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活性酸素・フリーラジカルについて

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様々の疾患の病因、病態における活性酸素・フリーラジカルの役割、また活性酸素・フリーラジカルが関与する多くの疾患群が明らかにされようとしています。白血球をはじめとする食細胞は生体内における最大の活性酸素産出源ですが、環境因子としての紫外線、放射線、喫煙もその産出源として重要です。活性酸素・フリーラジカルは生体膜、核酸、タンパク、生体内活性因子などに種々の障害を与え、膜脂質の過酸化反応、酸化的DNA損傷、タンパク変性などを引き起こすだけではなく、多くの生命現象の情報伝達の阻害因子としても作用しています。ここでは活性酸素・フリーラジカルの生成と消去における基本的事項、疾病との関わりについて説明します。

フリーラジカルとは、不対電子を持つ原子、分子またはイオンを指し、単にラジカルとも呼ばれ、置換基がR-とされているのに対しフリーラジカルはR·と表記されます。Rを原子核、ドットを電子と考えればわかりやすいですね。ちなみに後述の電子対を持つ場合はR:と表記できます。かつては用語「基」をradicalと呼んでいたのですが、近年は「基」はsubstituteやgroupと呼ばれることが一般化したため単にラジカルという場合はフリーラジカルと考えて差し支えありません。活性酸素をラジカルと呼ぶ人もいるようですが、ラジカルのすべてが活性酸素として作用するわけではありませんのでお薦めはしません。

原子が化学結合する場合、それぞれの原子が相手の原子の電子を引きつける度合い(この尺度を「電気陰性度」と呼びます。)に大きな差があれば、電気陰性度の小さい原子Aの電子は電気陰性度の大きな原子Bに完全に移動してしまい、A+イオンとBイオンが強い電磁気力で結合した状態となりこれをイオン結合と呼びます。電気陰性度が同程度であるとそれぞれの原子は相手原子の1個の電子、都合2個の電子を共有して結合することとなります。これを共有結合と呼び、この共有された1対(2個)の電子を共有電子対といいます。特に共有結合によりそれぞれの原子が閉殻状態(当該電子殻に収容される電子の余地がなくなった状態)になる場合には、共有結合の力は非常に強いものとなります。

水素分子H2は2個の水素原子が一組の電子対を共有したものであり、共有によりそれぞれの原子は閉殻となり安定します。このとき水素分子をH:H、水素原子をH·と表記しますが、このH·の電子こそが不対電子なのです。すなわち共有結合に寄与できる電子対を構成できる最外殻電子(原子価電子)を不対電子と呼ぶのです。原子番号が大きくなるに連れて原子価電子も増えていくのですが、最大収容電子数の半分を超えると、次からはすでに配置されている電子と対を成して電子対を作っていきます。原子番号8の酸素原子は最も内側の電子殻であるK殻に2個の電子が配置され、K殻の外側の電子殻であるL殻(最大収容電子数8)にまず4個の電子が不対電子として配置されると残り2個の電子はそれぞれ先に配置された電子と電子対を作るように配置されます。酸素原子は二組の非共有電子対(「孤立電子対」とも呼ばれます。)と2個の不対電子から構成されるフリーラジカルです。

酸素分子O2も共有結合O:Oによって結合していますが、閉殻とはなっていないため更に他の原子と共有結合する余地が残っています。一組の共有電子対からのみの共有結合を単結合といい、二組、三組、…、n組の共有電子対を持つ共有結合をそれぞれ二重結合、三重結合、…、n重結合といい、n重結合の結合次数はnであるといいます。酸素分子O2は実は二重結合O::Oです。化学結合や電子軌道などについての詳細は投稿「化学の基礎 – 酸塩基反応から有機化合物まで」をご覧ください。

不対電子は電子対になろうとするためフリーラジカルは一般に不安定であり強い反応性を持っています。酸素分子O2は生体内における代謝過程で4電子還元(O2+2H2→2H2O)されるのですが、この還元の過程あるいはエネルギーを受け取ることによる電子の励起、遷移金属(元素周期表の第3族元素から第11族元素までの間にある金属の性質を有する元素の総称で、遷移元素の単体は一般に高い融点と硬さを有する金属です。対義語は典型元素です。)との結合などによりさらに反応性が強くなります。このようにして生じる酸素分子よりも活性の高い酸素種を総称して活性酸素(活性酸素種、ROS : reactive oxygen species)と呼びます。スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシラジカル、一重項酸素を狭義の活性酸素といいますが、広義には下図のように多くのフリーラジカルを含んでいます。

