上一篇文章我們講了自由基的產(chǎn)生以及它對(duì)機(jī)體的作用，為了抵抗自由基，機(jī)體也進(jìn)化出了各種機(jī)制，主要是SOD以及谷胱甘肽，線粒體里面還含有輔酶Q10，當(dāng)然，這些都只是機(jī)體抵抗正常產(chǎn)生的自由基的過程，對(duì)于氧化應(yīng)激，機(jī)體就會(huì)動(dòng)用其它機(jī)制比如蛋白質(zhì)水解，進(jìn)而引發(fā)衰老、糖化等，其實(shí)抗氧化在人體功效測試上的指標(biāo)很難體現(xiàn)，我們無法監(jiān)測人體自由基的狀況，有些會(huì)采用膠原流失、糖化終產(chǎn)物等指標(biāo)，所以抗氧化多半采用體外測試，包括DPPH、Vc抗氧化實(shí)驗(yàn)、羥基自由基清除實(shí)驗(yàn)、超氧自由基清除實(shí)驗(yàn)等等，本文就抗氧化（抵抗自由基）的機(jī)理做一些簡單的說明，可能有不對(duì)之處，懇請(qǐng)各位不吝賜教。

自由基一般是由化合物分子均裂產(chǎn)生的，含有一個(gè)未成對(duì)電子（自由基不會(huì)含有超過一個(gè)未成對(duì)電子），非?；顫姡拖褚粋€(gè)頑皮的孩子，它要到處去獲取電子，讓自己穩(wěn)定下來。所以我們的思路一般是提供一些成分來讓這些自由基消耗旺盛的精力而不是破壞機(jī)體正常的成分。

我們知道，自由基現(xiàn)在急需電子，所以我們提供的成分一般是具有強(qiáng)還原性（很容易失去電子）或者游離電子特別豐富，所以，我一般把這種抗氧化劑分為兩類：強(qiáng)還原劑以及高電子云密度成分。

1、強(qiáng)還原劑

強(qiáng)還原劑也是我們最熟知的，比如Vc、Ve（生育酚）、輔酶Q10、各種植提（含有黃酮類、多酚、花青素等），這些成分可以很容易失去電子，當(dāng)然失去電子之后的它們也會(huì)變成自由基，這也是目前有質(zhì)疑額外補(bǔ)充抗氧化劑是否真的有用，因?yàn)檫@些自由基只是換了一種形式，并沒有消失。但是這些抗氧化劑生成的自由基一般活潑性會(huì)大打折扣，并且很快會(huì)自己湮滅。

圖1 生育酚

圖2. 苯酚的氧化過程，酚類羥基上的氧屬于SP2雜化，未成對(duì)的P電子與苯環(huán)形成p-π共軛，使苯環(huán)活化，因此更容易被氧化。但Ve乙酸酯是將Ve的酚羥基酯化了，一般是需要進(jìn)入機(jī)體，被水解之后產(chǎn)生抗氧化效果。

圖3. 維生素C的氧化過程Vc含有兩個(gè)烯醇（2,3位），烯醇的結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定，很容易被氧化。

烯醇和酮的結(jié)構(gòu)之間可以相互轉(zhuǎn)換，這也是某些我們看似不具備還原基團(tuán)的成分卻是非常重要的抗氧化劑，比如尿酸。

圖4. 尿酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)

人類和靈長類動(dòng)物在進(jìn)化的過程中，喪失了合成Vc的能力，尿酸成了一種非常重要的抗氧化劑。現(xiàn)有大量的文獻(xiàn)證明，尿酸能夠維持SOD的活性，調(diào)節(jié) 機(jī)體的氧化還原狀態(tài)。主要機(jī)理如圖5，尿酸可在酮式和烯醇式之間轉(zhuǎn)化（尿酸的酸性也是來源于此）。有研究猜測，人類以及靈長類動(dòng)物的壽命比大多數(shù)哺乳動(dòng)物長也是尿酸更高的緣故。在人類幾十萬年的進(jìn)化過程中，尿酸一直保護(hù)著我們的身體，但是由于人類快速進(jìn)入物質(zhì)營養(yǎng)過剩的狀態(tài)，我們機(jī)體還來不及適應(yīng)。由于尿酸在水中溶解度低（尿酸溶解度低的分析見文末），高濃度的尿酸在關(guān)節(jié)處結(jié)晶，引發(fā)痛風(fēng)，對(duì)身體造成巨大的傷害。

