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第一部分　基础知识3

1 自由基的定义与特性3

1.1 自由基的定义及特性3

1.2 自由基在体外的生成5

1.2.1 加热产生自由基5

1.2.2 电磁辐射产生自由基5

1.2.3　氧化还原过程产生自由基6

1.3 自由基的化学反应6

1.4 与自由基有关的疾病及农业问题6

参考文献8

2 活性氧9

2.1 活性氧的种类9

2.2 活性氧在细胞器中的产生11

2.2.1 线粒体电子传递链产生？11

2.2.2 微粒体产生？14

2.2.3 过氧化物酶体产生H2O215

2.2.4 细胞膜产生？15

2.2.5 植物光合电子传递链产生的？15

2.3　在代谢过程中产生的活性氧15

2.3.1　？的产生15

2.3.2 ？的产生16

2.3.3 H2O2的产生17

2.3.4　1O2的产生18

2.4 活性氧的性质18

2.5 活性氧对生物分子的损伤19

2.5.1 不饱和脂肪酸19

2.5.2　蛋白质21

2.5.3 糖类22

2.5.4 核酸24

2.6 生物分子受损后产生更多的活性氧24

参考文献25

3 活性氮、活性卤及其与活性氧的相互作用（兼论气体生物学）27

3.1 ？的性质28

3.1.1 ？的自由基特征28

3.1.2 理化性质28

3.2 ？的合成和一氧化氮合酶29

3.2.1　体内合成29

3.2.2　一氧化氮合酶29

3.2.3 对？生成的调控30

3.3 硝化胁迫31

3.4 RNS与ROS的相互作用32

3.5 ？的信号传导和对细胞因子调节的作用34

3.5.1 ？的信号传导功能34

3.5.2 ？对细胞因子的调节作用34

3.6 活性氮、活性氧和活性卤的相互作用35

3.7 ？、CO和H2S三种气态递质的相互作用37

参考文献40

4 对活性氧的防御45

4.1 线粒体防御系统45

4.1.1 细胞色素氧化酶使氧直接还原成水45

4.1.2 线粒体的其他防御系统45

4.2 抗氧化酶50

4.3　抗氧化剂（清除剂）52

4.3.1 内源性抗氧化剂52

4.3.2 外源性抗氧化剂54

4.3.3 间接抗氧化剂55

4.4 氧化性损伤的修复56

4.4.1 蛋白质的降解和修复56

4.4.2 DNA的降解和修复57

4.4.3 脂质的降解和修复57

4.5 凋亡57

4.6 抗氧化剂的特性和相互作用57

4.6.1 各施所长，互相配合58

4.6.2 互相代偿以维持总抗氧化能力恒定59

4.6.3 自由基稳衡性动态和氧化胁迫59

4.6.4 过度防御的危害60

4.6.5 抗氧化能力的诱导反应60

4.6.6 一些抗氧化剂也起促氧化作用60

4.6.7 正确评价抗氧化疗法61

4.6.8 营养素与抗氧化能力的关系62

4.6.9 抗氧化能力的量化62

参考文献65

5 植物多酚类抗氧化剂71

5.1 植物多酚类的种类及作用71

5.1.1 多酚类的种类71

5.1.2 多酚类的抗氧化作用72

5.2 茶多酚72

5.2.1 茶多酚对自由基的清除作用72

5.2.2 茶多酚防护DNA氧化性损伤74

5.2.3 茶多酚的抗癌作用74

5.2.4 茶多酚对神经系统疾病的防治作用75

5.2.5 茶多酚的减肥作用（见14.4）75

5.3 葡萄的多酚类75

5.3.1 白藜芦醇75

5.3.2　原花青素76

5.4 非食物来源的多酚类77

5.4.1 松树皮的多酚类77

5.4.2 蜂制品的多酚类78

参考文献80

6 活性氧调控信号传导、基因表达和细胞功能85

6.1 氧化还原敏感的信号传导通路85

6.1.1 Ca2+信号通路86

6.1.2 cGMP信号通路86

6.1.3 蛋白磷酸化信号通路87

6.2 氧化胁迫、GSH、GSH/GSSG平衡与信号传导89

6.2.1　GSH的合成与它的氧还循环89

