为什么突然写氧化还原呢？原因是最近在北京召开的亚洲自由基大会的主办单位由原来的中国自由基生物学与医学学会，改为中国氧化还原基生物学与医学学会了，而在两年前美国的自由基学会也改为氧化还原学会了。为什么两个国家的学会都改换门庭，把过去创办几十年的自由基改为氧化还原呢？一定有其理由。

大家对自由基和抗氧化剂都比较熟悉了，什么自由基可以致癌、自由基导致衰老、自由基是体内的垃圾、抗氧化剂可以清除自由基、预防癌症和延缓衰老等等是一些人甚至医生经常说的话。我也曾经多次作报告和写文章论述过自由基的功能、危害及抗氧化剂与健康的关系。大家就会很自然的问：何为氧化还原？把自由基改为氧化还原有什么道理？氧化还原与健康有什么关系？下面我就这三个问题谈谈我的看法。

一、何为氧化还原？

在化学反应中氧化还原的定义非常明确：

在化学反应中得电子为氧化反应，失电子为还原反应。得电子的物质为氧化剂，失电子的物质为还原剂。例如H₂和O₂的反应就是典型的氧化还原反应。

H₂+O₂→H₂O

H₂失电子为还原剂，O₂得到电子为氧化剂。

二、生物体充满氧化还原反应

在精子和卵子结合不久，基因水平就会发生大量氧化反应，使新生命诞生。可以说生命就是一个氧化还原反应不停进行的过程，一旦停止生命也就结束了。在生命过程中氧化还原反应对网络调控、稳态维持、精准繁复，尤其在能量、物质等代谢和修饰的核心反应中发挥不可替代的作用。氧化还原反应对于生命过程至关重要，氧化还原失衡则是多种疾病发生发展中不可忽视的病理生理学机制和调控节点。下面仅举几个例子加以说明。

1、线粒体的电子呼吸链就是一个氧化还原反应过程。

线粒体是存在于大多数细胞中的细胞器，是细胞中制造能量的结构，被称为“发电厂”。线粒体通过电子传递链和氧化磷酸化为细胞生产能量三磷酸腺苷ATP。人不能停止呼吸，原因是生命需要氧气。氧气通过肺吸入体内进入血液运送到全身的每一个细胞，最终在细胞的线粒体中通过呼吸链的电子传递功能把食物氧化，把食物中储存的太阳能转移到能量载体分子ATP上。每人每天消耗ATP的数量相当可观，换算成重量几乎等于体重。ATP的能量通过氧化还原被利用后转变成二磷酸腺苷ADP，ADP在线粒体中再度通过氧化还原成ATP，氧化还原反应如此循环往复支撑着生命活动的全部能量需求。如果把线粒体比作是细胞的发电厂，那么每一个呼吸链就是一部制造能量分子ATP的“分子发电机”（图1）。

线粒体最主要的功能是为机体提供能量，但是同时也通过氧化还原产生活性氧和活性氮导致氧化应激和细胞损伤，也包括线粒体本身损伤。氧化应激损伤也是多种疾病的发病重要因素之一。因此，抗氧化剂既可以防治疾病也可以保护线粒体[1-2]。   

图1线粒体呼吸电子传递链

2、三羧酸循环是一个氧化还原反应过程

三羧酸循环又称柠檬酸循环，是需氧生物体内普遍存在的一种代谢途径，是细胞代谢的核心途径，也是一个氧化还原反应过程。它在营养物质氧化产生能量的过程中发挥着重要作用 。三羧酸循环是三大营养素（糖类、脂类、氨基酸）的最终代谢通路，也是各种有机物相互转化的枢纽。该循环的部分产物在免疫反应调节等生理过程中也发挥着重要作用，也可用于合成包括氨基酸、卟啉、嘧啶核苷酸在内的很多重要物质。

