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（6）

朱钦士

（美国南加州大学医学院）

（上接2020年第5 期第16 页）

3.4 体育锻炼对身体发出的信息主要由活性氧传递 前文所述的蛋白质，包括AMPK、MAPK、PGC-1α、NFκB、HIF-1、Hsf-1，都能在体育锻炼时被活化，使身体作出相应的反应，例如，增强细胞抗氧化的能力以对抗活性氧的增多；增加线粒体的数量，以及动员更多的葡萄糖和脂肪酸以向细胞提供更多的能量；增加肌肉中血管的数量和增加红血球的数量以输送更多的氧气；生产更多的热休克蛋白以对抗温度升高引起的蛋白变性，促进细胞的自噬能力，加快细胞的修复和更新等。这些增强的反应不仅能使身体更好地对抗活性氧对身体的破坏作用，还使身体应对各种压力的能力增强，即身体更健康。

体育锻炼如何活化这些蛋白质是一个重要和有趣的问题。科学实验表明，这些蛋白是被活性氧活化的。将低浓度的过氧化氢加在提取的大鼠肌纤维中，可使细胞中这些蛋白的活性增高，而用消灭活性氧的酶，例如，过氧化物歧化酶（SOD）或过氧化氢酶（CAT）处理，或用非酶的抗氧化剂（例如维生素C、维生素E 及科学实验中常用的抗氧化剂乙酰半胱氨酸N-acetylcysteine，NAC） 处理，则会降低这些蛋白的活性。用黄嘌呤氧化酶（XO）的抑制剂“安乐普瑞诺”（allopurinol）和电子传递链中阻断醌还原的物质（例如粘噻唑myxothiazol）抑制过氧化氢的生成，大鼠肌肉中上述蛋白的活性也会下降。反之，用阻断半醌被进一步还原为氢醌的抑制剂（例如抗酶素antimycin）使醌的还原停留在半醌阶段，从而增加氧气夺取电子的机会，形成更多的超氧负离子及其转化产物过氧化氢，大鼠肌肉中上述蛋白的活性则会增加。

结果说明，这些蛋白的活化需要活性氧，体育锻炼带给身体的好处也是通过活性氧传递信息的。在体育锻炼前或体育锻炼后服用大量的抗氧化剂，再测定体育锻炼后肌肉中这些蛋白的活性，发现它们的活性并不像未服用这些抗氧化剂时那样增加。从外面补充的抗氧化剂会降低活性氧的浓度，减少其带给身体的有益信息，反而会抵消体育锻炼的有益效果。

哪种类型的活性氧扮演着传递信息的作用？不是所有类型的活性氧分子都适合用于信息传递。氢氧自由基（·OH）化学性质极为活泼，会立即与遇到的各种分子发生反应，没有选择性，不适合作为传递信息的分子。超氧负离子（O2·-）活性比较高，容易与遇到的分子发生反应，而且带有负电，不容易穿过细胞膜起作用，但是通过就近氧化蛋白分子中的铁硫中心，还是可起到信息物质的作用。过氧化氢（H2O2）具有一定的氧化能力，但性质又相对稳定，可扩散较长的距离，且不带电，容易穿过细胞膜，最适合作为信息分子。体育锻炼带给身体的有益效果，主要由过氧化氢传递。

在具体介绍过氧化氢传递信息的机制之前，先介绍细胞传递信息的原理。

3.5 细胞传递信息的原理 生物体是由蛋白质、碳水化合物、脂肪和核酸等分子组成的，要用这些分子传递信息，并且组成信息传递链，似乎强“人”所难。但细胞简单巧妙地解决了这个难题，即利用蛋白质分子不同功能状态之间的转换。

蛋白质是高度复杂的分子，氨基酸线性相连组成的肽链，按照“最低能量原则”折叠成为具有三维结构的分子，其功能也高度依赖蛋白质的折叠状态。这个具有生理功能的折叠方式，是由蛋白质分子内电荷之间的相互作用（包括固定电荷之间的相互作用和色散力之间的作用），以及蛋白质与溶液中的分子之间的作用而形成的，但容易受到外界因素的影响而改变折叠状态，丧失功能。

