第二节 特殊环境和特殊作业中氧化损伤及其生物学机制
人们不可避免地要在特殊的环境条件下(高温、低温、高原、辐射等)生活和工作,甚至不可避免地接触各种有害因素(铅、汞、砷、苯等)。前者可引起人体内代谢的改变,后者更可干扰、破坏机体正常的生理过程,或干扰、破坏营养物质在体内的代谢,或损害特定的靶组织或靶器官,危害人体健康。特殊环境和特殊作业下机体需要通过生理上的适应性改变,来维持机体处于特殊环境下的生活或作业状态,这些改变导致了机体对营养和膳食的特殊要求。适宜的营养和膳食可能增强机体对特殊环境的适应能力和对有毒物质的抵抗力。
一、特殊环境与机体氧化损伤
(一)高温环境与机体氧化损伤
当机体长时间处于高温环境时,自由基产生过多或机体的抗氧化功能下降,造成自由基在体内大量堆积。热应激是高温为应激源所发生的“全身性适应综合征”。在受到热应激时,由于体内儿茶酚胺分泌增加,机体可能出现严重的组织缺氧。另外,在热应激状态下,血液和组织中的SOD和GSH-Px活性下降,导致细胞不能及时清除氧自由基,氧自由基堆积进而使脂类形成脂质过氧化物,发生脂质过氧化作用。
(二)低温环境与机体氧化损伤
当外界温度下降时,皮肤冷觉感受器受到刺激,冷敏神经元兴奋,然后沿着运动神经和交感神经系统反射性引起肌肉紧张,引起肾上腺髓质和皮质以及甲状腺的分泌加强,从而加强糖原分解和组织氧化过程。随着冷暴露时间的延长及外界环境温度的降低,交感神经兴奋,释放儿茶酚胺(肾上腺素和去甲肾上腺素)进一步增加,耗氧量增加,机体能量物质消耗增加,乳酸等物质的生成增多,很可能引起体内脂质过氧化物增加。体内自由基生成,引起脂质过氧化物增加的途径很多,例如呼吸链氧化还原,次黄嘌呤的代谢,细胞还原状态紊乱,儿茶酚胺、血红蛋白、肌红蛋白等自氧化,细胞质钙离子浓度增加等都会引起机体脂质过氧化物的剧增。
(三)高原环境与机体氧化损伤
高原低氧环境可造成血循环中氧分压或氧含量下降,供氧不足,产生一系列病理状态。在高原环境长期工作的人员,体内氧化应激水平升高,动物实验研究也发现,高海拔低氧暴露可导致小鼠线粒体OS反应升高,并降低线粒体的抗氧化应激能力。OS是高原低氧导致组织器官损伤的主要机制之一,高原缺氧对肺、肾、心、脑等造成损伤。
(四)电离辐射与机体氧化损伤
电离辐射作用于生物体会产生许多活性基团,可直接和间接造成细胞和组织器官的损伤。直接作用指射线直接作用于生物大分子(如核酸、蛋白质、脂质等),使其发生电离、激发或化学键断裂,造成分子结构和性质的改变。间接作用指射线首先引起机体内的水分子电离,产生大量氧自由基,氧自由基引起生物大分子氧化,造成DNA、蛋白质和脂质的结构和功能的破坏,最终导致细胞损伤或死亡。其中,造血系统对电离辐射特别敏感,小于1Gy的射线就可以引起骨髓造血功能损伤。在众多水辐解产物中,OH•在导致辐射损伤中具有重要地位。研究表明,药物的辐射防护作用与对OH•清除能力成正比,自由基清除剂能与水分子自由基结合使之失去破坏能力,另外,可通过氢供给(如巯基化合物上氢的转移,与含硫自由基相互作用)使靶分子得到修复。
1.对产能营养素代谢的影响
辐射通过抑制线粒体氧化磷酸化和三羧酸循环过程,导致机体能量消耗增加,体内能量不足又可提高对辐射的敏感性。辐射后,由于核酸代谢异常,蛋白质合成受阻(如血清白蛋白和球蛋白、抗体、胶原蛋白等合成减少),氨基酸分解代谢增强,尿氮排出量增加,出现负氮平衡。大剂量的辐射可加快三酰甘油合成代谢,血清三酰甘油、胆固醇等水平升高,出现高脂血症等;同时,辐射可使机体多不饱和脂肪酸发生过氧化作用,加速生物膜的老化;导致氨基酸糖异生作用加强,出现高血糖等表现。
2.对矿物质代谢的影响
大剂量照射后,尿钾、钠和氯离子排泄增多,通过呕吐和腹泻物引起钠、氯离子丢失增加,导致电解质紊乱。还有研究表明,照射后血清锌、铁、铜、镁与硒的含量也发生改变。
3.对维生素代谢的影响
由于辐射引起机体产生大量的ROS,明显增加了抗氧化维生素(如维生素C、维生素E和β-胡萝卜素等)的消耗;另外,血中B族维生素含量减少,尿中B族维生素尤其是维生素B1的排出量增加。
二、特殊作业与机体氧化损伤
(一)接触化学毒物作业与机体氧化损伤
