低剂量的毒物对生物有益？——比较毒物的单相剂量效应理论和双相剂量效应理论（7）

朱钦士（美国南加州大学医学院）

（上接2020年第6 期第16 页）

3.9 主要抗氧化酶的演化史 SOD／SOR 和CAT都有很长的演化历史。

1）SOD 和SOR。超氧化物歧化酶（SOD）将2个超氧负离子变成过氧化氢和氧气，同时消耗2个氢离子：

O2·-+2H+→H2O2+O2

目前有4 种SOD：Cu／ZnSOD（含铜和锌）、FeSOD（含铁）、MnSOD（含锰）和NiSOD（含镍）。

FeSOD 存在于细菌中（无论是好氧菌还是厌氧菌），还存在于古菌、原生动物（protists）、甚至植物中，被认为是最古老的SOD。在远古大气中无氧的条件下，可溶于水的亚铁离子大量存在，用铁作为辅基是很自然的。

MnSOD的蛋白结构与FeSOD 非常相似，氨基酸序列也有大约50%相同，说明它们是同源的。MnSOD 存在于细菌、古菌和真核生物中，推测也是古老的酶。实际上，同样的蛋白既可结合铁，也可结合锰。MnSOD 存在于真核生物的线粒体内部，称为SOD2。SOD2 的这个位置相当于线粒体的前体，变形菌（Proteobacteria）细胞的内部，也与MnSOD 是古老的酶的说法一致。

MnSOD 对于动物的生存是绝对必要的，SOD2被完全敲除的小鼠出生后接触到大气中的氧气，会很快死亡。在所有测定到的SOD2 基因变异中，蛋白产物无一例外地都保留超氧化物歧化酶的活性，即丧失酶活性的突变对于生物是致命的。这些事实说明，清除线粒体内部（对于原核生物就是清除细胞内部）的超氧负离子对生物的生存是绝对必要的，也说明FeSOD 和MnSOD 是最初生命中最关键的抗氧化酶。

Cu／ZnSOD 有2 种，由不同的蛋白质组成。位于细胞质中、细胞核中、线粒体的内膜和外膜之间的称为SOD1，位于细胞外的称为SOD3。Cu／ZnSOD主要存在于动物和植物中，在细菌中很少存在，也不存在于古菌中，被认为是后来被真核生物发展出来的，很可能是在大氧化事件之后，因为随着大气中氧含量的上升，铜离子和锌离子才能被生物所用。敲除小鼠的SOD1 基因会缩短小鼠的寿命，但并不致命，说明SOD1 的重要性不如SOD2。

NiSOD 主要存在于海洋里的细菌和藻类中，也许出现在大氧化事件发生时。大气中氧气含量的上升使海水中的亚铁离子减少而使得这些生物改用镍。

除了超氧化物歧化酶，还有一种酶可消灭超氧负离子的酶，称为超氧化物还原酶（superoxide reductase，SOR）。它利用生物的还原能力，每次只将一个超氧负离子还原为过氧化氢，而没有氧气生成：

O2·-+2H++e-→H2O2

SOR 存在于细菌、古菌和单细胞的真核生物中，与FeSOD 一样含有铁原子，存在于细菌和古菌中，与FeSOD 有遥远的亲缘关系，被认为是与FeSOD 一样古老。SOR 更适合厌氧菌的需要，因为反应的产物中没有氧气。多细胞真核生物绝大多数都使用线粒体进行有氧呼吸，SOR 的存在就没有必要，而被SOD 取代了。

2）CAT。过氧化氢酶有3 种，其中2 种含有铁，第3 种不含铁，而含有锰。它们的功能都是消灭过氧化氢。

在含铁的2 种过氧化氢酶中，亚铁离子都是结合在血红素辅基中的，但是结合血红素辅基的蛋白不同，因此它们是不同的过氧化氢酶。不仅如此，一种是单功能的，只具有过氧化氢酶（catalase）的活性，即将过氧化氢变为氧气和水：

2H2O2→O2+2H2O

另一种不仅具有过氧化氢酶的活性，还同时具有过氧化物酶（peroxidase）的活性，称为过氧化氢酶-过氧化物酶（catalase-peroxidase）。它可利用另一个分子里面的氢原子，将过氧化物还原成水，氢原子供体则被氧化：

