自由基
free radical
機體氧化反應中產生的有害化合物，具有強氧化性，可損害機體的組織和細胞，進而引起慢性疾病及衰老效應。
有機化合物（Organic compounds）發生化學反應時，總是伴隨著一部分共價鍵（covalent bond）的斷裂和新的共價鍵的生成。共價鍵的斷裂可以有兩種方式：均裂（homolytic bond cleavage）和異裂（heterolytic cleavage）。
鍵的斷裂方式是兩個成鍵電子在兩個參與原子或碎片間平均分配的過程稱為鍵的均裂（homolytic bond cleavage）。
兩個成鍵電子的分離可以表示為從鍵出發的兩個單箭頭。所形成的碎片有一個未成對電子，如H•，CH•，Cl•等。若是由一個以上的原子組成時，稱為自由基（radical）。因為它有未成對電子，自由基和自由原子非常的活潑，通常無法分離得到。不過在許多反應中，自由基和自由原子以中間體的形式存在，儘管濃度很低，存留時間很短。這樣的反應稱為自由基反應（radical reactions）。
自由基，化學上也稱為「游離基」，是含有一個不成對電子的原子團。由於原子形成分子時，化學鍵中電子必須成對出現，因此自由基就到處奪取其他物質的一個電子，使自己形成穩定的物質。在化學中，這種現象稱為「氧化」。我們生物體系主要遇到的是氧自由基，例如超氧陰離子自由基、羥自由基、脂氧自由基、二氧化氮和一氧化氮自由基。加上過氧化氫、單線態氧和臭氧，通稱活性氧。體內活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信號傳導過程。但過多的活性氧自由基就會有破壞行為，導致人體正常細胞和組織的損壞，從而引起多種疾病。如心臟病、老年癡呆症、帕金森病和腫瘤。此外，外界環境中的陽光輻射、空氣污染、吸煙、農藥等都會使人體產生更多活性氧自由基，使核酸突變，這是人類衰老和患病的根源。
簡單的說，在我們這個由原子組成的世界中，只要有兩個以上的原子組合在一起，它的週邊電子就一定要配對，如果不配對，它們就要去尋找另一個電子，使自己變成穩定的元素。科學家們把這種有著不成對的電子的原子或分子叫做自由基。
當一個穩定的原子的原有結構被外力打破，而導致這個原子缺少了一個電子時，自由基就產生了。於是它就會馬上去尋找能與自己結合的另一半。它活潑，很容易與其他物質發生化學反應。
當它與其他物質結合的過程中得到或失去一個電子時，就會恢復平衡，變成穩定結構。這種電子得失的活動對人類可能是有益的也可能是有害的。
一般情況下，生命是離不開自由基活動的。我們的身體每時每刻都從裡到外的運動，每一瞬間都在燃燒著能量，而負責傳遞能量的搬運工就是自由基。當這些幫助能量轉換的自由基被封閉在細胞裡不能亂跑亂竄時，它們對生命是無害的。但如果自由基的活動失去控制，超過一定的量，生命的正常秩序就會被破壞，疾病可能就會隨之而來。
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自由基的存在空間
這種缺少了一個電子，而又非常活躍的原子或分子的自由基，存在空間相當廣泛。
科學家在二十世紀初從煙囪和汽車尾氣中發現了這種十分活躍的物質。隨後的研究表明，自由基的生成過程複雜多樣，比如，加熱、燃燒、光照，一種物質與另一種物質的接觸或任何一種化學反應都會產生自由基。
自由基的種類非常多，自由基的存在的空間也是無處不在。它們以不同的結構特徵，在與其他元素結合時，發揮著不同的作用。
人體裡也有自由基，他們既可以幫助傳遞維持生命活力的能量，也可以被用來殺滅細菌和寄生蟲，還能參與排除毒素。受控的自由基對人體是有益的。但當人體中的自由基超過一定的量，並失去控制時，這種自由基就會給我們的生命帶來傷害。
生命體內的自由基是與生俱來的，既然生命能力歷經35億年滄桑而延續至今，就說明生命本身具有平衡自由基或者說清除多餘自由基的能力。然而人類文明活動還在不斷破壞著生態環境，製造著更多的自由基。驟然增加的自由基，早已超過了人以及生命所能正常保持平衡的標準，早已讓人類應接不暇，人類健康面臨著前所未有的嚴峻挑戰。
自由基對人體的危害
自由基對人體的損害主要有三個方面：一、使細胞膜被破壞；二、使血清抗蛋白酶失去活性；三、損傷基因導致細胞變異的出現和蓄積。
