葉綠體產(chǎn)生活性氧的研究進(jìn)展

葉綠體產(chǎn)生活性氧的研究進(jìn)展

葉綠體不僅是植物活動(dòng)的重要場(chǎng)所，也是植物活動(dòng)的主要來(lái)源。類囊體產(chǎn)生的H2O2是經(jīng)O-2的光化學(xué)還原作用產(chǎn)生的,正常生理代謝下,H2O2和O-2不會(huì)在植物積累,超氧化物歧化酶(SOD)和抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)對(duì)其轉(zhuǎn)化和清除。在光系統(tǒng)PSII,葉綠素反應(yīng)中心3P680*和O2產(chǎn)生單線氧(1O2),內(nèi)源的抗氧化物質(zhì)對(duì)1O2的產(chǎn)生有抑制或者清除作用。葉綠體作為活性氧產(chǎn)生的主要來(lái)源,內(nèi)部的抗氧化系統(tǒng)可保持活性氧產(chǎn)生和消滅的平衡,不會(huì)影響細(xì)胞的正常生理功能。但在脅迫條件下或細(xì)胞衰老過(guò)程中,活性氧在短時(shí)間內(nèi)的大量激增常常超出了內(nèi)源清除系統(tǒng)的解毒能力,造成對(duì)生物體的傷害。因此葉綠體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和相關(guān)保護(hù)物質(zhì)的變化是理解植物生理代謝不可缺少的部分。1mda的生成Mehler首先發(fā)現(xiàn)葉綠體內(nèi)O2被光解為過(guò)氧化氫(H2O2),隨后證實(shí)O2最初在PSI被還原為超氧陰離子(O-2),H2O2是O-2經(jīng)SOD歧化作用的產(chǎn)物(見(jiàn)圖1),具體反應(yīng)過(guò)程如下。PSII中H2O裂解產(chǎn)生的電子(程式1),電子傳到PSI,電子受體NADP+不足時(shí),在PSI的還原側(cè)O2接收電子被還原成O-2(程式2)。O-2在內(nèi)源SOD的作用產(chǎn)生H2O2(程式3)。葉綠體中不含有分解H2O2的過(guò)氧化氫酶,但抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)能催化H2O2與抗壞血酸(AsA)反應(yīng)生成H2O和單脫氫抗壞血酸(MDA)(程式4)。MDA可以通過(guò)還原型的鐵氧還蛋白(redFd)還原為抗壞血酸(ASA)(程式5),也可以通過(guò)MDA還原酶(MDAR)催化下通過(guò)NAD(P)H還原MDA為ASA(程式6),類囊體腔中產(chǎn)生的MDA不能被redFd或NAD(P)H還原,它可自發(fā)歧化生成脫氫抗壞血酸(DHA)和AsA(程式7)。由DHA還原酶(DHAR)催化DHA和還原型谷胱甘肽(GSH)的還原為ASA(程式8)和谷胱甘肽還原酶(GR)催化下GSH的再生(程式9)。因還原MDA產(chǎn)生的Fd和NADP+同時(shí)在PSI被還原為redFd和NADPH(程式10),以上的反映可稱作水-水循環(huán)(程式11)。2H2O→4e-+O2+4H+(PSII)(1)2O2+2e-→2O-2(PSI)(2)2O-2+2H+→H2O2+O2(SOD)(3)H2O2+2ASA→2H2O+2MDA(APX)(4)2MDA+2redFd→2AsA+2Fd(5)2MDA+NAD(P)H→2AsA+NAD(P)+(MDAR)(6)2MDA→2AsA+DHA,(7)DHA+2GSH→AsA+GSSG(DHAR)(8)GSSG+NADPH→2GSH+NADP+(GR)(9)2Fd或NADP++2e-→2redFd或NADPH(PSI)(10)總的反應(yīng)式:2H2O+O-2→O2+2H2O(11)2酶反應(yīng)中的酶1基質(zhì)類氧自由基SOD根據(jù)所含金屬輔基不同,分為Cu-SOD、Zn-SOD、Fe-SOD和Mn-SOD4類,只有Zn-SOD、Fe-SOD和Cu-SOD存在于葉綠體中。超過(guò)一半的Cu、Zn-SOD存在于基質(zhì)類囊體中,PSI也存在于基質(zhì)類囊體中。由于O-2產(chǎn)生在PSI端,因此SOD可以說(shuō)是活性氧清除的第一道防線(程式3),當(dāng)然位于PSI附近的tAPX(程式4)和位于依賴于Fd的MDA還原(程式5)在清除O-2的產(chǎn)物H2O2具有重要的作用。存在于細(xì)胞質(zhì)的其它酶類形成清除活性氧的第二道防線。在厭氧細(xì)菌中,發(fā)現(xiàn)一些還原態(tài)鐵硫蛋白(如紅素氧化還原蛋白)可以還原O2-為水,但是在葉綠體中并未發(fā)現(xiàn)類似的蛋白。2紅藻異構(gòu)體的構(gòu)建葉綠體APX可以分為類囊體APX(tAPX)和存在于基質(zhì)的APX。tAPX結(jié)合在PSI的附近,主要用于清除H2O2(程式4)。除了擬南芥,單基因編碼tAPX和位于基質(zhì)的APX,通過(guò)選擇性剪接所產(chǎn)生異構(gòu)體。APX是類似于細(xì)胞色素c過(guò)氧化物酶的(CcP)的I類過(guò)氧化物酶,而不同于辣根過(guò)氧化物酶屬于III類。盡管CcP和APX同屬于一類,而CcP相對(duì)穩(wěn)定,APX在缺乏AsA時(shí)不穩(wěn)定,而且胞質(zhì)APX也比葉綠體APX穩(wěn)定。