ROOR′+2e-+2H+→ROH+R′OH

在这里R 和R′代表与氧-氧键（-O-O-）相连的化学基团。2e-+2H+相当于2 个氢原子。另一种写法是：

ROOR′+AH2→ROH+R′OH+A

在这里A 代表分子中结合2 个氢原子的部分。如果R 和R′都是氢原子，ROOR′就是过氧化氢；如果A 是彼此相连的2 个氧原子，AH2也是过氧化氢。因此，过氧化氢酶催化的反应其实只是过氧化物酶催化的反应中的一种，即一分子的过氧化氢夺取另一个分子过氧化氢上的氢原子，前者被还原为水，或被氧化为氧气。

按照鼠沙门氏菌（Salmonella typhimurium）中过氧化氢酶的命名，细菌中的单功能过氧化氢酶被命名为KatE，而双功能的过氧化氢酶-过氧化物酶则被命名为KatG。

KatG 是非常古老的酶，存在于细菌、古菌和一些真菌中。

对200 种代表性的单功能的过氧化氢酶（KatE）的演化谱系分析表明，最古老的KatE 存在于变形菌里的爱克曼菌（Akkermansia）的祖先中，由此发展出了细菌和真菌中的第2 分支系（clade 2），其特点是肽链比较长。第2 分支系进一步发展，失去了羧基端的一部分，肽链变短。其中一部分（分支系1，clade 1）进入细菌中的厚壁菌门（Frimicutes）和进入植物；另一部分（分支系3，clade 3）进入动物，成为动物和植物中“典型”的过氧化氢酶。因此，人们体内的过氧化氢酶并不古老，是由细菌的KatE 经过漫长的演化路线变化而来。

含锰的过氧化氢酶（MnCAT）存在于细菌和古菌中，也是一种古老的过氧化氢酶，但是不存在于真核生物中。

3.10 生物用活性氧传递信息的历史也很古老

生物对于各种外部和内部的不利因素不像无生命的物体那样只能被动接受，除了发展出防御措施以减轻这些因素的破坏作用外，还常常能主动利用这些因素为自己服务。活性氧也不例外。

蛋白质从诞生之日起，就有2 个能感受活性氧的存在并且将信息传递下去的结构。一个是前面谈及的蛋白分子中半胱氨酸残基的巯基侧链，它可被过氧化氢氧化，改变蛋白分子的折叠情形和功能状态，让过氧化氢起到信息分子的作用。另一个是一些蛋白分子中的铁硫中心。这些铁硫中心本身就是用于帮助蛋白分子进行氧化还原反应的，它们也可被活性氧中的超氧负离子所氧化，让超氧负离子也起到信息分子的作用。这样的情形出现的时间非常早，在原核生物里的细菌中就出现了。

例如，大肠杆菌（Escherichia coli）的OxyR 蛋白含有一对可被反复氧化和还原的半胱氨酸残基（Cys-199 和Cys-208）。它们被过氧化氢氧化后，形成分子内的二硫键，同时分子折叠状况改变，能结合到DNA 链上4 个连续的ATAG 序列，起到调节基因表达的作用。功能被激活，处于“开”状态的OxyR 可激活抗氧化蛋白例如MnSOD、KatG 过氧化氢酶-过氧化物酶的表达，增强细菌的抗氧化能力。而在还原状态时，OxyR 蛋白虽然也可结合到DNA链上，但是只能结合到彼此相隔的2 个ATAG 序列上，没有调节基因表达的功能，即处于“关”的状态。通过OxyR 蛋白，活性氧就可直接影响细菌的基因表达状况。被氧化的OxyR 可被谷氧化还原蛋白（glutaredoxin，Grx）或硫氧化还原蛋白（thiolredoxin，Trx）还原，再接收过氧化氢的信息。

另一个蛋白，SoxR，含有一个二铁二硫中心（2Fe-2S center）。铁硫中心中的铁原子能被超氧负离子（O2·-）所氧化，从二价铁（Fe2+）变为三价铁（Fe3+）。这个电荷的变化也能使SoxR 蛋白的形状和功能状态发生改变，在结合于DNA 时与RNA聚合酶之间的作用发生改变，使RNA 聚合酶能开始一些基因的转录过程，使得抗氧化的基因得以多表达。因此，通过蛋白中的铁硫中心，超氧负离子也可成为信号分子。

这里仅列举2 个例子，还有其他接收活性氧信息的分子。但是这些例子已经说明，利用活性氧的信息分子作用，传递使生物的抵抗能力提高的机制，在原核生物中就已经发展出来了。原核生物基本上只由一个细胞组成，结构也相对简单，活性氧传递的信息，主要是增加抗氧化酶的生产。

