美容---皮肤养生学

第二节 皮肤色泽问题发生机制

皮肤色泽问题一直是影响个人美观的一个重要因素，给人们的生理和心理产生了许多不良的影响，因此越来越引起化妆品科研工作者的关注，随着研究的深入，研究人员探究出一些皮肤色泽异常的发生机制。

一、非酶糖基化反应与皮肤色泽问题

1、非酶糖基化反应

生物体内非酶糖基化反应是指在无酶催化的条件下，还原性糖的醛基或酮基与蛋白质等大分子中的游离氨基反应，生成可逆或不可逆的高级糖基化终末产物（Advanced glycation end-products ，AGEs）的过程。

1912年法国化学家L.C.Maillard首次发现非酶糖基化反应（Nonenzymic glycation，NEG），此后大半个世纪NEG仅局限于食品科学和食品工艺的研究，自从1985年发现NEG的高级糖基化终末产物（AGEs）的受体，NEG逐渐受到老年学研究者的关注。近年来，NEG及AGEs研究不断深入，发现AGEs与衰老之间存在密切的联系。

非酶糖基化反应是一个缓慢的分步过程。首先，在生理条件下（包括温度、酸度等），葡萄糖能与多种氨基酸、多肽和蛋白质中的氨基发生反应，生成西佛碱（Schiff bases），西佛碱则可发生分子内重排而生成较为稳定的阿马多里（Amadori）重排产物，即早期糖基化产物。该产物进一步降解，如脱氨、水解则可产生Deoxyosone等不饱和醛酮类中间产物。这些中间产物不仅与脂肪氧化过程所产生的不饱和醛酮类中间产物结构上相似，而且其产生毒害反应的活性和最终产物也很相似，如它们与蛋白质和核酸中的氨基交联共轭，聚合重叠，结成千奇百状，褐变发黄的生物垃圾、荧光色素等物质。这些产物目前被笼统地称之为糖基化终末产物（AGEs），其中包括嘧啶、吡咯，也有吡嗪、咪唑以及它们与生物大分子的聚合物。

AGEs呈棕色，并能够发出荧光，有特殊的光谱特性。AGEs的形成过程是一个不可逆反应，随生物的增龄AGEs在体内不断积累，能使相邻的蛋白质、脂类、核酸等物质发生交联，不仅影响这些物质的结构，也可造成生物学功能的改变，成为临床上老年性疾病的病理基础之一。

2、非酶糖基化反应与“黄脸婆”

正常人体内AGEs的生成进行得非常缓慢，通常只发生于某些转换率很低的蛋白质，如基质蛋白，故各种基质结构中的AGEs水平随年龄增长而增加。蛋白质一旦被AGEs修饰，即丧失其生理功能，机体通过巨噬细胞等细胞表面AGEs受体的结合将AGEs降解、清除。

AGEs的主要分子结构类型有：吡咯醛、苯妥西定、羧甲基丝氨酸、咪唑酮以及一些交联产物。现已证明，在机体的不同组织中，如胶原、晶状体循环系统以及肾脏中，都有AGEs存在。体内各种蛋白，如血红蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等都可发生糖基化反应，导致复杂的功能变化。这些不同的蛋白质以多种形式形成糖基化产物，通过与特殊的AGEs受体作用或直接作用，进而介导多种病理反应。非酶糖基化反应形成的AGEs性质稳定，到目前为止，尚未发现能够使AGEs逆转的细胞系。

多数与非酶糖基化反应有关的生化变化，不管是结构上还是功能上的，都是由于各种生物分子，特别是蛋白质分子的普遍交联引起。有关非酶糖基化反应的研究表明：与老化有关的显著变化发生在不可更新的组织，如在老化过程中，人类的眼球晶状体的溶解性会慢慢降低，形成诸如早期为乳白色、晚期为黄褐色白内障之类的生色基团或荧光物质；在皮肤的真皮层中，还原糖和胶原蛋白、弹性蛋白等蛋白类物质发生非酶糖基化反应，造成真皮层中胶原蛋白、弹性蛋白的异常交联和变性，生成糖基化终末产物AGEs。由于AGEs发生褐变后形成棕黄色的生物垃圾，堆积在皮肤的真皮层，且由于机体需通过巨噬细胞等细胞表面AGEs受体与AGEs相结合才能将AGE降解、清除，因此AGEs代谢缓慢，过量的AGEs堆积就会造成皮肤色泽的改变，使得皮肤发黄，呈现出“黄脸婆”的衰老迹象。

