抗氧化剂

抗氧化剂是指能减缓或防止氧化作用的分子（常专指生物体中）。氧化是一种使电子自物质转移至氧化剂的化学反应，过程中可生成自由基，进而启动链反应。当链反应发生在细胞中，细胞受到破坏或凋亡。抗氧化剂则能去除自由基，终止连锁反应并且抑制其它氧化反应，同时其本身被氧化。抗氧化剂通常是还原剂，例如硫醇、抗坏血酸、多酚类。
抗氧化剂也是一种汽油中重要的添加剂。它可以防止油料在储存过程中氧化变质形成胶质沉淀从而妨碍内燃机的正常运转。
虽然氧化反应十分重要，但它也能对生命体造成伤害；因此，动植物演化出多种抗氧化剂，如常见的谷胱甘肽、维生素C与维生素E，过氧化氢酶、超氧化物歧化酶等酶，以及各种过氧化酶。低阶的抗氧化剂或抗氧化酶的抑制剂，则会引发氧化应激，导致细胞的损伤和死亡。
由于氧化应激是一些许多疾病的重要组成部分，所以药理学对抗氧化剂的使用,特别是在对中风和神经退化性疾病的治疗中有深入研究。此外氧化应激也是一些疾病的诱因和结果。
抗氧化剂被广泛应用在营养补充剂中。对于一些疾病比如癌症、冠心病甚至高原反应的预防作用已经得到研究。尽管先前的初步研究表明补充抗氧化剂可能促进健康，但后来对一部分抗氧化剂进行大量临床试验得到的结果并没有显示出补充抗氧化剂（维生素C）的好处，甚至发现大剂量补充某些公认的抗氧化剂（硒、维生素E）会使罹患某些疾病的相对风险上升一到五个百分点。瑞典哥德堡大学萨尔葛兰斯卡研究院(Sahlgrenska Academy)研究指出，抗氧化剂会加速肺癌及其他癌细胞的进展恶化。
另外也有一个持续数年的跟踪研究证实大剂量的抗氧化剂在可以使罹患心血管疾病的风险降低65%，但具体机理不明。抗氧化剂在其他诸多领域也有用途，比如食品和化妆品防腐剂以及延缓橡胶的老化降解。

抗氧化剂的历史

为了适应从海洋生物演变为陆地生物，陆生植物开始产生海洋生物所不具有的抗氧化剂比如维生素C、多酚和生育酚。五千万年到两亿万年前，特别是在侏罗纪时代，被子植物植物在进化的过程中发展出了许多抗氧化的天然色素，来作为一种抵御光合作用副产物活性氧类物质的化学手段。本来抗氧化剂一词特指那类可以防止氧气消耗的化学物质。在19世纪末至20世纪初，广泛研究集中在重要的工业生产过程对抗氧化剂的使用上，比如防止金属腐蚀、橡胶的硫化、由燃料聚合导致的内燃机积垢等。
生物学对抗氧剂的研究早期集中在是如何使用抗氧化剂来避免不饱和脂肪酸氧化引起的酸败。可以通过将一块脂肪置于一个充氧的密封容器后对其氧化速率进行测定的简单方法度量抗氧化活性。然而随着具有抗氧化作用的维生素A、C、E的发现和确认，人们意识到抗氧化剂在生物体内起到生化作用的重要性。当认识到具有抗氧化活性的物质可能本身就容易被氧化的事实后，对抗氧化剂可能作用机理的探索首先开始。通过研究维生素E如何防止脂质过氧化，明确了抗氧化剂作为还原剂通过与活性氧物质反应来避免活性氧物质对细胞的破坏，达到抗氧化的效果。

