维生素E 调节抗氧化作用的研究进展

郭 彤，于凤芝，胡 平，马建民

（北京农业职业学院畜牧兽医系，北京 102442）

1922 年发现的维生素E 被认为是动物机体必须的营养物质[1]，根据其在大鼠繁殖中的作用，最初被人们称为“X 因子”或“抗不育因子”。1934年Evans 等人从小麦胚芽油中分离出维生素E 并将其命名为“α-生育酚”。1938 年获得了α-生育酚的化学结构和合成方法。1966 年Whittle 等人从橡胶树的乳胶中分离出来的具有类异戊二烯侧链的不饱和维生素E[2]被命名为生育三烯醇。维生素E 家族包含8 种异构体，即4 种生育酚（α-、β-、γ-和δ-生育酚）和4 种生育三烯醇（α-、β-、γ-和δ-生育三烯醇）。色醇环上甲基的数量和位置反映了生育酚和生育三烯醇的不同异构形式。维生素E 家族不能在人体和动物体内合成，必须通过饮食外源性的提供。最新研究发现，维生素E对人类健康有各种潜在的有益作用，如抗过敏、抗动脉粥样硬化、抗癌、抗心血管，抗糖尿病，抗血脂，抗高血压，抗炎，抗肥胖，调节端粒酶活性等[3-6]。本文从维生素E 的吸收、分布、代谢和排泄；氧化应激和体内活性氧（ROS）；抗氧化作用机制；维生素E 的非抗氧化功能；氧化应激研究领域的最新认识方面对维生素E 与氧化还原相互作用的关系进行介绍。

1 维生素E 的吸收、分布、代谢和排泄

为研究维生素E 对其体内氧化还原作用的有效性，了解维生素E 的代谢和食物来源是很重要的。一般来说，坚果和植物油富含生育酚，而大麦、燕麦、棕榈油、米糠、黑麦和小麦胚芽富含生育三烯醇[7]。维生素E 同分异构体的天然来源主要存在于水果、海鲜、奶酪和鸡蛋等日常食物中。口服天然来源的维生素E 可与胆汁酸、胆固醇、磷脂和三酰基甘油形成微胶粒，使维生素E到达肠腔[8]，这些微胶粒随后被肠上皮细胞吸收。当维生素E 到达乳糜管时，它与胆固醇、磷脂和三酰基甘油形成乳糜微粒，合成的乳糜微粒形式的维生素E 通过淋巴循环，经胸导管进入血液循环。Peh 等认为[9]，维生素E 是通过淋巴系统到达周围组织，如脂肪组织、骨骼、隔膜、心脏、肠、肝、肺、肠系膜、肌肉、鼻咽腔、脑实质组织、呼吸道和皮肤。乳糜微粒中维生素E 异构体的组成比例与摄入食物中维生素E 的组成比例几乎相同。含有乳糜微粒的维生素E 到达肝脏后被极低密度脂蛋白（VLDL）吸收并释放到血液中。当α-生育酚从肝脏转移到血液时，由于肝脏中α-生育酚转移蛋白（α-TTP）的存在，它优先释放到血液中。没有结合α-TTP 的维生素E 异构体的代谢是通过I 期代谢（分解代谢和侧链缩短）和II 期代谢（硫酸化和葡萄糖醛酸化）完成的。这些代谢物随后通过粪便和尿液排出体外。α-TTP 是一个30,500 Da 的胞浆蛋白，与α-生育酚有很高的亲和力[10]。以α-生育酚和α-TTP 的相对亲和度作为100 %，其它维生素E 异构体的亲和度为：β-生育酚38 %、γ-生育酚9 %、δ-生育酚2 %。然而，通过α-TTP 从肝脏选择性释放α-生育酚的机制尚不完全清楚。目前的观点认为，α-TTP 激活ATP 结合转运体A1（ABCA1），促进α-生育酚向VLDL 转运[11-12]。Kaneai 等报道[13]，给23 月龄的大鼠饲喂含生育三烯醇的食物（250 mg生育三烯醇混合物/100 g 日粮）3 周后，其大脑中出现了微量的生育三烯醇积累，它们是通过抑制氧化应激相关原癌基因酪氨酸蛋白激酶Src（c-Src）和/或细胞外信号调节激酶（ERK）激活介导的神经元保护。Kawakami 等报道[14]，4 周龄大鼠饲喂含低生育三烯醇的食物（1.3 mg 生育三烯醇混合物+3.2 mg 生育酚混合物kg/d 体重）和高生育三烯醇（5 mg 生育三烯醇混合物kg/d 体重）3 周后，生育三烯醇在脂肪组织中分布显著增加。与体内各器官α-生育酚积累动态相比，生育三烯醇的分布具有组织特异性。生育三烯醇在组织中分布不同的原因可能是由于α-生育酚很容易通过α-TTP 从肝脏释放到血液中，随后通过血液循环在各个器官中积累；而生育三烯醇与α-TTP 亲和力差，因此，从肝脏释放到血液中的量较少。另一方面，细胞色素P450（CYP）介导的肝脏分解代谢也是生育三烯醇组织分布的重要原因[15]。维生素E 同分异构体的代谢是伴随着β-氧化反应由CYP 催化的ω-羟化引发的侧链降解。Abe 等[16]使用酮康唑（CYP 的强效抑制剂）证实了大鼠维生素E 代谢依赖于CYP。他们对进行了4 周日粮中无维生素E 的大鼠（维生素E 缺乏症）通过口服乳剂（乳剂中含有生育酚或生育三烯醇的混合物）发现，酮康唑给药24 h 后血浆和各组织（肾上腺、主动脉、附睾脂肪、心脏、肾脏、肝脏、肺、肾周脂肪组织、皮肤、脾脏和胸腺）中γ-生育酚、α 和γ-生育三烯醇浓度升高，而α-生育酚的浓度不受影响。说明生育三烯醇的组织分布不仅受α-TTP 的影响，还受CYP 等其他因素的影响。基于上述发现，认为口服维生素E 异构体进入体内的分布不仅出现在小肠吸收到淋巴系统的过程，还出现在VLDL 释放到血液的阶段。含VLDL 的维生素E 释放后，通过血液循环在许多不同器官中积累，并产生各种生理活动，如抗氧化活动。Fanali 等[17]报道血浆中的主要转运蛋白即人血清白蛋白（HAS）可与α-生育酚结合，并探讨了HSA 受体介导的生理机制，即通过HSA 本身的抗氧化活性和与HSA 结合的抗氧化剂从而避免了氧化降解[18-19]。

