碩植物的氧代謝PPT課件

1、第1頁/共62頁 活性氧的產(chǎn)生活性氧的產(chǎn)生 2011-10-27 在植物體內(nèi)，由于各種復(fù)雜酶類及電子載體的存在，可以使分子在植物體內(nèi)，由于各種復(fù)雜酶類及電子載體的存在，可以使分子氧不受電子自旋限制，進(jìn)行單價、氧不受電子自旋限制，進(jìn)行單價、雙價、三價的還原，如：雙價、三價的還原，如：O2+e-O2.- O2+2e+2H+-H2O2 O2+3e+3H+-H2O+.OH活性氧性質(zhì)活潑活性氧性質(zhì)活潑,既可以植物強(qiáng)氧化劑既可以植物強(qiáng)氧化劑,又可以作為還原劑參與許多生又可以作為還原劑參與許多生化過程化過程,例例:2O2.-+2H+-O2+H2O2 第2頁/共62頁二、植物體活性氧的產(chǎn)生的途徑與部位二、植物

2、體活性氧的產(chǎn)生的途徑與部位物質(zhì)氧化物質(zhì)氧化：酶所催化的反應(yīng)，如胞壁木質(zhì)：酶所催化的反應(yīng)，如胞壁木質(zhì) 化及解體過程?；敖怏w過程。例：脂質(zhì)的自動氧化例：脂質(zhì)的自動氧化 嘌呤的分解代謝嘌呤的分解代謝電子傳遞鏈電子傳遞鏈：1 1、葉綠體、葉綠體( (思考思考: :什么情況下什么情況下O2.- 增加增加?)?) 2 2、線粒體、線粒體 第3頁/共62頁葉綠體葉綠體O O2 2.-.-的產(chǎn)生的途徑與部位的產(chǎn)生的途徑與部位O2O2C3循環(huán)O2.-O2.-O2.-CBA第4頁/共62頁葉綠體活性氧的產(chǎn)生的途徑與部位葉綠體活性氧的產(chǎn)生的途徑與部位 通常以途徑C為主,但當(dāng)NADP+受到限制,過多能量經(jīng)還原O2產(chǎn)

3、生自由基而消耗（電子傳遞出現(xiàn)短路）,此時A、B途徑比例增加。1 1O O2 2的產(chǎn)生的產(chǎn)生 Chl Chl 1 1Chl Chl 3 3Chl OChl O2 2 1 1O O2 2 RH RH . .R Rhh第5頁/共62頁線粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位線粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位 電子漏：呼吸鏈電子傳遞過程中部分電子在途中發(fā)生泄露，并使O2以單價形式還原成O2.-的現(xiàn)象。O2O2O2.-O2.-AB第6頁/共62頁線粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位線粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位呼吸鏈呼吸鏈O O2 2.-.-的產(chǎn)生主要兩個部位，一般部位的產(chǎn)生主要兩個部位，一般部位BA.BA.電子漏電子漏：呼吸鏈電

4、子傳遞過程中部分電子在途：呼吸鏈電子傳遞過程中部分電子在途中發(fā)生泄露，并使中發(fā)生泄露，并使O O2 2以單價形式還原成以單價形式還原成O O2 2.-.-的的現(xiàn)象。現(xiàn)象。電子漏減少了電子漏減少了? ?的產(chǎn)生的產(chǎn)生. .ATPATP第7頁/共62頁三、體內(nèi)活性氧的轉(zhuǎn)化三、體內(nèi)活性氧的轉(zhuǎn)化植物體內(nèi)的氧自由基可進(jìn)行多價還原直接形成植物體內(nèi)的氧自由基可進(jìn)行多價還原直接形成O2. -，.OH，H2O2等，也可以在體內(nèi)相互轉(zhuǎn)化。也可以在體內(nèi)相互轉(zhuǎn)化。FentonFenton（18941894）反應(yīng)）反應(yīng)FeFe2+ + + H2O2 Fe Fe3+ + .OH+ OH-Haber-WeissHaber-W

