抗氧化剂

抗氧化剂可根据溶解性分为两大类：水溶性抗氧化剂和脂溶性抗氧化剂。水溶性抗氧化剂通常存在于细胞质基质和血浆中，脂溶性抗氧化剂则保护细胞膜的脂质免受过氧化[1]。这些化合物或在人体内生物合成或通过膳食摄取[14]。不同抗氧化剂以一定范围的浓度分布于体液和组织中。谷胱甘肽和辅酶Q₁₀主要存在于细胞中，而其他抗氧化剂比如尿酸它们的分布更为广泛（详见下表）。一些抗氧化剂由于既有抗氧化作用也是重要的病原体和致病因子，所以只存在于某些特定机体组织中[31]。

一些化合物通过与过渡金属配位螯合来阻止金属在细胞中催化自由基的产生，从而起到抗氧化防御的作用。这种抗氧化防御手段中特别重要的一点是要将铁离子通过配位螯合隔离起来，因为铁离子是一些铁结合蛋白（iron-binding proteins）比如運鐵蛋白和鐵蛋白能发挥作用的关键[26]。硒和锌通常被认为是抗氧化营养素（antioxidant nutrients），这两种元素本身没有抗氧化作用但会对一些抗氧化酶的活性起到作用。

尿酸是血液中浓度最高的抗氧剂。尿酸是嘌呤代谢的中间产物[44]，由黄嘌呤通过黄嘌呤氧化酶氧化产生，是一种有抗氧化性的氧嘌呤（oxypurine）。在大部分陆地动物体内，尿酸氧化酶可催化尿酸进一步氧化成尿囊素[45],但人和一些高级灵长类动物的尿酸氧化酶基因不发挥作用，所以尿酸在体内不会进一步分解[45][46]。尿酸氧化酶功能在人类进化过程中丢失的原因仍是一个有待探讨的问题[47][48]。尿酸的抗氧化性使研究者们推测这种突变有利于早期的灵长类动物和人类[48][49][50]。对生物高海拔环境适应性的研究结果支持这样一种假设：尿酸作为抗氧化剂可以缓解由高原低氧引发的氧化应激[51]。在氧化应激所促发疾病的动物实验中发现尿酸可以预防或缓解疾病，研究者们将其归因于尿酸的抗氧化特性[52]。关于尿酸抗氧化机理的研究结果也支持这一提议[53]。

对于多发性硬化症，Gwen Scott解释了尿酸作为抗氧化剂对于多发性硬化症的重要意义，血清中的尿酸水平与多发性硬化症的发生率呈相反的关系，因为多发性硬化症的病人血清中的尿酸水平低，而患有痛风的病人很少患有这种疾病。更重要的是尿酸可用于治疗实验性质的一种多发性硬化症的动物模型：变态反应性脑脊髓症[52][54][55]。总之，虽然尿酸作为抗氧化剂的机理是得到了广泛的支持，但声称体内尿酸水平影响患多发性硬化症风险的说法仍存争议[56][57]且需要更多的研究。

尿酸是所有血液抗氧化剂中浓度最高的，它的贡献占了人血清中总抗氧化能力的一半[58]。尿酸的抗氧化活性很复杂，它不能与一些氧化剂比如超氧化物反应，但能对过氧亚硝基阴离子（peroxynitrite）[59]、过氧化物和次氯酸起到抗氧化作用[44]。

抗坏血酸或称维生素C是植物和动物体内的单糖氧化-还原催化剂。在灵长类动物的进化过程中，因为发生了突变，导致机体中一种用于合成维生素C所必需的酶丢失，所以人类必须从饮食中摄取维生素C[60]。其他大部分动物都具备在体内合成维生素C的功能因而无需通过食物补充[61]。通过氧化L-脯氨酸残基得到4-羟基-L-脯氨酸可将前胶原（procollagen）转化为胶原蛋白，这个过程需要维生素C的参与，氧化后的维生素C在其他细胞中经蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase，PDIA）和谷氧还原酶（glutaredoxins）的催化被谷胱甘肽还原[62][63]。维生素C是一种有还原性的氧化还原催化剂，可中和诸如过氧化氢这类的活性氧物种[64]。维生素C除了有直接的抗氧化效果外，它也是还原酶抗坏血酸过氧化物酶（ascorbate peroxidase）的底物，这种酶对植物的抗逆性有特别重要的作用[65]。维生素C以较高的含量普遍存在于植物的各个部位中，特别是在叶绿体中的浓度可以高达20mmol/L[66]。

