硕-第三讲植物的氧代谢

1、第一节第一节 活性氧的产生与转化活性氧的产生与转化一、活性氧种类与特性一、活性氧种类与特性1 1、自由基、自由基 带有未成对电子的分子、原子或离子。带有未成对电子的分子、原子或离子。特点：（特点：（1 1）性质活泼，具有很强的氧化能力；）性质活泼，具有很强的氧化能力； （2 2）不稳定，只能短时存在；）不稳定，只能短时存在； （3 3）能持续进行连锁反应。）能持续进行连锁反应。 生物自由基：生物体代谢过程产生，主要指活性氧。生物自由基：生物体代谢过程产生，主要指活性氧。2 2、活性氧、活性氧 化学性质活泼、氧化能力很强的含氧物质的总称。化学性质活泼、氧化能力很强的含氧物质的总称。 种类：表种类

2、：表1 1 活性氧的产生活性氧的产生 2011-10-27 在植物体内，由于各种复杂酶类及电子载体的存在植物体内，由于各种复杂酶类及电子载体的存在，可以使分子氧不受电子自旋限制，进行单价、在，可以使分子氧不受电子自旋限制，进行单价、双价、三价的还原，如：双价、三价的还原，如：O2+e-O2.- O2+2e+2H+-H2O2 O2+3e+3H+-H2O+.OH活性氧性质活泼活性氧性质活泼,既可以植物强氧化剂既可以植物强氧化剂,又可以作为还又可以作为还原剂参与许多生化过程原剂参与许多生化过程,例例:2O2.-+2H+-O2+H2O2 二、植物体活性氧的产生的途径与部位二、植物体活性氧的产生的途径与

3、部位物质氧化物质氧化：酶所催化的反应，如胞壁木质：酶所催化的反应，如胞壁木质 化及解体过程。化及解体过程。例：脂质的自动氧化例：脂质的自动氧化 嘌呤的分解代谢嘌呤的分解代谢电子传递链电子传递链：1 1、叶绿体、叶绿体( (思考思考: :什么情况下什么情况下O2.- 增加增加?)?) 2 2、线粒体、线粒体 叶绿体叶绿体O O2 2.-.-的产生的途径与部位的产生的途径与部位O2O2C3循环循环O2.-O2.-O2.-CBA叶绿体活性氧的产生的途径与部位叶绿体活性氧的产生的途径与部位n通常以途径C为主,但当NADP+受到限制,过多能量经还原O2产生自由基而消耗（电子传递出现短路）,此时A、B途径

4、比例增加。n1 1O O2 2的产生的产生nChl Chl 1 1Chl Chl 3 3Chl OChl O2 2 1 1O O2 2n RH RH . .R Rhh线粒体活性氧产生的途径与部位线粒体活性氧产生的途径与部位n电子漏：呼吸链电子传递过程中部分电子在途中发生泄露，并使O2以单价形式还原成O2.-的现象。O2O2O2.-O2.-AB线粒体活性氧产生的途径与部位线粒体活性氧产生的途径与部位呼吸链呼吸链O O2 2.-.-的产生主要两个部位，一般部位的产生主要两个部位，一般部位BA.BA.电子漏电子漏：呼吸链电子传递过程中部分电子在途中：呼吸链电子传递过程中部分电子在途中发生泄露，并使发

5、生泄露，并使O O2 2以单价形式还原成以单价形式还原成O O2 2.-.-的现象。的现象。电子漏减少了电子漏减少了? ?的产生的产生. .ATPATP三、体内活性氧的转化三、体内活性氧的转化植物体内的氧自由基可进行多价还原直接形成植物体内的氧自由基可进行多价还原直接形成O2.-，.OH，H2O2等，等，也可以在体内相互转化。也可以在体内相互转化。FentonFenton（18941894）反应）反应FeFe2+ + + H2O2 Fe Fe3+ + .OH+ OH-Haber-WeissHaber-Weiss（19341934）反应）反应O2.- + + H2O2 O2 + + .OH+ O