2 体内的氧化应激和活性氧（ROS）

口服维生素E 异构体在不同器官中的浓度是不同的，为了描述维生素E 在体内的氧化还原相互作用，阐明体内氧化应激和ROS 的概念至关重要。“氧化应激”是指体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态，倾向于氧化，导致中性粒细胞炎性浸润，蛋白酶分泌增加，产生大量氧化中间产物。氧化应激是由自由基在体内产生的一种负面作用。内源性ROS 产生于正常细胞的代谢过程中，而外源性ROS 产生于各种外源性应激[20]。体内已知的ROS 包括超氧阴离子（O2----•）、过氧化氢（H2O2）、羟自由基（HO•）、过氧自由基（ROO•）和过氧化氢自由基（HOO•）。一般来说，越不稳定的ROS，如HO• 反应性越强。以前研究表明，氧化还原信号通常可以分为两种类型:（1）第二信使调节细胞受体激动剂，如细胞因子、生长因子和激素，可激活细胞产生ROS；（2）对高浓度氧化剂（如ROS）的应激反应[21]。暴露于上述任何一种条件下，ROS 产生或ROS暴露的细胞会导致各种生物途径和/或脂质过氧化和巯基氧化。在分类（1）中，在生理浓度下，ROS 被识别为第二信使，并作用于各种生物途径，如共济失调-毛细血管扩张症突变激酶（ATM）、铁反应元件（IRE）、铁调节蛋白（IRP）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、磷酸肌醇 3-激酶（PI3）、磷酸酶和紧张素同源物（PTEN）、氧化还原效应因子-1（Ref-1）、src 同源胶原同源物（ShcA）等[22-23]。ROS 是参与维持体内稳态的关键生物因子，可调节细胞增殖、凋亡和转录因子（核因子κB [NF-κB]和缺氧诱导因子-1α [HIF-1α]）的表达。相反，在分类（2）中，高浓度的ROS 被认为会引起细胞异常突变，如膜脂质过氧化（脂质过氧化）和细胞死亡[24-25]。好氧生物体内含有抗氧化剂，在ROS 诱导的氧化应激中维持氧化还原平衡。然而，在异常的生理环境下，如与各种疾病状态相关的环境下，抗氧化剂在某些情况下不能很好地发挥作用，从而启动细胞膜脂质过氧化的进程，并损害蛋白质和脱氧核糖核酸（DNA）。此外，氧化应激诱发各种疾病的发生，如动脉硬化、癌症、糖尿病、高血压、代谢综合征和神经系统疾病。关于维生素E 的抗氧化作用是否有助于保护机体免受ROS 诱导的氧化应激，提出了“自由基理论”，并得到了广泛认可[26-27]。

