自由基和氧气水平的关系

自由基水平对细胞功能和状态影响巨大。比较反直觉的是，缺氧氧气不足或营养物质过剩可以增加自由基产生，而氧化过高也能导致自由基增加。为什么氧气过剩或不足都会产生自由基？来自尼克莱恩博士《线粒体》中关于呼吸链中自由基产生的描述，能给这种现象提供非常合理的解释。当氧气不足时，电子就容易过剩，过剩电子从呼吸链泄漏，导致氧气被还原，产生更多自由基。当氧气过剩时，电子相对不足，导致氧气无法被充分还原成水，也会大量产生自由基。只有氧气和电子比较匹配时，自由基产生才比较低水平。

所以，缺氧对细胞有害，氧气过多同样会有害。只有氧气适当才是最好的安排。

自由基泄漏的速率并不像人们直观认为的那样与呼吸速率保持一致，而是取决于能否获得电子（最终从食物中获得）和氧气。由于这些因素不断变化，自由基的产生也会随环境而变化。自由基产量的突然增加会影响细胞的行为。

如果细胞生长和分裂很快，对燃料的需求很高（而且资源足够丰富以满足这一需求），有一条通向氧气的呼吸链。在这种情况下，相对较少的自由基从呼吸链中泄漏出来。这是因为它们比较可能选择阻力最小的路线，通过呼吸链中的电子受体一个传一个，最后到达氧气。布莱克斯通把这种情形描述为一根绝缘良好的电线，通过电子的流动传递电能。因此，燃料充足下的快速生长，等于低自由基泄漏。

挨饿的时候呢？现在几乎没有燃料，而且几乎没有电子通过呼吸链。周围可能有足够的氧气，但没有多余的电子脱离呼吸链并形成自由基。如果我们把呼吸链当作一根小电线，那么饥饿就等同于电网断电：如果电网供电中断，你就不可能遭受电击。自由基泄漏很少，因为根本没有电子流。

现在想想如果一个细胞被破坏了，留下了大量的燃料，但是不能再分裂，会发生什么？线粒体被困在牢笼里。因为没有细胞分裂，所以对ATP的需求非常低，而细胞的ATP存量仍然很高。电子流经呼吸链的速率取决于ATP消耗的速率。如果ATP的消耗很快，那么电子流就会跟着快速流动，就像被真空吸住一样；但是如果没有需求，那么呼吸链就会被多余的电子阻塞，它们无处可去。现在有足够的氧气和多余的电子。自由基泄漏率要高得多。呼吸链就像一根绝缘不良的电线，很容易发生电击。因此，如果宿主细胞受损，尽管燃料充足，也不会生长或分裂，它们的线粒体从内部给它们电击：造成自由基的突然爆发。[插图]

自由基的爆发往往会氧化线粒体膜中的脂质，并将细胞色素c从镣铐中解放出来，释放到膜间隙中。细胞色素c是呼吸链的一个组成部分，这反过来又完全阻断了电子在链上的流动。从呼吸链上拿走细胞色素c就像将电线钳住一样。呼吸链的前部被电子堵塞，持续泄漏自由基，就像被钳住的电线的带电部分依旧会释放电击一样。