脂质过氧化

脂质过氧化（英文：Lipid peroxidation）是指多不饱和脂肪酸及其酯（如存在于生物膜磷脂中的）在活性氧或自由基的攻击下，发生的一系列复杂的链式氧化反应。该过程会破坏脂质结构，并产生多种具有细胞毒性和信号功能的醛类、酮类和碳氢化合物产物。脂质过氧化是自由基损伤的核心环节，与细胞膜功能障碍、衰老及众多病理过程密切相关。

化学反应机制

脂质过氧化是一个典型的自由基链式反应，可分为三个阶段：

1. 引发：

   • 高活性自由基从PUFA的亚甲基碳上夺取一个氢原子，形成脂质自由基。

   • 常见的引发剂：羟基自由基、烷氧基自由基、过氧亚硝基等。

   • 反应式：LH（脂质） + •OH → L•（脂质自由基） + H₂O

2. 传播：

   • L• 迅速与分子氧结合，形成脂质过氧自由基。

   • LOO• 从邻近的另一个PUFA分子上夺取氢原子，生成脂质氢过氧化物和新的L•，从而维持链式反应。

   • 反应式：
     L• + O₂ → LOO•
LOO• + LH → LOOH + L•

3. 终止：

   • 两个自由基相互结合，生成非自由基产物。

   • 反应式：LOO• + LOO• → 非自由基产物 或 LOO• + 抗氧化剂 → 终止

关键产物及其生物学效应

脂质氢过氧化物本身不稳定，会进一步分解，生成一系列具有重要生物学效应的次级产物：

1. 反应性醛类（最具破坏性和信号活性）：

   • 丙二醛：是最常见且被广泛检测的终产物，可与蛋白质、核酸的氨基反应，形成席夫碱交联（如MDA-赖氨酸加合物），导致蛋白质交联、DNA损伤。是氧化应激的经典生物标志物。

   • 4-羟基壬烯醛：由ω-6 PUFA氧化生成。具有强亲电性，能与半胱氨酸、组氨酸、赖氨酸残基反应，调节多种信号通路（如Nrf2/ARE、MAPK、NF-κB），在高浓度时诱导细胞凋亡，低浓度时参与适应性信号传导。

   • 丙烯醛、乙二醛等。

2. 气体产物：如乙烷、戊烷，可从呼气中排出，曾用作体内脂质过氧化的指标。

3. 氧化修饰的磷脂和脂蛋白：

   • 氧化低密度脂蛋白：是动脉粥样硬化发生发展的核心因素，能被巨噬细胞清道夫受体识别并吞噬，形成泡沫细胞。

影响因素

1. 底物：PUFA的双键数量和位置（如亚油酸、花生四烯酸）决定了其过氧化敏感性（双键越多，越易过氧化）。

2. 引发剂：ROS/RNS的浓度和种类。

3. 促氧化剂：游离的铁、铜等过渡金属离子通过分解LOOH（芬顿类反应）产生新的自由基，极大加速链式反应。

4. 抗氧化防御：维生素E是脂相中最重要的断链抗氧化剂，能直接淬灭LOO•。谷胱甘肽过氧化物酶可还原LOOH为相应的醇。

生物学后果

1. 膜结构与功能破坏：

   • 磷脂PUFA的破坏改变膜流动性和通透性。

   • 破坏膜蛋白（如离子通道、受体、转运蛋白）的脂质微环境，导致其功能障碍。

   • 损伤线粒体膜，破坏电子传递链，导致能量危机和更多ROS泄露。

2. 细胞毒性：

   • 反应性醛类产物（如HNE、MDA）具有直接的细胞毒性，可诱导细胞凋亡或坏死。

3. 信号调节：

   • LOO•、LOOH及醛类产物（尤其是HNE）本身可作为氧化还原信号分子，在特定浓度下调节与细胞增殖、分化、凋亡和炎症相关的信号通路。

4. 诱导炎症与免疫反应：

   • oxPL和oxLDL能被免疫细胞识别，触发炎症反应。

5. 与蛋白质和DNA的交叉反应：

   • 醛类产物与蛋白质/DNA形成加合物，导致其功能障碍和突变。

检测方法

1. 初级产物检测：

   • 脂质氢过氧化物：使用FOX法、HPLC-化学发光法。

2. 次级产物检测（常用）：

   • 丙二醛：硫代巴比妥酸反应物测定（但特异性较差）；HPLC或GC-MS测定MDA-氨基酸加合物更为准确。

   • 4-羟基壬烯醛：ELISA或LC-MS/MS检测其与蛋白质的加合物。

3. 呼气分析：检测乙烷、戊烷。

4. 氧化脂质组学：使用LC-MS/MS高通量鉴定和定量多种氧化磷脂分子。

在生理与病理中的作用

1. 生理作用：低水平的脂质过氧化及其产物可能参与信号传导和适应性反应。

2. 病理作用（当过程失控时）：

   • 神经退行性疾病：AD、PD、ALS患者脑内均发现高水平的脂质过氧化产物和蛋白质加合物。

   • 动脉粥样硬化与心血管疾病：oxLDL是核心致病因子。

   • 缺血再灌注损伤：恢复血流后爆发性ROS产生导致膜脂质过氧化。

   • 癌症：既可通过损伤DNA促进癌变，也可诱导癌细胞死亡。

   • 衰老：是“自由基衰老理论”的重要证据之一。

   • 肝脏疾病：酒精性肝病、非酒精性脂肪肝中肝细胞承受巨大氧化压力。

参考文献

1. Yin, H., Xu, L., & Porter, N. A. (2011). Free radical lipid peroxidation: mechanisms and analysis. Chemical Reviews, 111(10), 5944–5972.
   （全面综述了脂质过氧化的化学机制、分析方法和生物学意义，是该领域的权威总结。）

2. Niki, E. (2009). Lipid peroxidation: Physiological levels and dual biological effects. Free Radical Biology and Medicine, 47(5), 469–484.
   （强调了脂质过氧化产物的双重角色——既有毒性损伤，也有信号功能，是理解其生理病理复杂性的关键文献。）

3. Ayala, A., Muñoz, M. F., & Argüelles, S. (2014). Lipid peroxidation: production, metabolism, and signaling mechanisms of malondialdehyde and 4-hydroxy-2-nonenal. Oxidative Medicine and Cellular Longevity, 2014, 360438.
   （详细阐述了MDA和HNE这两种核心终产物的生成、代谢及其复杂的信号功能。）

4. Spickett, C. M., & Pitt, A. R. (2012). Oxidative lipidomics coming of age: advances in analysis of oxidized phospholipids in physiology and pathology. Antioxidants & Redox Signaling, 16(10), 1083–1095.
   （介绍了氧化脂质组学这一前沿领域及其在揭示氧化磷脂特定功能中的作用。）

5. Esterbauer, H., Schaur, R. J., & Zollner, H. (1991). Chemistry and biochemistry of 4-hydroxynonenal, malonaldehyde and related aldehydes. Free Radical Biology and Medicine, 11(1), 81–128.
   （关于HNE和MDA生物化学的早期经典综述，许多基础认知源于此。）