フリーラジカルと活性酸素

フリーラジカルと活性酸素

例えば過酸化水素は活性酸素ではありますが、不対電子を持たないためフリーラジカルではありません。ただし、過酸化水素は鉄などの遷移金属の存在下では容易に1電子還元されヒドロキシラジカルを生じるため重要な活性酸素として認識されています。好気性生物にとってはこれらの反応性の強い活性酸素を解毒消去することが生命維持に不可欠であり、進化の過程で様々な抗酸化的防御機構を獲得してきました。

生命現象との関わりにおいては、生体内では酸素を利用する過程において種々の活性酸素種が生成されていますが生体はこの活性酸素種を消去する極めて巧みな防御機構を備えているために生理的条件下では酸素代謝の副産物である活性酸素・フリーラジカルは必ずしも恐れるものではありません。しかし活性酸素の過剰な生成やあってはならない場所での生成はその局所での生成と消去の平衡関係を崩すこととなり、いわゆる酸化ストレス負荷の状態となり、活性酸素・フリーラジカルは生体の膜や組織を構成する生体内分子を攻撃して各種疾患を誘発することからフリーラジカルの中でも酸素に由来する種々のフリーラジカルが注目されています。

酸化ストレスとは「生体の酸化反応と抗酸化反応のバランスが崩れ、前者に傾き、生体にとって好ましくない状態」と定義されています。現在では、故意に酸化ストレスを利用すること(例えば出産における産道確保のための自発的細胞死であるアポトーシス)や酸化ストレスを契機に生体防御能を増強すること(例えば適度の運動や虚血)などポジティブな側面も解明されてきています。そこで酸化ストレスとは単に「生体の酸化反応と抗酸化反応のバランスが崩れ、前者に傾いた状態」と再定義したほうがより一般的かも知れません。

活性酸素・フリーラジカルの生体内での生成
フリーラジカルは生体内で生成されるだけではなく外部環境にも多く存在します。フリーラジカルを生成する環境因子としては、大気汚染物質、ある種の薬剤、放射線、紫外線、喫煙などが知られていますが、こうした環境因子に接することによりフリーラジカルを体内に取り込むことになります。喫煙、飲酒、大気汚染、ディーゼル粒子、ストレス、紫外線といった環境因子が大量の活性酸素・フリーラジカルを発生させます。生体内では、ミトコンドリア電子伝達系あるいはミクロソーム電子伝達系内のある種の酵素、酸化酵素であるオキシダーゼ系酵素、鉄含有タンパク質などがフリーラジカル、特に酸素由来のフリーラジカル生成源となります。活性酸素・フリーラジカルの生成源:
■遷移金属(Fe2+、Cu+
■虚血再灌流
■白血球、Nox(NADPHオキシダーゼ)/Duox(デュアル・オキシダーゼ)
■ミトコンドリア
■種々の代謝酵素
■薬剤
■環境因子

炎症、虚血性疾患などとの関連では、好中球をはじめとする食細胞は、最近、種々の粒子状または可溶性刺激物により細胞膜に存在するNADPHオキシダーゼが活性化されると爆発的な酸素消費(「呼吸バースト」とも呼ばれ、NADPHオキシダーゼは「呼吸バーストオキシダーゼ」と呼ばれることもあります。)と相当量のスーパーオキシド産生が生じます。好中球の生成するスーパーオキシドおよびそれより派生する種々の活性酸素・フリーラジカル種は殺菌作用や抗腫瘍効果の主たるメディエーター(細胞間のシグナル伝達を行う物質を指します。)であり、生体防御の点で重要な役割を果たしています。医学界では、好中球のNADPHオキシダーゼの遺伝子異常として慢性肉芽腫症が有名ですが、食細胞は食作用により微生物を取り込み、それにより形成されたファゴソームと呼ばれる食胞の中で殺菌を行います。食胞内には食細胞NADPHオキシダーゼによりO2-が生成され、このO2-はさらに過酸化水素H2O2や強力な殺菌能力をもつヒドロキシラジカル·OH、あるいは次亜塩素酸HOClなどに変換されます。慢性肉芽腫症は食細胞NADPHオキシダーゼの遺伝子欠損症であり微生物に対し活性酵素をまったく生成できず好中球の殺菌能が著しく低下して幼少期から繰り返し重篤な感染を引き起こします。しかし一方では好中球より生成される過剰な活性酸素種は虚血再灌流障害や自己免疫疾患をはじめとする炎症反応において組織障害性に働いていることも明らかになりつつあります。生じたスーパーオキシドは酵素的あるいは非酵素的に還元を受けより反応性の強い活性酸素種(過酸化水素、ヒドロキシラジカル、次亜塩素酸)となります。急性呼吸窮迫症候群(ARDS)、潰瘍性大腸炎、急性胃粘膜病変、ベーチェット病などは活性化した好中球により産生される活性酸素種が病変形成に関与しています。さらに多くの疾患において活性化好中球が関与することが明らかになっています。