6、H-通过上述反应生成比通过上述反应生成比O2.-氧化能力更强的氧化能力更强的.OH，正常情况正常情况下，不易发生下，不易发生FentonFenton反应，但当体内反应，但当体内O2.-浓度增大或其浓度增大或其他刺激因素存在时，会促进他刺激因素存在时，会促进.OH的产生的产生。如：如：FeFe3+ + + O2.- O2+ Fe+ Fe2+ Fe Fe3+ + AH+ AH2 .AH+H .AH+H+ Fe+ Fe2+ . .OHOH是化学性质最活泼的活性氧，其作用特点是无专是化学性质最活泼的活性氧，其作用特点是无专一性，几乎与生物体内所有物质反应，且反应快，使一性，几乎与生物体内所有物质反应，

7、且反应快，使非自由基成为自由基，反应类型有氢抽提、加成与电非自由基成为自由基，反应类型有氢抽提、加成与电子转移。子转移。 第二节第二节 活性氧对植物的伤害活性氧对植物的伤害 衰老的自由基学说认为，衰老是氧伤害积累的结果，在正常情衰老的自由基学说认为，衰老是氧伤害积累的结果，在正常情况下，植物生命过程潜伏氧伤害的累积，达一定程度即导致衰老况下，植物生命过程潜伏氧伤害的累积，达一定程度即导致衰老死亡。逆境会加速活性氧的产生和积累，加速衰老。死亡。逆境会加速活性氧的产生和积累，加速衰老。一、高浓度氧对幼苗生长的毒害一、高浓度氧对幼苗生长的毒害例例1 1：氧浓度：氧浓度： 对照（空气）对照（空气） 4

8、0% 60% 80%40% 60% 80%水稻幼苗生长量水稻幼苗生长量 100% 83% 66% 25%100% 83% 66% 25%例例2 2：吸涨水稻种子培养于：吸涨水稻种子培养于O2O2中，中， 前前3 3天：缓慢生长出胚根、胚芽天：缓慢生长出胚根、胚芽 可恢复可恢复 第第5 5天：根变褐，芽软化天：根变褐，芽软化 不可恢复不可恢复 第第7 7天：凋萎死亡天：凋萎死亡 伤害作用不是伤害作用不是O2O2直接引起，而是直接引起，而是O2.-引起。引起。 第二节第二节 活性氧对植物的伤害活性氧对植物的伤害例例3 3：百草枯（除草剂，：百草枯（除草剂， O O2 2.-.-源）处理花生源）处理

9、花生胚轴生长情况。胚轴生长情况。 百草枯百草枯 抑制抑制 百草枯百草枯+SOD+SOD抑制剂抑制剂DDC DDC 加重抑制加重抑制 百草枯百草枯+ O+ O2 2.-.-清除剂清除剂 减轻抑制减轻抑制 DDC:二乙基二硫代氨基甲酸钠二乙基二硫代氨基甲酸钠 第二节第二节 活性氧对植物的伤害活性氧对植物的伤害二、氧自由基对细胞结构与功能的伤害二、氧自由基对细胞结构与功能的伤害主要部位：叶绿体、线粒体主要部位：叶绿体、线粒体 高氧环境高氧环境1 1、叶绿体、叶绿体 叶绿素降解，叶绿体发育受抑，结构破坏，光合能力叶绿素降解，叶绿体发育受抑，结构破坏，光合能力下降。下降。2 2、线粒体、线粒体 线粒体肿

10、胀，嵴破坏，线粒体肿胀，嵴破坏，P/OP/O比下降。比下降。三、三、 活性氧启动膜脂过氧化作用活性氧启动膜脂过氧化作用 1 1、膜脂过氧化的自由基、膜脂过氧化的自由基链链式反应式反应 R R. . . . .RHRHH HOOHOOHO-OO-OO-OO-O. .O OO OO O2 2H HH+H+.OH是启动此反应的直接因子是启动此反应的直接因子, ,而而O2.- 和和H2O2可以通过可以通过FentonFenton和和Haber-WeissHaber-Weiss反应转化成反应转化成. .OHOH而诱发膜脂过氧而诱发膜脂过氧化化. . 三、三、 活性氧启动膜脂过氧化作用活性氧启动膜脂过氧化

