植物精油抗氧化作用機制研究進展

文章來源：上海美農(nóng)

隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展，動物生產(chǎn)的集約化程度越來越高，動物容易受到各種不良因素（早期斷奶、環(huán)境中的微生物、消化不良等）的刺激，產(chǎn)生氧化應激。氧化應激與動物多種疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)，其中對消化道的氧化損傷在動物生產(chǎn)中發(fā)生率最高，并最終引起炎癥反應，發(fā)生腹瀉等腸道疾病，出現(xiàn)生長受阻甚至死亡，嚴重影響?zhàn)B殖經(jīng)濟效益。因此，在動物生產(chǎn)過程中，需要應用外源性抗氧化劑進行體內(nèi)抗氧化，減輕氧化應激的危害，提高動物健康水平和生產(chǎn)性能。

植物精油作為綠色安全型飼料添加劑的代表，國內(nèi)外對其抗氧化活性開展了大量研究。不同植物精油在體外和體內(nèi)的抗氧化效果，及其在分子、細胞層面的作用機理方面的研究都取得了一定成果。本文綜述了自由基與氧化應激、植物精油的組分及生物活性，并重點對植物精油的抗氧化作用機理進行闡述，為植物精油在養(yǎng)殖生產(chǎn)中的應用提供理論參考。

1 氧化應激

1.1 氧化應激概述

應激（Stress）一詞最早是由加拿大生理學家Selye于1936年提出，是指有機體對外界及內(nèi)部各種異常刺激所產(chǎn)生的非特異性應答反應的總和。應激作為一種威脅體內(nèi)平衡的狀態(tài)，可由心理刺激、生理刺激或環(huán)境剌激所引發(fā)，引起應激反應的因素稱為應激原。

氧化應激（Oxidative stress）是應激的一種重要形式，是指在一些特定的條件下細胞內(nèi)外自由基及相關(guān)物質(zhì)大量產(chǎn)生，機體的抗氧化系統(tǒng)不能及時清除這些自由基，造成自由基堆積，導致體內(nèi)的氧化和還原系統(tǒng)動態(tài)平衡失調(diào)，造成氧化損傷。

氧化應激狀態(tài)下，構(gòu)成細胞膜的多不飽和脂肪酸被氧化，導致細胞膜結(jié)構(gòu)和功能完整性受損，蛋白質(zhì)和核酸氧化損傷，引起細胞毒性和遺傳毒性作用，酶活性發(fā)生改變，使組織的功能無法正常實現(xiàn)，機體免疫能力下降，誘發(fā)各種疾病的發(fā)生。在養(yǎng)殖生產(chǎn)中，氧化應激會導致動物采食量下降，生長速度降低，料重比升高，并伴隨代謝性疾病的產(chǎn)生。

1.2 自由基

自由基（free radical, FR）是指含有一個或多個未成對電子的原子或基團。由于含有孤對電子，導致自由基不穩(wěn)定，生命周期短并有很強的反應性。通常自由基會通過與最近的分子發(fā)生反應，獲得電子而變成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而受到攻擊的分子會失去電子而成為自由基，繼續(xù)與周圍的分子發(fā)生反應，出現(xiàn)鏈式反應而破壞細胞結(jié)構(gòu)。在動物生理病理過程中，密切相關(guān)的自由基包括活性氧族(reactive oxygen species, ROS)和活性氮族（reactive nitrogen species, RNS），分別包括的自由基見表1。

表1  自由基的種類

正常生理狀況下，動物機體的自由基在不斷地產(chǎn)生，也不斷地被清除，始終保持在相對穩(wěn)定的濃度范圍之內(nèi)。生理濃度的自由基一部分可履行其生理功能，如參與細胞的增殖、分化、遷移并促進和維護細胞、組織和機體的新陳代謝等，另一部分則會損傷生物分子，但是損傷分子可以得到修復、置換、降解代謝和重新合成，不會對機體造成損傷，這些都依賴于機體內(nèi)存在的抗氧化防御系統(tǒng)。

1.3 機體的抗氧化系統(tǒng)

