明天又到我的生日了。

一过了30，不知因为这几年工作忙熬夜多，还是因为眼看着女儿一天天长大让人不得不直视时间的流逝，虽然心态仍还年轻，但感觉自己的身体是肉眼可见地“老”了...... 在网上一搜抗衰老，不管是讲皮肤的还是讲机体的，出来的文章几乎每一篇都要提到抗氧化、清除自由基...

“人体过度氧化的危害会加速衰老、疾病、死亡”；

“自由基是皮肤与身体加速衰老的第一杀手”；

“氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用”；

......

读来读去，机体氧化反应到底是咋回事，活性氧、自由基是什么，氧化应激又是什么？

我们姑且不谈抗氧化是不是等同于抗衰老，今天，我先来试图把机体的「氧化应激」这件事讲清楚吧！它不仅与我们自己的漫漫人生息息相关，在动物生产中，也说是左右着动物健康和生产力的重要因素。 

细胞的有氧呼吸

这件事啊，要从呼吸说起。

我们的生命离不开氧气，这是因为每分每秒的生命活动需要能量，而能量是由「有氧呼吸」而来的。有氧呼吸在哪来进行？在我们初中生物课都背过的“细胞的能量工厂” ——线粒体中进行。

线粒体之所有有这个能力，是因为它的细胞内膜上，有一个「Electron Transport Chain」，即「电子传递链」。它，也被称为「细胞呼吸链」。

来回忆一下生物化学吧！我们熟悉的三大营养物质代谢，其实都有一个统一的归宿 —— 

• 葡萄糖经过糖酵解、三羧酸循环之后，会产生NADH、 FADH2；

• 脂肪酸的代谢需要经过β-氧化，这个过程也会产生NADH、 FADH2，其最终产物「乙酰辅酶A」也直接跑进三羧酸循环去；

• 蛋白质、氨基酸呢？它们若是不被用于机体合成，也会在脱氨基之后于不同阶段进入三羧酸循环，仍然产生NADH、 FADH2。

也就是说，除非这些营养物质在体内沉积了、用于合成了，只要它要最终拿来供能，就都会经过三羧酸循环，都会产生NADH、 FADH2。

NADH、FADH2的中文名都超级长不好记，它们的本质是辅酶的还原形态。你只需要把它们理解为「富含能量的电子载体」就可以了。

好，那么NADH、 FADH2它俩会去哪里呢？

没错，它们正是去了线粒体的「电子传递链」，用以合成ATP —— 课本上那句话怎么说的来着: "ATP是细胞的能量货币"。有了它，我们的身体才能正常运转。

电子传递链由5个主要成员组成，从左到右分别是：Complex 1 →  2  →  3  → 4 → ATP合成酶；除了这5位之外，还有两个小助手 —— 在Complex1、2和3之间，有一个左跑右跑的蛋白，叫做「辅酶Q」 (CoQ）； 在Complex 3和4之间也有这样的一个蛋白，叫做「CytC」（细胞色素C).

电子传递链的组成（图片引自jackwestin.com）

把成员搞清楚了，就很好理解整个反应的本质啦 —— 当当当当，那就是「击鼓传花」！哈哈哈 —— 传的什么花儿？就是它们谁也不想要的「电子」😄。

话说当NADH和FADH2从糖酵解、β-氧化、三羧酸循环出来后，来带电子传递链，它们各自的脱氢酶（分别为complex 1 & 2) 会催化脱氢反应，这个过程中就会贡献电子，贡献的电子呢会被小助手辅酶Q传给Complex 3；

到了这里，Complex 3也并没有留客的意思，于是小助手CytC就带着电子到了Compelex 4。

到了这里又咋办？这时候来了一位最喜欢电子的好客的小伙伴，说，我来收了它们吧！它就是「氧气」。氧气得了2对电子，变成两个负二价的氧离子，然后分别与氢结合，生成两个水分子。

