想要維持身體健康，許多人都知道要多吃蔬果，補充維生素C等抗氧化劑，故坊間許多健康食品都會特別強調「抗氧化」的功效，說得好像只要能抗氧化，你就能如獲神力，百病不侵，青春永駐。「抗氧化」這個詞很常見，但你真的懂抗氧化是在抗個啥嗎？
無所不在的自由基
首先，我們需要先認識什麼是「自由基」（free radical），自由基為任何沒有成對電子的不穩定原子或分子的統稱。通俗點來解釋的話，我們可以想像電子很怕寂寞，而有些原子或分子由於某些原因電子配不成對，所以它們會找另一個電子湊成對，例如與另一個也有落單電子的原子或分子分享彼此的電子，形成化學鍵，我們稱這種所有電子都「脫單」的情況為「穩定」。反之，自由基由於有電子落單了所以「不穩定」，若環境中沒有其他有落單電子的原子或分子，自由基就會去搶穩定原子或分子的電子，自己穩定下來，被搶電子的原子或分子就會變成自由基去搶別人的電子來讓自己穩定，這種被搶電子→變成自由基→再去搶別人電子的連鎖反應若發生在生物細胞組成物質（蛋白質、脂質和核酸物質）上，便會影響細胞的功能。這種影響有好有壞，好處例如生物體得以利用氧化還原過程的電子傳遞行有氧呼吸，生成能量以供生存。但有氧代謝是把雙刃劍，其過程中會產生大量活性氧類（reactive oxygen species，ROS），對細胞成分與基因造成氧化損傷。活性氧類為單態氧（singlet oxygen，1O2）、超氧陰離子（superoxide anion，O2•–）、過氧化氫（hydrogen peroxide，H2O2，即消毒用雙氧水主成分）及羥基自由基（hydroxyl radical，HO•）等具高氧化性的含氧基團或分子的統稱（圖一），許多人常誤以為所有自由基與活性氧類都是有害的，也常將兩者劃上等號，其實這是觀念上的混淆。自由基取決於反應對象，可以具有氧化（搶電子）或還原（給電子）的性質，正常生物體內代謝需要藉這些氧化還原反應調控細胞內許多訊息傳導反應。當然，過量的體內自由基與活性氧類會搶穩定分子（例如DNA）的電子，破壞其化學鍵造成氧化損傷，我們認為自由基「有害」的偏見即是源自於此。為了防止細胞內大分子被氧化，生物體發展出多種抗氧化系統，利用抗氧化物（antioxidant）與活性氧類或其他自由基反應，抗氧化物藉由自身被氧化而抑制或消除其他分子的氧化反應，以清除過多的體內自由基與活性氧類。生物體的抗氧化系統主要可分為兩大類：超氧化物岐化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化酶（peroxidase，POD）與過氧化氫酶（catalase，CAT）等酵素型抗氧化物，以及麩胺基硫（glutathione，GSH）、多酚類（polyphenol）、類胡蘿蔔素（carotenoids）與各種維生素等非酵素型抗氧化物。若生物體陷入自由基（常是指活性氧類）比例高於抗氧化物的失衡狀態，我們稱之為氧化壓力（oxidative stress，或譯氧化逆境）。
氧化壓力與人體健康
人體內的氧化壓力時刻都在變化，適量的自由基與活性氧類能幫助身體器官正常的運作，而不良的生活型態如熬夜、酗酒或抽菸等會使氧化壓力上升，一些低活性的自由基亦可能經連鎖反應生成更高活性的自由基。環境中到處都是游離的自由基，它們可在人體任何部位形成，亦可藉由呼吸或飲食被人體所攝入。當氧化傷害在人體內大量發生時，便會引起各種健康問題。目前已知過高的氧化壓力與阿茲海默症、帕金森氏症與癌症等疾病及人體老化息息相關。