自由基對人體的攻擊首先是細胞膜開始的。細胞膜極富彈性和柔韌性，這是由它鬆散的化學結構決定的 ，正因為如此，它的電子很容易丟失，因此細胞膜極易遭受自由基的攻擊。一旦被自由基奪走電子，細胞膜就會失去彈性並喪失一切功能，從而導致心血系統疾病。更為嚴重的是自由基對基因的攻擊，可以使基因的分子結構被破壞，導致基因突變，從而引起整個生命發生系統性的混亂。
大量資料已經證明，癌症，腫瘤、衰老、血液病變、以及心、肝、肺、皮膚等各方面疑難疾病的發生機理與體內自由基產生過多或清除自由基能力下降有著密切的關係。癌症和藥物中毒與自由基產生過多有關；克山病——硒缺乏和範可尼貧血等疾病與清除自由基能力下降有關；而動脈粥樣硬化和心肌缺血再灌注損傷與自由基產生過多和清除自由基能力下降兩者都有關係。自由基是人類健康最隱避、最具攻擊力的敵人。
自由基對人體的攻擊
途徑一
自由基是無處不在的，自由基對人體攻擊的途徑是多方面的，既有來自體內的 ，也有來自外界的。當人體中的自由基超過一定的量，並失去控制時，這些自由基就會亂跑亂竄，去攻擊細胞膜，去與血清抗蛋白酶發生反應，甚至去跟基因搶電子，對我們的身體造成各種各樣的傷害，產生各種各樣的疑難雜症。
人類生存的環境中充斥著不計其數的自由基，我們無時無刻不暴露在自由基的包圍和進攻中。離我們生活最近的，例如吸煙。吸煙的過程是一個十分複雜的化學過程，它產生了數以千計的化合物，其中除了早在80年代以被認知的焦油和煙鹼外，還存在最大最難以控制的就是多種自由基。傳統觀念認為吸煙對人體的損害來自煙鹼（尼古丁），然而，最新研究表明，吸煙中自由基的危害要遠遠大於煙鹼（尼古丁）。吸煙產生的自由基，有的是可以被過濾嘴清除的，但還有很多種自由基不能被傳統的過濾方法清除掉，必須採取更科技的手段來對其進行清除和降低。自由基的存活時間僅僅為10秒，但吸入人體後，就會直接或間接損傷細胞膜或直接與基因結合導致細胞轉化等，從而引起肺氣腫、肺癌、肺間質纖維化等一系列與吸煙有關的疾病。
通過呼吸系統吸入的自由基絕不僅僅來自炒菜和吸煙，像汽車廢氣、工業生產廢氣等等環境污染產生的大量自由基也會在人們日常生活運動中被無防備的吸入。
散佈在空氣中，使用的化妝品中的自由基還會直接攻擊人的皮膚，從表皮細胞中搶奪電子，使皮膚失去彈性，粗糙老化產生皺紋。
自由基對人體的攻擊，既在最深層引起突變，又在最表層留下痕跡。可以說，人類被包圍在自由基的內外夾擊中。
途徑二
為了更清楚地說明自由基對人體的危害，我們以吸煙產生的自由基對人體的影響為例：
前面提到吸煙是一個十分複雜的化學過程，傳統上認為尼古丁、焦油危害人體健康的觀念以漸漸被科學家對多種自由基的認知而更新著。在科學家不斷的研究新發現中表明，吸煙中自由基對人體的危害遠遠大於尼古丁，遠遠大於焦油。吸煙產生的自由基，有的是可以被過濾嘴清除的，但還有一些不能被過濾方法清除的自由基會隨煙霧飄散在空氣中。科學家們已經從吸煙煙氣中發現的自由基有一氧化碳、二氧化碳、烷基和烷氧基等多種有害的自由基，雖然這些自由基的壽命非常短，但卻有著更大的危害性。
在中國科學院生物物理研究所的動物實驗中，科研人員觀察到，與生活在潔淨新鮮空氣中的小白鼠相比，處於吸煙煙霧中的小白鼠的細胞死亡率明顯增高。其原因在於吸煙煙氣中的自由基進入小白鼠體內後，一方面可以使細胞膜中的不飽和脂肪酸過度氧化，從而使細胞膜的結構被破壞；另一方面，還可以生成新的脂類自由基，而自由基的連鎖反應，會使各種損傷逐步積累和放大。
由此可見，當吸煙煙氣中的自由基被吸入人體後，同樣也會引起一系列的破壞反應。而炒菜產生的油煙、汽車廢氣、工業生產廢氣和核污染等等人類活動製造出的自由基與吸煙煙氣中自由基對人體的作用一樣。它們除了直接損傷細胞膜外，其連鎖反應還會導致基因突變或細胞死亡，從而引起呼吸系統疾病、心血管疾病和癌症等一系列嚴重疾病。
綜上所述，自由基對人體的攻擊既有來自體內的也有來自體外的；既在最深層引起的突變，也在最表層留下痕跡。可以說，人類處於自由基的內外夾擊中。
如何降低自由基對人體的危害
自由基是客觀存在的，對人類來說，無論是體內的還是體外的，自由基還在不斷地，以前所未有的速度被製造出來。與自由基有關的疾病發病率也呈加速上升的趨勢。既然人類無法逃避自由基的包圍和夾擊，那麼就只有想方設法降低自由基對我們的危害。
隨著科學家們對自由基研究的日漸深入，清除自由基，以減少自由基對人體的危害的方法也逐漸被揭示出來。