3 维生素E 抗氧化机制

需氧生物体内同时具有酶类和非酶类抗氧化剂。酶类抗氧化剂包括过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）和超氧化物歧化酶（SOD）。非酶抗氧化剂包括白蛋白、花青素、胆红素、黄酮醇（如山奈酚、槲皮素和杨梅素）、异黄酮（如黄豆苷和染料木素）、黄酮（如毛蕊醇、橙皮素和柚皮素）、黄烷醇（如儿茶素和没食子儿茶素）、叶酸、没食子酸、谷胱甘肽（GSH）、白藜芦醇、泛素醇、尿酸、酚酸、维生素A（如虾青素、α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、β-隐黄质、叶黄素、番茄红素）、维生素C（如抗坏血酸）、维生素E、维生素K 等[28]。与存在于体内的外源性脂溶性维生素相比，维生素E 普遍存在于细胞膜中，并以最高浓度在全身呈现。因此，维生素E 在体内氧化还原相互作用的调节中起重要作用。

维生素E 同分异构体的抗氧化作用取决于染色环上甲基的数量。例如，α-生育酚有三个甲基，而δ-生育酚在染色环上有一个甲基。因此，维生素E 同分异构体的抗氧化活性强弱顺序为α＞β＞γ＞δ，生育酚抗氧化活性强于生育三烯醇[29]。但由于实验条件不同，也有报道称生育三烯醇的抗氧化活性强于生育酚。Maniam 等[30]使用硫代巴比妥酸反应物（TBARS）研究了α-生育酚和α-生育三烯醇对大鼠骨脂质过氧化水平的影响，发现α-生育三烯醇比α-生育酚具有更强的抗氧化作用。Muller 等[31]通过各种试验如铁还原抗氧化能力（FRAP）测定、α-生育酚等效抗氧化能力测定、2,2-二苯基-1 苦基肼（DPPH）自由基清除活性测定、化学发光氧自由基清除试验和氧自由基吸收能力（ORAC）试验，比较了维生素E 的抗氧化活性，结果发现抗氧化活性的强弱顺序因所使用的特定测定方法不同而不同。各种维生素E 异构体的相对抗氧化活性的变化不仅与它们的化学结构有关，还与多种环境因素（如测量条件）有关。Fukuzawa 和Gebicki 发现[32]α-生育酚在体外间接与O2----•、HO• 和HOO• 发生反应，其机理是在与α-生育酚反应之前，ROS 与溶剂中的组分（如乙醇）发生反应，产生的溶剂自由基（Sol•）与α-生育酚分子相互作用生成α-生育酚自由基（α-Toc•）[33]。