圖5. 尿酸的酮與烯醇式轉(zhuǎn)化，多酚形式是尿酸“酸”的來源，也是具有抗氧化能力的來源

化合物結(jié)構(gòu)的自由轉(zhuǎn)化是一個(gè)非常了不起的性質(zhì)，還原形式的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，可能還未被機(jī)體利用就已經(jīng)失活。比如谷胱甘肽，谷胱甘肽的-SH的[H]很容易被奪去，然后兩個(gè)谷胱甘肽自由基反應(yīng)生成氧化型谷胱甘肽。谷胱甘肽是人體內(nèi)非常重要且強(qiáng)大的抗氧化劑（見《抗氧化（一）——自由基的產(chǎn)生和作用》），但由于谷胱甘肽游離的-SH在水中容易水解生成H2S（非氧化，這個(gè)過程在水中就會(huì)緩慢發(fā)生，-SH變成-OH），我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室簡單測試了谷胱甘肽的水解過程，在常溫下，半衰期＜40天，但是在冷藏的條件下，穩(wěn)定性還是比較好的。目前谷胱甘肽還是用來做凍干比較多，但由于谷胱甘肽的特性，透過角質(zhì)層進(jìn)入皮膚有很大的難度，所以真正的效果可能會(huì)因?yàn)榕浞皆O(shè)計(jì)或因人而異。

圖6 還原型谷胱甘肽和氧化型谷胱甘肽

麥角硫因恰好存在硫醇和硫酮結(jié)構(gòu)的相互轉(zhuǎn)換，這種結(jié)構(gòu)既保護(hù)了-SH的抗氧化活性，又能在關(guān)鍵時(shí)刻起到抗氧化效果。另外細(xì)胞以及線粒體膜都存在OCTN1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，很容易將麥角硫因轉(zhuǎn)運(yùn)至有效位置，進(jìn)而發(fā)揮作用。（見《超級(jí)抗氧化劑！細(xì)數(shù)麥角硫因的神奇功效》）

圖7. 麥角硫因

理論上，一個(gè)物質(zhì)越容易失去電子，抗氧化性能越強(qiáng)。但機(jī)體內(nèi)最重要、含量最多的抗氧化劑尿酸、谷胱甘肽等在體外抗氧化測試的效果中并沒有多么驚艷的表現(xiàn)，但生命一般會(huì)選擇最優(yōu)解，至于抗氧化非常強(qiáng)大的成分是否真的能在人體起到效果，可能還有很多影響因素。

2、高電子云密度

在抗氧化的原料里面，還有一個(gè)很獨(dú)特——富勒烯?？赡苓€有前幾年滿世界炒得很火的石墨烯。富勒烯、石墨烯都是非常惰性的原料，為什么會(huì)有抗氧化的作用？

一般我們熟知的碳單質(zhì)構(gòu)成的化合物有金剛石（俗稱鉆石）和石墨（見圖），金剛石晶瑩剔透，堅(jiān)硬無比，而石墨烏黑柔軟，為什么同樣的元素組成物質(zhì)性質(zhì)差別這么大（了解基礎(chǔ)知識(shí)可參考《關(guān)于紫外、結(jié)構(gòu)與吸收的那些事》）

圖8 金剛石和石墨的結(jié)構(gòu)

金剛石的碳原子是SP3雜化，組成正四面體結(jié)構(gòu)，石墨的碳原子是SP2雜化，組成平面結(jié)構(gòu)（石墨烯就是單層的石墨分子，英國的兩個(gè)哥們用膠帶一層一層的剝石墨，最后得到單分子層的石墨烯，獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。由于石墨所有的碳原子都是SP2雜化，組成大的共軛結(jié)構(gòu)，電子離域，可以游離出來，所以石墨是可以導(dǎo)電的（電子可以流動(dòng)）。同樣富勒烯的碳也是SP2雜化，電子云密度很高，這一顆富勒烯可以看成一個(gè)有大量電子環(huán)繞流動(dòng)的球，由于自由基缺電子，看到這顆全是電子的球特別開心，就會(huì)被吸引上去，當(dāng)兩個(gè)自由基都被吸上去時(shí)，這兩個(gè)自由基就會(huì)結(jié)合在一起，組成穩(wěn)定的分子。理論上自由基也可以奪取富勒烯的電子，但富勒烯的電子吸附比較緊密，自由基一般拉不動(dòng)，所以富勒烯這種可以持續(xù)的湮滅自由基，而自身不會(huì)被破壞。