真核生物的结构远比原核生物复杂，不仅很多真核生物是多细胞的，而且细胞的结构也复杂得多。为了将活性氧的信息转化为更广泛的对身体有利的效果，即除了增加抗氧化酶的生产外，还会增加线粒体的数量，动员脂肪组织中的脂肪酸，提高细胞对胰岛素的敏感性，使更多的葡萄糖从血流进入细胞等。接收信息的分子也就位于更加“上游” 的位置，以便调节更多基因的表达。MAPK、AMPK、NFκB 等就是能调控大量基因表达的蛋白质，它们的活化是通过更上游的蛋白实现的。3.11 体育锻炼过程中使用活性氧传递信息是毒物双剂量效应理论的另一个经典例子 不仅是活性氧，其他对身体有害的物质也被生物用于传递对身体有益的信息。在这方面，硫化氢是一个很好的例子。硫化氢是剧毒的气体，万分之五的浓度就会使人呼吸困难，万分之八的浓度就能致命。而且它非常臭，像臭鸡蛋的气味。但硫化氢对身体却有“好处”。

近年来的研究发现，哺乳动物（例如小鼠、牛、和人）的血管就能生产硫化氢。用小鼠进行的实验表明，血管中产生的硫化氢与一氧化氮一样，可使血管松弛扩张，降低血压。“敲除”小鼠体内生产硫化氢的酶（“胱硫醚γ 裂解酶”，cystathionineγlyase，简称CSE），小鼠就会患高血压。给这些小鼠注射含有硫化氢的液体，小鼠的血压就下降。硫化氢还可保护处于缺血状态的细胞，延长这些细胞的生命。

有趣的是，让线虫在低浓度的硫化氢中生活，它们的寿命可延长70%左右。这说明连低等动物都有利用“硫化氢”为自己服务的能力。

这种“正面利用”硫化氢的能力，约在5.5 亿年前就开始形成。那时由于地球上大规模的火山爆发，释放大量的二氧化碳，导致大气中氧浓度下降，使进行“有氧呼吸”的生物大量死亡。与此同时，不需要氧的生物，例如绿色硫细菌（green sulfur bacteria），却大量繁殖，产生硫化氢，导致“二叠纪”的物种大灭绝。据估计，大约95%的海洋生物和70%的陆地生物因此灭绝。

虽然硫化氢对生物是灾难，但是存活下来的生物却发展出了“正面利用”硫化氢的能力，包括上文提及的舒张血管、降低血压。除了硫化氢，人体还利用另一种毒性气体——一氧化碳（煤气中毒的元凶）以松弛血管。它由降解血红素的酶（血红素氧合酶，Heme oxygenase 1，简称HO-1）所产生，对细胞有保护作用。

活性氧、硫化氢、一氧化碳及上文提及的电离辐射都是对人体有害的，在高浓度和高剂量时会对身体造成伤害，甚至死亡。但是在低浓度和低剂量时，却对健康有促进作用，甚至延长生物的寿命。出现这种现象的根本原因是生物具有修复和适应伤害性刺激的强大能力。低强度的伤害性刺激（小冲击）不仅不会对身体造成伤害，还可全面增强身体的抵抗能力，因此，对其他伤害性因素也有更强的抵御能力。

就连植物也有这样的能力。例如，人们发现，在美国亚利桑那州的“生物圈”（biosphere，与外界隔绝的自我维持的系统）中，树木生长良好，但是长到一定程度树枝就会因为自身的重量而断裂。一开始人们对这种现象感到困惑：这些树并不缺乏任何资源条件，而且有些条件比野外还好。后来才发现，树枝断裂是因为生物圈中没有风，树枝在生长过程中没有受到风所带来的机械力的刺激，因此强度不足。是风力造成的枝干变形（也是一种伤害性刺激）给了树木信号，使树枝以后能抵御更强的风。风也相当于是植物被动的“体育锻炼”。3.12 人们还需要服用“抗氧化剂”吗？简单的回答是，如果你的饮食是均衡的，不需要。

科学研究的结果已经表明，生理浓度的活性氧，甚至是剧烈活动所产生的活性氧，对身体不仅没有坏处，还能增进身体健康，延长寿命。这是因为生理浓度的活性氧为身体的信号系统所必须，大量服用“抗氧化剂”，例如，维生素C、维生素E和β-胡萝卜素以人为压低体内活性氧的数量，不仅不能提高体育锻炼的成绩和加速锻炼后身体的恢复，还会抵消体育锻炼的效果。