原核生物中三羧酸循环发生的场所是细胞质，真核生物则是线粒体基质。在这个过程中，柠檬酸经过一系列酶促的氧化脱氢和脱羧反应生成草酰乙酸，而草酰乙酸又可与另1分子的乙酰辅酶A（乙酰-CoA）结合，生成柠檬酸，从而产生循环。整个过程总就是一个氧化还原反应，共消耗了3分子H2O，生成1分子GTP（可转换为1分子的ATP）、4对H和2分子CO2，其中H可通过后续反应产生ATP，为细胞供能（图2）[3]。

图2 三羧酸循环是一个氧化还原反应过程

3.免疫反应

免疫反应是一个需要氧化还原反应的过程。免疫反应是指机体对于异己成分或者变异的自体成分做出的防御反应。免疫反应可分为非特异性免疫反应和特异性免疫反应。非特异性免疫构成人体防卫功能的第一道防线，并协同和参与特异性免疫反应。特异性免疫反应可表现为正常的生理反应，异常的病理反应以及免疫耐受。按介导效应反应免疫介质的不同，特异性免疫反应又可分为T细胞介导的细胞免疫反应和B细胞介导的体液免疫反应。当病原体或异物侵入人体后,激化人体内的淋巴细胞产生体液免疫和细胞免疫。体液免疫是指体内的B淋巴细胞被抗原刺激后产生全身或局部性的抗体。所说的免疫反应实质上就是抗原抗体反应。细胞免疫是指体内的T淋巴细胞被抗原刺激后产生细胞毒作用。
   炎症就是平时人们所说的“发炎”，是机体对于刺激的一种防御反应和免疫反应，表现为红、肿、热、痛和功能障碍。通常情况下，炎症是有益的，是人体的自动的防御反应，但是有的时候，炎症也是有害的，例如对人体自身组织的攻击、发生在透明组织的炎症等等。单核吞噬细胞系统细胞增生是机体防御反应的一种表现。在炎症尤其是病原微生物引起的炎症过程中，单核吞噬细胞系统的细胞常有不同程度的增生。白细胞计数可明显升高。在严重感染时，外周血液中常常出现幼稚的中性粒细胞比例增加，巨噬细胞具有很强的吞噬能力。单核吞噬细胞系统的功能包括清除外来及体内不需要的物质，如外源性的细菌、病毒、异物等，同源性衰老及突变的细胞，因此有体内“清扫细胞”之称号。巨噬细胞吞噬杀死病原微生物过程，需要自由基参与，如果巨噬细胞不能产生自由基，即使吞噬了病原微生物也不能杀死病原微生物。

巨噬细胞产生自由基过程就是氧化还原反应过程。在免疫反应中，巨噬细胞发挥着关键作用。研究表明巨噬细胞在免疫杀伤过程中释放大量活性氧自由基，作为杀伤外来入侵微生物的武器。但巨噬细胞在这一过程不仅释放活性氧自由基，而且还释放大量NO自由基。这两种自由基可以很快反应生成过氧亚硝基阴离子（k=3.7×10–⁹[mol· L^-1·s^-1］。在碱性条件下，过氧亚硝基比较稳定，但在稍低于中性pH 时，立即分解生成氧化性更强的类羟基物质和NO2。

O₂–＋NO→ONOO–＋H+→ONOOH→·OH＋NO₂

从自由基分子毒理学的角度来看这一反应机制是非常有意义的，O₂–和NO都是自由基，但二者的氧化性都不很强，它们在体内都有一定的生物功能，二者结合生成过氧亚硝基阴离子，在高于生理pH 条件下，过氧亚硝基相当稳定，允许它由生成位置扩散到较远的距离，一旦周围pH 稍低于生理条件，立即分解生成羟基和NO₂自由基，这两种自由基具有很强的氧化性和细胞毒性，这对杀伤入侵微生物和肿瘤细胞具有非常重要的意义（图3）。巨噬细胞是参与免疫反应的主要细胞之一，通过氧化还原反应产生的活性氧（ROS）和NO是参与免疫反应的主要武器[4-6]。

