一、自由基的概念
自由基是指外层轨道上含有单个不配对电子的各种原子、原子团或分子的总称。特点：化学性质活泼、氧化性强、半衰期短。自由基按不配对电子所在的原子分类，分为非脂性自由基、脂性自由基和其他自由基。
1. 非脂性自由基 主要指氧自由基 (oxygen free radical)，即以氧为中心的自由基，其不配对电子位于氧原子上。如：超氧阴离子、羟自由基(•OH)。
2. 脂性自由基 指氧自由基与多价不饱和脂肪酸作用后生成的中间代谢产物，如烷自由基（L•）、烷氧自由（LO•）、烷过氧自由基（LOO•）等。 3. 其他自由基 如氯自由基（Cl-•）、甲基自由基（CH3•）、一氧化氮（NO•）等。特别是NO•，NO是一个气体分子，本身是一种弱氧化剂，与超氧阴离子反应生成ONOO-，虽不是自由基，但具有强氧化性，产生损伤效应。
4. 活性氧 指单线态氧和过氧化氢。单线态氧（1O2）是一种激发态氧，其氧分子两个外层轨道中的一个电子发生反向自旋改变，使外层轨道两电子自旋方向相反，氧分子的反应能力大大增加。这种氧分子在紫外光谱中呈现一条单线，故称为单线态氧。（正常的氧属于三线态氧，外层轨道上有两个自旋方向相同的未配对电子；受到激发时，这两个电子的自旋方向变成相反，形成单线态氧。）
H2O2虽然不是氧自由基，但在Cu2+或Fe2+的作用下可生成·OH，或通过均裂生成·OH。·OH的生成是H2O2导致氧化应激的主要机制。
二、自由基的代谢
氧自由基主要是在线粒体中产生。在生理情况下，氧通常是通过细胞素氧化酶系统接受4 个电子还原成水，同时释放能量，但也有1% -2% 的氧接受一个电子生成，再接受一个电子生成H202，或再接受一个电子生成·OH。 海洋浮标 另外，在血红蛋白、肌红蛋白、儿茶酚胺及黄嘌呤氧化酶等氧化过程中也可生成超氧阴离子。超氧阴离子通过超氧化物歧化酶催化生成H2O2，并可以与H2O2反应生成·OH。该 反应如果没有Cu2+或Fe2+的参与，反应速度慢，称为Haber-Weiss反应；如果有Cu2+或Fe2+的参与，反应速度大大增加，称为Fenton型Haber-Weiss反应。
生理情况下，体内两大抗氧化防御系统（酶性抗氧化剂和非酶性抗氧化剂）可以及时清除自由基，体内自由基的生成和清除处于动态平衡，一定量的自由基的存在对机体并无损害。但在病理条件下，由于自由基生成增多，或抗氧化酶类活性下降，可引发氧化应激反应损伤细胞，进而引起细胞死亡。
1. 酶性抗氧化剂
超氧化物岐化酶（SOD）：有Mn-SOD和Cu,Zn-SOD两种形式，清除超氧阴离子。过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶：清除H2O2。
2. 非酶性抗氧化剂：如维生素E、维生素A、维生素C、半胱氨酸、谷胱甘肽、铜蓝蛋白等可清除自由基或控制自由基的生成。
三、缺血-再灌注导致自由基增多的机制
1. 黄嘌呤氧化酶形成增加
黄嘌呤氧化酶存在于血管内皮细胞内，其前身是黄嘌呤脱氢酶。正常情况下，只有10%以黄嘌呤氧化酶形式存在，90%以黄嘌呤脱氢酶形式存在，但在钙依赖性蛋白酶作用下，黄嘌呤脱氢酶可以转变为黄嘌呤氧化酶。组织缺血时，细胞内Ca2+增多，激活Ca2+依赖性蛋白酶，使黄嘌呤脱氢酶转化为黄嘌呤氧化酶，黄嘌呤氧化酶大量增加；同时，由于ATP降解，次黄嘌呤生成增加。再灌注提供了大量的氧，使缺血时积聚的次黄嘌呤在黄嘌呤氧化酶的作用下生成黄嘌呤，以及在黄嘌呤氧化酶作用下生成尿酸的过程中都有超氧阴离子的水力模块生成，化石工艺品超氧阴离子和H2O2反应可以生成·OH。
2. 中性粒细胞呼吸聚集及激活
中性粒细胞( neutrophils) 在吞噬活动时耗氧量显著增加，所摄取的氧绝大部分经细胞内NADPH 氧化酶和NADH 氧化酶的催化，接受电子形成氧自由基，用以杀灭病原微生物。如果氧自由基生成过多、或机体清除自由基的酶系统活性不足或抗氧化剂不足时，中性粒细胞形成的氧自由基就可损害组织细胞。