但是相反,從紅藻獲得的APX比植物APX穩(wěn)定。另外,巰基修飾試劑可以抑制APX,半胱氨酸殘基也參與的抗壞血酸和血紅素結(jié)合。3硫氧還蛋白和prx對(duì)h2的去除缺乏抗壞血酸的原核生物以及藍(lán)細(xì)菌通過(guò)硫氧還蛋白和氧還原蛋白過(guò)氧化物酶(Prx)來(lái)清除H2O2。硫氧還蛋白和Prx存在于植物的葉綠體,但是現(xiàn)在還不清楚在什么條件下他們可以替代APX在水-水循環(huán)中清除H2O2。但證實(shí)Prx與PSII的復(fù)合物存在一定的聯(lián)系。4出現(xiàn)選擇抑制劑不適宜的酶除了MDA,MDA還原酶還可以還原苯氧自由基。因此這種酶也參加抗氧化劑的再生。在擬南芥中,MDA還原酶,基質(zhì)APX活性和谷胱甘肽還原酶基因產(chǎn)物同時(shí)參與葉綠體和線粒體活性氧的清除。5psiii膜氫酶葉綠體基質(zhì)中,過(guò)氧化氫酶并沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),然而血紅素過(guò)氧化氫酶存在于PSII膜。血紅素過(guò)氧化氫酶并沒(méi)有直接參與到水-水循環(huán)中,但是當(dāng)水-水循環(huán)不能有效的運(yùn)行,導(dǎo)致H2O2擴(kuò)散到葉綠體腔內(nèi),該過(guò)氧化氫酶起到保護(hù)腔內(nèi)氧化還原平衡。6黃素蛋白A型黃素蛋白被證實(shí)參與集胞藻PCC6803中O2的光還原,在它的催化下,NAD(P)H提供電子還原O2為H2O,但不產(chǎn)生ROS。3光還原系統(tǒng)psi植物葉綠體產(chǎn)生H2O2得不到及時(shí)的清除,H2O2在Fe2+或Cu2+作用下,通過(guò)Fenton反應(yīng)或Haber-Weiss反應(yīng)產(chǎn)生·OH。在PSI的還原側(cè),H2O2也能與光還原的[4Fe24S]簇相互作用產(chǎn)生·OH。·OH對(duì)葉綠體的膜系統(tǒng)破壞強(qiáng),使膜脂過(guò)氧化和破壞其它生物大分子,細(xì)胞代謝功能紊亂,細(xì)胞損害甚至死亡,其中·OH在特殊部位能夠斷裂Rubisco,也能使谷氨酸合酶鈍化。但植物體內(nèi)一些較大分子化合物(如植酸和鐵蛋白)與Fe2+或Fe3+形成復(fù)合物,可阻止Haber-Weiss反應(yīng)產(chǎn)生·OH?？梢?jiàn)光系統(tǒng)中產(chǎn)生的O-2是最基本的活性氧。4葉綠素生物合成及其功能葉綠素吸收過(guò)量光能,受激發(fā)形成三線態(tài)葉綠素(3P680),3P680與O2反應(yīng)產(chǎn)生1O2,即3O2+3P680*→1O2+1P680(見(jiàn)圖1)。1O2的活性極高,但壽命很短,1O2破壞構(gòu)成光合元件的蛋白、色素和脂類。在葉綠體內(nèi)清除1O2有關(guān)的物質(zhì)有類胡蘿卜素,類胡蘿卜素可以通過(guò)葉黃素循環(huán)以熱耗散的方式使葉綠素從激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)變到基態(tài)。另外,生育酚被1O2氧化生成生育酚醌,生育酚起到清除1O2的作用,但生育酚如何被再生還不清楚。植物可通過(guò)光捕獲機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)來(lái)減少3P680的產(chǎn)生以起到降低1O2的作用。在葉組織中,葉綠體中光生的1O2可以運(yùn)用熒光或自旋探針DanePy檢測(cè),往往強(qiáng)光或紫外光誘發(fā)的PSII光抑制會(huì)導(dǎo)致1O2的產(chǎn)生增加。當(dāng)然由于環(huán)境脅迫引起的CO2的同化率降低也會(huì)增加1O2的產(chǎn)生。葉綠素生物合成和分解代謝的中間體可產(chǎn)生1O2。研究發(fā)現(xiàn),在暗適應(yīng)后,代謝酶的不足和脫鎂葉綠酸積累突變體對(duì)光敏感,也發(fā)現(xiàn)葉綠素生物合成的中間體和Protochlorophillide的突變體也對(duì)光敏感。1O2具有一定的信號(hào)作用,葉綠體非理化損傷產(chǎn)生的1O2會(huì)誘發(fā)細(xì)胞的死亡和一些基因的表達(dá);1O2和三線葉綠素對(duì)黃化質(zhì)體向葉綠體的轉(zhuǎn)換具有積極的作用。由1O2和O-2誘發(fā)的煙草葉片失綠會(huì)被首先在動(dòng)物體發(fā)現(xiàn)的Bcl蛋白和CED-9阻止。5其他清除酶系統(tǒng)一些外源性物質(zhì)可以用來(lái)清除活性氧,主要有氯化二亞苯基碘鎓(DPI)、1,2-二羥基-苯-3,5-二磺酸(Tiron)和二甲基硫脲(DMTU)。其中DPI主要抑制NAD(P)H氧化酶的活性(即O-2合成酶),Tiron是O-2的清除劑,DMTU是H2O2的捕獲劑。另外,除草劑百草枯(Paraquat)可以產(chǎn)生O-2,其分解產(chǎn)物是H2O2。總之,水-水循環(huán)中O2光還原生成O-2,在SOD作用下,O-2迅速轉(zhuǎn)化成H