5、eiss（19341934）反應(yīng)）反應(yīng)O2.- + + H2O2 O2 + + .OH+ OH-通過上述反應(yīng)生成比通過上述反應(yīng)生成比O2.-氧化能力更強(qiáng)的氧化能力更強(qiáng)的.OH，正常正常情況下，不易發(fā)生情況下，不易發(fā)生FentonFenton反應(yīng)，但當(dāng)體內(nèi)反應(yīng)，但當(dāng)體內(nèi)O2.-濃度增濃度增大或其他刺激因素存在時，會促進(jìn)大或其他刺激因素存在時，會促進(jìn).OH的產(chǎn)生的產(chǎn)生。如：如：FeFe3+ + + O2.- O2+ Fe+ Fe2+ Fe Fe3+ + AH+ AH2 .AH+H .AH+H+ Fe+ Fe2+第8頁/共62頁 . .OHOH是化學(xué)性質(zhì)最活潑的活性氧，其作用特點是無是化學(xué)性質(zhì)最活潑

6、的活性氧，其作用特點是無專一性，幾乎與生物體內(nèi)所有物質(zhì)反應(yīng)，且反應(yīng)快，專一性，幾乎與生物體內(nèi)所有物質(zhì)反應(yīng)，且反應(yīng)快，使非自由基成為自由基，反應(yīng)類型有氫抽提、加成使非自由基成為自由基，反應(yīng)類型有氫抽提、加成與電子轉(zhuǎn)移。與電子轉(zhuǎn)移。 第9頁/共62頁第二節(jié) 活性氧對植物的傷害 衰老的自由基學(xué)說認(rèn)為，衰老是氧傷害積累的結(jié)果，在衰老的自由基學(xué)說認(rèn)為，衰老是氧傷害積累的結(jié)果，在正常情況下，植物生命過程潛伏氧傷害的累積，達(dá)一定程度正常情況下，植物生命過程潛伏氧傷害的累積，達(dá)一定程度即導(dǎo)致衰老死亡。逆境會加速活性氧的產(chǎn)生和積累，加速衰即導(dǎo)致衰老死亡。逆境會加速活性氧的產(chǎn)生和積累，加速衰老。老。一、高濃度氧對

7、幼苗生長的毒害一、高濃度氧對幼苗生長的毒害例例1 1：氧濃度：氧濃度： 對照（空氣）對照（空氣） 40% 60% 80%40% 60% 80%水稻幼苗生長量水稻幼苗生長量 100% 83% 66% 25%100% 83% 66% 25%例例2 2：吸漲水稻種子培養(yǎng)于：吸漲水稻種子培養(yǎng)于O2O2中，中， 前前3 3天：緩慢生長出胚根、胚芽天：緩慢生長出胚根、胚芽 可恢復(fù)可恢復(fù) 第第5 5天：根變褐，芽軟化天：根變褐，芽軟化 不可恢復(fù)不可恢復(fù) 第第7 7天：凋萎死亡天：凋萎死亡 傷害作用不是傷害作用不是O2O2直接引起，而是直接引起，而是O2.-引起。引起。 第10頁/共62頁第二節(jié)第二節(jié) 活性氧

8、對植物的傷害活性氧對植物的傷害例例3 3：百草枯（除草劑，：百草枯（除草劑， O O2 2.-.-源）處理花生胚軸生長情況。源）處理花生胚軸生長情況。 百草枯百草枯 抑制抑制 百草枯百草枯+SOD+SOD抑制劑抑制劑DDC DDC 加重抑制加重抑制 百草枯百草枯+ O+ O2 2.-.-清除劑清除劑 減輕抑制減輕抑制 DDC:二乙基二硫代氨基甲酸鈉 第11頁/共62頁第二節(jié)第二節(jié) 活性氧對植物的傷害活性氧對植物的傷害二、氧自由基對細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的傷害二、氧自由基對細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的傷害主要部位：葉綠體、線粒體主要部位：葉綠體、線粒體 高氧環(huán)境高氧環(huán)境1 1、葉綠體、葉綠體 葉綠素降解，葉綠體發(fā)育