6.2.2 GSH及γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶的调控90

6.2.3 GSH/GSSG平衡对信号传导的调节90

6.3 NADPH氧化酶介导的活性氧在信号传导中的作用91

6.3.1 吞噬细胞NADPH氧化酶与信号传导91

6.3.2 非吞噬细胞NADPH氧化酶与信号传导92

6.3.3 植物NADPH氧化酶与信号传导92

6.4 活性氧在信号传导中的作用机制93

6.4.1 细胞内氧化还原状态的改变93

6.4.2 蛋白的氧化修饰94

6.5 活性氧调控基因转录96

6.5.1 H2O2激活转录因子NF-kB96

6.5.2 活性氧激活转录因子AP-198

6.5.3 活性氧激活转录因子AP-299

6.5.4 活性氧调控转录因子HIF-199

6.5.5 p53的氧化还原调控100

6.5.6 小结100

6.6 活性氧调控组蛋白乙酰化101

6.6.1 活性氧和组蛋白乙酰化在炎症基因转录中的作用101

6.6.2 氧化胁迫促进组蛋白乙酰化102

6.6.3 氧化胁迫下调组蛋白乙酰化104

6.7 活性氧调控基因表达105

6.7.1 GSH在调控促炎症基因和抗氧化保护基因中的作用105

6.7.2 H2O2调控OxyR及其下游基因106

6.7.3 活性氧调控SoxR及其下游基因106

6.7.4 缺氧调控Fnr及其下游基因107

6.7.5 活性氧调控rpoS基因及其下游基因107

6.7.6 金属硫蛋白和MTF-1防御氧化胁迫107

6.7.7 Nrf2-ARE通路与相关基因表达107

6.8 氧化胁迫调控线粒体基因表达108

6.9 氧化胁迫相关性疾病与基因表达异常108

6.10 活性氧调控细胞功能108

6.10.1 活性氧调控细胞增殖109

6.10.2 活性氧调控细胞分化111

6.10.3 活性氧调控细胞凋亡112

6.11 总结112

参考文献113

7 生殖发育与自由基123

7.1 活性氧对精子结构与功能的影响123

7.1.1 精液中ROS的产生123

7.1.2 精液对ROS的防御123

7.1.3 适量ROS/RNS确保精子生理功能123

7.1.4 过量ROS危害精子功能124

7.1.5 抗氧化剂在医学及农业生产中的应用126

7.2 活性氧对雌性生殖的影响127

7.2.1 活性氧的产生及防御127

7.2.2　ROS使卵泡闭锁128

7.2.3　ROS参与黄体萎缩和溶解128

7.2.4 ROS与胚胎和新生儿发育129

7.3 NO在生殖发育中的作用129

7.3.1 NO保障男性生育力129

7.3.2 NO调节雌性生殖活动130

参考文献131

8 活性氧对DNA的损伤及其修复136

8.1 DNA的损伤方式136

8.2　DNA损伤的后果138

8.3　DNA损伤的酶性修复138

8.3.1 切除修复138

8.3.2 重组修复140

8.3.3 SOS修复140

8.3.4　错配修复140

8.4　DNA损伤的非酶性修复141

8.4.1 非酶性修复的化学反应141

8.4.2 非酶性修复的确证143

8.4.3 非酶性修复的机制143

参考文献147

9 蛋白质自由基及其催化作用150

9.1 概述150

9.1.1 蛋白质中的氨基酸自由基150

9.1.2 氨基酸和修饰氨基酸自由基的生成151

9.1.3 酶催化中产生的蛋白质自由基的共性153

9.2　核苷酸还原酶154

9.2.1 Ⅰ类核苷酸还原酶154

9.2.2 Ⅱ类核苷酸还原酶155

9.3 丙酮酸甲酸裂合酶158

9.3.1 甘氨酰自由基的生成159

9.3.2　催化机制159

9.4 细胞色素c过氧化物酶161

9.4.1　CcP中的高铁血红素／色氨酸阳离子自由基162

9.4.2 色氨酸自由基在电子传递中的可能作用163

