【青年尬科學】學生優秀作品:敵暗我明-自由基與抗氧化劑的探討

本文為師大附中學生參加第一屆「青年尬科學」落選後,在老師的鼓勵下重新將文章編寫,並參加全國高級中學小論文比賽的作品。學生的用心與毅力十分難能可貴!
撰文|國立臺灣師範大學附屬高級中學高一1322班 李微、郭芷瑄、許馨予
指導老師|陳昭錦 老師
類別|化學科

壹、前言
國中上理化課時,曾聽到老師講述自由基對身體的傷害,各種媒體中也常見到標榜「能有效清除體內自由基」的健康食品廣告。究竟何謂「自由基」?它對人體會造成何種威脅?如何減輕它帶來的傷害?這些問題引發我們的探討興趣。
暑假時學校的指定閱讀-《口紅、鑽石、威而鋼》中有提到維他命C是抗氧化劑,可以減輕自由基對身體的傷害(註一)。這是否意味著維他命C、抗氧化劑與自由基之間有關連?為了深入瞭解這些問題,我們首先探討何謂自由基,其次介紹抗氧化劑的定義及其作用原理;接著設計一個簡易的化學實驗觀測抗氧化劑在氧化還原反應中的作用,最後提出我們的發現。
貳、正文
一、自由基
什麼是自由基(free radical)呢? 自由基是指一個化合物在光、熱等外界條件下,共價鍵發生斷裂而形成的具有不成對電子的原子或基團,亦即其電子總數為奇數(註二)。「人體進行的複雜氧化還原反應常衍生出自由基,其為了獲得穩定的八隅體電子結構,亟需電子,因此具有氧化性」(葉名倉主編,2007,同註二)。人體內的自由基可能會氧化去氧核醣核酸(DNA),當細胞內的 DNA分子受損時,可能導致突變而引發癌症(同註二)。常見的自由基有氫原子、氯原子、一氧化氮自由基、超氧化陰離子自由基(superoxide anion radical  O2-‧) 等。圖一為O2-‧超氧化陰離子自由基的形成。

圖一  超氧化陰離子自由基的形成 圖片來源:http://memo.cgu.edu.tw/ren-shen/2012-B1.pdf(註三)

健康的人體內會產生適量的自由基來維持生命系統的運作,由於它的高活性,可以殺菌,提升免疫功能或是當訊息傳遞者(註四)。
自由基有很多種類,其中常見有兩種(同註三):
1. 高反應性氧自由基 (Reactive Oxygen Species, 簡稱ROS)
ROS為具高活性、含氧的自由基,或是本身非自由基,但是在體內經化學反應後可產生自由基的含氧化合物。常見的有超氧化陰離子自由基(O2-‧)、過氧化氫(H2O2)以及氫氧自由基(‧OH)。其中O2-‧特別值得注意,它活性非常高,能進一步衍生成更具破壞性的氫氧自由基。這些含氧的自由基統稱為氧自由基,它們是在人體代謝過程中形成的,其形成途徑如圖二所示。
圖二 超氧化陰離子自由基、過氧化氫和氫氧自由基在人體代謝過程的形成途徑 圖片來源:林天送(2008)。自由基化學與醫學

2. 高反應性氮自由基(Reactive Nitrogen Species, 簡稱RNS)
RNS則為含氮自由基,較常見的為一氧化氮(NO‧),它是人體中樞神經系統傳遞訊息的分子,可激發男性的勃起功能,以及控制免疫功能,是人體不可或缺的自由基。
自由基具有高活性,會去搶奪其他分子的電子,而被拿走電子的分子變得不穩定,可能會去捕捉鄰近其他分子的電子,造成一連串的反應,稱為連鎖反應(註五)。所以一個自由基就能造成許多的細胞組織損傷,也因此會使人體細胞病變。如果自由基攻擊的是DNA,就會改變DNA的結構,而使得基因複製產生錯誤,造成DNA的損傷。自由基也會損害蛋白質及脂質,使其無法正常作用。自由基造成的損害使人體產生許多病變,如癌症、心血管疾病、阿茲海默症、老化……等等重大的疾病(註六)。
自由基的來源分成兩種: 內生性和外生性(註七)。內生性來源由生物體正常代謝、生理作用或是體內酵素等所產生。也因為如此,我們並不能預防自由基的產生,只能減少自由基的傷害。而外生性的自由基來自於抽菸、環境汙染、輻射傷害、紫外線、藥物和農藥或有機溶劑等。
那麼如何能減少自由基的傷害呢?最直接的方法就是使自由基變穩定,人體裡其實就有一些抗氧化酶,可以利用氧化還原的方式轉變成毒性較小或無毒的物質。另外一種不用酵素的方式就是利用抗氧化劑如維他命C、維他命E、β胡蘿蔔素……等等來使自由基變穩定,終止自由基的連鎖反應。故適當的補充抗氧化劑可以減少身體的傷害(同註二)。
但抗氧化劑的定義是什麼呢?抗氧化劑又是怎樣使自由基穩定的呢?接著就讓我們介紹抗氧化劑與抗氧化劑的作用。
二、抗氧化劑
抗氧化劑的解釋有兩種層面,在食品管理上,是指「任何可延遲、減慢或防止食物因氧化作用而發出酸敗氣味或味道變壞的物質」( 同註七)。對於存在人類體內要對抗自由基的抗氧化劑,則可定義為「可延緩脂質過氧化或其他分子氧化之物質,在生物體內則泛指能保護體內基質得以延緩及減緩氧化傷害的化合物。」(註八) 維他命C及維他命E是生活中常見抗氧化劑,以下進一步說明其作用原理。
(一)維他命E
維他命E屬於自由基終止型(free radical terminators)抗氧化劑,此類的抗氧化劑為所謂的一級抗氧化劑(primary antioxidants),主要是干擾和延遲連鎖反應中的增殖步驟(propagation),大都具有酚(phenolic compound)的結構,可藉由提供自身的氫給不安定的自由基後形成穩定的分子,終止自由基連鎖反應之進行。
維他命E的分子式為C29H50O2,結構如圖三所示。