9、受抑，結(jié)構(gòu)破壞，光合能葉綠素降解，葉綠體發(fā)育受抑，結(jié)構(gòu)破壞，光合能力下降。力下降。2 2、線粒體、線粒體 線粒體腫脹，嵴破壞，線粒體腫脹，嵴破壞，P/OP/O比下降。比下降。第12頁/共62頁三、三、 活性氧啟動膜脂過氧化作用活性氧啟動膜脂過氧化作用 1 1、膜脂過氧化的自由基、膜脂過氧化的自由基鏈鏈?zhǔn)椒磻?yīng)式反應(yīng) R R. . . . .RHRHH HOOHOOHO-OO-OO-OO-O. .O OO OO O2 2H HH+H+.OH是啟動此反應(yīng)的直接因子是啟動此反應(yīng)的直接因子, ,而而O2.- 和和H2O2可以通過可以通過FentonFenton和和Haber-WeissHaber-Wei

10、ss反應(yīng)轉(zhuǎn)化成反應(yīng)轉(zhuǎn)化成. .OHOH而誘發(fā)膜脂過氧化而誘發(fā)膜脂過氧化. . 第13頁/共62頁三、三、 活性氧啟動膜脂過氧化作用活性氧啟動膜脂過氧化作用2、膜流動性 液晶態(tài) 凝膠態(tài) 相變溫度提高 流動性下降3、產(chǎn)物毒性 MDA等直接引起細(xì)胞毒害，攻擊蛋白質(zhì)分子的氨基、游離氨基酸、核酸，使之發(fā)生交聯(lián)、凝聚，變性，如形成脂褐色素（人體老年斑）。第14頁/共62頁四、四、 氧自由基對生物大分子的損傷氧自由基對生物大分子的損傷1 1、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì) 氨基酸側(cè)基的修飾氨基酸側(cè)基的修飾; ;肽鍵斷裂肽鍵斷裂; ;蛋白質(zhì)交聯(lián)蛋白質(zhì)交聯(lián); ;高級結(jié)構(gòu)高級結(jié)構(gòu)的破壞等的破壞等. .2 2、酶活性、酶活性（1

11、1）使酶分子發(fā)生交聯(lián)聚合；）使酶分子發(fā)生交聯(lián)聚合；（2 2）攻擊巰基；）攻擊巰基；（3 3）修飾酶的不飽和性氨基酸；）修飾酶的不飽和性氨基酸；（4 4）氧自由基與酶分子的金屬離子起反應(yīng)）氧自由基與酶分子的金屬離子起反應(yīng)例：例： H2O2使使CuZn-SODCuZn-SOD的的CuCu2+2+還原成還原成CuCu+ +, ,使酶失活。使酶失活。第15頁/共62頁四、四、 氧自由基對生物大分子的損傷氧自由基對生物大分子的損傷3 3、DNADNA 剪切、降解、修飾。堿基修飾和單雙鏈的斷裂。剪切、降解、修飾。堿基修飾和單雙鏈的斷裂。降解產(chǎn)物可發(fā)生降解產(chǎn)物可發(fā)生TBATBA顯色反應(yīng)。顯色反應(yīng)。思考思考:

12、 :為何加為何加FeFe2+ 可以加劇可以加劇DNADNA的降解的降解? ?第16頁/共62頁 第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)一、酶系統(tǒng)一、酶系統(tǒng)第17頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng) 一、酶類一、酶類 1 1、SODSOD 氧代謝的關(guān)鍵酶氧代謝的關(guān)鍵酶, 1938, 1938年年MannMann和和KeitinKeitin在進(jìn)行牛血紅細(xì)胞分在進(jìn)行牛血紅細(xì)胞分級分離時發(fā)現(xiàn)的級分離時發(fā)現(xiàn)的, ,為淡藍(lán)色含銅蛋白為淡藍(lán)色含銅蛋白.1969.1969年和年和FriidovichFriidovich弄清了它催化發(fā)生歧化反應(yīng)的性質(zhì)弄清了它催化發(fā)生歧化反應(yīng)的性質(zhì), ,正式將其命名為超正