生物体应对氧化的方法

对于生物体的代谢有一种自相矛盾的情况，虽然大部分地球上的生物需要氧气来维持生存，但同时氧气又是一种高反应活性的分子，可以通过产生活性氧物质破坏生物体。所以生物体中建立了一套由抗氧化的代谢产物和酶构成的复杂网络系统，通过有抗氧化作用的代谢中间体和产物与酶之间的协同配合使得重要的细胞成分比如DNA、蛋白质和脂类免受氧化损伤。抗氧化系统大体上通过两种方式实现抗氧化作用，一种是通过阻止活性氧物质的产生来实现的，另一种是在这些活性物质对细胞的重要成分造成损伤之前清除它们来达到抗氧化作用的。然而这些活性氧物质也有重要的细胞功能，比如在生化反应中充当氧化还原信号分子。因此生物体中抗氧化系统的作用不是氧化性物质彻底地全部清除，而是将这些物质保持在适当的水平。
在细胞内产生的活性氧物种包括过氧化氢（H₂O₂）、次氯酸（HClO）、自由基例如羟基自由基（·OH）和超氧根（O₂⁻）。羟基自由基特别不稳定，能无特异性地迅速与大多数生物分子反应。这类物种主要是由金属催化过氧化氢还原（比如芬顿反应）产生的。这些氧化剂通过引发链反应比如脂质的过氧化反应、或氧化DNA和蛋白质破坏细胞。受到损害的DNA如果没有得到修复会引起突变、诱发癌症。对蛋白质造成的损伤会使酶的活性受到抑制，蛋白质发生变性或降解。
人体新陈代谢产生能量的过程中需要消耗氧气生成活性氧物种。这个过程中，电子传递链的几个步骤能产生副产物超氧化物阴离子。特别重要的是复合物III中的辅酶Q在被还原的过程中会变成了高活性的自由基中间体（Q·⁻）。这种不稳定的中间体会发生电子的“泄漏”（丢失电子），“泄漏”的电子跳出正常的电子传递链，直接将氧分子还原生成超氧负离子。过氧化物也可以由还原态的黄素蛋白比如复合体Ⅰ的氧化产生。然而，尽管这些酶会生成氧化剂，但是目前尚不清楚电子传递链相比其他同样可以产生过氧化物的生化过程是否更为重要。在植物、藻类和蓝菌进行光合作用的过程中尤其是在高辐照强度下，同样会产生活性氧物种，但是类胡萝卜素作为光保护剂吸收过度强光保护细胞，藻类、蓝菌中所含的大量碘和硒也能抵消高辐照强度对细胞造成的氧化损伤,类胡萝卜素、碘和硒作为抗氧化剂通过与被过度还原的光合反应中心反应避免活性氧物种的产生。

尿酸

尿酸是血液中浓度最高的抗氧剂。尿酸是嘌呤代谢的中间产物，由黄嘌呤通过黄嘌呤氧化酶氧化产生，是一种有抗氧化性的氧嘌呤（oxypurine）。在大部分陆地动物体内，尿酸氧化酶可催化尿酸进一步氧化成尿囊素,但人和一些高级灵长类动物的尿酸氧化酶基因不发挥作用，所以尿酸在体内不会进一步分解。尿酸氧化酶功能在人类进化过程中丢失的原因仍是一个有待探讨的问题。尿酸的抗氧化性使研究者们推测这种突变有利于早期的灵长类动物和人类。对生物高海拔环境适应性的研究结果支持这样一种假设：尿酸作为抗氧化剂可以缓解由高原低氧引发的氧化应激。在氧化应激所促发疾病的动物实验中发现尿酸可以预防或缓解疾病，研究者们将其归因于尿酸的抗氧化特性。关于尿酸抗氧化机理的研究结果也支持这一提议。
对于多发性硬化症，Gwen Scott解释了尿酸作为抗氧化剂对于多发性硬化症的重要意义，血清中的尿酸水平与多发性硬化症的发生率呈相反的关系，因为多发性硬化症的病人血清中的尿酸水平低，而患有痛风的病人很少患有这种疾病。更重要的是尿酸可用于治疗实验性质的一种多发性硬化症的动物模型：变态反应性脑脊髓症。总之，虽然尿酸作为抗氧化剂的机理是得到了广泛的支持，但声称体内尿酸水平影响患多发性硬化症风险的说法仍存争议且需要更多的研究。
尿酸是所有血液抗氧化剂中浓度最高的，它的贡献占了人血清中总抗氧化能力的一半。尿酸的抗氧化活性很复杂，它不能与一些氧化剂比如超氧化物反应，但能对过氧亚硝基阴离子（peroxynitrite）、过氧化物和次氯酸起到抗氧化作用。