9.5 前列腺素H合酶163

9.5.1 结构中的外露酪氨酸残基164

9.5.2 酪氨酸自由基的生成及其在催化中的作用164

9.6　半乳糖氧化酶166

9.6.1 半乳糖氧化酶的不同氧化还原状态166

9.6.2　结构中被半胱氨酸修饰的酪氨酸残基167

9.6.3 催化机制167

9.7 醌蛋白168

9.7.1 铜依赖的胺氧化酶169

9.7.2 甲胺脱氢酶172

9.8　其他酶催化过程中产生的蛋白质自由基175

9.8.1 牛肝过氧化氢酶175

9.8.2　DNA光修复酶175

9.8.3 多巴胺β加氧酶175

参考文献178

第二部分 自由基医学187

10 癌与自由基187

10.1 致癌物和促癌物必须变成自由基后才起作用187

10.1.1 多环芳烃类187

10.1.2 芳胺和偶氮染料类188

10.1.3 硝基及亚硝基类189

10.1.4 激素类190

10.1.5 促癌物190

10.2 活性氧引起细胞癌变190

10.2.1 金属离子生成活性氧致癌190

10.2.2 慢性炎症生成活性氧致癌191

10.2.3 活性氧损伤DNA而致癌191

10.2.4 活性氧使染色体不稳定而致癌192

10.2.5 活性氧调控原癌基因和抑癌基因192

10.2.6 活性氧参与癌侵袭、转移和血管生成193

10.2.7　癌细胞和癌病人都遭受氧化胁迫196

10.3 减轻氧化胁迫以防癌197

10.3.1　SOD促进癌细胞分化197

10.3.2 抗氧化剂防癌197

10.3.3 快速修复DNA损伤使 癌逆转198

10.3.4 限食和运动防癌199

10.3.5　ROS抑制端粒酶使癌细胞停止分裂199

10.4 活性氧也起抗癌作用200

10.4.1 抗癌药产生大量ROS杀癌200

10.4.2 活性氧使癌细胞分化和凋亡200

10.5 活性氮与癌201

10.5.1 活性氮的致癌作用201

10.5.2　低浓度活性氮的杀癌作用和阻止转移作用201

10.5.3 活性氮促进癌细胞分化203

参考文献203

11 衰老与自由基211

11.1 活性氧是衰老的决定性因素211

11.1.1 活性氧促衰211

11.1.2 抗氧化能力过弱而致衰212

11.1.3 衰老时核酸、蛋白质和脂质的氧化性损伤加剧212

11.1.4 决定寿命的基因与其防御活性氧的能力有关215

11.2 强抗氧化能力延寿216

11.3　延寿的有效措施218

11.3.1 外加抗氧化剂延寿218

11.3.2　保护线粒体以加强抗氧化能力218

11.3.3 降低耗氧量延寿——合理锻炼219

11.3.4 限食缓解氧化胁迫而延寿221

11.4 妇女抗氧化力强所以高寿222

11.5 活性氧与老年性疾病223

11.5.1 活性氧引起脑老化223

11.5.2　老年痴呆223

11.5.3 早老性痴呆224

11.5.4 帕金森氏病224

11.5.5 白内障224

11.5.6 糖尿病225

11.5.7 动脉粥样硬化225

11.5.8　皮肤老化225

参考文献227

12 病毒感染与自由基235

12.1 自由基与病毒感染235

12.2 自由基与RNA病毒感染236

12.2.1 RNA病毒感染后宿主细胞产生自由基236

12.2.2 RNA病毒感染使宿主细胞遭受氧化胁迫236

12.2.3　氧化胁迫促进病毒感染236

12.2.4 抗氧化剂治疗RNA病毒感染237

12.3 自由基与DNA病毒感染237

12.3.1 DNA病毒感染后宿主细胞产生自由基237

12.3.2 DNA病毒感染使宿主细胞遭受氧化胁迫237

12.3.3 抗氧化剂治疗DNA病毒感染237

12.4 自由基与反转录病毒感染238

12.4.1 反转录病毒感染后宿主细胞产生自由基238

12.4.2 反转录病毒感染使宿主细胞遭受氧化胁迫238

12.4.3 自由基对反转录病毒的作用238