11、作用2、膜流动性 液晶态 凝胶态 相变温度提高 流动性下降3、产物毒性 MDA等直接引起细胞毒害，攻击蛋白质分子的氨基、游离氨基酸、核酸，使之发生交联、凝聚，变性，如形成脂褐色素（人体老年斑）。四、四、 氧自由基对生物大分子的损伤氧自由基对生物大分子的损伤1 1、蛋白质、蛋白质 氨基酸侧基的修饰氨基酸侧基的修饰; ;肽键断裂肽键断裂; ;蛋白质交联蛋白质交联; ;高级结构的破高级结构的破坏等坏等. .2 2、酶活性、酶活性（1 1）使酶分子发生交联聚合；）使酶分子发生交联聚合；（2 2）攻击巯基；）攻击巯基；（3 3）修饰酶的不饱和性氨基酸；）修饰酶的不饱和性氨基酸；（4 4）氧自由基与酶分子

12、的金属离子起反应）氧自由基与酶分子的金属离子起反应例：例： H2O2使使CuZn-SODCuZn-SOD的的CuCu2+2+还原成还原成CuCu+ +, ,使酶失活。使酶失活。四、四、 氧自由基对生物大分子的损伤氧自由基对生物大分子的损伤3 3、DNADNA 剪切、降解、修饰。碱基修饰和单双链的断裂。剪切、降解、修饰。碱基修饰和单双链的断裂。降解产物可发生降解产物可发生TBATBA显色反应。显色反应。思考思考: :为何加为何加FeFe2+ 可以加剧可以加剧DNADNA的降解的降解? ? 第三节第三节 活性氧的清除系统活性氧的清除系统一、酶系统一、酶系统第三节第三节 活性氧的清除系统活性氧的清除

13、系统 一、酶类一、酶类 1 1、SODSOD 氧代谢的关键酶氧代谢的关键酶, 1938, 1938年年MannMann和和KeitinKeitin在进行牛血红细胞分级分离在进行牛血红细胞分级分离时发现的时发现的, ,为淡蓝色含铜蛋白为淡蓝色含铜蛋白.1969.1969年和年和FriidovichFriidovich弄清弄清了它催化发生歧化反应的性质了它催化发生歧化反应的性质, ,正式将其命名为超氧化物歧化酶。正式将其命名为超氧化物歧化酶。 O2.-+2H+ O2+H2O2 对热、酸、碱的稳定性是目前酶类中最好的一种，能抑制肾上腺素、邻对热、酸、碱的稳定性是目前酶类中最好的一种，能抑制肾上腺素、

14、邻苯二酚的自动氧化和氮蓝四唑的光下还原。苯二酚的自动氧化和氮蓝四唑的光下还原。分布，类型：分布，类型：CuZn-SODCuZn-SOD：胞质，：胞质，叶绿体叶绿体。（。（3 3种种SODSOD中含量最丰富，中含量最丰富，H H2 2O O2 2可使可使Cu/Zn-SOD Cu/Zn-SOD 失活）失活） Mn-SODMn-SOD：线粒体，细菌等原核生物：线粒体，细菌等原核生物Fe-SODFe-SOD：叶绿体，细菌等原核生物：叶绿体，细菌等原核生物第三节第三节 活性氧的清除系统活性氧的清除系统1 1、SODSOD 诱导酶，在胁迫条件下基因转录水平大幅提诱导酶，在胁迫条件下基因转录水平大幅提高，酶

15、活性增加。常用抑制剂为高，酶活性增加。常用抑制剂为DDCDDC（CuCu的螯合剂）。的螯合剂）。SODSOD与衰老与衰老SODSOD与抗性与抗性基因工程进展：基因工程进展： 几种已从植物中得到克隆并用来转几种已从植物中得到克隆并用来转化不同的植物化不同的植物, ,最终获得活性增强的转基因植株。最终获得活性增强的转基因植株。第三节第三节 活性氧的清除系统活性氧的清除系统基因工程：基因工程： 在转基因烟草、苜蓿、土豆和棉花中在转基因烟草、苜蓿、土豆和棉花中, ,叶绿体叶绿体的过量表达的过量表达, ,提高了它们对氧化胁迫的耐受性提高了它们对氧化胁迫的耐受性; ;在苜蓿线粒体和土豆细胞质中的过量表达在