二、羰基化合物与皮肤色泽问题

近年来，有关环境伤害导致衰老和老年退行性疾病的最新研究大多集中在自由基氧化（Free radical oxidation）和非酶糖基化（Nonenzymic glycation，NEG）的衰老研究领域。由于这两个与能量代谢相关的生物化学不良反应是环境伤害的罪魁祸首，在人体衰老过程中起到了决定性的作用，因此相关的研究正越来越成为衰老机制研究的热点和重点。20世纪90年代，当时的美国老年协会主席Yu教授高瞻远瞩地提议把自由基氧化——非酶糖基化（或美拉德，Maillard）反应结合成一套新的衰老理论：自由基——美拉德反应衰老学说（Free Radical--Maillard Reaction Theory of Aging）。因为这样将能形成这两种衰老学说在理论上的互补，从而解释许多目前还不能解决的衰老机制方面的问题。

1、自由基引起脂类过氧化所产生羰基化合物的生物毒性

根据自由基衰老理论，衰老及与之相关的退行性疾病主要是因氧自由基对染色体、线粒体、细胞膜和结缔组织等生物组织的毒害性攻击引起的。氧分子的单电子还原导致以下活性氧的产生：O₂→O₂ˉ·→H₂O₂→HO·→H₂O，氧自由基（如超氧化物阴离子O₂ˉ、羟自由基HO·等）对生物分子的毒害过程已经得到广泛地研究和证实，然而生物分子的逐步氧化过程（生物老化的内因）很少有人仔细分析研究。如果忽略各种生物成分之间的差别，可把基本生物分子的逐步氧化过程归纳为图3-2。

图3-2 生物分子逐步氧化的过程（R：不饱和或饱和烃基）

在图3-2中，羰基化合物（即含有醛、酮结构的生物分子）是活泼的中间产物，特别是那些能造成交联的α，β-不饱和醛，它们与诸如蛋白质、核苷酸之类的多种生物成分有反应的潜能。当一些辅助官能团与不饱和醛酮分子进一步共轭时，就被称之为多功能醛酮化合物。这里将含有两个或多个官能团的羰基化合物定义为Di,multi-functional carbonyls（DMCs），DMCs包括2-酮醛、羟烯醛、烯醛、二烯醛、三烯醛、邻酮醛糖等生化组分，它们几乎都能与细胞内外所有的重要生物成分反应并产生毒害，在DMCs中马龙二醛、4-羟基壬烯醛就是重点深入研究过的两例。通过对脂类过氧化物的研究，大量关于它们的生化起源、形成机制、反应活性及生物毒性的证据已经获得。

根据食品科学家早期的研究工作，脂过氧化是自由基生化过程中研究最深入和理解最深刻的与能量代谢相关的生物损伤过程。在氧自由基和某些过渡金属复合物的作用下，不饱和脂肪酸的氢抽提是脂过氧化作用的起始过程，由此形成的氢抽提产物在分子氧的参与下形成脂过氧化物，脂过氧化物降解就导致了各种不饱和羰基化合物的形成。一系列目前已确认的不饱和脂肪酸自动氧化产生的DMCs有：2-丁烯醛、2-戊烯醛、2-己烯醛、2-辛烯醛、2-壬烯醛、2-癸烯醛、2-十一烯醛、2，4-庚二烯醛、2，4-辛二烯醛、2，4-壬二烯醛、2，4-癸二烯醛、2，4，7-癸三烯醛、2-酮基己醛、2-酮基庚醛、2-酮基壬醛、4-羟基-2-己烯醛、4-羟基-2-辛烯醛、4-羟基-2-壬烯醛、4-过氧-2-壬烯醛。

DMCs反应活性很强，它们即使在中性和室温条件下，也能自发与许多重要生物基因（如氨基、巯基）反应；其中羰基与氨基的可逆反应的典型产物是西佛碱（Schiff bases），从而可以进一步诱导不可逆产物的形成或交联反应的进行。Napetschnig等曾经证明：在适当条件下，4-羟基壬烯醛几乎能与所有的氨基酸反应。同时，4-羟基壬烯醛与蛋白质和核苷酸中氨基的反应也得到了证明。Esterbauer等发现谷胱甘肽和半胱氨酸在中性溶液中极易与4-羟基壬烯醛反应，生成含五元环的半缩醛。尽管将醛基束缚到蛋白质巯基的硫醚交联是可能的，但由于羰-巯反应是可逆反应，在有过多低分子量的巯基（如：谷胱甘肽、半胱氨酸）存在时，羰基化合物就可以从蛋白质上被除去。

