植物精油——天然的抗氧化劑
1 、氧化應(yīng)激
1.1 氧化應(yīng)激概述氧化應(yīng)激是指在一些特定的條件下細(xì)胞內(nèi)外自由基及相關(guān)物質(zhì)大量產(chǎn)生，機(jī)體的抗氧化系統(tǒng)不能及時(shí)清除這些自由基，造成自由基堆積，導(dǎo)致體內(nèi)的氧化和還原系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡失調(diào)，造成氧化損傷。
氧化應(yīng)激狀態(tài)下，構(gòu)成細(xì)胞膜的多不飽和脂肪酸被氧化，導(dǎo)致細(xì)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(xì)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(shí)現(xiàn)，機(jī)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(yīng)激會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物采食量下降，生長(zhǎng)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（FR）是指含有一個(gè)或多個(gè)未成對(duì)電子的原子或基團(tuán)。由于含有孤對(duì)電子，導(dǎo)致自由基不穩(wěn)定，生命周期短并有很強(qiáng)的反應(yīng)性。通常自由基會(huì)通過與最近的分子發(fā)生反應(yīng)，獲得電子而變成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而受到攻擊的分子會(huì)失去電子而成為自由基，繼續(xù)與周圍的分子發(fā)生反應(yīng)，出現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。在動(dòng)物生理病理過程中，密切相關(guān)的自由基包括活性氧族(ROS)和活性氮族（RNS），分別包括的自由基見表1。
正常生理狀況下，動(dòng)物機(jī)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(duì)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(xì)胞的增殖、分化、遷移并促進(jìn)和維護(hù)細(xì)胞、組織和機(jī)體的新陳代謝等，另一部分則會(huì)損傷生物分子，但是損傷分子可以得到修復(fù)、置換、降解代謝和重新合成，不會(huì)對(duì)機(jī)體造成損傷，這些都依賴于機(jī)體內(nèi)存在的抗氧化防御系統(tǒng)。
1.3 機(jī)體的抗氧化系統(tǒng)
機(jī)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(xì)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(jìn)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(yīng)鏈來協(xié)同完成抗氧化作用。但當(dāng)機(jī)體受到各種有害刺激時(shí)，自由基大量產(chǎn)生，超出了抗氧化系統(tǒng)的清除能力，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)體處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，造成氧化損傷。
1.4 氧化應(yīng)激的作用機(jī)制
1.4.1 氧化應(yīng)激對(duì)DNA的作用
1.4.1 氧化應(yīng)激對(duì)DNA的作用
DNA對(duì)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(biāo)志，也作為癌癥的潛在標(biāo)志物。自由基對(duì)DNA的損傷作用主要有：
1、導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)改變，如堿基對(duì)突變、重排、缺失、插入和延長(zhǎng)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(yīng)激有關(guān)蛋白和基因的活性，并對(duì)參與細(xì)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(duì)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(huì)抑制DNA的修復(fù)，加劇DNA損傷，增加患病的風(fēng)險(xiǎn)。
1、導(dǎo)致DNA結(jié)構(gòu)改變，如堿基對(duì)突變、重排、缺失、插入和延長(zhǎng)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(yīng)激有關(guān)蛋白和基因的活性，并對(duì)參與細(xì)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(duì)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(huì)抑制DNA的修復(fù)，加劇DNA損傷，增加患病的風(fēng)險(xiǎn)。
1.4.2 氧化應(yīng)激對(duì)脂質(zhì)的作用
細(xì)胞膜特別容易受到ROS的損傷，通常認(rèn)為脂質(zhì)過氧化是細(xì)胞過氧化損傷的主要標(biāo)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(yīng)物已作為氧化應(yīng)激的間接標(biāo)志物。自由基對(duì)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(xì)胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的排列，這會(huì)阻止膜結(jié)合受體和酶的活動(dòng)，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(xì)胞蛋白失活；4-羥基壬烯酸能消耗細(xì)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(zhǎng)因子受體，誘導(dǎo)纖連蛋白的產(chǎn)生。脂質(zhì)過氧化過程如圖2所示。
1、ROS可誘發(fā)脂質(zhì)過氧化并破環(huán)細(xì)胞膜磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)的排列，這會(huì)阻止膜結(jié)合受體和酶的活動(dòng)，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(xì)胞蛋白失活；4-羥基壬烯酸能消耗細(xì)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(zhǎng)因子受體，誘導(dǎo)纖連蛋白的產(chǎn)生。脂質(zhì)過氧化過程如圖2所示。
1.4.3 氧化應(yīng)激對(duì)蛋白質(zhì)的作用
蛋白質(zhì)是ROS的主要細(xì)胞靶點(diǎn)，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(huì)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(duì)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(huì)引起蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致去折疊或蛋白質(zhì)降解。