活性化好中球が関与する疾患
■内科・小児科領域
・呼吸器領域:気管支喘息、間質性肺炎
・消化器領域:潰瘍性大腸炎、自己免疫性肝炎
・免疫異常疾患:関節リウマチ、SLEなどの膠原病
・腎臓疾患:ネフローゼ症候群
・重症感染症
・血液疾患:溶血性貧血
■外科・整形外科領域:
・手術侵襲、外科的ショック
・強直性脊椎炎
■皮膚科領域:
・湿疹・皮膚炎群、天疱瘡群、乾癬および類症など
■眼科領域:
・ぶどう膜炎などの炎症
■耳鼻咽喉科領域:
・難治性口内炎

最近では血管内皮、平滑筋細胞、消化管粘膜上皮そのものからも活性酸素が産生されることも明らかになっています。このような非貪食(非食作用)細胞に発現する活性酸素産生酵素gp91phoxの6つのホモログ(形態や遺伝子が共通の祖先に由来する関係にあることまたはそのもののこと、相同体)が新たに同定されNox/Duoxファミリーとして整理されその生理作用に注目が集まっています。消化管粘膜上皮では消化管粘膜固有の自然免疫応答を制御する新たな機構としてTLレセプター(Toll様受容体、TLR、toll-like receptor)ファミリーを介するNox1の活性化と活性酸素依存性の核内因子-κB(NF-κB)の活性化経路が明らかとなり炎症・活性酸素によるがん発症を結び付ける新しい経路と考えられています。

フリーラジカルによる障害とその防御
フリーラジカルは非特異的な反応をすることが多く、多くの生体内分子を標的としています。

標的 結果
脂質 過酸化、膜変性
核酸 細胞周期変性、突然変異、塩基修飾
アミノ酸 タンパク質変性、分解、酵素阻害、架橋結合
糖質 細胞表面受容体変性
補因子 代謝変性
ヒアルロン酸 脱重合
生物学的要因 α1-アンチトリプシン(α1-AT)不活性化、走化性因子、メディエーター、鼻閉塞

脂質、核酸、アミノ酸、糖質、種々の生物学的活性物質などを標的としますが標的が異なるがゆえに多くの病態・疾患と関連していることになります。

フリーラジカルと疾患

フリーラジカルと疾患

特にすべての細胞膜の脂質中に局在する高度不飽和脂肪酸は活性酸素により攻撃され、脂質過酸化連鎖反応を介して過酸化脂質を生成します。生体膜は脂質やタンパクで構成されていますが、それらは細胞や小器官を仕切る隔壁としてのみならず、生理活性化物資の素材としてあるいは酵素として膜表面の受容体として多様な機能を集約した場を形成しています。それだからこそこの連鎖的脂質過酸化反応は膜構造の破壊だけでなく、そこで働くタンパクの酵素作用や受容体機能も大きな障害を被ることになります。このようなフリーラジカルによる脂質過酸化反応は生体膜すべてに共通しており、その障害がたとえば神経細胞に及ぶと細胞壊死、アポトーシス、リポフスチンの沈着(リポフスチンは細胞質内の不飽和脂肪酸の過酸化によりリソソーム内に形成される不溶性色素で、肝細胞、心筋繊維、神経細胞などで見られ、リソソームによって細胞内消化された異物の残余物質であり、別名「加齢性色素」、「消耗性色素」とも呼ばれます。)などを生じます。

このフリーラジカル連鎖反応を開始させるものとしてはヒドロキシラジカルや鉄-酸素錯体などが推定されています。スーパーオキシドはそれ自体よりもこれら活性種の前駆体として重視されています。したがってこれらの活性酸素・フリーラジカル種の消去剤は脂質過酸化反応の開始を予防することができる(予防的抗酸化剤)可能性があると考えられています。

生体の防御機構

活性酸素・フリーラジカルに対する生体の防御機構

いったん不飽和脂肪酸より水素引き抜き反応が生じるとペルオキシラジカルを担体として脂質過酸化反応は連鎖的に進行し脂質過酸化物が生成されます。このペルオキシラジカルを捕らえ連鎖反応を断つものとしてα-トコフェロールのようなラジカル補足型抗酸化剤があります。また生成した過酸化脂質はそれ自体も悪玉であり局所より血液中に流出し血管病変をはじめとする二次的病変の原因にもなりえます。そのためこの過酸化脂質をアルコールなどに還元するものも生体内で抗酸化作用を発揮する可能性があると考えられています(過酸化脂質消去剤)。また酸化的な損傷を受けた脂質、タンパク質、DNAなどを修復・再生する機構もフリーラジカルに対する最終的な防御機構となります。