脂质过氧化过程中产生的羰基化合物主要为：二醛（如丙二醛）、酮醛、以及α,β-不饱和醛（如4-羟基壬烯醛）、丙烯醛等。这些醛类诱导蛋白质羰基化修饰的主要机制虽然都是羰-氨交联，但具体过程又略有不同，二醛是直接通过与一分子蛋白质的两个初级氨基酸残基或两分子蛋白质的初级氨基酸残基发生羰-氨交联；而α,β-不饱和醛则是先在其C=C双键位置与半胱氨酸残基的巯基、或赖氨酸残基的氨基、或组氨酸残基的咪唑基发生迈克尔加成反应，再与一分子初级氨基酸残基发生羰-氨交联。虽然它们的反应过程有一些差别，但结果都是导致蛋白质的羰基化修饰，以及进一步的交联和老年色素类物质的形成。

2、美拉德反应与相关的羰基化合物

食品科学家研究过的另一类反应——美拉德反应，更确切地说应是非酶糖基化反应，也能产生DMCs。糖基化反应的显著特征是：它是还原糖与氨基之间的反应、它不依赖于脂类和氧。该反应能可逆地生成西佛碱，西佛碱则可发生重排而生成较为稳定的阿马多里（Amadori）重排产物。由于葡萄糖是体内能量代谢的核心碳水化合物，且其浓度在糖尿病患者体内会比正常人群增高，进而造成加速衰老的病变，多数与糖基化反应相关的生物医学研究集中在葡萄糖造成的美拉德反应。美拉德反应过程中产生的羰基化合物主要为：乙二醛、甲基乙二醛、酮胺、酮醛和脱氧邻酮醛糖，它们同样可以与蛋白质的初级氨基酸残基（如赖氨酸残基）发生生化副反应，导致其羰基化修饰和交联，最终形成老年色素类物质。

值得提出的是，氧自由基对脂质和蛋白质的氧化伤害导致DMCs等不饱和醛酮形成的过程是需氧的过程，而美拉德反应导致黄绿色荧光糖基化终产物形成的过程原则上是不需氧的。在美拉德反应中，无论是西佛碱的形成，还是阿马多里重排反应都是不需氧的，尽管氧自由基和过渡金属能大大促进阿马多里产物的进一步降解，但没有氧自由基和过渡金属存在时，它也能够通过脱氨、脱氢或分裂降解生成DMCs。如果说反应底物的不同是自由基氧化和美拉德反应的第一个明显区别的话，需氧则是氧化应激机制区别于美拉德反应机制的第二个也是决定性的一个差别。由于DMCs的形成可以不依赖氧化损伤，所以即使所有的自由基攻击都能被抗氧化系统所阻止，DMCs仍能通过美拉德反应来形成，而DMCs一旦形成，它就能进一步与多种生物分子反应，这些反应既不依赖氧也不依赖还原糖，它服从于热力学第二定律，即熵增定律，这就使它在适当的条件下几乎能与所有生物分子交联和聚合。蛋白质代谢和核酸的修复系统尽管效率很高，但却不能有效地代谢和修复在不分裂细胞和细胞间质等生物结构中随增龄蓄积的大部分稳定交联产物。

3、羰基毒害是老年色素形成中的一个重要过程

DMCs是脂过氧化反应和美拉德反应的副产物，羰基和各种生物分子的进一步反应就诱导了多聚或交联的脂褐质样色素或荧光物质的形成。有趣的是，如果比较这几个不同领域的研究资料会发现：自由基和美拉德反应的科学家们所使用的都是荧光测定法去测蓝绿色荧光“垃圾”产物，然而，自由基科学家们称那种荧光物质为脂褐质样老年色素，美拉德反应科学家们称之为糖基化终产物。尽管这些荧光物质起源于不同的生物分子，但它们的组成机制却是同一类型，如它们的形成都是与羰基有关的交联或聚合反应。蛋白氮通常在交联反应中起很重要的作用，其产物都服从于热力学第二定律形成最稳定的形式——共轭或成环。这种含氮、共轭、环状的分子结构使这些化合物具有了颜色，含蛋白氮的物质反应后通常发生褐变，其中很大一部分会在特定光源的激发下辐射出一定颜色的荧光。褐变是生物材料在储存过程中出现的一个普遍现象，它甚至在低于摄氏零度时也能发生，并随温度的升高或暴露在空气中而加快，这就是食品保存中有名的美拉德褐变反应，它与人类及动物的老年色素的形成有密切的联系。一个更令人信服的证据是：Eldred和Lasky发现人类视网膜色素上皮细胞中的老年色素的实质性组分是由视黄醛与膜脂的磷脂酰乙醇胺反应衍生而来的N-亚视黄基-N-视黄基乙醇胺。此外，Stadman等人已证明：蛋白质中羰基的含量与衰老过程中蛋白质的氧化修饰、酶的失活（如谷氨酰氨合成酶）及蛋白质老化密切相关。因此羰基毒化是老年色素形成的一个主要原因，蛋白羰基在体内的相对含量也可以被认为是衰老的一个重要标志。