16、苜蓿线粒体和土豆细胞质中的过量表达, ,也具有也具有同样的效果。同样的效果。 然而转基因烟草然而转基因烟草- -的过量表达并未提高的过量表达并未提高其对冷害和盐胁迫的耐受性；用矮牵牛叶绿体其对冷害和盐胁迫的耐受性；用矮牵牛叶绿体 - -转化烟草得到的转基因植株转化烟草得到的转基因植株 活性提高了活性提高了30305050倍倍, ,但植株并未提但植株并未提高对百草枯或臭氧引起的氧化损伤的耐受性？以上情高对百草枯或臭氧引起的氧化损伤的耐受性？以上情况说明？（思考）况说明？（思考）第三节第三节 活性氧的清除系统活性氧的清除系统 2 2、CATCAT 主要存在于主要存在于过氧化物酶体过氧化物酶体与与乙

17、醛酸循环体乙醛酸循环体，清除，清除光呼光呼吸吸中产生的中产生的H H2 2O O2 2，是，是C C3 3 植物中植物中H H2 2O O2 2 清除的关键酶清除的关键酶, , 而且而且是是C C3 3 植物耐受胁迫所必需的，对植物耐受胁迫所必需的，对H H2 2O O2 2 的亲和性较的亲和性较POXPOX低。低。 HO-OH + HO-OH 2H2 2O + O=O 第三节第三节 活性氧的清除系统活性氧的清除系统 3 3、PODPODn 种类较多种类较多, , 主要包括主要包括GPX GPX 和和APXAPX两种酶。位于叶绿体、两种酶。位于叶绿体、胞质和线粒体，对胞质和线粒体，对H2O2H

18、2O2亲和性要比亲和性要比CAT CAT 高得多高得多, ,能专一的能专一的清除叶绿体内的清除叶绿体内的H2O2H2O2，重要的叶绿体保护酶。，重要的叶绿体保护酶。 HO-OH + HO-R-OH 2H2O + O=R=O 第三节第三节 活性氧的清除系统活性氧的清除系统二、非酶二、非酶nAsAAsA， GSHGSH， VEVE， CarCar，甘露醇，甘露醇n次生物质：（多酚、黄酮、单宁）等次生物质：（多酚、黄酮、单宁）等 积极的一面：积极的一面：1 1、细胞代谢、细胞代谢（1 1） 许多酶促反应，往往以自由基的形式作为电子转许多酶促反应，往往以自由基的形式作为电子转 移的中间产物。移的中间产

19、物。如：黄酶催化反应时，电子从黄素转移时先形成黄素半如：黄酶催化反应时，电子从黄素转移时先形成黄素半醌自由基（必要的中间产物）。醌自由基（必要的中间产物）。 底物底物 黄素黄素 . .黄素自由基黄素自由基 生成物生成物+ +黄素黄素（2 2）促进物质的合成与分解）促进物质的合成与分解 如：木质素生物合成的最后一步由结合在细胞壁如：木质素生物合成的最后一步由结合在细胞壁上的过氧化氢酶和过氧化氢使木质素单体发生聚合反上的过氧化氢酶和过氧化氢使木质素单体发生聚合反应完成。应完成。第四节第四节 活性氧的生理意义活性氧的生理意义 e e 2 2、抗病、抗病 植物抗病植物抗病. .植物和病原物的互作分为：

20、植物和病原物的互作分为：亲和性：反应强度小亲和性：反应强度小, ,时间短时间短. .非亲和性（非亲和性（）诱发感染处的细胞发生过敏反应诱发感染处的细胞发生过敏反应( () )；（）局部获得抗性（）局部获得抗性( () )或系统或系统获得抗性获得抗性( () )活性氧迸发被认为是植物对病原菌应答的最早期反活性氧迸发被认为是植物对病原菌应答的最早期反应之一应之一第四节第四节 活性氧的生理意义活性氧的生理意义 A schematic representation of the kinetics of cell death,H2O2 and salicylic cid accumulation in plant cells following bacteria inoculation 、氧化酶（主要）、氧化酶（主要