13、式將其命名為超氧化物歧化酶。氧化物歧化酶。 O2.-+2H+ O2+H2O2 對熱、酸、堿的穩(wěn)定性是目前酶類中最好的一種，能抑制腎上腺素、對熱、酸、堿的穩(wěn)定性是目前酶類中最好的一種，能抑制腎上腺素、鄰苯二酚的自動氧化和氮藍(lán)四唑的光下還原。鄰苯二酚的自動氧化和氮藍(lán)四唑的光下還原。分布，類型：分布，類型：CuZn-SODCuZn-SOD：胞質(zhì)，：胞質(zhì)，葉綠體葉綠體。（。（3 3種種SODSOD中含量最豐富，中含量最豐富，H H2 2O O2 2可使可使Cu/Zn-SOD Cu/Zn-SOD 失活）失活） Mn-SODMn-SOD：線粒體，細(xì)菌等原核生物：線粒體，細(xì)菌等原核生物Fe-SODFe-SO

14、D：葉綠體，細(xì)菌等原核生物：葉綠體，細(xì)菌等原核生物第18頁/共62頁第19頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng)1 1、SODSOD 誘導(dǎo)酶，在脅迫條件下基因轉(zhuǎn)錄水平大幅誘導(dǎo)酶，在脅迫條件下基因轉(zhuǎn)錄水平大幅提高，酶活性增加。常用抑制劑為提高，酶活性增加。常用抑制劑為DDCDDC（CuCu的螯合的螯合劑）。劑）。SODSOD與衰老與衰老SODSOD與抗性與抗性基因工程進(jìn)展：基因工程進(jìn)展： 幾種已從植物中得到克隆并用來幾種已從植物中得到克隆并用來轉(zhuǎn)化不同的植物轉(zhuǎn)化不同的植物, ,最終獲得活性增強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因最終獲得活性增強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因植株。植株。第20頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的

15、清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng)基因工程：基因工程： 在轉(zhuǎn)基因煙草、苜蓿、土豆和棉花中在轉(zhuǎn)基因煙草、苜蓿、土豆和棉花中, ,葉綠體葉綠體的過量表達(dá)的過量表達(dá), ,提高了它們對氧化脅迫的耐受提高了它們對氧化脅迫的耐受性性; ;在苜蓿線粒體和土豆細(xì)胞質(zhì)中的過量表在苜蓿線粒體和土豆細(xì)胞質(zhì)中的過量表達(dá)達(dá), ,也具有同樣的效果。也具有同樣的效果。 然而轉(zhuǎn)基因煙草然而轉(zhuǎn)基因煙草- -的過量表達(dá)并未的過量表達(dá)并未提高其對冷害和鹽脅迫的耐受性；用矮牽牛葉綠體提高其對冷害和鹽脅迫的耐受性；用矮牽牛葉綠體 - -轉(zhuǎn)化煙草得到的轉(zhuǎn)基因轉(zhuǎn)化煙草得到的轉(zhuǎn)基因植株植株 活性提高了活性提高了30305050倍倍, ,但植但植株并未

16、提高對百草枯或臭氧引起的氧化損傷的耐受株并未提高對百草枯或臭氧引起的氧化損傷的耐受性？以上情況說明？（思考）性？以上情況說明？（思考）第21頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng) 2 2、CATCAT 主要存在于主要存在于過氧化物酶體過氧化物酶體與與乙醛酸循環(huán)體乙醛酸循環(huán)體，清除，清除光呼吸光呼吸中產(chǎn)生的中產(chǎn)生的H H2 2O O2 2，是，是C C3 3 植物中植物中H H2 2O O2 2 清除的關(guān)鍵清除的關(guān)鍵酶酶, , 而且是而且是C C3 3 植物耐受脅迫所必需的，對植物耐受脅迫所必需的，對H H2 2O O2 2 的親的親和性較和性較POXPOX低。低。 HO-O

17、H + HO-OH 2H2 2O + O=O 第22頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng) 3 3、PODPOD 種類較多種類較多, , 主要包括主要包括GPX GPX 和和APXAPX兩種酶。位于葉綠兩種酶。位于葉綠體、胞質(zhì)和線粒體，對體、胞質(zhì)和線粒體，對H2O2H2O2親和性要比親和性要比CAT CAT 高得多高得多, ,能專一的清除葉綠體內(nèi)的能專一的清除葉綠體內(nèi)的H2O2H2O2，重要的葉綠體保護(hù)酶。，重要的葉綠體保護(hù)酶。 HO-OH + HO-R-OH 2H2O + O=R=O 第23頁/共62頁第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng)二、非酶二、非酶 AsA