一个明显的例子是镰刀型红血球病（Sicklecell disease，SCD）。为血红蛋白β 链编码的基因上第6 位的GAG 变为GTG，所编码的氨基酸也从谷氨酸变为缬氨酸。谷氨酸的侧链带负电，而缬氨酸的侧链不带电。仅一个电荷的改变，使血红蛋白的折叠方式发生改变，输送氧气的能力极大降低。这相当于血红蛋白从有功能状态变为无功能状态。

血红蛋白的这个氨基酸改变是由基因突变引起的，不可逆。但是如果此变化是可逆的，蛋白质就能在功能的“开”和“关”之间来回转换，相当于计算机传输信息时用的“1”和“0”。改变了状态的蛋白又可与另一个蛋白结合，改变下一个蛋白的功能状态。用这种方式，信息就可传递下去。信息传递链的终端蛋白通常是具有生理功能的分子，例如控制基因表达的转录因子，在接收到信息被激活后，就可执行其生理功能，实现细胞对信号的反应。

可逆地改变蛋白分子状态最简单的办法就是结合另一个分子，无论是蛋白分子还是非蛋白分子（例如钙离子）。在与另一个分子或离子结合后，原来的能量状态就不再是最低的，而要改变折叠状况才能达到新的最低能量状态，在此过程中也影响蛋白质的功能，常常是从“关”到“开”。细胞膜上的许多“受体”（receptor）就是这样接收细胞外部的信息的。受体结合外部分子（例如生长激素和胰岛素）后，结构发生改变，功能被激活，可将信息传给细胞内的分子。外来分子离开后，受体又恢复原来没有功能的状态。

可逆地改变蛋白分子状态的另一个方法就是修饰此蛋白，例如，给它加上一个磷酸根（这个过程称为蛋白质分子的磷酸化phosphorylation，给蛋白加上磷酸根的酶称为蛋白激酶protein kinase）。磷酸根是带负电的，这个增加的负电可改变蛋白折叠状况，功能状态也随之改变。如果去掉此磷酸根，蛋白质分子又恢复原来的功能状态。这是由去除磷酸根，称为磷酸酶（phosphatase）的蛋白完成的。激酶和磷酸酶配合，就可使蛋白在“开”和“关”2 种状态下来回变化，起到传递信息的作用。细胞内的许多信息传递链都使用了这个机制。

除了蛋白的磷酸化，改变蛋白功能状态的另一种方法是改变蛋白质分子中半胱氨酸（cysteine）残基的氧化还原状态。

3.6 蛋白质分子中半胱氨酸残基氧化还原状态的改变可传递活性氧所携带的信息 半胱氨酸是组成蛋白质分子的20 种氨基酸之一。在组成蛋白质分子的氨基酸中，半胱氨酸所占比例最小，但是对于蛋白质分子的功能却非常重要。例如，许多酶的活性中心含有半胱氨酸残基，直接参与化学反应。半胱氨酸残基对蛋白分子的折叠状态也起重要作用。

蛋白质分子中的半胱氨酸残基的侧链是一个由硫原子和氢原子组成的“巯基”（-SH，“巯”读“秋”，是化学家造的字，意思是硫加氢）。这个巯基可被氧化，加上一个氧原子，形成“磺酸”（sulphenic acid，-SOH）。磺酸可与另一个巯基发生反应，生成1 分子水，2 个半胱氨酸残基上的硫原子再直接相连，形成“二硫键”（-S-S-）。2 个半胱氨酸通过二硫键相连的结构称为胱氨酸（cystine，比cysteine 少一个字母）。二硫键可被细胞内的还原性分子例如“谷胱甘肽”（glutathione） 还原，重新形成2 个半胱氨酸，因此，蛋白质中的一些（不是全部）半胱氨酸残基可在“氧化”和“还原”2 种状态间来回变化。这种变化常伴有蛋白折叠状态的变化，使蛋白质的功能状态发生变化。

在细胞内的还原条件下，蛋白质分子中绝大多数半胱氨酸残基的侧链都处于还原状态，即都是自由的巯基（-SH）。当细胞内活性氧的浓度增高时，活性氧中的过氧化氢分子能将蛋白分子中的一些半胱氨酸残基氧化，同时使蛋白质的功能发生变化，这个变化就可用于活化对体育锻炼作出有益反应的蛋白质。本文以研究得比较清楚的情形为例，说明这个过程是如何发生的。