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缺血-再灌注时，由黄嘌呤氧化酶的作用所产生的自由基起着原发的、主要的作用，这些自由基作用于细胞膜后产生的物质如白三烯以及补体系统激活产生的C3片段等，具有很强的趋化活性，可吸引大量中性粒细胞聚集并激活。尤其再灌注期间组织重新获得O2，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生大量氧自由基，即呼吸爆发或氧爆发，而进一步造成组织细胞的损伤。
3. 线粒体膜损伤
线粒体是细胞氧化磷酸化反应的主要场所。缺氧时细胞内氧分压降低及ATP 生成减少，Ca2+进入线粒体增多，线粒体氧化磷酸化功能障碍，细胞素氧化酶系统功能失调，电子传递链受损，以致进入细胞内的氧经单电子还原而形成的氧自由基增多，而经4价还原形成的水减少。此外，Ca2+进入线粒体内可使锰-超氧化物歧化酶(Mn-SOD)减少，对自由基的清除能力降低，进而使自由基水平升高。
4. 儿茶酚胺的自身氧化
缺血缺氧时交感-肾上腺髓质系统激活，释放和分泌大量儿茶酚胺，后者在单胺氧化酶的作
用下，自氧化生成氧自由基。
四、自由基引起缺血-再灌注损伤的机制
自由基化学性质活泼，可以和膜磷脂、蛋白质、核酸等多种细胞成分发生反应，破坏细胞的结构和功能，造成细胞损伤。
1. 膜脂质过氧化（ lipid peroxidation）
生物膜（细胞膜、线粒体膜、溶酶体膜和内质网膜）是自由基攻击的主要部位。生物膜的主要成分是极性脂质（磷脂、胆固醇）和膜蛋白（酶、受体、离子通道等）。膜磷脂富含多价不饱和脂肪酸，易发生脂质过氧化。
（1）破坏膜的正常结构：质膜脂质过氧化使细胞膜不饱和性改变，细胞膜及细胞器膜如线粒体、溶酶体等液态性、流动性降低及通透性升高，可使细胞外Ca2+内流增加。
（2）促进自由基及其他生物活性物质的生成: 膜脂质过氧化可激活磷脂酶C 和磷脂酶D，进一步分解膜磷脂，催化花生四稀酸代谢反应；在增加自由基生成和增强脂质过氧化的同时，形成多种生物活性物质如前列腺素、血栓素A2 (TXA2) 、LT等，促进再灌注损伤。
（3）改变血管的正常功能：•OH可促进白细胞黏附到血管壁，生成趋化因子和自细胞激活因子；超氧阴离子可灭活一氧化氮，影响血管舒缩反应；自由基可促进组织因子的生成和释放，加重DIC。
（4）减少ATP生成：线粒体膜脂质过氧化导致线粒体功能抑制，ATP生成减少，细胞能量代谢障碍加重。
2. 蛋白质功能抑制
自由基对细胞蛋白质功能的抑制包括直接和间接两方面。
(1)直接抑制作用：在自由基作用下，细胞结构蛋白和酶的巯基氧化形成二硫键；氨基酸残基氧化，胞质及膜蛋白和某些酶交联形成二聚体或更大的聚合物，直接损伤蛋白质的功能。
(2)间接抑制作用：脂质过氧化可使膜脂质发生交联、聚合，从而间接抑制钙泵、钠泵及Na+/Ca2+丰胸乳液交换系统等的功能，导致胞质Na+和Ca2+电炉配料浓度升高，造成细胞肿胀、Ca2+超载；另外，脂质过氧化可抑制膜受体、G蛋白与效应器的偶联，引起细胞信号转导功能障碍。
3. 核酸及染体破坏
自由基对细胞的毒性作用主要表现为染体畸变、核酸碱基改变或DNA断裂。这种作用80% 为·OH所致，因·OH易与脱氧核糖核酸及碱基反应并使其结构改变。
可见，再灌注能使自由基生成增多，自由基生成增多可加重细胞损伤，两者相互影响，促进再灌注损伤的发生、发展。故自由基是缺血-再灌注损伤极为重要的发病环节。
参考书目：
王建枝，殷莲华主编，《病理生理学》第八版，人民卫生出版社，2013：152.
肖献忠主编，《病理生理学》第三版，高等教育出版社，2013：98.
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