抗坏血酸

抗坏血酸或称维生素C是植物和动物体内的单糖氧化-还原催化剂。在灵长类动物的进化过程中，因为发生了突变，导致机体中一种用于合成维生素C所必需的酶丢失，所以人类必须从饮食中摄取维生素C。其他大部分动物都具备在体内合成维生素C的功能因而无需通过食物补充。通过氧化L-脯氨酸残基得到4-羟基-L-脯氨酸可将前胶原（procollagen）转化为胶原蛋白，这个过程需要维生素C的参与，氧化后的维生素C在其他细胞中经蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDIA）和谷氧还原酶（glutaredoxins）的催化被谷胱甘肽还原。维生素C是一种有还原性的氧化还原催化剂，可中和诸如过氧化氢这类的活性氧物种。维生素C除了有直接的抗氧化效果外，它也是还原酶抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase）的底物，这种酶对植物的抗逆性有特别重要的作用。维生素C以较高的含量普遍存在于植物的各个部位中，特别是在叶绿体中的浓度可以高达20mmol/L。

谷胱甘肽

谷胱甘肽是一种含有半胱氨酸的多肽，存在于多数需氧生物体内。它不能从膳食中摄入而是在细胞内从相应的氨基酸合成而来。由于半胱氨酸上的巯基具有还原性，能在氧化后再被还原，所以谷胱甘肽有抗氧化功能。在细胞内，谷胱甘肽在被一些代谢物和酶比如谷胱甘肽-抗坏血酸循环（Glutathione-ascorbate cycle）中的抗坏血酸盐、谷胱甘肽过氧化物酶、谷氧还蛋白氧化或直接和一些氧化性物质反应后，可被谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase）还原恢复回还原态。鉴于它在细胞内的高浓度和在细胞氧化还原态中所扮演的中心角色，谷胱甘肽是最重要的细胞抗氧化剂之一。在一些生物体中谷胱甘肽会被其他一些含巯基的多肽所代替，比如在放线菌中被mycothiol（AcCys-GlcN-Ins）替代、在革兰氏阳性菌中被bacillithiol（Cys-GlcN-mal）替代、在动质体中被锥虫基硫（Trypanothione）替代。

褪黑素

褪黑素是一种很强的抗氧化剂。它可以轻易的穿过细胞膜和血脑屏障，和其他抗氧化剂不同，它不参与到还原循环（Redox Cycling）中。像维生素C这种参与氧化还原循环中的抗氧化剂可能会起到促氧化剂的作用从而促进自由基的形成。褪黑素一旦被氧化就不能还原回去，因为氧化后的褪黑素会与自由基形成几种稳定的最终产物。因此褪黑素被称作终端抗氧化剂（terminal antioxidant）。

生育酚和生育三烯酚（维生素E）

维生素E是由生育酚和生育三烯酚构成的8种相关化合物的统称，它们是一类具有抗氧化功能的脂溶性维生素。在这类化合物中，由于人体优先吸收和代谢α-生育酚，所以α-生育酚的生物利用度最大，也是已经被研究的最多的。
据称α-生育酚是最重要的脂溶性抗氧化剂。它清除游离的自由基中间体并且停止自由基的链增长，以此保护细胞膜免受有过氧化链反应产生的过氧化脂质的破坏，由此产生的氧化态α-生育酚自由基可被其他抗氧化剂比如维生素C、视黄醇或泛醇还原，使其重新回到活性还原态继续起到抗氧化作用。相关研究发现是α-生育酚而非水溶性抗氧化剂起到有效保护缺少谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的细胞避免其死亡的作用，而GPX4是已知的唯一一种能有效减少生物膜中过氧化脂质的酶，这一研究发现与α-生育酚的细胞膜抗氧化作用是一致。
但是还尚不清楚其他的几种维生素E在抗氧化作用中的角色和重要性。尽管γ-生育酚作为亲核试剂可以和亲电性的诱突变物质反应，而生育三烯酚对于保护神经元免受损坏起到重要作用，但是对于除α-生育酚外的其他几种维生素E在抗氧化方面的作用仍知之甚少。