3.7 过氧化氢通过半胱氨酸传递体育锻炼有益信息的机制 体育锻炼的有益效果主要是通过蛋白激酶MAPK 和核因子NFκB 实现的，它们也都可被体育锻炼时产生的活性氧所活化。研究表明，它们不是直接被过氧化氢所活化，而是通过活性氧中的过氧化氢，将细胞中信息链“上游”蛋白的半胱氨酸残基氧化而活化这些蛋白质，再通过信息传递链实现MAPK 和NFκB 的活化。

1）蛋白激酶MAPK。MAPK 不是直接被过氧化氢分子活化，而是通过被“细胞程序性死亡信号激酶”（apoptosis signaling kinase 1，ASK1）磷酸化而被活化的。ASK1 也不是直接被过氧化氢活化，而是通过另一个蛋白“过氧化物氧还蛋白1”（peroxiredoxin 1，Prx1）活化的。Prx1 分子中的半胱氨酸残基首先被过氧化氢氧化，其被氧化的巯基与ASK1中的巯基形成分子间的二硫键，通过这种方式将Prx1 分子中半胱氨酸的氧化状态“转移”到ASK1分子中去，使ASK1 分子中的半胱氨酸残基氧化。该氧化使ASK1 的激酶活性被活化，将MAPK 分子磷酸化，即在MAPK 分子上加上磷酸根，改变MAPK 的折叠状态，从而激活MAPK。因此过氧化氢活化MAPK 的过程是：H2O2—Prx1—ASK1—MAPK 的活化。

2）NFκB。NFκB 被过氧化氢活化的过程就更复杂。在休息状态下，NFκB 与一个抑制蛋白IκB（inhibitor of κB）结合，存在于细胞质中，没有活性。要活化NFκB，必须解除IκB 的抑制。一个称为IκB 激酶（iκB kinase，IKK） 的蛋白能使IκB 磷酸化。被磷酸化的IκB 被泛素系统“认识”，给IκB 分子连上泛素（ubiquitin，也是一种蛋白质）“标签”，连上泛素的IκB 又被细胞的蛋白消化系统“认识”，将其降解。IκB 被降解后，NFκB 被释放，进入细胞核，发挥其转录因子的作用。

IκB 激酶IKK 的活化也是通过磷酸化而实现的。将IKK 磷酸化的激酶称为 “蛋白激酶D”（protein kinase D，PKD），而PKD 的活化又是通过Src 激酶实现的。Src 激酶分子中第277 位的半胱氨酸残基被过氧化氢氧化成磺酸基后，分子折叠情况改变，其第416 位的酪氨酸残基被暴露出来，“自我” 磷酸化（其实是2 个同样的分子彼此磷酸化），使Src 激酶被激活，激活后的Src 激酶通过磷酸化将PKD 激活，激活后的PKD 又使IKK 磷酸化而将其激活，激活后的IKK 再使IκB 磷酸化而被降解，NFκB 就被激活了。所以NFκB 被过氧化氢活化的机制是：H2O2—Src 激酶—PKD—IKK—IκB 降解—NFκB的活化。

这2 个例子表明，活性氧传递信息的机制是非常复杂的。实现体育锻炼正面效果的蛋白质确实是被活性氧中的过氧化氢活化，但不是直接与过氧化氢反应而被活化，而是通过一个由激酶组成的信息传递链。位于信息链“上游”的蛋白通常是激酶（MAPK 活化中的ASK1 和NFκB 活化中的Src 激酶），它们分子中的半胱氨酸残基被氧化后，激酶活性显现，通过由激酶组成的信息传递链，顺序磷酸化后面的蛋白，像多米诺骨牌依次倒下一样，最后实现目标蛋白的活化。在ASK1 的活化中，ASK1 还不是直接被过氧化氢氧化而被激活，而是Prx1 先被过氧化氢氧化，Prx1 再将巯基氧化的状态转移给ASK1。