研究表明，自由基從產生到衰亡的過程就是電子轉移的過程。在生命體系中，電子的轉移是一種最基本的運動，而氧是最容易得到電子的元素，因此，生物體內許多化學反映都與氧有關。科學家們發現損害人體健康的自由基幾乎都與那些活性較強的含氧物質有關，他們把與這些物質相結合的自由基叫作活性氧自由基。活性氧自由基對人體的損害實際上是一種氧化過程。因此，要降低自由基的損害，就要從抗氧化做起。
既然自由基不僅存在於人體內，也來自於人體外，那麼，降低自由基危害的途徑也有兩條：一是，利用內源性自由基清除系統清除體內多餘自由基；二是發掘外源性抗氧化劑--自由基清除劑，阻斷自由基對人體的入侵。
大量研究已經證實，人體內本身就具有清除多餘自由基的能力，這主要是靠內源性自由基清除系統，它包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化酶等一些酶和維生素C、維生素E、還原性谷胱甘肽、胡蘿蔔素和硒等一些抗氧化劑。酶類物質可以使體內的活性氧自由基變為活性較低的物質，從而削弱它們對肌體的攻擊力。酶的防禦作用僅限於細胞內，而抗氧化劑有些作用於細胞膜，有些則是在細胞外就可起到防禦作用。這些物質就深藏於我們體內，只要保持它們的量和活力它們就會發揮清除多餘自由基的能力，使我們體內的自由基保持平衡。
要降低自由基對人體的危害，除了依靠體內自由基清除系統外，還要尋找和發掘外源性自由基清除劑，利用這些物質作為替身，讓它們在自由基進入人體之前就先與自由基結合，以阻斷外界自由基的攻擊，使人體免受傷害。
在自然界中，可以作用於自由基的抗氧化劑範圍很廣，種類極多。目前，國內外已陸續發現許多有價值的天然抗氧化劑。字這方面的研究中，中國的科學家們已經走在世界的前列。他們已經發現並證明了，我國一些特有的食用和藥用植物中，含有大量的酚類物質，這些物質的特點是，有著很容易被自由基奪走的電子，而它們在失去電子後就會成為一種對人沒有傷害的穩定物質。
中國科學院生物物理研究所的專家歷經八年時間從這些植物中研製出了天然抗氧化劑——自由基清除劑配方。在與捲煙廠技術人員合作的對動物的急性毒性實驗中證明，在高濃度香煙的毒害下，使用了自由基清除劑之後，小白鼠的壽命比沒有使用自由基清除劑的小白鼠的壽命明顯延長，最長的甚至可以延長將近一倍的壽命，並且，基因癌變率大大降低。
目前，吸煙煙氣自由基清除劑已被應用於北京捲煙中，此項技術的應用處於國際領先水準。
這一成果與中國傳統醫、藥學食、藥同源的餓一貫主張相一致，從中草藥和食物中研發自由基清除劑是具有中國特色的。我國的科研人員正在發揮傳統藥學的優勢，尋找更多高效、無毒的自由基清除劑並使 它們在食品、藥品、化妝品等更多領域得到應用，以造福於民。 當然，人類要想從根本上避免多餘自由基的侵害，還要從增強環保意識，切實改善我們的生存環境做起。
對自由基的研究現狀
比起細菌學、病毒學等很多學術領域來說，自由基還是一門比較年輕的學科。人類對自由基的研究開始於二十一世紀初，最初的研究主要是自由基的化學反應過程，隨後自由基知識滲透到生物學領域。雖然在二十世紀六十年代人們已經認識到自由基與疾病的密切關係，但由於受到技術方法的限制，研究進展緩慢。近年來，研究短壽命自由基的技術有了新的突破，推動了生物學的迅速發展，形成了一個以化學、物理學和生物醫學相結合的蓬勃發展的新領域即自由基生物學、醫學領域。這是一個跨學科的邊緣學。
人類對自然界的認識總是隨著科技手段的發展而逐漸深入的。80年代人類認識焦油對人體的攻擊與危害後運用了大量的科技手段進行阻斷進入二十一世紀。對自由基的認識也毫不例外的需要依靠先進的技術手段。由於含有一個不成對電子的自由基很活躍，大多數自由基的壽命都非常短，常以毫秒或微秒記，因此，對數自由基研究的難度可想而知。借助與電子自旋共振技術和自旋捕集劑國內、外的科學家們已經捕捉到了一部分自由基。但在成千上萬種自由基中，被直接捕捉到的自由基還有限。
自從發現自由基對人類健康的危害後，如何能更接近生命現象進一步研究自由基的反應機理和損傷的分子機理就成為這個領域國際上期待解決的前沿課題。從國內外的大量報紙看，很多自由基的反應規律和損傷機理中的一些關鍵問題至今尚在研究中。
隨著對自由基研究的逐步深入，科學家們越來越清楚的認識到，清除多餘自由基的措施有益於某些疾病的預防和治療，而自由基清除劑的研究對人體健康的意義便顯的更為重大。因此，開發和利用高效無毒的天然抗氧化劑------自由基清除劑，已成為當今科學發展的趨勢。
科學家們相信，在21世紀，人類一定能認識和控制自由基，使我們的生命品質再實現一個新的飛躍。
人體內的自由基
- Superoxide (O2−.)