機體存在著酶類和非酶類兩大抗氧化防御系統(tǒng)來抵御自由基的損傷。酶類抗氧化系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽還原酶（GR）等，它們可使細胞內(nèi)已經(jīng)存在的活性氧自由基被還原成低活性的物質(zhì)并將之進行清除；非酶類抗氧化系統(tǒng)包括谷胱甘肽、VE、VC、β-類胡蘿卜素和黃酮類物質(zhì)等，它們主要通過阻斷脂肪氧化的反應鏈來協(xié)同完成抗氧化作用。此外，也有研究將一些消除或修復酶類作為機體的一層抗氧化防御體系，參與修復受到氧化損傷的生物大分子（Liu H等，2016）。這些抗氧化物質(zhì)分布在細胞的細胞質(zhì)和各細胞器區(qū)室內(nèi)，并存在于血管中，而發(fā)揮抗氧化作用。但當機體受到各種有害刺激時，自由基大量產(chǎn)生，超出了抗氧化系統(tǒng)的清除能力，就會導致機體處于氧化應激狀態(tài)，造成氧化損傷。

1.4 氧化應激的作用機制

1.4.1 氧化應激對DNA的作用

DNA對氧自由基（ROS）的攻擊特別敏感，8-氧代鳥嘌呤（8-OH-G）的生成通常作為DNA受到氧化損傷的標志，也作為癌癥的潛在標志物。自由基對DNA的損傷作用主要有：

1、導致DNA結(jié)構(gòu)改變，如堿基對突變、重排、缺失、插入和延長等，ROS甚至能引起染色體數(shù)量改變。這些受到氧化損傷的DNA片段與癌癥、衰老、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和自身免疫疾病等有關(guān)。

2、影響與應激有關(guān)蛋白和基因的活性，并對參與細胞增殖、分化和凋亡的基因產(chǎn)生影響。

3、RNS，如NO^-₂, ONOO^-, N₂O₃ 和 HNO₂可以作為誘變體，對DNA堿基產(chǎn)生硝化、亞硝化和脫氨基作用。

4、H₂O₂或其它氧化劑會抑制DNA的修復，加劇DNA損傷，增加患病的風險。

1.4.2 氧化應激對脂質(zhì)的作用

細胞膜特別容易受到ROS的損傷，通常認為脂質(zhì)過氧化是細胞過氧化損傷的主要標志。脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，如異前列腺素和硫代巴比妥酸反應物已作為氧化應激的間接標志物。自由基對脂質(zhì)的作用主要有：

1、ROS可誘發(fā)脂質(zhì)過氧化并破環(huán)細胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的排列，這會阻止膜結(jié)合受體和酶的活動，增加組織的滲透性。

2、脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，如丙二醛和一些不飽和醛類，能夠通過形成蛋白交聯(lián)的方式使很多細胞蛋白失活；4-羥基壬烯酸能消耗細胞內(nèi)的谷胱甘肽、并引起過氧化物的產(chǎn)生，激活表皮生長因子受體，誘導纖連蛋白的產(chǎn)生。脂質(zhì)過氧化過程如圖2所示。

圖2  脂質(zhì)過氧化過程

Figure 2  Process of lipid peroxidation

1.4.3 氧化應激對蛋白質(zhì)的作用

蛋白質(zhì)是ROS的主要細胞靶點，氨基酸殘基的側(cè)鏈特別容易受到ROS或RNS的攻擊，受到攻擊后產(chǎn)生的氧化損傷主要包括：

1、ROS會引起肽鏈組氨酸殘基缺失、引入羰基或肽鏈斷裂。半胱氨酸和蛋氨酸殘基對氧化特別敏感，更容易被氧化。巰基或蛋白質(zhì)的蛋氨酸殘基被氧化會引起蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，導致去折疊或蛋白質(zhì)降解。

2、ROS會改變蛋白質(zhì)電荷，使蛋白質(zhì)之間或內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，導致蛋白質(zhì)破碎、交聯(lián)或聚合。