4、自由基——美拉德反应与老年色素

综上所述，自由基氧化和非酶糖基化反应都产生了羰基化合物，羰基化合物和生物体内的大分子物质交联，并通过一系列的反应和转化最终生成褐色的老年色素，过程如图3-3所示：

图3-3 自由基——美拉德反应与老年色素

如前所述，眼球晶体白内障的形成、胶原蛋白的交联、终末分化细胞中脂褐质的累积，都是衰老进程中的显著现象，而所有这些现象又都与DMCs诱导的生物分子的交联和聚合有关，又考虑到氧化和糖基化应激及食物羰基都是DMCs的来源，它们都可认为是羰基毒害重要的起因过程。

5、羰基应激衰老机理与老年色素

生物体内存在诸多活泼的毒性羰基化合物（Reactive Carbonyl Compounds RCO），体内RCO大量增生的状态称为“羰基应激”。多不饱和毒性羰基类物质RCO是氧化应激和美拉德反应的共同中间产物，这些活泼的羰基化合物往往导致羰-氨反应，使蛋白质发生分子内或分子间的交联而影响其正常的结构和功能。在正常生理条件下，,RCS在生物体内的产生和清除是一个动态平衡，,它们在体内履行着重要的生理功能；;而伴随机体的衰老过程，,体内RCS防御系统的功能会逐渐减弱，,在应激和疾病状态，RCS的产生会大大超出机体的清除能力，,此时，,RCS产生和清除的平衡被打破，,就会出现所谓的“羰基应激”。所以，羰基应激是指生物体系中RCS的产生超过了机体的清除能力，从而导致蛋白质等生物大分子的羰基化修饰，使生物大分子发生结构改变和功能丧失，导致细胞和组织功能紊乱，最终出现机体病理生理改变和加速衰老过程。羰基应激衰老学说将衰老分子生化过程的主要原理归结如下：

 （1）老年色素的形成过程中，羰-氨交联反应是生物体内典型的和最重要的老化过程。这一过程在溶酶体中进行的结果为脂褐素的逐渐聚积。这个过程在体内的其它组织内也时刻都在进行，累月经年，造成结构蛋白的交联和功能蛋白的损伤。最典型的为胶原蛋白的老化造成的血管硬化和组织交联老化，这是一个健康老人也无法逃避的老化现象。

（2）老年色素的形成过程包括自由基氧化和美拉德反应两大生化副反应的主要内容，自由基和氧化造成的早期伤害大部分容易被生物体辨认、吞噬、降解、去弃或修复，而羰-氨反应产生的后果，尤其是组织结构的老化往往修复艰难，不易逆转，随年聚积，终生为患。

（3）动物体对羰-氨应激的老化伤害有多种防御，如抗氧自由基和抗氧化体系防止不饱和羰基化合物产生；对羰基化合物以硫醇化合物还原共轭清理和游离氨基酸直接清除排泄；羰基降解酶类（如醛氧化酶、谷胱甘肽转移酶等）对羰基化合物的清理；对羰基化合物的受体识别、吞噬清理、可逆还原和部分剪切修复。

（4）因此，动物和人类体内不饱和羰基化合物含量是一个制造和清理之间的动态平衡，而羰-氨毒化反应(包括氧化应激和羰基应激)的产生与清理也是一个动态平衡。当生物组织在应激过程中“”垃圾””产物的制造与清理的平衡被打破时，则出现不可修复的交联积累，即生理性衰老的漫漫历程。

（5）抗氧化及抗羰基毒化的防御体系、修复更新体系、细胞增殖体系的基因，共同组成了一个与寿命和衰老相关的网络，其生态和运作因物而异，因人而异，因遗传性状而异，也可因环境变化而异。影响这些系统的基因往往影响动物的寿命，即所谓的“寿命基因”。

从羰基化对蛋白质结构和功能的影响来看，羰基化的作用也许随有机体的年龄的改变而改变。在生命早期活泼的毒性羰基化合物在生物体内的产生和清除是一个动态平衡，蛋白质羰基化在蛋白质的质量控制过程中具有重要作用，它通过标记异常的、损伤的蛋白质或闲置的酶，从而启动它们的降解。而在生命晚期，伴随机体对羰基化蛋白质的降解能力的减弱和羰基化蛋白质的生成速率的加快，羰基化蛋白质对蛋白质、细胞乃至机体的危害和消极影响开始暴露出来，从而导致蛋白质和细胞功能的降低和丧失，加速老年色素的累积，启动或促进老年退行性疾病的生理病理过程，最终加快衰老的进程。

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