维生素E 的抗氧化作用，主要是抑制脂质过氧化反应，这是因为维生素E 存在于细胞膜上，参与了细胞膜脂质过氧化反应。由于ROS 在体内反应和消失的速度都非常快，因此，直接抑制ROS 是很难的。目前认为作用机理是抑制ROS诱导的氧化应激通路下游的脂质过氧化链式反应。脂质过氧化经历了“起始”、“扩增”和“终止”三个过程。脂质过氧化的“起始”阶段是由ROS 产生脂质自由基的过程，即ROS，如HO• 作为促氧化剂，使不饱和脂肪酸（LH）形成脂质自由基（L•），此反应速率（k）非常快，主要取决于启动子（In）的存在（k 取决于启动子的化学性质）。在“扩增”阶段，L• 与氧反应产生脂质过氧自由基（LOO•），反应速率快，随后LOO•与LH缓慢反应形成脂质过氧化氢（LOOH）。在这个反应中，L• 和LOOH 是新形成的，是通过链式反应产生的。一旦脂质过氧化开始，链式反应就不会停止，直到“终止”阶段中最终产物形成。在形成脂质过氧化物的过程中，α-生育酚在反应中的存在将氢离子传递给LOO•，而LOO• 本身变成α-Toc• 形成LOOH。该反应也取决于抗氧化剂组分的化学性质，反应速度相对较快，α-Toc•与另一个LOO• 发生自由基-自由基偶联，形成反应性差的非自由基加合物。因此，一分子维生素E可以捕获两分子的过氧自由基。维生素E 也会和其他自由基发生反应。例如，α-生育酚与烷氧基反应生成α-Toc•。两分子α-Toc•形成反应性差的非自由基二聚体。这就是1943 年提出的维生素E的抗氧化机制—自由基理论。

然而近年来的研究又有了新的发现[34]。目前认为这些现象不仅是维生素E 抗氧化作用引起的，而且是由脂质氧化的超分子结构引起的。例如，两亲性化合物（如游离脂肪酸、单酰基甘油和磷脂）在微环境中可产生超分子结构，并在其反应位点加速脂质氧化，这是Porter 在20 世纪80 年代提出的“极性悖论”[35]。“极性悖论”表明，极性（亲水）抗氧化剂更有效地防止低界面/体积比的非极性脂类（如块状脂类）的氧化。相反，非极性（亲油）抗氧化剂在高界面/体积比的极性脂类乳剂中更有效[36]。在脂质中，亲水抗氧化剂聚集在脂质和空气的界面上，而疏水抗氧化剂分散在脂质中。脂质氧化反应主要发生在脂质和氧的界面上。因此，界面上的亲水抗氧化剂比疏水抗氧化剂更有可能防止脂质氧化，油/水乳剂氧化反应发生在脂质和水的界面上。在该体系中，分散在水中的亲水抗氧化剂不存在于界面上，而是存在于水相中，从而降低了抗氧化效果，而疏水抗氧化剂存在于分散的脂质乳液中比亲水抗氧化剂更容易防止脂质氧化。Huang 等[37]比较了α-生育酚及其亲水类似物Trolox 在油和油/水乳剂中的脂质氧化抑制作用。与Trolox 相比，α-生育酚在油/水乳剂中具有更强的抑制脂质氧化的作用，而在油中则相反。Brimburg 指出[38]，脂质氧化的起始阶段到扩增阶段受临界微团浓度（CMC）的影响很大，抑制脂质氧化作用的主要机制是两亲化合物对CMC 的修饰。因此，维生素E 的抗氧化活性不仅受到其化学结构的影响，还受到其微环境周围体系的界面面积、电荷、渗透性和超分子结构厚度的影响。如血液中低密度脂蛋白（LDL）与动脉粥样硬化和血栓的形成有关。LDL 的氧化导致巨噬细胞对胆固醇的摄入量增加，从而加速动脉粥样硬化。维生素E 是存在于人体脂蛋白中的主要抗氧化剂，是低密度脂蛋白脂质氧化的抑制因子。Bowry 等[39]发现，富含α-生育酚的LDL 表现出更高的脂质过氧化，说明α-生育酚自由基在LDL 的脂质过氧化作用中起促进作用。

与体外不同，体内各种水溶性和脂溶性抗氧化成分共存并相互作用。抗坏血酸，一种存在于低密度脂蛋白之外的水溶性抗氧化成分，能将α-Toc•还原为α-生育酚。脂溶性抗氧化成分虾青素的抗氧化作用在磷脂酰胆碱脂质体中得到加强，虾青素通过多烯链与生育三烯醇的三烯链相互作用来稳定其抗氧化作用[40]。在体内实验中，Burdeos 等[41]报道了大鼠每日摄入富含生育三烯醇的米糠油3 周后，可降低其血浆过氧化氢磷脂（PLOOH）水平。然而，通过各种成分形成的超分子结构很复杂，体外模型仅能部分反映体内情况。目前，更多的体外模型已经开发出来，包括三维细胞培养系统和芯片仿真人体器官系统等，这些在体内研究的发现，尤其是动物体内各种抗氧化剂的相互作用，是未来研究的主要方向。