脂质过氧化的自由基机制

谷胱甘肽是一种含有半胱氨酸的多肽，存在于多数需氧生物体内[67]。它不能从膳食中摄入而是在细胞内从相应的氨基酸合成而来[68]。由于半胱氨酸上的巯基具有还原性，能在氧化后再被还原，所以谷胱甘肽有抗氧化功能。在细胞内，谷胱甘肽在被一些代谢物和酶比如谷胱甘肽-抗坏血酸循环（Glutathione-ascorbate cycle）中的抗坏血酸盐、谷胱甘肽过氧化物酶、谷氧还蛋白氧化或直接和一些氧化性物质反应后，可被谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase）还原恢复回还原态。鉴于它在细胞内的高浓度和在细胞氧化还原态中所扮演的中心角色，谷胱甘肽是最重要的细胞抗氧化剂之一。在一些生物体中谷胱甘肽会被其他一些含巯基的多肽所代替，比如在放线菌中被mycothiol（AcCys-GlcN-Ins）替代、在革兰氏阳性菌中被bacillithiol（Cys-GlcN-mal）替代[69][70]、在动质体中被锥虫基硫（Trypanothione）替代[71][72]。

褪黑素是一种很强的抗氧化剂[73]。它可以轻易的穿过细胞膜和血脑屏障[74]，和其他抗氧化剂不同，它不参与到还原循环（Redox Cycling）中。像维生素C这种参与氧化还原循环中的抗氧化剂可能会起到促氧化剂的作用从而促进自由基的形成。褪黑素一旦被氧化就不能还原回去，因为氧化后的褪黑素会与自由基形成几种稳定的最终产物。因此褪黑素被称作终端抗氧化剂（terminal antioxidant）[75]。

维生素E是由生育酚和生育三烯酚构成的8种相关化合物的统称，它们是一类具有抗氧化功能的脂溶性维生素[76][77]。在这类化合物中，由于人体优先吸收和代谢α-生育酚，所以α-生育酚的生物利用度最大，也是已经被研究的最多的[78]。

据称α-生育酚是最重要的脂溶性抗氧化剂。它清除游离的自由基中间体并且停止自由基的链增长，以此保护细胞膜免受有过氧化链反应产生的过氧化脂质的破坏[76][79]，由此产生的氧化态α-生育酚自由基可被其他抗氧化剂比如维生素C、视黄醇或泛醇还原，使其重新回到活性还原态继续起到抗氧化作用[80]。相关研究发现是α-生育酚而非水溶性抗氧化剂起到有效保护缺少谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的细胞避免其死亡的作用[81]，而GPX4是已知的唯一一种能有效减少生物膜中过氧化脂质的酶，这一研究发现与α-生育酚的细胞膜抗氧化作用是一致。

但是还尚不清楚其他的几种维生素E在抗氧化作用中的角色和重要性[82][83]。尽管γ-生育酚作为亲核试剂可以和亲电性的诱突变物质反应[78]，而生育三烯酚对于保护神经元免受损坏起到重要作用[84]，但是对于除α-生育酚外的其他几种维生素E在抗氧化方面的作用仍知之甚少。

某些抗氧化剂的不适当补充会诱发疾病和增加人的死亡几率[88][89]。有假设认为，体内的自由基能诱导启动内源性反应来对抗外源的自由基（也可能是其他毒性物质）使人体受到保护[90]。最近的实验证据也有力地证实事实确实如此，内源性自由基产生的诱导作用使得秀丽隐杆线虫的寿命延长[91]。这些有毒性的自由基在低浓度时可能有毒物兴奋效应，能起到延长寿命和促进健康的效果[88][89]，而补充过量的抗氧化剂则会淬灭这些对健康起到积极作用的自由基。