而整个过程中带来的能量差，是促使最后一步ATP生成的必要条件。一个NADH可以生成2.5个ATP，一个FADH2可以生成1.5个ATP。

由此，击鼓传花宣告结束。

所以你看，我们呼吸氧气的根本目的，就是为了它能在细胞呼吸链末端去接收电子。

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再来一张电子传递链的图。热门的补品「辅酶Q10」(CoQ10)，就是电子传递链中的重要组成成分哟（图片引自Sapkota， 2021）

电子传递链这个过程，每分每秒都在我们的身体中发生，不足为奇。那，为什么我要花这么多时间来讲它呢？

因为它就是活性氧、自由基的一大源泉哇！

如果我们回去再看一遍整个反应，一个氧气分子需要在Complex 4的门口等来两对电子，才能变成了两个负二价的氧离子，才能生成两分子水。

可是呢！有时候在击鼓传花的过程中，要么是小助手们没接住，要么是电子自己想溜，还没到Complex 4呢，就“漏”出来了 —— 这时候，它多半只是孤零零的单个电子，不管三七二十一逮着氧就靠上去。靠上一个氧，就成了变成了超氧自由基(superoxide)，靠上两个氧，就成了过氧化物（peroxide)；如果不小心再加上一个氢，就成了氢氧自由基（OH·）。（看下图）

活性氧（ROS) 包括了超氧自由基、过氧化物、氢氧自由基 （图片来自网络）

我们知道，成对的电子才是稳定的，这不成对的一个电子 (unpaired electrons) 会让物质异常活跃。于是乎，我们把上面的这几位统称为「活性氧」(reactive oxygen species)，说白了，就是超级活跃的带氧的物质。

而「自由基」 (Free radical) 的定义是指具有不成对电子的原子或基团 ——之所以“自由”，就是因为一个电子不稳定嘛，见谁都想发生反应。所以，「活性氧」是属于「自由基」的范畴中含氧的这一波，只不过在抗氧化这件事上，大家往往把它俩等同起来讲。

(严谨一点讲，活性氮，即RNS, reactive nitrogen species, 也是抗氧化中需要重视的自由基，不过限于篇幅有限，今天就不讲它了）

这下，概念就明确啦。

电子传递链中所产生的活性氧 (图片来自wikipedia)

所以，我们的每一次呼吸其实都在产生自由基... 

想想看，电子呼吸链几乎消耗了我们吸入的所有氧气，而这个过程中平均会有1-3%的电子溜出来，形成的活性氧的数量就不得了。因此，生物学界普遍认为，电子传递链是生命体内产生「活性氧」（绝大部分是超氧自由基）的主要来源。

曾有科学家做过计算，在大鼠模型中，一个细胞一天会消耗「10的12次方」个氧气分子，按2%的电子溜出来算，每天每个细胞产生的活性氧分子就有「2 x 10的10次方」个。英国生物化学家Barry Halliwell也曾计算过，一个人一年所产生的超氧自由基可以达到1.72 kg！（三斤半啊...）

正常的代谢已经会产生这么多活性氧了，它还只是其来源的一部分。事实上，机体内部的其它生理活动（比如免疫反应）也会产生活性氧，只不过量没有线粒体产生的多罢了。同时，有很多外因也会让活性氧的产生急剧增多，比如吸烟、辐射、紫外线、污染......等等等等。比如，紫外线就是让我们的皮肤细胞产生活性氧的最主要的因素，因此防晒非常重要。

对动物而言，今天的高产、高转化率都让它们本身的机体代谢压力增大，由代谢产生的活性氧自然更多。与此同时，霉菌毒素、高氨气浓度、炎症、疾病...这些令养殖小伙伴们日常头大的事情，也都是促使活性氧产生的帮凶。

拓展阅读

The nature and machanism of superoxide production by the electron transport chain: Its relevance to aging. 

