硕-第三讲植物的氧代谢.ppt

第一节活性氧的产生与转化,一、活性氧种类与特性1、自由基带有未成对电子的分子、原子或离子。特点：（1）性质活泼，具有很强的氧化能力；（2）不稳定，只能短时存在；（3）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。2、活性氧化学性质活泼、氧化能力很强的含氧物质的总称。种类：表1,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，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：O2+e-O2.-O2+2e+2H+-H2O2O2+3e+3H+-H2O+.OH活性氧性质活泼,既可以植物强氧化剂,又可以作为还原剂参与许多生化过程,例:2O2.-+2H+-O2+H2O2,二、植物体活性氧的产生的途径与部位,物质氧化：酶所催化的反应，如胞壁木质化及解体过程。例：脂质的自动氧化嘌呤的分解代谢电子传递链：1、叶绿体(思考:什么情况下O2.-增加?)2、线粒体,叶绿体O2.-的产生的途径与部位,O2,O2,C3循环,O2.-,O2.-,O2.-,C,B,A,叶绿体活性氧的产生的途径与部位,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途径比例增加。1O2的产生Chl1Chl3ChlO21O2RH.R,h,h,线粒体活性氧产生的途径与部位,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。,O2,O2,O2.-,O2.-,A,B,线粒体活性氧产生的途径与部位,呼吸链O2.-的产生主要两个部位，一般部位BA.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。电子漏减少了?的产生.ATP,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O2.-，.OH，H2O2等，也可以在体内相互转化。Fenton（1894）反应Fe2+H2O2Fe3+.OH+OH-Haber-Weiss（1934）反应O2.-+H2O2O2+.OH+OH-通过上述反应生成比O2.-氧化能力更强的.OH，正常情况下，不易发生Fenton反应，但当体内O2.-浓度增大或其他刺激因素存在时，会促进.OH的产生。如：Fe3+O2.-O2+Fe2+Fe3+AH2.AH+H+Fe2+,.OH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，使非自由基成为自由基，反应类型有氢抽提、加成与电子转移。,第二节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。一、高浓度氧对幼苗生长的毒害例1：氧浓度：对照（空气）40%60%80%水稻幼苗生长量100%83%66%25%例2：吸涨水稻种子培养于O2中，前3天：缓慢生长出胚根、胚芽可恢复第5天：根变褐，芽软化不可恢复第7天：凋萎死亡伤害作用不是O2直接引起，而是O2.-引起。,第二节活性氧对植物的伤害,例3：百草枯（除草剂，O2.-源）处理花生胚轴生长情况。百草枯抑制百草枯+SOD抑制剂DDC加重抑制百草枯+O2.-清除剂减轻抑制DDC:二乙基二硫代氨基甲酸钠,第二节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主要部位：叶绿体、线粒体高氧环境1、叶绿体叶绿素降解，叶绿体发育受抑，结构破坏，光合能力下降。2、线粒体线粒体肿胀，嵴破坏，P/O比下降。,三、活性氧启动膜脂过氧化作用1、膜脂过氧化的自由基链式反应,R.,.,.,.,RH,H,OOH,O-O,O-O.,O,O,O2,H,H+,.OH是启动此反应的直接因子,而O2.-和H2O2可以通过Fenton和Haber-Weiss反应转化成.OH而诱发膜脂过氧化.,三、活性氧启动膜脂过氧化作用,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、氧自由基对生物大分子的损伤,1、蛋白质氨基酸侧基的修饰;肽键断裂;蛋白质交联;高级结构的破坏等.2、酶活性（1）使酶分子发生交联聚合；（2）攻击巯基；（3）修饰酶的不饱和性氨基酸；（4）氧自由基与酶分子的金属离子起反应例：H2O2使CuZn-SOD的Cu2+还原成Cu+,使酶失活。,四、氧自由基对生物大分子的损伤,3、DNA剪切、降解、修饰。碱基修饰和单双链的断裂。降解产物可发生TBA显色反应。思考:为何加Fe2+可以加剧DNA的降解?,第三节活性氧的清除系统,一、酶系统,第三节活性氧的清除系统,一、酶类1、SOD氧代谢的关键酶,1938年Mann和Keitin在进行牛血红细胞分级分离时发现的,为淡蓝色含铜蛋白.1969年和Friidovich弄清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。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、邻苯二酚的自动氧化和氮蓝四唑的光下还原。分布，类型：CuZn-SOD：胞质，叶绿体。（3种SOD中含量最丰富，H2O2可使Cu/Zn-SOD失活）Mn-SOD：线粒体，细菌等原核生物Fe-SOD：叶绿体，细菌等原核生物,第三节活性氧的清除系统,1、SOD诱导酶，在胁迫条件下基因转录水平大幅提高，酶活性增加。常用抑制剂为DDC（Cu的螯合剂）。SOD与衰老SOD与抗性基因工程进展：几种已从植物中得到克隆并用来转化不同的植物,最终获得活性增强的转基因植株。,第三节活性氧的清除系统,基因工程：在转基因烟草、苜蓿、土豆和棉花中,叶绿体的过量表达,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,也具有同样的效果。然而转基因烟草-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-转化烟草得到的转基因植株活性提高了3050倍,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？以上情况说明？（思考）,第三节活性氧的清除系统,2、CAT主要存在于过氧化物酶体与乙醛酸循环体，清除光呼吸中产生的H2O2，是C3植物中H2O2清除的关键酶,而且是C3植物耐受胁迫所必需的，对H2O2的亲和性较POX低。HO-OH+HO-OH2H2O+O=O,第三节活性氧的清除系统,3、POD种类较多,主要包括GPX和APX两种酶。位于叶绿体、胞质和线粒体，对H2O2亲和性要比CAT高得多,能专一的清除叶绿体内的H2O2，重要的叶绿体保护酶。HO-OH+HO-R-OH2H2O+O=R=O,第三节活性氧的清除系统,二、非酶AsA，GSH，VE，Car，甘露醇次生物质：（多酚、黄酮、单宁）等,积极的一面：1、细胞代谢（1）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。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）。底物黄素.黄素自由基生成物+黄素（2）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。,第四节活性氧的生理意义,e,2、抗病植物抗病.植物和病原物的互作分为：亲和性：反应强度小,时间短.非亲和性（）诱发感染处的细胞发生过敏反应()；（）局部获得抗性()或系统获得抗性()活性氧迸发被认为是植物对病原菌应答的最早期反应之一,第四节活性氧的生理意义,Aschematicrepresentationofthekineticsofcelldeath,H2O2andsalicyliccidaccumulationinplantcellsfollowingbacteriainoculation,、氧化酶（主要）、活性氧产生的其他可能机制过氧化物酶：除了作为22的清除剂之外,在特定的情况下,也能与等反应产生O2.-/22,生成的22则用于细胞壁的木质化或蛋白质的交联。脂肪氧化酶();黄嘌呤氧化酶等,抗病过程活性氧产生的机制,病原体激发子O2.-/22直接杀死病原体胞壁蛋白交联、木质化信号传导PCD抗病基因