和化学抗氧化剂的作用一样，有多种抗氧化酶相互作用所构成的网络能保护细胞免受氧化应激的损害[1][13]。比如氧化磷酸化过程释放出的过氧化物首先被转变成过氧化氢，接着被还原成水。在这个解毒过程是多种酶协同作用的结果，第一步超氧化物转变成过氧化氢的过程是在超氧化物歧化酶的催化下完成的，接着由多个不同的过氧化物酶来负责清除过氧化氢。和抗氧化代谢物在抗氧化过程中需要相互协作配合一样，在抗氧化酶的防御机制中这些酶之间也需要相互协调配合，不能单独发挥作用，这也是从研究只缺少某一种抗氧化酶的转基因小鼠的过程中认识到的[92]。

超氧化物歧化酶是一类与催化超氧化物阴离子分解产生氧气和过氧化氢密切相关的酶[93]。

过氧化氢酶是一种以铁或锰为辅助因子、可催化过氧化氢分解成水和氧气的酶[94][95]。它们存在于大多数真核生物细胞的过氧化物酶体中[96]。

肠道沙門氏菌中的2-半胱氨酸过氧化物酶AhpC的蛋白质四级结构[97]

过氧化还原酶（Peroxiredoxins）是一类可催化还原过氧化氢、有机过氧化物和过氧亚硝基阴离子的过氧化物酶[98]。它可分为三类：典型的2-半胱氨酸过氧化物还原酶、非典型的2-半胱氨酸过氧化物还原酶和1-半胱氨酸过氧化物还原酶[99]。

硫氧还蛋白（Thioredoxin）体系包括12千道尔顿的硫氧还蛋白和与之相伴的硫氧还蛋白还原酶[100]。

谷胱甘肽体系包括谷胱甘肽、谷胱甘肽还原酶、谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽S-转移酶[67]。这个抗氧化酶体系存在于植物、动物和微生物中[67][101]。

因为大脑的新陈代谢速率很快且脑部都大量的不饱和脂质，这些脂质易成为脂质过氧化反应的目标，所以大脑非常容易受到氧化损伤的侵害[111]。抗氧化剂因此作为药物可用于治疗各类脑部损伤。超氧化物歧化酶的类似物（superoxide dismutase mimetics）[112]、丙泊酚和硫喷妥钠能被用于治疗再灌注损伤（reperfusion injury）和创伤性脑损伤（traumatic brain injury）[113]。Cerovive[114][115]和依布硒（Ebselen）[116]作为试验性药物用于中风的治疗。这些药物似乎可以避免神经元的氧化应激，并防止细胞凋亡和神经损伤。

受到研究的膳食抗氧化剂白藜芦醇的分子结构

多吃水果和蔬菜的人患心脏病和一些神经疾病的风险更低[117]，也有证据显示一些蔬菜和水果可能降低患癌症的风险[118]。因为水果和蔬菜是营养素和植生素的来源，由此推测抗氧化化合物可能会降低罹患一些疾病的风险。这个推断通过几种有限的方式进行了临床试验，结果显示此观点似乎不能成立，因为试验显示补充抗氧化剂对降低患某些慢性疾病比如癌症和心脏病的风险没有明显的效果[117][119]。这暗示了从食用蔬菜和水果所带来的健康益处来源于水果和蔬菜中的其他成分（比如膳食纤维）或来自一个复杂的混合成分[120]。比如富含黄酮的食物具有的抗氧化效果似乎应归功于食物中的果糖而非食物本身所含的抗氧化剂，果糖起了诱导体内增加合成抗氧化剂尿酸的作用[121]。

血液中低密度脂蛋白的氧化被认为对造成心脏病起到了作用，最初的观察研究发现摄入维生素E能降低患心脏病的风险。因此后来开展至少七个大型的临床试验来测试补充抗氧化剂维生素E的效果，补充的维生素剂量从每天50mg至每天600mg，这些试验无一结果显示维生素E的补充会对死亡总人数或因心脏病死亡的人数造成显著性差异[122]。进一步的研究也获得了同样结果[123][124]。还不清楚在这些研究中所用的或在大多数膳食补充剂中所含的维生素E剂量是否足以显著增加氧化应激[125]。总体上，尽管对氧化应激在心血管疾病中扮演的角色已有清楚的认识，但使用抗氧化剂维生素E的对照研究显示罹患心脏病的风险和已患疾病的发展速率均没有降低[126][127]。