圖片來源:http://memo.cgu.edu.tw/ren-shen/2012-B1.pdf(同註三)

細胞代謝過程中會產生自由基,自由基會傷害細胞膜及細胞功能。維他命E分布在這些膜上,接受自由基攻擊而先行氧化,避免膜上的多元不飽和脂肪酸成分被氧化(註九)。而維他命E和維他命C最大的差別是,前者含有較長的碳鏈,所以極性較弱,屬於脂溶性的抗氧化物, 因此和自由基反應過後而形成的維他命E自由基難排出人體,常見的方式是利用維他命C與維他命E自由基反應,藉此循環使用維他命E。下圖以過氧化脂質自由基為例,維他命E利用OH基,釋出一個H和一個電子,自由基得到電子後,成為較穩定的的化合物, 就不會對人體其它有機分子產生危害,維他命E上的OH則變成O,但由於其具有共軛雙鍵,可藉由共振提高穩定性,所以活性較低、較無破壞性(同註二)。維他命E與自由基的作用過程如圖四所示。
圖四  維他命E與自由基的作用過程 圖片來源:趙強(1997)。自由基與抗氧化物質(同註五)

(二)維他命C
抗氧化劑也可藉由清除環境中的氧氣避免氧化反應進行或與自由基終止型的抗氧化劑共用時,可提供本身的氫原子給對方,使自由基終止型抗氧化劑得以還原再利用,如維他命C (ascorbic acid)。
維他命C的化學式為C6H8O6,簡稱AscH2,結構式如圖五、圖六所示(註十)。它在人體內扮演重要的輔酶,但人類卻不能自行合成維他命C,只能倚靠外來維他命C,所以攝取含有維他命C的食物是重要的,如果缺乏維他命C,會有壞血病的症狀出現,故維他命C又稱抗壞血酸。
維他命C為水溶性的抗氧化劑,容易失去電子,也因為維他命C易失去電子,它提供的電子就可以讓自由基變得穩定,因此可以減少自由基對其他化合物的傷害。

圖五 維他命的分子模型(自攝)

圖六  維他命C的結構式 圖片來源:高瞻自然科學教育平台。http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=6572

 

維他命C的作用是終止自由基連鎖反應,其抗氧化機制如圖七所示(同註十)。與自由基反應完的維他命C本身也會變成自由基,人體中的”榖胱甘肽”(Glutathione,簡稱GSH),它可將自由基維他命C還原成維他命C,使得維他命C可以循環使用。GSH是由三個氨基酸連結而成的小分子,它存在於我們全身上下所有的細胞內,許多重要生理機能的運作,都需要GSH的參與。GSH扮演還原劑的過程中,GSH本身會被氧化為GSSG,GSSG可以使過氧化氫自由基穩定下來,再轉成GSH去還原自由基維他命C,由此可知,GSH是整個抗氧化系統的關鍵角色,其反應過程如圖八所示。反應完的維他命C也可藉由溶於水而排出體外,故不會造成身體的負擔。

圖七  維他命C終止自由基連鎖反應示意圖(同註十)

圖八  維他命C的氧化與再生過程 圖片來源:http://memo.cgu.edu.tw/ren-shen/2012-B1.pdf(同註三)

三、維他命C氧化作用的簡易實驗
(一)實驗原理
1. 維他命B2溶液的照光變色反應
維他命B2又稱為核黃素,是一種橘黃色結晶性粉末,微溶於水,其水溶液為黃綠色螢光,其外觀、溶液顏色及結構式如圖九、十、十一所示(註十一)。