4 维生素E 的非抗氧化功能

Traber 和Atkinson 指出[42]，维生素E 的抗氧化活性仅代表其生物活性的一小部分，生育酚和生育三烯醇还具有非抗氧化功能。维生素E 的化学结构，疏水的尾部存在于疏水区，极性头部存在于细胞膜和脂蛋白的亲水区。生育三烯醇与生育酚相比，生育三烯醇改变了细胞膜的物理特性和曲率，诱导了生物活性。相反，α-生育酚与脂质成分有很强的亲和力，有利于细胞膜的稳定。Uran 等[43]利用核磁共振发现了α-生育酚与游离脂肪酸之间的相互作用，α-生育酚可降低游离脂肪酸诱导的磷脂脂质体流动性。Mukherjee 等[44]报道了α-生育酚和溶血磷脂酰胆碱复合物可保护细胞膜上的磷脂酶A2 水解。磷脂酶A2 属于酶的超家族成员，专门催化磷脂sn-2 位置酰基酯键的水解，释放花生四烯酸，合成具有生物活性的白细胞介素、前列腺素和血栓烷，它们浓度的增加导致了炎症反应。Sen 等[45]报道了纳摩尔浓度的α-生育三烯醇可以预防中风相关的神经退行性病变。其作用机制是α-生育三烯醇抑制谷氨酸诱导的磷脂酶A2 的激活。Ahn 等[46]报道γ-生育三烯醇在人多发性骨髓瘤（U266）和头颈部鳞状细胞癌中抑制NF-κB 通路（两种细胞都表达活化的NF-κB）。NF-κB 在炎症和癌症的发病机制中起着重要作用，他们发现α-生育酚降低了细胞对δ-生育三烯醇的摄取，由此可知，细胞信号转导与维生素E 之间的关系非常密切。这些都是维生素E的非抗氧化功能。

5 对“自由基理论”的最新认识

基于“自由基理论”的概念，很多报道认为维生素E 的抗氧化活性是其生理效应的主要因素，几乎具有抗氧化特性的物质对所有涉及ROS 的疾病都有效，但情况并非如此。Gladyshev 等[47]认为，补充抗氧化剂可能存在破坏机体氧化还原平衡、促进衰老的潜在风险。Azzi 等[48]在临床试验中发现，口服α-生育酚治疗冠心病、癌症、眼病和大脑认知功能减退均无疗效或缓解作用。口服高浓度α-生育酚可增加死亡、出血和前列腺癌的可能性。这些现象用“自由基理论”是难以解释的。Ristow 等报道[49]体内运动产生的ROS 刺激并激活体内的防御机制以降低患病风险，但抗坏血酸、生育酚等抗氧化剂的摄入削弱了体内的防御机制。Pérez 等[50]报道，在体内产生更多抗氧化酶的转基因小鼠并不比正常小鼠活得时间长。说明体内产生的ROS 可能对维持生物稳态的平衡是有效的。因此，明确体内ROS 和维生素E抗氧化剂的最佳比例是十分重要的，同时维生素E 的抗氧化和非抗氧化活性之间的关系也是一个重要的研究课题。据报道，口服α-生育酚对维生素E 缺乏引起的共济失调和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）是有效的，而其作为抗抑郁药物的作用机制可能是基因表达修饰，而不认为与氧化作用有关。因此，不能仅局限于“自由基理论”，还应考虑体内氧化还原的平衡同时也要考虑它们之间的协同作用。

6 结论

本文从维生素E 的发现历史、体内动力学、维生素E 与ROS 的关系、维生素E 的抗氧化作用机制以及维生素E 在氧化应激研究中的最新进展等方面介绍和综述了近年来维生素E 在氧化还原作用中的相互作用的研究进展。维生素E 的抗氧化作用机制已经清楚，但维生素E 氧化产物的生物活性仍不明确。每一种维生素E 异构体及其各自代谢产物的抗氧化活性也需要精确测定。在体内外研究的实验条件还有很大的差距。为了更好地解决这一问题，基础科学领域的研究人员、应用和临床小组的研究人员必须相互合作，相信随着科学技术的不断进步，维生素E 和氧化还原平衡之间的作用会有更多的新进展。