补充抗氧化剂对健康的潜在损害

某些抗氧化剂的不适当补充会诱发疾病和增加人的死亡几率。有假设认为，体内的自由基能诱导启动内源性反应来对抗外源的自由基（也可能是其他毒性物质）使人体受到保护。最近的实验证据也有力地证实事实确实如此，内源性自由基产生的诱导作用使得秀丽隐杆线虫的寿命延长。这些有毒性的自由基在低浓度时可能有毒物兴奋效应，能起到延长寿命和促进健康的效果，而补充过量的抗氧化剂则会淬灭这些对健康起到积极作用的自由基。

概述

和化学抗氧化剂的作用一样，有多种抗氧化酶相互作用所构成的网络能保护细胞免受氧化应激的损害。比如氧化磷酸化过程释放出的过氧化物首先被转变成过氧化氢，接着被还原成水。在这个解毒过程是多种酶协同作用的结果，第一步超氧化物转变成过氧化氢的过程是在超氧化物歧化酶的催化下完成的，接着由多个不同的过氧化物酶来负责清除过氧化氢。和抗氧化代谢物在抗氧化过程中需要相互协作配合一样，在抗氧化酶的防御机制中这些酶之间也需要相互协调配合，不能单独发挥作用，这也是从研究只缺少某一种抗氧化酶的转基因小鼠的过程中认识到的。

超氧化物歧化酶，过氧化氢酶和过氧化还原酶

超氧化物歧化酶是一类与催化超氧化物阴离子分解产生氧气和过氧化氢密切相关的酶。
过氧化氢酶是一种以铁或锰为辅助因子、可催化过氧化氢分解成水和氧气的酶。它们存在于大多数真核生物细胞的过氧化物酶体中。
过氧化还原酶（Peroxiredoxins）是一类可催化还原过氧化氢、有机过氧化物和过氧亚硝基阴离子的过氧化物酶。它可分为三类：典型的2-半胱氨酸过氧化物还原酶、非典型的2-半胱氨酸过氧化物还原酶和1-半胱氨酸过氧化物还原酶。

硫氧还蛋白和谷胱甘肽系统

硫氧还蛋白（Thioredoxin）体系包括12千道尔顿的硫氧还蛋白和与之相伴的硫氧还蛋白还原酶。
谷胱甘肽体系包括谷胱甘肽、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽S-转移酶。这个抗氧化酶体系存在于植物、动物和微生物中。

疾病中的氧化应激

氧化应激被认为与多种疾病例如老年痴呆症 、帕金森氏症，这此病理系引发于糖尿病、由糖尿病引起的并发症、类风湿性关节炎和肌萎缩性脊髓侧索硬化症引发的神经退行性变（neurodegeneration）有关。对于其中的大部分疾病尚不清楚是否是由氧化剂所引发的，或者是作为这些疾病的次生后果来自一般组织的损伤。
氧化反应对DNA的损伤能引发癌症。比如超氧化歧化酶、过氧化氢酶、谷甘胱肽过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽S-转移酶等几种抗氧化酶能保护DNA免受氧化应激的损害。这些酶的多态性与DNA损伤有关并提高个体的癌症易感性风险。

器官功能

因为大脑的新陈代谢速率很快且脑部都大量的不饱和脂质，这些脂质易成为脂质过氧化反应的目标，所以大脑非常容易受到氧化损伤的侵害。抗氧化剂因此作为药物可用于治疗各类脑部损伤。超氧化物歧化酶的类似物（superoxide dismutase mimetics）、丙泊酚和硫喷妥钠能被用于治疗再灌注损伤（reperfusion injury）和创伤性脑损伤（traumatic brain injury）。Cerovive和依布硒（Ebselen）作为试验性药物用于中风的治疗。这些药物似乎可以避免神经元的氧化应激，并防止细胞凋亡和神经损伤。