當維他命B2照光後,顏色會轉變為無色,此為還原反應,隨著照光時間愈長,無色物質所佔比例愈來愈高,即維他命B2濃度愈來愈小,因此溶液顏色會逐漸變淺(同註十一)。
我們的想法是,維他命C本身易氧化,可作為還原劑。如果在維他命B2溶液中加入維他命C,那麼前者溶液顏色消褪的速率應該會更快,透過這樣的簡易實驗,或許可以觀察維他命C的影響。
2.目視比色法
比色法的原理是應用比爾定律,當光線穿過溶液時,光的穿透度與溶液濃度,及光線在溶液中行經距離成反比關係。如果由同一角度觀察兩種不同溶液濃度的顏色,當兩溶液色度相同時,則濃度會與光的路徑長成反比。如以C代表濃度,h代表路徑長,則C1h1=C2h2
我們利用目視比色法,觀測維他命B2溶液照光後的濃度變化,比較有無添加維他命C對於濃度衰退速率的影響。
(一)實驗器材
實驗器材包括電子秤、燒杯、玻棒、滴管、比色管、比色燈、直尺、試管架、培養皿、研缽、杵、塑膠盆等。藥品包括維他命B2粉末及維他命C錠。
(二)實驗步驟
1.秤取0.100克的維他命B2粉末調配出1公升的維他命B2水溶液,相當於100.0ppm,將配好的溶液均分為兩份,各500mL。
2.將維他命C錠研磨成粉末,秤取0.500克的維他命C粉末,溶入步驟1其中一份溶液中。
3.取16個培養皿,其中八個裝等量維他命B2水溶液,另外八個裝等量的維他命B2與維他命C混合溶液。
4.將16個培養皿置於陽光下曝曬,每隔15分鐘收回B2、B2加C各一個培養皿,其餘繼續曝曬,最後一組培養皿持續照光120分鐘。
5.分別吸取16個培養皿中的溶液置於比色管中,使其高度約為10公分,依序與原始未曝曬的100.0ppm溶液進行比色。由於比色法倚賴肉眼判斷,人為誤差難以避免,本研究中三位研究者均獨立進行比色,以三人的實驗數據取平均值為結果。
(四)實驗結果
1. 維他命B2溶液在陽光曝曬下的濃度變化
實驗紀錄是以2012/11/06日上午9:00~110在校園中的曝曬實驗為依據。曝曬及比色實驗結果如表一所示。我們發現最初照光的15分鐘反應速率很快,主要是因為此時太陽很大,再者最初反應物濃度較高。之後反應速率逐漸變慢,大約90分鐘後,濃度已經降到很低。維他命B2加C混合溶液在陽光曝曬下的濃度變化及比色實驗結果如表二所示。
2. 兩組結果的比較
將表一及表二的結果繪成關係圖,如圖十六所示。由圖可知,在維他命B2溶液添加維他命C,由於維他命C可提供電子,使得維他命B2的還原反應速率變快,因此濃度衰退速率明顯加快。由此可證實維他命C具有還原力,可藉由本身被氧化,來促進他物的還原反應。
參、結論
自由基是指一個化合物在光熱等外界條件下,共價鍵發生斷裂而形成的具有不成對電子的原子或基團。而人體會產生自由基是不可避免之事,但我們可以建立正確的觀念並明白如何使用抗氧化劑來減低自由基造成的損害。行政院衛生署就曾公佈關於使用維他命的劑量限制:維他命C每日用量最高為1000mg,腎功能不全者若高劑量使用,可能發生腎結石,而維他命E每日用量為18mg以下,若長期高劑量使用則有視覺模糊、腹瀉、暈眩、頭痛、噁心、胃絞痛、疲倦等症狀。所以保健固然重要,但用量是要注意,適度補充才是上策。

圖十六  維他命B2溶液濃度與照光時間的關係

 

肆、引註資料
註一:John Emsley(2006)。口紅、鑽石、威而剛─商品背後的化學。台北市:商周出版。
註二:.葉名倉主編(2007)。化學下。台南市:南一。
註三:楊子毅、陳子双、陳禹安、陳緯、湯華隆、楊佳穎。自由基與心血管疾病。長庚大學醫學系物化生物學報告。2012/11/10取自:http://memo.cgu.edu.tw/ren-shen/2012-B1.pdf
註四:林天送(2008)。自由基化學與醫學。科學發展,No.432,p48-53。
註五:趙強(1997)。自由基與抗氧化物質。美食天下,No.64,p116。
註六: 黎孝韻、曾國慶(1998)。自由基及抗氧化物功能的探討。藥學雜誌,No.95。
註七:陳建男(2007)。啤酒花抗氧化成分之研究。大同大學生物工程研究所碩士論文。
註八:食品安全中心。<修訂食物內防腐劑規例>諮詢文件。2012/10/30取自http://www.cfs.gov.hk/tc_chi/whatsnew/whatsnew_fstr/files/preservatives_consultation_chi_final.pdf
註九:中醫世界網站。<認識自由基>。2012/10/25取自http://relativehumanity.tieus.com/web/cm/life/exercise/freeradical.htm#1
註十:高瞻自然科學教育資源平台。2012/11/12取自http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=6572
註十一:維基百科。2012/10/02取自http://en.wikipedia.org/wiki/Riboflavin

 

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