在体育锻炼时，氧气的消耗量会比平时增加超过10倍[128]。耗氧量的增大会产生更多的氧化产物造成运动中和运动后的肌肉疲劳。剧烈运动后特别是在运动后的24小时内的迟发性肌肉痛也和氧化应激有关，在运动后的2至7天中免疫系统会对运动过程中的出现的损伤进行修复从而使身体素质提高。在这个过程中中性粒细胞会产生自由基用以清除受损组织[129]。因此体内过高浓度的抗氧化剂会在这个修复过程中妨碍机体的修复和适应。补充抗氧化剂也会妨碍通过体育锻炼增进健康，例如阻碍胰岛素敏感度的增加[130]。

有螯合金属离子作用的植酸分子结构

有较强还原性的酸能起到反营养物质（antinutrient，指能阻止人体吸收和利用某些营养素的食物成分）的效果，它们会在消化系统中通过与锌、铁等结合来阻止人体吸收膳食矿物质[131]。典型的例子有草酸、单宁和植酸，它们在以植物性食物为主的饮食结构中含量很高[132]。发展中国家的饮食结构中肉类摄入较少而含有植酸的豆类和未发酵的全麦面包摄入较多，引致发展中国家的膳食中缺乏钙和铁的状况相当常见[133]。

非极性抗氧化剂比如丁香油酚（丁香油的主要成分）有毒性限制，所以过量滥用未稀释的精油对健康不利[137]。大剂量服用水溶性抗氧化剂比如维生素C时很少考虑它们的毒性，这是因为这些化合物能通过尿液迅速排出体外[138]。大剂量服用某些抗氧化剂对健康有长期的危害影响，β-胡萝卜素和维生素A对肺癌患者的疗效试验研究发现给吸烟者大量补充含β-胡萝卜素和维生素A的物质会增加他们患肺癌的几率[139]，随后的一些研究也证实了这些不良影响[140]。

水果和蔬菜是一个好的抗氧化剂来源。

由于不同的抗氧化剂对各种活性氧物种的反应活性不同，所以衡量抗氧化剂的抗氧化性不是一个简单的过程。在食品科学中，抗氧化能力指数（oxygen radical absorbance capacity，ORAC）已经成为衡量食品、果汁和添加剂抗氧化能力的主要标准[141][142]。其他的一些测定方法包括Folin-Ciocalteu试剂法和等效抗氧化容量分析法（Trolox equivalent antioxidant capacity assay）[143]。

包括蔬菜、水果、谷物、蛋类、肉类、豆类和坚果在内的许多食物中都含有抗氧化剂。像番茄红素和维生素C这样的抗氧化剂易在长时间的储存和烹煮下受到破坏[144][145]。相比之下其他一些抗氧化剂比如全麦谷物和茶叶等食品中含有的多酚类抗氧化剂更为稳定[146][147]。加工或烹饪食品对其中所含抗氧化剂的影响是较为复杂的，既可能增加抗氧化剂的生物利用度[148]，比如蔬菜中的油溶性类胡萝卜素用油烹饪后更易被吸收利用；也可能因加工过程中暴露于空气中而使抗氧化剂受到损失[149]。

其他一些抗氧化剂无需通过食物中获取而是能够由人体自身合成。比如泛醇（ubiquinol，coenzyme Q）很难从肠道吸收获得而是由人体通过甲羟戊酸途径合成产生[43]。另一个例子是通过氨基酸在人体内合成的谷胱甘肽，因为谷胱甘肽被人体吸收前会在肠道中全部水解成游离的半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸，即使大剂量口服能无法提高体内谷胱甘肽的浓度[153][154]。尽管大量补充乙酰半胱氨酸可以增加谷胱甘肽[155]，但没有证据显示大量摄入这类谷胱甘肽的前驱体对健康的成人有益[156]。对于治疗某些疾病比如急性呼吸窘迫症、蛋白质和热量摄入不足造成的营养不良、对乙酰氨基酚过量对肝脏造成的损伤，作为治疗手段的一部分补充这些谷胱甘肽的前体是有帮助的[155][157]。