接触的化学毒物(noxious substance)侵入并作用于机体后,在肝脏经微粒体混合功能氧化酶代谢,其中绝大多数经代谢减毒后经胆汁或尿排出体外,部分有毒有害化学物可直接与还原型谷胱甘肽结合而解毒。然而,许多膳食营养素具有解毒、清除自由基和抑制脂质过氧化等作用,良好的机体营养状况和适合的膳食营养可以提高机体对有毒物质的解毒能力和抵抗力。本节主要介绍铅和苯作业中的氧化损伤。
1.铅作业的氧化损伤
血铅增高会直接降低锌、铁和钙等的吸收率。铅可促进维生素C不可逆的氧化过程,使其失去生理功能,如长期接触铅可引起机体血液和尿中维生素C水平下降,出现维生素C缺乏症,降低了SOD的活性,从而导致氧自由基蓄积,引起生物膜脂质过氧化作用而造成机体损害。铅使1,25-(OH)2-D3的分解代谢加强,活性型维生素D3减少,影响钙的吸收和利用。
2.苯作业的氧化损伤
要经呼吸道吸入体内,液态苯可经皮肤侵入人体,在胃肠内完全吸收。因具有强的亲脂性,苯可直接吸附到细胞表面,抑制细胞氧化还原过程,降低细胞活性,减少ATP合成;还可以与谷胱甘肽和其他含巯基的活性物质结合,使巯基失去活性。作用靶器官是神经和造血系统,急性中毒主要对中枢神经系统呈麻醉作用,慢性中毒则对造血系统损害为主。苯可增加蛋白质的损失和减少铁的吸收,减少体内维生素C的贮存,降低血维生素C水平,并增加机体对维生素C的消耗。另外,苯可促使生物膜变性生成过氧化脂质,进而使SOD活性降低。
(二)航空作业与机体氧化损伤
航空作业时,经常受到高空缺氧、低气压、噪声、震动和精神紧张等因素的影响,各种负荷因素均能引起胃肠道功能紊乱,其中高空缺氧是航空作业中最大的影响因素。缺氧可导致SOD活性下降,MDA水平升高,机体清除氧自由基能力下降,过多氧自由基产生使机体抗氧化能力下降,过氧化/抗氧化失衡,造成蛋白质、脂质、DNA等氧化损伤,使机体处于应激状态。国内外大量研究表明,地表模拟失重条件以及航天飞行微重力环境亦可诱发机体的OS损伤,并与机体多系统的功能变化密切相关。
(三)航海及潜水作业与机体氧化损伤
航海及潜水作业人员期间接触诸多不利因素,可引发机体氧化损伤,导致机体内的抗氧化酶活性降低,脂质过氧化产物增加。有研究表明,潜航人员远航后的总抗氧化力(T-AOC)和SOD值较远航前降低,MDA含量则升高,淋巴细胞增殖活性对氧化损伤的敏感性增加,说明远航可使潜艇人员的抗氧化能力下降;红细胞溶血度较远航前升高,说明远航后潜航人员的机体脂质过氧化水平较远航前增加。潜水作业时,无论是休息或劳动,氧耗量均有增加。尤其是在呼吸氦氧混合气体时,氧耗量比呼吸空气时更大,这种代谢过程加速了机体的氧化损伤过程。
(四)运动与机体氧化损伤
运动员竞技训练和比赛时,机体处于高度的生理应激和负荷基线状态,机体发生一系列的改变,继而引起机体营养素代谢和营养需要的改变。运动员由于机体不断受到外界负荷刺激,组织产生氧化应激的程度和频率比普通人要高,导致ROS大量产生,抗氧化酶消耗殆尽,超过了抗氧化系统的防御能力,整体抗氧化能力下降。因此,提高机体抗氧化能力,增强机体自由基清除能力,对运动员训练成果的维持、运动性疲劳的延缓、运动能力的提高及促进恢复有重要意义。
1.急性运动对机体自由基代谢及抗氧化酶的影响
一系列动物和人体实验表明,短时间较小强度的运动,能提高机体抗氧化系统的能力,组织中自由基清除速率加快。长时间、力竭运动机体抗氧化能力下降,自由基生成与清除失去平衡,致使机体自由基和脂质过氧化水平提高,从而导致脂质、DNA以及蛋白质的氧化损伤。
2.运动训练对机体自由基代谢及抗氧化酶的影响
多数研究表明,有氧运动训练可以提高机体各器官(除脑组织)SOD的活性,降低MDA在机体的含量,特别是经过一段时间耐力锻炼,可以使机体的抗氧化酶增加,MDA含量减少,从而使自由基对机体的损伤弱化。机体抗氧化酶的活性和自由基含量的变化也受锻炼强度和时间的影响,大部分学者认为中等强度的耐力训练可以提高各器官SOD的活性。
经过运动训练后的机体,短时间运动后抗氧化酶系统活性升高,清除自由基的效率明显。而较长时间的亚极限或高强度运动尤其是力竭运动后,这些酶的活性不可能仍维持于较高的水平,而呈逐步下降的趋势,清除自由基的效率下降。但是经过一段时间的无氧运动适应后,机体的大部分器官MDA含量减少,SOD活性上升显著下降,机体对运动会产生积极的适应变化。