葉綠體產(chǎn)生活性氧的研究進展

葉綠體產(chǎn)生活性氧的研究進展

葉綠體不僅是植物活動的重要場所，也是植物活動的主要來源。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,不會影響細胞的正常生理功能。但在脅迫條件下或細胞衰老過程中,活性氧在短時間內(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被光解為過氧化氫(H2O2),隨后證實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(見圖1),具體反應(yīng)過程如下。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,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的過氧化氫酶,但抗壞血酸過氧化物酶(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MDA還原酶(MDAR)催化下通過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,通過選擇性剪接所產(chǎn)生異構(gòu)體。APX是類似于細胞色素c過氧化物酶的(CcP)的I類過氧化物酶,而不同于辣根過氧化物酶屬于III類。盡管CcP和APX同屬于一類,而CcP相對穩(wěn)定,APX在缺乏AsA時不穩(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h2的去除缺乏抗壞血酸的原核生物以及藍細菌通過硫氧還蛋白和氧還原蛋白過氧化物酶(Prx)來清除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,過氧化氫酶并沒有被發(fā)現(xiàn),然而血紅素過氧化氫酶存在于PSII膜。血紅素過氧化氫酶并沒有直接參與到水-水循環(huán)中,但是當(dāng)水-水循環(huán)不能有效的運行,導(dǎo)致H2O2擴散到葉綠體腔內(nèi),該過氧化氫酶起到保護腔內(nèi)氧化還原平衡。6黃素蛋白A型黃素蛋白被證實參與集胞藻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得不到及時的清除,H2O2在Fe2+或Cu2+作用下,通過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?！H對葉綠體的膜系統(tǒng)破壞強,使膜脂過氧化和破壞其它生物大分子,細胞代謝功能紊亂,細胞損害甚至死亡,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。可見光系統(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。植物可通過光捕獲機構(gòu)的調(diào)節(jié)來減少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可以運用熒光或自旋探針DanePy檢測,往往強光或紫外光誘發(fā)的PSII光抑制會導(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的突變體也對光敏感。1O2具有一定的信號作用,葉綠體非理化損傷產(chǎn)生的1O2會誘發(fā)細胞的死亡和一些基因的表達;1O2和三線葉綠素對黃化質(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)的煙草葉片失綠會被首先在動物體發(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