🔗 https://dx.doi.org/10.1007%2Fs11357-000-0022-9

Free radicals and antioxidants: a personal view

🔗 https://doi.org/10.1111/j.1753-4887.1994.tb01453.x

那，为什么我们不喜欢活性氧？

作为强氧化剂，活性氧深知自己缺一个电子，它们最擅长做的事情，就是去抢别人的电子。抢走一个电子，被抢的那个原子或分子就立马“变形“，成了自由基大部队的新的一份子，又去抢别人，于是，一个接一个地，就变成了一场恶性循环。

还记得初中化学课时背的那条口诀 「升失氧、降得还」吗 —— 化学价上升、失去电子的是氧化反应；相反，化学价下降、得到电子的是还原反应。活性氧去抢了人家的电子，也就是对方失去了电子，即被氧化了。

如果抢电子的这场恶性循环停不下来， 就是机体的过度氧化。

自由基抢电子大赛（图片来自网络）

过度氧化会有什么后果？DNA、细胞膜、蛋白质等等细胞结构都会有可能被破坏，最终，造成细胞功能异常、细胞死亡。

以细胞膜为例，我们知道细胞膜是双层磷脂结构，也就是说它主要的成分是脂类，且含有很多不饱和脂肪酸。而活性氧一遇到不饱和脂肪酸，一个接一个地氧化它们，就会产生「脂质过氧化物」和「脂质过氧化物自由基」；这种反应被称之为「脂质过氧化反应」(lipid peroxidation) 。

而「脂质过氧化物自由基」本身也是自由基、也是活性氧，它又会对其它射程范围内的脂质下手，根本停不下来....最后的最后，细胞膜中的脂质都被“变形”了，结构不再完整，膜破了，细胞正常的功能也自然不能维持了。 

拓展阅读：

Sleep Loss Can Cause Death through Accumulation of Reactive Oxygen Species in the Gut.

🔗 https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.04.049

Beneficial and Detrimental Effects of Reactive Oxygen Species on Lifespan: A Comprehensive Review of Comparative and Experimental Studies.

🔗 https://doi.org/10.3389/fcell.2021.628157

你也许会说，大自然的设计这么不靠谱么...我们居住在这舒适的有氧环境里，要付出这么大的代价吗？

其实生命体早就考虑过了 —— 既然有氧呼吸、营养代谢一定会伴随活性氧、自由基的产生，那必须来一个保护自己的队伍！这个队伍，就是我们熟悉的「抗氧化系统」。

抗氧化系统中的成员有很多，其中的研究也非常非常有意思。今天肯定无法展开讲了，改天有空再详细写写吧~ 这里先简单来说说，抗氧化系统可以分为「酶」和「非酶」类。

1）抗氧化酶

这里包括了我们最熟悉的一些成员 —— 谷胱甘肽过氧化物酶 (GPx)、过氧化氢酶(Catalase)、超氧化物歧化酶 (SOD)、硫氧还蛋白过氧化物酶（TPx) 等。

作为酶，它们的作用机理就是催化反应，将眼所能及的活性氧们转化为无害的物质。比如，从电子传递链中产生的超氧自由基，往往就直接被细胞内的SOD逮住，变成双氧水，双氧水再在CAT和GPx的共同作用下，哗哗几下变成了无害的水，解决问题。 👏🏻

2）非酶类抗氧化物

这一类抗氧化物的成员包括谷胱甘肽、维生素C、维生素E、类胡萝卜素.....等等。

它们不是酶，作用机理也有所不同 —— 有的是直接作用于活性氧，无私地将自己的电子分享给活性氧，让它安静下来；有的则对参与氧化或抗氧化的酶起调节作用，间接地在活性氧破坏脂质、蛋白质、DNA的过程中，想办法把伤害降到最小。

维生素E、维生素C直接消灭活性氧（图片引自Lv et al., 2010)

在机体中，非酶类抗氧化物和抗氧化酶有时可以独立作战，有时也互相依存和交互作用。 它们一起，让机体保持着一个动态平衡状态。

可以说，没有抗氧化系统，也许生命根本就无法生存。

除了机体天然存在的抗氧化系统外，我们摄食中的蔬菜、水果都是富含抗氧化物的食品来源；动物饲料中，维生素E、维生素C、硒.....等等等等，大家也越来越重视抗氧化物的供给。这些外源的抗氧化物，可以为机体的抗氧化系统添砖加瓦，让它更为有效、更为有力地对付机体的过度氧化反应。