圖9 富勒烯的經(jīng)典結(jié)構(gòu)

（富勒烯有不同型號(hào)，常見的有C60/C70）

現(xiàn)在還有一個(gè)很火的超級(jí)抗氧化劑EUK134，它的抗氧化機(jī)理有兩個(gè)方面：一是共軛結(jié)構(gòu)帶來的高電子云密度可以吸附自由基，二是它中心結(jié)合了一個(gè)金屬錳（Mn）離子，我們知道Mn是一個(gè)多價(jià)態(tài)金屬元素，有+2、+3、+4、+5、+6和+7價(jià)，說明錳元素具有很強(qiáng)的得失電子的特性，會(huì)更容易結(jié)合自由基。該機(jī)理可參考血紅素運(yùn)輸氧氣，血紅素由卟啉環(huán)絡(luò)合一個(gè)Fe離子組成，只有當(dāng)Fe的價(jià)態(tài)是+2價(jià)的時(shí)候才可以攜帶O2，此時(shí)的Fe有多余的電子可以被O2絡(luò)合，使Fe趨向于+3價(jià)的狀態(tài)。但EUK134在水中穩(wěn)定性比較差，很快失活。

圖10. EUK134的結(jié)構(gòu)

圖11 血紅素的結(jié)構(gòu)

另外還有一些具有生理活性的成分，比如透明質(zhì)酸、甘油葡糖苷、依克多因之類的在文獻(xiàn)中也提到其抗氧化作用，這些成分不在這個(gè)機(jī)理之內(nèi)，它們也不含有抗氧化的基團(tuán)，但這些成分能起到抗氧化作用，可能更多的是在機(jī)體內(nèi)激活或者保護(hù)了細(xì)胞本身的抗氧化機(jī)制，具體在此不討論。

附1：尿酸的溶解性

有很多化合物看著全是親水基團(tuán)，但是溶解性很差，這里簡單解釋一下酰胺類的化合物溶解性。

圖12、13、14顯示了N-取代酰胺的電子效應(yīng)，由于N上含有一個(gè)H，分子間會(huì)形成氫鍵，進(jìn)而影響溶解能力。而N，N-二取代酰胺，N上沒有H，所以不能形成分子間氫鍵，溶解能力又會(huì)有很大區(qū)別，見圖15。

圖12 N-取代酰胺的電子效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

圖13. N-取代酰胺形成的分子間氫鍵

圖14. N,N’-二取代酰胺的電子效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

圖15.不同酰胺的結(jié)構(gòu)以及在水中的溶解性

綜上，我們可以看到尿酸、尿囊素、神經(jīng)酰胺等原料都是N-取代酰胺，所以溶解性都不是很好。如何打破它們分子間的氫鍵才是溶解的關(guān)鍵（包裹除外）。

圖16. 尿囊素

圖17. 神經(jīng)酰胺3（NP）

當(dāng)然還有一個(gè)我們熟知的原料——透明質(zhì)酸鈉，透明質(zhì)酸鈉含有一個(gè)單取代乙酰氨基，它們也會(huì)相互之間形成氫鍵，而絡(luò)合成更大分子量的基團(tuán)。所以一般同分子量的透明質(zhì)酸鈉較其它多糖類的原料（如黃原膠、β-葡聚糖等）要更粘。很多含有酰胺基團(tuán)的成分具有更強(qiáng)的絡(luò)合水分的能力，可能也與此有關(guān)。（以上僅是簡單分析，有不對(duì)之處，請(qǐng)指正）

圖18. 透明質(zhì)酸鈉

附2. Vc的作用

《不愛吃蔬果的人，新年身上的舊傷疤都會(huì)重新裂開，包括你的痘印》

Hink, H. U . Peroxidase Properties of ExtracellularSuperoxide Dismutase Role of Uric Acid in Modulating In Vivo Activity[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2002, 22(9):1402-1408.