一、自由基的作用
（一）自由基的概念及分类
自由基（free radical）是在外层电子轨道上具有单个不配对电子的原子、原子团或分子的总称。自由基化学性质极为活泼，易于失去电子（氧化）或夺取电子（还原），特别是其氧化作用强，故具有强烈的引发脂质过氧化作用。自由基的种类很多，具体如下。
（1）氧自由基：由氧诱发的自由基称为氧自由基（oxygen free radical），包括超氧阴离子（
·，单电子还原）和羟自由基（HO·，三电子还原），属于非脂性自由基。过氧化氢（H2O2）及单线态氧（1O2）本身不是自由基，但氧化活性很强，与氧自由基共同组成活性氧。
（2）脂性自由基：指氧自由基与多价不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物，如烷自由基（L·）、烷氧自由基（LO·）、烷过氧自由基（LOO·）等。
（3）其他：如氯自由基（Cl·）、甲基自由基（·CH3）和一氧化氮自由基（NO·）等。NO·是一种气体自由基，本身是一种弱氧化剂，与
·反应后生成过氧亚硝基阴离子（ONOO-），后者在偏酸性条件下极易自发分解生成NO2·和HO·，具有很强的氧化能力而产生损伤效应。
（二）自由基的代谢
在生理情况下，氧通常是通过细胞色素氧化酶系统接受4个电子还原成水，同时释放能量，但也有1%～2%的氧接受一个电子生成
·，再接受一个电子生成H2O2，然后H2O2接受一个电子生成HO·。其反应式如下。
另外，在血红蛋白、肌红蛋白、儿茶酚胺及黄嘌呤氧化酶等氧化过程中也可生成
可在Fe2+或Cu2+的催化下与H2O2反应生成HO·，这种由金属离子催化的反应称为Fenton反应。
细胞内氧自由基可由自由基清除剂清除。
（1）分子自由基清除剂：包括存在于细胞脂质部分的脂溶性自由基清除剂（维生素E和维生素A等），存在于细胞内外水相中的水溶性自由基清除剂（维生素C和谷胱甘肽等）。
（2）酶性自由基清除剂：细胞的过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（peroxidase）可清除H2O2，超氧化物歧化酶（SOD）可清除
·。
（三）缺血-再灌注时自由基生成增多的机制
1.黄嘌呤氧化酶形成增多
黄嘌呤氧化酶（xanthine oxidase，XO）的前身为黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase，XD）。这两种酶主要存在于毛细血管内皮细胞内。正常时XD占90%，XO只占10%。当组织缺血缺氧时，由于ATP生成减少，膜泵失灵，钙离子进入细胞增多，激活钙依赖性蛋白酶，使XD大量转变为XO。同时因缺血缺氧，ATP依次分解为ADP、AMP和次黄嘌呤（hypoxanthine）。再灌注时，缺血组织重新得到氧，在缺血时大量蓄积的次黄嘌呤在XO的作用下形成黄嘌呤，继而又催化黄嘌呤转化为尿酸，这两步反应都是以分子氧作为电子受体，结果产生大量的
·和H2O2，
·和H2O2在金属离子参与下，形成更为活跃的HO·（图10-1）。
2.中性粒细胞的呼吸爆发
中性粒细胞被激活时耗氧量显著增加，其摄入O2的绝大部分在细胞内NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化下，接受电子形成氧自由基，以杀灭病原微生物。缺血-再灌注时，黄嘌呤氧化酶系统引起的自由基生成增多，作用于细胞膜后产生多种具有趋化活性的物质，如C3片段、白三烯等，吸引、激活中性粒细胞。再灌注期间组织重新获得氧供应，激活的中性粒细胞耗氧显著增加，产生大量氧自由基，称为呼吸爆发（respiratory burst）或氧爆发（oxygen burst），进一步损伤组织细胞。
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图10-1 黄嘌呤氧化酶在自由基生成增多中的作用
3.线粒体功能受损
因缺血、缺氧使ATP减少，钙进入线粒体增多，线粒体氧化磷酸化功能障碍，细胞色素氧化酶系统功能失调，进入细胞的氧经4价还原形成的水减少，而经单电子还原生成氧自由基增多。而钙离子进入线粒体可使锰-超氧化物歧化酶减少，对自由基的清除能力降低，使自由基水平增加。
4.儿茶酚胺增加和氧化
各种应激性刺激，包括缺血、缺氧，均可使交感肾上腺髓质系统兴奋产生大量的儿茶酚胺。儿茶酚胺一方面具有重要的代偿调节作用，另一方面通过自氧化在肾上腺素代谢过程中可产生大量的自由基。
（四）自由基引起缺血-再灌注损伤的机制
自由基性质极为活泼，一旦生成，即可经其中间代谢产物不断扩展生成新的自由基。它们能和各种细胞成分（膜磷脂、蛋白质、核酸）发生反应，造成细胞结构损伤和功能代谢障碍。
1.膜磷脂
膜磷脂是构成膜脂质双层的重要结构及功能成分，富含不饱和脂肪酸，自由基与不饱和脂肪酸作用引发脂质过氧化（lipid peroxidation）反应，使膜结构受损、功能障碍。具体表现如下。
（1）破坏膜的正常结构：由于脂质过氧化反应的增强，细胞膜内多价不饱和脂肪酸减少，生物膜不饱和脂肪酸与蛋白质比例失常，膜的液态性改变，通透性增强，细胞外Ca2+内流增加。
（2）抑制膜蛋白的功能：脂质过氧化使膜脂质发生交联、聚合，从而间接抑制膜蛋白如钙泵、钠泵及Na+/Ca2+交换系统的功能，导致细胞肿胀、钙超载；另外，脂质过氧化可抑制膜受体、G蛋白与效应器的耦联，引起细胞信号转导障碍。
（3）促进自由基及其他生物活性物质生成：膜脂质过氧化可激活磷脂酶C、磷脂酶D，进一步分解膜磷脂，催化花生四烯酸代谢，在加强自由基产生及脂质过氧化的同时形成具有高度生物活性的物质，如前列腺素、血栓素、白三烯等，促进再灌注损伤发生。
（4）减少ATP生成：线粒体膜脂质过氧化导致线粒体功能障碍，ATP生成减少，细胞能量障碍加重。
2.蛋白质
在自由基的作用下，胞浆及膜蛋白和某些酶可交联形成二聚体或更大的聚合物。这种交联既可借助于蛋白质之间的二硫键形成，也可由于自由基损伤的氨基酸残基间的反应形成。蛋白质的交联将使其失去活性，结构改变。
3.核酸
自由基对细胞的毒性作用主要表现为染色体畸变、核酸碱基改变或DNA断裂，主要是HO·起的作用。HO·易与脱氧核糖及碱基反应并使其结构改变。