3、自由基的氧化損傷，會導致一些重要蛋白質(zhì)的功能受到破壞，如DNA修復酶，會增加發(fā)生突變的幾率。有研究證實氧化損傷能夠抑制活性中心有金屬或者活性中心附近有金屬的酶，特別是對金屬催化氧化比較敏感的酶的活性（Choudhari等，2014；Birben等，2012）

生物體除了利用自身產(chǎn)生的酶類和非酶類抗氧化物質(zhì)來應對氧化損傷之外，還可以通過攝入外源性抗氧化劑來發(fā)揮抗氧化作用。常見的外源性抗氧化劑有抗氧化維生素（VA、VE和類胡蘿卜素等）、某些微量元素（硒、銅、鋅、錳等）、中草藥（人參、黃芪、五味子等）、植物精油和某些微生物等。植物精油是對植物精華成分的萃取，有些濃度可以達到90%以上，它們含有豐富的花青素、原花青素、黃酮類和酚類等，比普通抗氧化劑有更顯著的抗氧化功效。

2 植物精油

2.1 植物精油的概念

植物精油（essential oil），即植物性天然香料，亦被稱為芳香油或者揮發(fā)油，是存在于植物的花、葉、莖、根和果實中的一類重要的次生代謝物質(zhì)，由分子量較小的簡單化合物組成，常溫下多為油狀液體，具有一定的揮發(fā)性。它們通常是植物芳香的精華，一般是由幾十至幾百種化合物組成的復雜混合物。

2.2 植物精油的主要成分

植物精油的化學組成比較復雜，主要可以分為四大類：（1）萜烯類化合物是精油的主要成分，是含量最多的芳香族化合物，如沉香醇、香葉醇、冰片等；（2）芳香族化合物是精油中僅次于萜烯類的第二大類化合物，如百里香酚、香芹酚、桂皮醛等；（3）脂肪族化合物是精油中分子量較小的化合物，幾乎存在于所有的精油中，但其含量一般較少，如異戊醛等；（4）含氮、含硫化合物，如具有辛辣刺激香味的大蒜素，洋蔥中的三硫化物，黑芥子中的異硫氰酸酯等。大部分植物精油的化學組成中酚類萜烯，單萜烯和倍半帖稀所占的比例在70%以上，有的甚至超過85%。

3 植物精油的抗氧化作用機制

植物精油具有直接或間接的抗氧化活性。直接抗氧化作用是指抗氧化劑的某些活性成分能抑制或阻斷自由基鏈式反應，可以通過防止鏈式反應的啟動和阻斷鏈式反應的傳播兩種方式實現(xiàn)，作用機制如圖3所示。在啟動階段，抗氧化劑可以阻止起始自由基的生成，如過氧化氫酶和金屬螯合劑等。在傳播階段，抗氧化劑可以比氧化基質(zhì)更快地與過氧自由基發(fā)生反應生成相對穩(wěn)定的物質(zhì)，而減緩或阻斷鏈式反應。間接抗氧化作用是指抗氧化劑雖然不直接參與抗氧化過程，但可以通過保護氧化基質(zhì)或提高機體的抗氧化防御能力發(fā)揮抗氧化作用。植物精油發(fā)揮抗氧化活性主要是依靠其含量豐富的酚類成分，作用途徑主要包括清除自由基、與金屬離子螯合、抑制細胞膜脂質(zhì)過氧化和調(diào)節(jié)抗氧化酶。

圖3  抗氧化劑阻斷自由基鏈式反應示

3.1 直接抗氧化作用

3.1.1 清除自由基

植物精油中的酚類成分與過氧自由基有較高的反應活性，將活潑氫原子傳遞給自由基，使自由基變成活性較低的物質(zhì)并將其清除。

R– + POH → RH + PO–

中間產(chǎn)物苯氧自由基（PO–）由于苯環(huán)的共軛效應，相對穩(wěn)定，不易產(chǎn)生下一步反應。此外，PO–可以迅速與下一個自由基產(chǎn)生反應，將其淬滅。

PO– + R––→ POR

3.1.2 與金屬離子螯合

過渡金屬Fe、Cu等是許多自由基產(chǎn)生過程的催化劑，植物精油中的某些酚類物質(zhì)含有兩個酚羥基，可以與這些過渡金屬結(jié)合，防止金屬誘導的自由基的產(chǎn)生。