由于MAPK 和NFκB 是传递体育锻炼有益效应的主要分子，它们被过氧化氢活化表明，体育锻炼的有益效果主要是由活性氧的信息作用而被实现的。

而在同时，正因为活性氧传递信号机制非常复杂，研究比较困难，目前人们只知道AMPK 除了可通过结合AMP 而被活化外，还可被活性氧活化，但尚不了解具体机制。热休克因子Hsf1 也可被活性氧活化，但具体的机制仍不清楚。不过这并不影响活性氧传递体育锻炼有益效果的结论。

3.8 生物对抗活性氧的历史和生物一样古老 在生命形成的初期，地球大气中的氧气很少，据估计只有目前大气含氧量的十万分之一。释氧光合作用的出现使生物来源的氧气开始进入大气。一开始这些氧气并不能显著增加大气中的氧含量，因为这些氧气会被环境中的还原性物质（例如大气中的氢气和硫化氢及海水中的亚铁离子）所消耗。只有这些还原性物质被大量消耗后，大气中的氧含量才显著上升。这个上升大约发生在24 亿年前，被称为是“大氧化事件”（great oxygenation event，GOE）。因此有人认为，生物的抗氧化系统是在大氧化事件之后才逐渐发展的，以应对氧气及其在生物体内形成的活性氧对生命的威胁。在此之前，大气中氧气的含量极低，发展出这样的系统似乎没有用处。

但在实际上，地球上所有现存的生物，包括原核生物中的细菌（Bacteria）和古菌（Archaea），以及所有的真核生物，都含有抗氧化酶。甚至严格的厌氧菌（生活不需要氧气的存在，而且在许多情况下还不能在有氧的环境中生活）也含有抗氧化酶。对这三大类生物中的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物氧化还原蛋白（Prx）和过氧化物酶（CAT）的基因序列比较表明，这些酶有共同性，即它们是同源的。无论是细菌、古菌还是真核生物的过氧化物氧还蛋白，它们的氨基端都有一个保守的半胱氨酸残基用于还原过氧化氢。

如果抗氧化酶是在大氧化事件之后才出现的，由于在24 亿年前，细菌、真菌和真核生物早已分道扬镳，它们就必须各自独立地演化出自己的抗氧化酶。如果是这种情况，这些酶基因的DNA 序列和蛋白质的氨基酸的序列就不可能具有同源性。结论只有一个，就是这些酶出现的时间非常早，在原核生物分化为细菌和真菌之前就出现了，即所有生物的共同祖先（last universal common ancestor，LUCA）中就已经含有抗氧化酶。这个时间应该早于38 亿年前，因为原核生物中的蓝细菌就已经有38 亿年的历史。这说明最早的生物就有对抗活性氧的需要。这似乎与生物产生时地球上的还原环境相矛盾。

其实在生物出现之前，地球上就已经有活性氧了。太阳光中的紫外线照射海水，就可产生活性氧，而不需要大气中有氧的存在。例如，紫外线可打破水分子中氧原子和一个氢原子之间的化学键，形成氢氧自由基（OH·）和氢自由基（H·）。2 个氢氧自由基彼此结合，就可形成过氧化氢（H2O2）。通过多步骤的反应，紫外线也可在海水中形成超氧负离子（O2·-）。活性氧产生的速度随纬度（即光照角度）的不同而不同，目前海水被紫外线照射时产生超氧负离子的平均速度大约是3 nmoL／（L·min），即每升海水每分钟能产生3 nmol 的超氧负离子。

在地球形成的初期，太阳的电磁辐射要比现在强3 倍左右，在海水中形成的活性氧估计也比现在要多。由于细胞质量的80%以上是水，活性氧不仅可在海水中产生，也可通过紫外线照射细胞内的水而产生。地球上的生物就是在这种细胞内、外都有活性氧的环境中形成的。能发展出抗氧化酶的生物就比没有发展出抗氧化酶的生物有更大的优越性，因此，存活下来并且继续发展的生物就都含有抗氧化酶系统。

由于超氧负离子和过氧化氢对生物都有伤害作用，所以最简单的抗氧化酶系统都至少由2 种酶组成：消灭超氧负离子的超氧化物歧化酶（SOD）或超氧化物还原酶（SOR，见下文），以及消灭过氧化氢的过氧化氢酶（CAT）。下文将分别介绍这2 种酶的演化史。

（待续）