-00028

扫码阅读：

1_1026747177_171_85_3_926811659_96d9ba72a667e4729f4d11c0f714218f.png

通讯及第一作者

Thecla Okeahunwa Ayoka

尼日利亚大学物理科学学院科学实验室技术系(生物化学)

Journal of Exploratory Research in Pharmacology简介

英文期刊Journal of Exploratory Research in Pharmacology (JERP, eISSN: 2572-5505)是华誉出版社（Xia & He Publishing Inc., XHP）旗下药学研究期刊，于2016年11月正式创刊，侧重于药物在各治疗和应用领域的药理研究。

期刊主题

JERP主要收录新的研究发现，或由前沿研究所支持的探索性研究论文和综述。JERP收录的探索性研究不一定要有复杂或完整的结论，但要求该研究具有可靠的数据支持，方法合理，结果真实可信。JERP收录所有药学相关主题，包括但不限于：