2、ROS會(huì)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(dǎo)致蛋白質(zhì)破碎、交聯(lián)或聚合。
3、自由基的氧化損傷，會(huì)導(dǎo)致一些重要蛋白質(zhì)的功能受到破壞，如DNA修復(fù)酶，會(huì)增加發(fā)生突變的幾率。有研究證實(shí)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(duì)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(yīng)對(duì)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(duì)植物精華成分的萃取，有些濃度可以達(dá)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。
1、ROS會(huì)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(duì)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(huì)引起蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生變化，導(dǎo)致去折疊或蛋白質(zhì)降解。
2、ROS會(huì)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(dǎo)致蛋白質(zhì)破碎、交聯(lián)或聚合。
3、自由基的氧化損傷，會(huì)導(dǎo)致一些重要蛋白質(zhì)的功能受到破壞，如DNA修復(fù)酶，會(huì)增加發(fā)生突變的幾率。有研究證實(shí)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(duì)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(yīng)對(duì)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(duì)植物精華成分的萃取，有些濃度可以達(dá)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、植物精油的抗氧化作用機(jī)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?zhǔn)椒磻?yīng)，可以通過防止鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的啟動(dòng)和阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的傳播兩種方式實(shí)現(xiàn)，作用機(jī)制如圖3所示。在啟動(dòng)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(yīng)生成相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì)，而減緩或阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。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(hù)氧化基質(zhì)或提高機(jī)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(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化和調(diào)節(jié)抗氧化酶。
2.1 直接抗氧化作用
2.1.1 清除自由基
2.1.1 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(yīng)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。中間產(chǎn)物苯氧自由基（PO–）由于苯環(huán)的共軛效應(yīng)，相對(duì)穩(wěn)定，不易產(chǎn)生下一步反應(yīng)。此外，PO–可以迅速與下一個(gè)自由基產(chǎn)生反應(yīng)，將其淬滅。
R– + POH → RH + PO–
PO– + R–→ POR
2.1.2 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(gè)酚羥基，可以與這些過渡金屬結(jié)合，防止金屬誘導(dǎo)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(qiáng)的氧化還原能力，可以與H2O2發(fā)生Fenton反應(yīng)，生成羥自由基（–OH），它是反應(yīng)性最強(qiáng)的氧自由基，可以啟動(dòng)與幾乎所有生物大分子的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。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(duì)穩(wěn)定的配合物，從而抑制金屬誘導(dǎo)的自由基的生成。
2.2 間接抗氧化作用
2.2.1 抑制脂質(zhì)過氧化
2.2.1 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(xué)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?zhǔn)椒磻?yīng)，從而保護(hù)脂質(zhì)類基質(zhì)不被過氧化。
2.2.2 調(diào)節(jié)抗氧化酶水平
目前的研究認(rèn)為，一些植物精油的抗氧化活性物質(zhì)能夠與細(xì)胞表面受體結(jié)合，通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，提高抗氧化酶的分泌，增強(qiáng)機(jī)體抗氧化防御能力。準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)機(jī)制目前還不能確定，但可以推測(cè)，精油的萜烯成分可以通過化學(xué)反應(yīng)修飾Keap1的巰基。Keap1是存在于細(xì)胞質(zhì)中的一種多區(qū)域阻遏蛋白，是細(xì)胞氧化還原反應(yīng)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Nrf2結(jié)合在一起，以非活性狀態(tài)存在于細(xì)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(yùn)進(jìn)入細(xì)胞核，與Maf蛋白結(jié)合成異質(zhì)二聚體后與抗氧化反應(yīng)原件（ARE）結(jié)合，激活靶基因表達(dá)，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(dá)水平，如醌氧化還原酶-1（NQO1）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx),、谷胱甘肽（GR),和硫氧還蛋白還原酶（THR)等，從而發(fā)揮抗氧化損傷作用。作用過程如圖4所示。
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(jī)制，結(jié)合動(dòng)物生物學(xué)特點(diǎn)，利用一定的技術(shù)手段進(jìn)行組合，有效發(fā)揮植物精油的抗氧化活性，就可應(yīng)用于養(yǎng)殖生產(chǎn)中，減少動(dòng)物的氧化應(yīng)激，提高經(jīng)濟(jì)效益。