細胞通常仰賴抗氧化酵素來將過多的活性氧類轉化為氧氣和過氧化氫，過氧化氫再經過氧化氫酶的催化轉為對細胞無毒的水與氧氣，利用這種抗氧化的連鎖反應來降低氧化壓力，保護細胞。非酵素類抗氧化物如尿酸（uric acid）是血漿中最重要的抗氧化物質。許多時候，這樣人體內建的抗氧化系統並不足以應付眾多的自由基與活性氧類，便須依靠飲食攝取其他抗氧化物。植物體含有許多人體無法自行合成的非酵素類抗氧化物，許多微量元素亦為體內某些抗氧化酵素的組成分，例如硒可增加麩胺基硫過氧化氫酶的活性，銅、鋅、錳則可促進超氧化物岐化酶的活性，強化其抗氧化能力。這些天然的抗氧化劑會提供自由基電子，減少其對體內細胞的氧化傷害，故多吃蔬果有助於消除體內自由基，達到提高人體免疫能力、預防疾病以及延緩老化的目的。活性氧類看似是有氧代謝的廢物，但少量的活性氧類在細胞訊息傳遞中亦擔任要角，某些情況下細胞亦可以毒攻毒，將之運用為抵抗外來病菌的武器，例如免疫系統的吞噬細胞在相關酵素的催化下，可產生超氧陰離子破壞入侵的病菌或是遭受感染的細胞，避免感染擴大。總而言之，自由基對人體健康有利有弊，我們也不可能將之從體內完全排除（這意味著許多生物反應無法發生，我們也甭活了），如何巧妙的平衡體內氧化壓力便是決定人體是否健康的關鍵。
植物抗氧化系統
除了人體，氧化壓力也存在其他生物體中——例如植物。與動物相同，植物的呼吸作用與許多細胞活動過程中亦會產生活性氧類，但其實葉綠體光合作用過程中所釋放出的大量活性氧類才是大麻煩。光照下，光能被葉綠體中的光系統接收並激發電子傳遞，這個過程中會產生大量超氧陰離子與過氧化氫（圖一），這些活性氧類會對胞器的膜造成破壞，需藉由葉綠體內的類胡蘿蔔素等抗氧化物消除過多的活性氧類。光照、高溫或輻射環境下，自由基很容易因分子共價鍵斷裂而形成。但植物不像動物能自由移動，一旦生活環境變得惡劣，就只能逆來順受到死為止。因此，植物體演化出許多獨特的抗氧化策略，以適應高溫強光等逆境。許多動物系統的酵素型與非酵素型抗氧化機制亦存在於植物體中，但除此之外，植物體亦能自行合成種類繁多的抗氧化物，例如深色蔬果常見的多酚類化合物（花青素、兒茶素等）與類胡蘿蔔素（茄紅素、葉黃素等），擁有更多的武器以減少自由基對植物細胞的氧化攻擊。抗氧化物的氧化態與還原態之間的比例可做為細胞調節活性氧類清除機制啟動與否的依據，當細胞內有較多的還原態抗氧化物，其清除有害自由基的效率較佳。抗氧化機制的效率會影響植物抵抗衰老及各種環境逆境的能力，植物也利用活性氧類進行生理調節，遭遇病蟲侵害時，大量活性氧類的釋放也能達到一定程度的殺菌效果，並誘導啟動植物體損傷與防禦機制。或許因為不能移動，植物才能演化出如此豐富多樣的抗氧化物，以對抗環境中無所不在的自由基，使細胞內分子不致於被過度氧化破壞。
氧氣的存在使地球上的生物能進行有氧呼吸，產生能量而得以生存，但生物同時也必須想辦法解決惱人的氧衍生物對細胞造成的傷害，對於所有生物來說，氧化或還原？這是一個值得考慮的問題。
參考資料
- Waszczak C, Carmody M, Kangasjarvi J (2018) Reactive Oxygen Species in Plant Signaling. Annu Rev Plant Biol 69: 209-236 Walker B
- Alfadda AA, Sallam RM (2012) Reactive oxygen species in health and disease. J Biomed Biotechnol 2012: 936486
獲得”財團法人國立自然科學博物館文教基金會科普寫作網路平台”審稿通過
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