フリーラジカルと消化器疾患
活性酸素・フリーラジカルの関与が証明されたのは1983年Grangerらが小腸の虚血再灌流障害がスーパーオキシドを消去するスーパーオキシドディスムターゼ(SOD)の投与により抑制されることを報告したのが最初です。その後多くの臓器でこの現象が確認されフリーラジカル研究が盛んになった経緯があり、その中でラット腹腔動脈を血管鉗子で遮断することにより虚血再灌流性胃粘膜傷害モデルが作成され、活性酸素・フリーラジカルの関与も報告されています。さらには活性酸素消去酵素(SOD+カタラーゼ)は病変を抑制するだけでなく脂質過酸化反応の指標の上昇を有意に改善させることを示しました。肝臓移植・肝切除術においても再灌流障害は重要な問題であり磁気共鳴スピン装置を用いたフリーラジカルの測定により15分以内の虚血であれば再灌流後のフリーラジカル生成が有意に減少していることも報告されています。この実験結果は現在臨床の肝切除術の現場で実際に応用されています。

潰瘍性大腸炎における実験モデルでの検討でも好中球の関与、活性酸素の関与は明らかであり、このような活性化した白血球を取り除くことが病態改善につながるのではないかと考えた研究者による白血球除去療法の臨床応用の結果、潰瘍性大腸炎に有効であり、さらにクローン病、関節リウマチなどにも臨床応用されています。

フリーラジカル反応を利用したがん治療
フリーラジカル反応により組織障害が引き起こされることが明らかになりがん治療への応用が試みられるようになりました。加水分解ジャガイモデンプンを冠動脈に注入すると30分間の虚血を引き起こしその後アミラーゼにより溶解されることから肝臓で虚血再灌流障害を惹起し、この方法を数回繰り返すことにより移植した癌腫瘍が明らかに縮小し、SOD+カタラーゼ併用投与はその抗腫瘍効果をキャンセルします。その後温熱療法の抗腫瘍効果にも活性酸素・フリーラジカルが関与することも明らかになりフリーラジカル反応を用いたがんの集学的治療として現在臨床応用されています。

脂質過酸化反応は細胞内シグナルを揺さぶる
細胞膜不飽和脂肪酸は活性酸素・フリーラジカルによる酸化により連鎖的脂質過酸化反応を生じ細胞障害に関与することが明らかになっています。最近の研究ではその過酸化反応の中間反応物としてアクロレイン、4-ヒドロキシ-2-ノネナールなどの反応性アルデヒドが生じますが、これらのアルデヒド類のほとんどはタンパク質との反応によりユニークなアミノ酸付加体を生成することが解明されつつあります。

このような活性種の標的分子を明らかにするために酸化修飾タンパク質を指標としたプロテオミクス解析が推進されています。最も一般的な方法は二次元電気泳動と免疫プロット法を組み合わせた解析法です。この方法では二次元で分離したゲルはプロッティングにより膜に転写し抗酸化修飾タンパク質を免疫組織化学法により検出するものです。従来より消化管炎症病態においては脂質過酸化の意義が報告されてきましたが、その詳細な機構は不明な点が多く存在していました。今では、この脂質過酸化アルデヒド修飾タンパク質の探索により標的タンパク質が同定されるようになった結果、病態の新しい理解、修飾分子を標的とした治療法の開発などにつながっていくものと期待されています。

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この記事は、京都府立医科大学学長・大学院医学研究科消化器内科学・吉川敏一教授最終講義を参考にしてしています。
http://www.f.kpu-m.ac.jp/k/jkpum/pdf/120/120-6/yoshikawa06.pdf

吉川先生の主な著書
・フリーラジカル入門(先端医学社)
・続フリーラジカル入門(先端医学社)
・フリーラジカルの科学(講談社)
・フリーラジカルの医学(診断と治療社)
・よくわかる最新版ビタミンブック(主婦の友社)
・活性酸素・フリーラジカルのすべて(丸善株式会社)
・ビタミン・ミネラル早わかり(幻冬舎)
・不老革命(朝日新聞社)
・ヘルシーエイジングのすすめ(ブレーン出版)
・老化を抑える、抗酸化力(土屋書店)
・アンチエイジング教室(毎日コミュニケーションズ)
・いくつになっても年をとらない9つの習慣(扶桑社)
・食べて免疫力がUP!病気に強くなる!1日1600 kcalレシピ(PHP研究所)
・新しい考え方ビタミンミネラル速効事典(土屋書店)
・なぜ、あの人はいくつになっても若いのか(家の光協会)
・きれいな人は内蔵が強い(PHP研究所)
・京都府立医大のがん温熱免疫療法(PHP研究所)
・100歳,元気あたりまえ!(朝日新聞出版)

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