活性氧作为信使分子,依赖于其浓度、脉冲持续时间和亚细胞定位的差异调控着众多不同的细胞进程,包括增殖、分化和死亡。生物抗氧化剂是作为活性氧的清除剂而存在的。数十年来,人们大多只关注生物抗氧化剂的抗氧化作用,而忽视了它的促氧化作用。事实上,每一种抗氧化剂都是氧化还原试剂,它们在一定的条件下会转变成促氧化剂,释放活性氧。过去,生物抗氧化剂的促氧化作用或其导致的氧化应激,常被认为是不利的。然而,最近一些研究和综述表明：抗氧化剂的促氧化作用在癌的化学预防中扮演着重要的角色(Nat. Rev. Drug Discov.2009,8,579)。那么生物抗氧化剂产生促氧化作用的结构基础和反应本质是什么?活性氧是如何产生的?为什么这些抗氧化剂能够选择性地“区分”癌细胞和正常细胞?这些问题相当重要。现已证实：许多癌细胞与其正常细胞相比,具有更高的Cu(Ⅱ)浓度和活性氧水平。那么,在癌细胞中,酚类抗氧化剂就能够通过类Fenton反应与高浓度的Cu(Ⅱ)产生高水平的活性氧和强的氧化应激,达到或超过癌细胞死亡的阈值,从而诱导其死亡。而在正常细胞中,酚类抗氧化剂与低浓度的Cu(Ⅱ)反应产生低水平的活性氧和弱的氧化应激,这并不足以导致其死亡。为了证实以上推测和解决上述问题,我们应用物理有机化学的理论和方法研究了酚类抗氧化剂与Cu(Ⅱ)构建的促氧化体系诱导DNA损伤和抑制癌细胞增殖的细节性机制。更为重要的是,我们证实这种促氧化体系能够选择性地“杀死”癌细胞。本论文的主要内容有：(1)选择羟基肉桂酸衍生物类作为酚类抗氧化剂的代表,详细研究了它们在Cu(Ⅱ)存在下,诱导DNA损伤的机制、构效关系和生物学意义。具有邻二羟基结构的咖啡酸具有最高的诱导DNA损伤活性。通过紫外可见光谱,研究了咖啡酸和Cu(Ⅱ)的相互作用以及EDTA、Ar2、溶剂和pH值对这种作用的影响。证实：在pH 7.4的缓冲体系中,咖啡酸母体分子本身不与Cu(Ⅱ)络合,而是咖啡酸母体分子失去一个质子形成酚氧负离子,它作为双齿配体与Cu(Ⅱ)络合。形成的络合物促进了分子内电子转移,生成相应的酚氧自由基中间体。后者与氧分子经历第二次电子转移形成邻醌和超氧自由基负离子。超氧自由基负离子及其衍生的其它活性氧和邻醌是诱导DNA损伤的关键性因素(图一)。酚氧自由基中间体通过Cu(Ⅱ)与咖啡酸的二聚氧化产物得到了证实。有趣的是,咖啡酸也具有最高的抑制人早幼粒体白血病细胞株HL-60增殖活性。此外,Cu(Ⅱ)的引入对咖啡酸的抗增殖活性产生了双向的影响。咖啡酸浓度较低时,Cu(Ⅱ)的引入促进了细胞增殖；而咖啡酸浓度较高时,Cu(Ⅱ)的引入几乎完全抑制了细胞增殖。超氧歧化酶的加入使Cu(Ⅱ)产生的双向刺激效果显著减轻,证实氧化应激的水平调控细胞的增殖和死亡。这一研究结果为促氧化介导的癌预防和治疗提供了重要的理论依据。(2)为了证实生物抗氧化剂的促氧化作用是实现其选择性杀死癌细胞的重要因素,我们选择人肝癌细胞HepG2和人正常肝细胞L02为研究对象,研究了白藜芦醇衍生物与Cu(Ⅱ)构建的促氧化体系对上述细胞增殖和凋亡的影响及其相关机制。我们发现：具有邻二羟基结构的白藜芦醇衍生物3,4-DHS或3,4-DHD与Cu(Ⅱ)构建的促氧化体系,能够显著促进细胞内活性氧的生成和加剧线粒体膜电位的崩溃,从而协同抑制HepG2细胞增殖和诱导其凋亡。正常细胞L02与癌细胞HepG2相比,本身含有较低水平的活性氧,导致该促氧化体系在L02细胞中更为缓慢地促进活性氧生成并呈现较低的毒性(图二)。该实验结果为促氧化作用在癌预防中的重要角色提供了直接的证据。此外,我们研究了白藜芦醇对口服和皮下注射四氯化碳两种给药途径所诱导的小鼠肝损伤的保护作用(图三)。实验结果表明：四氯化碳给药造成了肝脏的严重损伤,且通过口服给药途径引起的肝损伤程度明显高于皮下给药途径。而白藜芦醇的引入能够有效地减轻四氯化碳引起的急性肝损伤中毒并能显著地抑制脂质过氧化和维持体内谷胱甘肽的水平。该实验结果证实白藜芦醇在预防肝损伤方面有着潜在的应用价值。