图3、巨噬细胞产生ROS和NO参与免疫反应杀伤入侵微生物和肿瘤细胞示意图

生物体内还有很多氧化还原反应的例子，例如太阳光的能量转换在光合作用中采用氧化还原过程，氧化反应驱动有氧代谢，这里就不再一一列举了。

三、自由基生物学与氧化还原生物学的利与弊

自由基生物学诞生于1956年‌，美国学者Denham Harman率先提出了“自由基学说”，发表了第一篇研究报告，解释了机体衰老过程中出现的种种症状，如老年斑、皱纹及免疫力下降等，他认为衰老的原因是自由基可以引起DNA损伤从而导致突变，诱发肿瘤形成‌等等。自由基生物学诞生以来，自由基跟众多疾病都能扯上关系：肿瘤、糖尿病、肾病、神经退行性疾病……而人人都逃不开的衰老，也与自由基息息相关。后来又提出抗氧化剂可以清除自由基预防疾病和衰老。研究工作越来越多，每年都有非常多相关的文章和书籍发表，世界各国都成立了自由基学会，随之国际自由基学会成立，每两年召开一次根据会议，我们于2008年在北京组织召开了第十四届国家自由基学术大会[7]。

但随着研究的深入，发现自由基也不总是“坏蛋”，也有生物功能和信号传导作用，抗氧化剂也不总是“灵丹妙药”。 氧化应激被定义为“氧化剂和抗氧化剂之间的不平衡，有利于氧化剂，导致氧化还原信号传导和控制的破坏和/或分子损伤”。氧化应激的范围可以从轻度的生理维持作用，称为氧化良性应激或优应激，到损害生物分子的有毒氧化损伤的氧化应激。这样自由基生物学就遇到了大麻烦。另外这个领域的研究却一直缺乏特异性，也就是说，人们对自由基影响生命过程的分子机理认识比较模糊，需要更深入的研究。

图4自由基生物学的理论系统

德国自由基生物学学家赫尔穆特·西斯，在研究生物氧化还原反应时，他鉴定出过氧化氢作为真核细胞中有氧生命的正常成分。这一发现导致了认识到过氧化氢代谢在氧化还原控制中的重要作用。进一步的研究包括谷胱甘肽、毒理学方面（“氧化还原循环”的概念）、营养生物化学和微量营养素（硒、类胡萝卜素、类黄酮）以及“氧化应激”的概念。今天，我们认识到氧化应激是双面的。它在氧化还原信号传导的生理学和健康方面有其积极的一面，即“良性氧化应激”；而在更高的强度下，对生物分子有损害，在病理生理学和疾病中具有潜在的有害结果，即“氧化应激”。近年来科学界在氧化还原生物学方面取得的巨大进步。氧化还原调控可能具有特异性和精准时空属性，氧化还原修饰是其作用机制。随着研究的深入，希望氧化还原生物学给我们的健康带来更多健康益处[8]。

参考文献

1、 Chaudhari AA, Seol J-W，Kim S-J，Lee Y-J，Kang H-S，Kim I-S, Kim N-S, S-Y Park. Reactive oxygen species regulate Bax translocation and mitochondrial transmembrane potential, a possible mechanism for enhanced TRAIL-induced apoptosis by CCCP。Oncology Report. Published online on: 71-76,July 1, 2007

2、 Zhaofei Wu, Jie Zhang, Zhao B-L Superoxide Anion Regulates the Mitochondrial Free Ca 2+ through Uncoupling Proteins. Antioxidants& Redox Signaling 11,2009，1805- 1818

3、 吴家骏 ， 姚子鹏 生物氧化还原反应中的立体化学问题《大学化学》 1981. 

4、 Zhao,B-L, Li,X-J, Xin,W-J: ESR study on active oxygen radicals   produced in the respiratory  burst of human polymophonuclear leukocytes. Cell Biol.Intern.Report， 13,1989,529-534.

5、 赵保路: 氧自由基和天然抗氧化剂，科学出版社，1999（初版），2002（修订版），北京

6、 赵保路:一氧化氮自由基生物学和医学， 科学出版社 2019，北京

7、 Harman D. Aging: a theory based on free radical and radiation chemistrey. J Geron， 11,1956,298-312.

8、 龚兆胜,赵正平.广义氧化还原.化学通报,2002,(08):567-574.