体内活性氧的产生是分区的，主要在线粒体中形成，而且有酶系统调节和控制这些活性氧的数量，还将“留下”的活性氧当作信号分子，作为整个身体防御系统工作必不可少的部分。在何处留、留多少，都有精密的控制。而外来的“抗氧化剂”，例如，维生素C、维生素E 和β-胡萝卜素，却不分地点、不加区别，对所有的活性氧一概加以消灭，就会影响作为信息分子的、必要的活性氧分子，反而干扰了活性氧对身体的有益作用。

即使不是为了对付体育锻炼产生的活性氧，人们的日常生活也不需要另外补充“抗氧化剂”。例如，在2007年，丹麦哥本哈根大学的科学家评估了68 个对“抗氧化剂”的随机对照实验，他们从中挑选了质量最高的21 个实验，涉及164 439 个健康人，以及46 个实验，涉及68 111 个病人（胃肠病、心血管病、眼病、皮肤病、类风湿、肾病、内分泌病等）。对这些报告的综合分析表明，维生素（A、C、E）和β-胡萝卜素并没有延长寿命的效果。相反，一些维生素还会增加死亡率（约5%）。其中维生素A、维生素E、β-胡萝卜素和死亡率的增加有关。

2009年，美国科学家综合调查了161 808 位更年期后的妇女服用多种维生素片对癌症和心血管病的影响。8年的跟踪调查结果表明，多种维生素片对乳腺癌、直肠癌、肾癌、胃癌、肺癌和卵巢癌的发病率并没有降低的作用，对心血管疾病例如心肌梗塞和中风的发病率也没有改善作用。

当然这并非说明，维生素对人体的健康不重要。维生素的发现是以生命为代价的。例如，在西方的航海探险时期（大约从公元1500年至1800年），因为长期海上航行、食物单调造成的维生素C 缺乏，大约造成200 万以上的海员丧生。由于老鼠能合成维生素C，船上如果谁抓到一只老鼠，别人甚至愿意用黄金交换。但是在经济发达的现代社会，只要饮食均衡、不挑食，这些维生素都可从饮食中得到，并不会缺乏。生活忙碌、饮食比较单一的人，偶尔服用多维生素片也是可以的，以补足某些维生素摄入量的不足，但是不必每天大量服用“抗氧化剂”。

也许有人要问，蔬菜、水果不是对健康有益吗？不是说蔬菜、水果对人健康的好处是因为其富含“抗氧化物质”吗？如果人们不用每天服“抗氧化剂”，还用多吃蔬菜、水果吗？

答案是肯定的。蔬菜、水果对健康的益处是多重的。除了提供蛋白质、脂肪、碳水化合物及各种无机盐，蔬菜和水果也是“均衡饮食”的必要组成部分，其中的纤维素可促进肠胃运动，一些寡糖可促进有益肠道细菌的生长等。特别是一些蔬菜、水果还含有对健康有益的特殊物质，例如“白藜芦醇（resveratrol）”。

白藜芦醇是存在于红酒（实为酿红酒的葡萄）、蓝莓和花生中的一种化合物，能延长酵母、线虫和果蝇的寿命，对人的健康也有诸多好处，对白藜芦醇的研究文献已经超过1 万篇。在宣传白藜芦醇的广告中，白藜芦醇的健康效应被说成是它的“抗氧化”功能。如果是这样，“标准”的抗氧化物质例如维生素C 和维生素E 为什么没有这样的效果？实际上，白藜芦醇对动物的益处，并不是它的“抗氧化作用”，而是它能活化“延寿蛋白”SIRT1，因而能在不限食的情况下模拟限食延长寿命的效果。

白藜芦醇是植物对抗压力的一种物质，很可能在植物中也起到信息分子的作用。植物也有类似SIRT1 的蛋白，对受到的各种逆境作出反应，所以白藜芦醇对人体健康的作用，在机制上和植物的防御反应可能有共同之处。蔬菜、水果中很可能还有其他能在人体内起到信息分子作用的物质。中草药的治病作用，也很可能是利用了其中的一些信息物质。这些物质，就像活性氧一样，可刺激体内的防御和修复系统，达到治病强身的目的。现在人们对蔬菜、水果的有益作用及中草药治病原理的研究还太少，相信随着科学研究的进展，人们会对食物中的许多物质对健康的影响机制有更多的了解。

电离辐射和活性氧的例子具体说明，低剂量的毒物不仅对身体无害，而且对身体健康有促进作用，是对毒物的双剂量效应理论的有力证明。地球上的生命是奇妙的，也是顽强的，包括将有害因素为己所用、促进健康的能力。这正是小冲击理论的根据。

（完）