膳食中一些其他成分作为促氧化剂可调节体内抗氧化剂水平。它们通过消耗抗氧剂比如某些抗氧化酶来降低体内抗氧化剂浓度，以此途径避免因抗氧化剂浓度过高所引起的氧化应激[158]。这些化合物比如异硫氰酸酯和姜黄素，可能也是一种可用以阻断正常细胞变为癌细胞甚至杀灭已有癌细胞的药物预防手段[158][159][160]。

抗氧化剂作为食品添加剂可以帮助对抗食品变质。暴露在空气和阳光下是食物氧化的两大因素，所以为此可以将食物避光保存和存放在密封容器中，或者像黄瓜那样涂蜡包裹储藏。然而，氧气对于植物的呼吸作用也是十分重要的，将植物类食品在厌氧环境下存放后会产生难闻的气味和难看的颜色[161]，所以新鲜的水果和蔬菜一般都储放在含8%氧气的环境下。抗氧化剂是一类十分重要的防腐剂，不同于由细菌和真菌造成的食品变质，冰冻或冷藏食物仍然能被相对较快的氧化[162]。这些有抗氧化作用的防腐剂包括天然的维生素C和维生素和人工合成的没食子酸丙酯、TBHQ、BHT和丁基羟基茴香醚。[163][164]

不饱和脂肪酸是最常见的易被氧化的分子；氧化会引起它们的酸败[165]。由于氧化后的脂类变色并产生类似金属或硫磺的味道,所以防止富含脂肪食品的氧化是非常重要的。因此这些含脂食物很少通过风干存放，而是代之以烟熏、盐渍或发酵的方法来储藏。即使是一些脂肪较少的食物比如水果在用空气干燥之前也喷撒含硫抗氧化剂。氧化反应经常需要金属催化，这就是为何像黄油这类的脂肪从不用铝箔包裹或存放在金属容器中的原因。一些含脂食物比如橄榄油由于食物本身就含有天然抗氧化剂所以能部分避免氧化，但仍然对光氧化很敏感[166]。一些脂类化妆品比如唇膏、润肤膏也需要加入抗氧化防腐剂避免酸败。

抗氧化剂通常添加到工业产品中，一个常见的用途就是作为燃料和润滑剂的稳定剂防止氧化，也可加在汽油中起到防止聚合从而避免引擎积垢形成的目的[167]。2007年，工业抗氧剂的全球市场总量达到88万吨，这创造了大约37亿美元（约合24亿欧元）的收入[168]。

抗氧化剂广泛用于高分子聚合物诸如橡胶、塑料和粘合剂中，用于防止聚合物材料因氧化降解而失去强度和韧性[169]。像天然橡胶和聚丁二烯这类聚合物的分子主链中都有碳碳双键，它们特别易受氧化和臭氧化反应的破坏而发生断裂，而抗氧化剂和抗臭氧化剂（Antiozonant）则能使其受到保护。随着材料的降解和主链的断裂，固体聚合物材料外露的表面开始出现裂纹。由氧化和臭氧氧化产生的裂纹会有所区别，前者产生碎石路状的裂纹效果（"crazy paving" effect），后者则是在拉伸应变的垂直方向上出现更深的裂纹。聚合物的氧化和紫外线照射下的降解经常是有关联的，主要是因为紫外线辐照会使化学键断裂产生自由基。产生的自由基与氧气反应产生过氧自由基会以链式反应的方式引起进一步的破坏。其它聚合物包括聚丙烯和聚乙烯也易受氧化的影响，前者对于氧化更为敏感是因为其主链的重复单元中存在仲碳原子，形成的自由基相比伯碳原子的自由基更为稳定，所以更易受到进攻而氧化。聚乙烯的氧化往往发生在链中的薄弱环节处，比如低密度聚乙烯中的支链点上。