拓展阅读：

Chemical and molecular mechanisms of antioxidants: experimental approaches and model systems

🔗 https://dx.doi.org/10.1111%2Fj.1582-4934.2009.00897.x

讲到这里，后面就非常好理解了！

正常情况下，机体的抗氧化系统是有能力把代谢所产生的自由基消灭掉的。但是，当这个平衡被打破时、当抗氧化系统已经无力抵抗机体的过度氧化时，这时候，就是「氧化应激」了。

氧化与抗氧化系统之间的平衡 （图片引自Surai, 2021)

一个平衡的倾斜自然有来自天秤两边的原因。要么，是氧化这一头过于强大了，自由基啊活性氧啊由于前面提到的种种内外因素产生得太多太多了；要么，是机体的抗氧化系统功能收到损害、起不到应有的保护作用。又或者，这两个原因同时出现，让天秤再也无法维持平衡。

对畜牧动物而言，前面提到，今天的高产动物本身的代谢强度非常大，于是通过电子传递链产生的自由基就会很多。同时，我们不得不承认，在生产中动物们面临的各种应激太多 —— 断奶应激、运输应激、饲养密度等管理上的因素；霉菌毒素、变质饲料、其它毒素等营养上的因素；病毒、细菌等疾病上的因素；还有环境因素及其它内外部因素......它们通通都会是增加自由基、活性氧产生的原因。而这其中很多因素也会影响到抗氧化系统的功能。于是，便让「氧化应激」成为动物生长生产过程中不得不面对的一个难题。

而氧化应激的后果，就是任由「自由基」随意搞破坏的后果。自由基一旦在与抗氧化系统的战斗中占领了优势，疯狂攻击DNA、蛋白质、细胞膜等结构，真的，这细胞、这组织也就难以再救回来了。

氧化应激与动物健康

我一直在拿我们自己举例子，因为生命这件事都是相通的。在人的医学中，已经证明很多炎症、心血管疾病、癌症、甚至老年痴呆症，都与机体的氧化应激相关。而在动物健康中，近些年来涌出的很多研究也在逐渐揭示着氧化应激与动物健康、动物生产力的密不可分。

举一个简单的例子：母猪在妊娠期和哺乳期，由于能量需求高，代谢剧烈增加，这时候非常容易进入严重的氧化应激状态。北卡大学的Dr. Sung Woo Kim教授实验室曾做过实验，在母猪的整个妊娠中后期、哺乳期，DNA的损害程度都比妊娠前期高出一大截，断奶后都还没缓过来。而氧化应激越严重，母猪的生产性能、仔猪体重、仔猪健康就越不好。

所以哇，不论是为动物也好，还是为自己也好，对抗氧化应激这件事，是时候引起我们的重视了！说到底，它的解题思路无非是一方面尽力减少导致自由基产生的各种压力；一方面去拥有一个强大的抗氧化系统，让天秤回归平衡。但在实际生产中要做好，却并不简单。

幸运的是，目前的动物营养行业已有很多优秀的方案可以增强机体的抗氧化能力，来帮助减轻、预防氧化应激带来的影响。这些，留到以后有机会再讲哇！

Oxidative stress status of high prolific sows during pregnancy and lactation

🔗 doi:10.1017/S1751731111000772

总结

来总结一下吧~ 

• 生命体正常的代谢活动会通过线粒体中的电子呼吸链产生活性氧、自由基；与此同时，许多内因外因都可能会增加自由基的产生。

• 自由基异常活跃，会通过抢别人电子，带来一系列停不下来的恶性氧化反应，最终对DNA、蛋白质、脂质等细胞结构造成伤害，细胞功能受损。

• 正常情况下，机体的抗氧化系统会通过直接或间接的方式消灭自由基，让机体的氧化还原处于一个动态平衡。当抗氧化系统无力抵抗过机体的过度氧化时，就是机体的氧化应激状态。

• 在人与动物中，氧化应激都与衰老、疾病、生产力的下降密不可分。如何对抗氧化应激？这，也许就是保持健康的底层逻辑吧！

【安迪苏】特邀撰稿

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