某些活潑的金屬離子（如Fe²⁺、Cu⁺等）具有較強的氧化還原能力，可以與H₂O₂發(fā)生Fenton反應，生成羥自由基（–OH），它是反應性最強的氧自由基，可以啟動與幾乎所有生物大分子的自由基鏈式反應：

植物精油中的多酚類物質(zhì)可以與金屬離子螯合，生成相對穩(wěn)定的配合物，從而抑制金屬誘導的自由基的生成：

3.2 間接抗氧化作用

3.2.1 抑制脂質(zhì)過氧化

植物精油中的酚類物質(zhì)的抗氧化活性主要與其氧化還原特性和化學結(jié)構(gòu)有關(guān)，酚羥基可以作為脂肪氧化過程中過氧自由基的供氫體，阻止過氧化羥基的生成，阻斷脂質(zhì)過氧化鏈式反應，從而保護脂質(zhì)類基質(zhì)不被過氧化。

3.2.2 調(diào)節(jié)抗氧化酶水平

目前的研究認為，一些植物精油的抗氧化活性物質(zhì)能夠與細胞表面受體結(jié)合，通過信號轉(zhuǎn)導，提高抗氧化酶的分泌，增強機體抗氧化防御能力。準確的調(diào)節(jié)機制目前還不能確定，但可以推測，精油的萜烯成分可以通過化學反應修飾Keap1的巰基。Keap1是存在于細胞質(zhì)中的一種多區(qū)域阻遏蛋白，是細胞氧化還原反應主控調(diào)節(jié)因子Nrf2的抑制劑。正常生理情況下，Keap1通過含有E3的Cul3泛素連接酶與Nf2結(jié)合在一起，以非活性狀態(tài)存在于細胞質(zhì)中，在泛素蛋白酶體途徑的作用下迅速降解，以保持Nf2在生理狀態(tài)下的低轉(zhuǎn)錄活性。Keap1被修飾后，降低了Nrf2的泛素化，Nrf2與Keap1解偶聯(lián)，活化的Nrf2轉(zhuǎn)運進入細胞核，與Maf蛋白結(jié)合成異質(zhì)二聚體后與抗氧化反應原件（Antioxidant response element, ARE）結(jié)合，激活靶基因表達，調(diào)控抗氧化酶的轉(zhuǎn)錄活性，提高抗氧化酶和異型生物質(zhì)酶的表達水平，如醌氧化還原酶-1（NAD(P)H：quinone oxidoreductase-1，NQO1）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase, GPx),、谷胱甘肽（glutathione reductase, GR),和硫氧還蛋白還原（thioredoxine reductase, THR)等，從而發(fā)揮抗氧化損傷作用。作用過程如圖4所示。

 圖4 植物精油調(diào)節(jié)抗氧化酶作用機制

Figure 4  Mechanism of regulation antioxidant enzymes of plant essential oil

此外，一些富含萜類或苯丙烷成分的精油也可以通過Keap1-Nrf2/ARE 信號通路，參與調(diào)節(jié)一些與細胞氧化還原平衡相關(guān)的Ⅰ相或Ⅱ相代謝酶的活性。如香菜精油能調(diào)節(jié)小鼠細胞的谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶（glutathione S-transferase , GST)和細胞色素P450A1（modulate cytochrome P4501A1）的活性；蟛蜞菊和薰衣草精油能提高小鼠細胞過氧化氫酶（catalase, CAT）、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathion peroxidase, GPx）和谷胱甘肽的水平，紅球姜精油在人的內(nèi)皮細胞中也表現(xiàn)出類似的活性。

結(jié)語

植物精油的抗氧化活性研究已經(jīng)取得了一定成果，如可以根據(jù)不同植物精油的活性成分、作用機制，結(jié)合動物生物學特點，利用一定的技術(shù)手段進行組合，有效發(fā)揮植物精油的抗氧化活性，就可應用于養(yǎng)殖生產(chǎn)中，減少動物的氧化應激，提高經(jīng)濟效益。

文章來源：上海美農(nóng)