18、AsA， GSHGSH， VEVE， CarCar，甘露醇，甘露醇 次生物質(zhì)：（多酚、黃酮、單寧）等次生物質(zhì)：（多酚、黃酮、單寧）等 第24頁/共62頁第25頁/共62頁積極的一面：積極的一面：1 1、細(xì)胞代謝、細(xì)胞代謝（1 1） 許多酶促反應(yīng)，往往以自由基的形式作為電子許多酶促反應(yīng)，往往以自由基的形式作為電子轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 移的中間產(chǎn)物。移的中間產(chǎn)物。如：黃酶催化反應(yīng)時，電子從黃素轉(zhuǎn)移時先形成黃素如：黃酶催化反應(yīng)時，電子從黃素轉(zhuǎn)移時先形成黃素半醌自由基（必要的中間產(chǎn)物）。半醌自由基（必要的中間產(chǎn)物）。 底物底物 黃素黃素 . .黃素自由基黃素自由基 生成物生成物+ +黃黃素素（2 2）促進(jìn)物質(zhì)的合成與

19、分解）促進(jìn)物質(zhì)的合成與分解 如：木質(zhì)素生物合成的最后一步由結(jié)合在細(xì)胞如：木質(zhì)素生物合成的最后一步由結(jié)合在細(xì)胞壁上的過氧化氫酶和過氧化氫使木質(zhì)素單體發(fā)生聚壁上的過氧化氫酶和過氧化氫使木質(zhì)素單體發(fā)生聚合反應(yīng)完成。合反應(yīng)完成。第四節(jié)第四節(jié) 活性氧的生理意義活性氧的生理意義 e e 第26頁/共62頁 2 2、抗病、抗病 植物抗病植物抗病. .植物和病原物的互作分為：植物和病原物的互作分為：親和性：反應(yīng)強(qiáng)度小親和性：反應(yīng)強(qiáng)度小, ,時間短時間短. .非親和性（非親和性（）誘發(fā)感染處的細(xì)胞發(fā)生過敏反應(yīng)誘發(fā)感染處的細(xì)胞發(fā)生過敏反應(yīng)( () )；（）局部獲得抗性（）局部獲得抗性( () )或系統(tǒng)或系統(tǒng)獲得抗

20、性獲得抗性( () )活性氧迸發(fā)被認(rèn)為是植物對病原菌應(yīng)答的最早期活性氧迸發(fā)被認(rèn)為是植物對病原菌應(yīng)答的最早期反應(yīng)之一反應(yīng)之一第四節(jié)第四節(jié) 活性氧的生理意義活性氧的生理意義第27頁/共62頁 A schematic representation of the kinetics of cell death,H2O2 and salicylic cid accumulation in plant cells following bacteria inoculation第28頁/共62頁 、氧化酶（主要）、氧化酶（主要）、活性氧產(chǎn)生的其他可能機(jī)制、活性氧產(chǎn)生的其他可能機(jī)制過氧化物酶：除了作為過氧化物酶：除了作為2 22 2的清除劑之外的清除劑之外, ,在特定在特定的情況下的情況下, ,也能與等反應(yīng)產(chǎn)生也能與等反應(yīng)產(chǎn)生O2.-/ /2 22 2, ,生生成的成的2 22 2則用于細(xì)胞壁的木質(zhì)化或蛋白質(zhì)的交聯(lián)。則用于細(xì)胞壁的木質(zhì)化或蛋白質(zhì)的交聯(lián)。脂肪氧化酶脂肪氧化酶( ();); 黃嘌呤氧化酶等黃嘌呤氧化酶等抗病過程活性氧產(chǎn)生的機(jī)制抗病過程活性氧產(chǎn)生的機(jī)制第29頁/共62頁 病原體病原體 激發(fā)子激發(fā)子 O2.-/ /2 22 2 直接殺死病原體直接殺死病原體 胞壁蛋白交聯(lián)