- Hydrogen peroxide (H2O2)
- Hydroxyl radical (•OH)
- Singlet oxygen (1O2)
- Peroxyl radical (ROO•)
- Nitric Oxide (NO)
- Peroxynitrite (ONOO-)
- Hypochlorous acid (HOCl)
由於特殊的電子排列結構，氧分子(O2)極容易形成自由基。這些由氧分子(O2) 形成的自由基統稱為Reactive Oxygen Species(ROS)。上述的O2−.、H2O2、•OH、和1O2即為ROS。
人體內自由基的來源
- Autoxidation(體內一些分子例如catecholamines、hemoglobin、myoglobin、reduced cytochrome C、和thiol在氧化的過程會產生自由基。)
- Enzymatic oxidation(一些經由酵素催化的氧化過程會產生自由基。)
- Respiratory burst(吞噬細胞在清除外來微生物時會產生自由基。)
- Drugs(例如某些抗生素、抗癌藥物會在體內產生自由基，特別是在高氧狀態。)
- Radiation(電磁輻射和粒子輻射會在體內產生自由基。)
- Tobacco smoking (吸煙會產生大量的自由基。)
- Inorganic particles(吸入石棉、石英、或矽塵，吞噬細胞會在肺部產生自由基。)
- Gases(臭氧會產生自由基。)
- Others(發燒、使用大量類固醇、或甲狀腺機能亢進等情況會提高體內的代謝速率而產生較多的自由基。空氣中的工業廢氣、殺蟲劑、麻醉氣體、有機溶劑也會在體內產生自由基。)
人體內自由基的作用
由於自由基含未配對的電子，所以極不穩定(特別是Hydroxyl radical)，因此會從鄰近的分子(包括脂肪、蛋白質、和DNA)上奪取電子，讓自己處於穩定的狀態。這樣一來，鄰近的分子又變成一個新的自由基，然後再去奪取電子…。如此連鎖反應的結果，讓細胞的結構受到破壞，造成細胞功能喪失、基因突變、甚至死亡。 但是少量並且控制得宜的自由基是有用的。例如白血球利用自由基(Superoxide, Nitric Oxide)來殺死外來的微生物，體內一些分解的代謝反應須要自由基來催化，血管的舒張和部分神經、消化系統訊號的傳導要藉助於自由基(Nitric Oxide)，基因經由自由基的刺激而得以產生突變以更適應環境的變化。 人體內保護細胞免於受自由基傷害(抗氧化)的機制:
- Enzymatic antioxidants
- Superoxide dismutases (SOD) (催化把兩個O2−.轉變為H2O2和O2的反應，抗氧化能力來自其所含之鎂、銅、或鋅，其濃度可被誘導而提高。)
- Catalase(催化H2O2轉變為H2O和O2的反應。)
- Glutathione peroxidases (大部分含硒Selenium，也是催化H2O2轉變為H2O和O2的反應。此外還可以把有機的過氧化物轉變為酒精。)
- In addition to these enzymes, glutathione transferase, ceruloplasmin, hemoxygenase and possibly several other enzymes may participate in enzymatic control of oxygen radicals and their products.
- Non-enzymatic Antioxidants
- Vitamin E (脂溶性，把細胞膜上產生的過氧自由基的電子接收，讓自己暫時成為一自由基。)
- Vitamin C(水溶性，可讓Vitamin E恢復其抗氧化能力。)
- Glutathione(細胞內最重要的抗氧化物，其free sulphydryl group (SH)可以接收自由基的電子。)
- In addition to these "big three", there are numerous small molecules that function as antioxidants. Examples include bilrubin, uric acid, flavonoids and carotenoids.