12.4.4 抗氧化剂治疗反转录病毒感染239

参考文献239

13 毒品依赖与自由基242

13.1 海洛因在体内的代谢242

13.2 海洛因成瘾机制242

13.2.1 成瘾的受体机制242

13.2.2 成瘾的神经递质机制243

13.3 阿片类毒品与活性氧的关系243

13.3.1 阿片类毒品诱发活性氧生成243

13.3.2 阿片类毒品使机体抗氧化能力下降244

13.3.3 阿片类毒品诱发全面的氧化性损伤244

13.3.4 抗氧化剂缓解毒品依赖和戒断症状245

13.4 阿片类毒品与活性氮的关系246

参考文献247

14 肥胖与自由基249

14.1　肥胖引起氧化胁迫249

14.2　肥胖引起硝化胁迫251

14.2.1 肥胖降低机体NO的生成和生物利用度251

14.2.2 肥胖上调eNOS的表达252

14.2.3 肥胖引起硝化胁迫253

14.3　肥胖相关疾病与活性氧有关253

14.3.1 心血管疾病253

14.3.2 高血压254

14.3.3 胰岛素抵抗和2型糖尿病254

14.3.4 癌症255

14.3.5　衰老255

14.4　减肥和限食都可缓解肥胖所致氧化和硝化胁迫256

14.5　抗氧化剂减肥258

参考文献258

15 缺血再灌性损伤的自由基机制260

15.1 与ROS的关系260

15.2 与RNS的关系262

15.2.1 NO降低ROS引起的白细胞的黏着和募集262

15.2.2 NO改善内皮屏障功能紊乱262

15.2.3 NO改善心肌损伤263

15.2.4 NO的保护机制263

15.3　缺血再灌损伤的防治264

15.3.1　缺血预处理264

15.3.2　缺血后处理265

15.3.3　抗氧化疗法265

参考文献265

第三部分 自由基农学269

16 植物活性氧的产生及防御269

16.1 活性氧在植物中的产生269

16.1.1 光合系统产生活性氧269

16.1.2 非光合系统产生活性氧270

16.2　植物对活性氧的特有防御机制271

16.2.1 彻底防止活性氧的生成271

16.2.2 抗氧化酶271

16.2.3　植物线粒体解偶联蛋白273

16.2.4 抗氧化剂273

16.3　植物活性氧的作用274

16.3.1 有益作用274

16.3.2 有害作用274

16.4　植物对活性氧的调控网络275

16.4.1 正常条件下的调控网络275

16.4.2 逆境条件下的调控网络276

16.5　植物一氧化氮276

16.5.1 功能276

16.5.2 来源276

参考文献278

17 植物逆境胁迫与抗逆性281

17.1 逆境诱导活性氧产生281

17.2　逆境中活性氧的保护作用282

17.2.1 活性氧调控抗性基因282

17.2.2 活性氧诱导性地提高抗逆性282

17.2.3 活性氧的信使作用282

17.3　逆境中活性氧的损伤作用283

17.3.1 对细胞器的损伤283

17.3.2 对ROS防御系统的双相作用284

17.4　提高抗氧化能力以提高抗逆性284

17.5 逆境胁迫与NO285

参考文献285

18 植物遭病原菌侵染后产生活性氧288

18.1　植物遭病原菌侵染后活性氧的产生288

18.2　侵染中活性氧的产生机制288

18.2.1 活性氧的产生部位和参与的酶288

18.2.2 活性氧产生的信号调控途径289

18.3 活性氧在植物防卫中的作用289

18.3.1　参与过敏反应289

18.3.2 直接杀伤病原菌290

18.3.3 强化细胞壁290

18.3.4　合成植保素290

18.3.5　调控防卫基因表达291

18.4　三种疾病实例291

18.4.1 马铃薯晚疫病291

18.4.2　稻瘟病292

18.4.3 细菌病害中的过敏反应292

参考文献292

常用缩略词295

索引297