与饮食的关系

多吃水果和蔬菜的人患心脏病和一些神经疾病的风险更低，也有证据显示一些蔬菜和水果可能降低患癌症的风险。因为水果和蔬菜是营养素和植生素的来源，由此推测抗氧化化合物可能会降低罹患一些疾病的风险。这个推断通过几种有限的方式进行了临床试验，结果显示此观点似乎不能成立，因为试验显示补充抗氧化剂对降低患某些慢性疾病比如癌症和心脏病的风险没有明显的效果。这暗示了从食用蔬菜和水果所带来的健康益处来源于水果和蔬菜中的其他成分（比如膳食纤维）或来自一个复杂的混合成分。比如富含黄酮的食物具有的抗氧化效果似乎应归功于食物中的果糖而非食物本身所含的抗氧化剂，果糖起了诱导体内增加合成抗氧化剂尿酸的作用。
血液中低密度脂蛋白的氧化被认为对造成心脏病起到了作用，最初的观察研究发现摄入维生素E能降低患心脏病的风险。因此后来开展至少七个大型的临床试验来测试补充抗氧化剂维生素E的效果，补充的维生素剂量从每天50mg至每天600mg，这些试验无一结果显示维生素E的补充会对死亡总人数或因心脏病死亡的人数造成显著性差异。进一步的研究也获得了同样结果。还不清楚在这些研究中所用的或在大多数膳食补充剂中所含的维生素E剂量是否足以显著增加氧化应激。总体上，尽管对氧化应激在心血管疾病中扮演的角色已有清楚的认识，但使用抗氧化剂维生素E的对照研究显示罹患心脏病的风险和已患疾病的发展速率均没有降低。

体育锻炼

在体育锻炼时，氧气的消耗量会比平时增加超过10倍。耗氧量的增大会产生更多的氧化产物造成运动中和运动后的肌肉疲劳。剧烈运动后特别是在运动后的24小时内的迟发性肌肉痛也和氧化应激有关，在运动后的2至7天中免疫系统会对运动过程中的出现的损伤进行修复从而使身体素质提高。在这个过程中中性粒细胞会产生自由基用以清除受损组织。因此体内过高浓度的抗氧化剂会在这个修复过程中妨碍机体的修复和适应。补充抗氧化剂也会妨碍通过体育锻炼增进健康，例如阻碍胰岛素敏感度的增加。

食品防腐剂

抗氧化剂作为食品添加剂可以帮助对抗食品变质。暴露在空气和阳光下是食物氧化的两大因素，所以为此可以将食物避光保存和存放在密封容器中，或者像黄瓜那样涂蜡包裹储藏。然而，氧气对于植物的呼吸作用也是十分重要的，将植物类食品在厌氧环境下存放后会产生难闻的气味和难看的颜色，所以新鲜的水果和蔬菜一般都储放在含8%氧气的环境下。抗氧化剂是一类十分重要的防腐剂，不同于由细菌和真菌造成的食品变质，冰冻或冷藏食物仍然能被相对较快的氧化。这些有抗氧化作用的防腐剂包括天然的维生素C和维生素和人工合成的没食子酸丙酯、TBHQ、BHT和丁基羟基茴香醚。
不饱和脂肪酸是最常见的易被氧化的分子；氧化会引起它们的酸败。由于氧化后的脂类变色并产生类似金属或硫磺的味道,所以防止富含脂肪食品的氧化是非常重要的。因此这些含脂食物很少通过风干存放，而是代之以烟熏、盐渍或发酵的方法来储藏。即使是一些脂肪较少的食物比如水果在用空气干燥之前也喷撒含硫抗氧化剂。氧化反应经常需要金属催化，这就是为何像黄油这类的脂肪从不用铝箔包裹或存放在金属容器中的原因。一些含脂食物比如橄榄油由于食物本身就含有天然抗氧化剂所以能部分避免氧化，但仍然对光氧化很敏感。一些脂类化妆品比如唇膏、润肤膏也需要加入抗氧化防腐剂避免酸败。