叶绿体产生活性氧的研究进展

叶绿体产生活性氧的研究进展

叶绿体不仅是植物活动的重要场所，也是植物活动的主要来源。类囊体产生的H2O2是经O-2的光化学还原作用产生的,正常生理代谢下,H2O2和O-2不会在植物积累,超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸-谷胱甘肽循环对其转化和清除。在光系统PSII,叶绿素反应中心3P680*和O2产生单线氧(1O2),内源的抗氧化物质对1O2的产生有抑制或者清除作用。叶绿体作为活性氧产生的主要来源,内部的抗氧化系统可保持活性氧产生和消灭的平衡,不会影响细胞的正常生理功能。但在胁迫条件下或细胞衰老过程中,活性氧在短时间内的大量激增常常超出了内源清除系统的解毒能力,造成对生物体的伤害。因此叶绿体内自由基的产生和相关保护物质的变化是理解植物生理代谢不可缺少的部分。1mda的生成Mehler首先发现叶绿体内O2被光解为过氧化氢(H2O2),随后证实O2最初在PSI被还原为超氧阴离子(O-2),H2O2是O-2经SOD歧化作用的产物(见图1),具体反应过程如下。PSII中H2O裂解产生的电子(程式1),电子传到PSI,电子受体NADP+不足时,在PSI的还原侧O2接收电子被还原成O-2(程式2)。O-2在内源SOD的作用产生H2O2(程式3)。叶绿体中不含有分解H2O2的过氧化氢酶,但抗坏血酸过氧化物酶(APX)能催化H2O2与抗坏血酸(AsA)反应生成H2O和单脱氢抗坏血酸(MDA)(程式4)。MDA可以通过还原型的铁氧还蛋白(redFd)还原为抗坏血酸(ASA)(程式5),也可以通过MDA还原酶(MDAR)催化下通过NAD(P)H还原MDA为ASA(程式6),类囊体腔中产生的MDA不能被redFd或NAD(P)H还原,它可自发歧化生成脱氢抗坏血酸(DHA)和AsA(程式7)。由DHA还原酶(DHAR)催化DHA和还原型谷胱甘肽(GSH)的还原为ASA(程式8)和谷胱甘肽还原酶(GR)催化下GSH的再生(程式9)。因还原MDA产生的Fd和NADP+同时在PSI被还原为redFd和NADPH(程式10),以上的反映可称作水-水循环(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)总的反应式:2H2O+O-2→O2+2H2O(11)2酶反应中的酶1基质类氧自由基SOD根据所含金属辅基不同,分为Cu-SOD、Zn-SOD、Fe-SOD和Mn-SOD4类,只有Zn-SOD、Fe-SOD和Cu-SOD存在于叶绿体中。超过一半的Cu、Zn-SOD存在于基质类囊体中,PSI也存在于基质类囊体中。由于O-2产生在PSI端,因此SOD可以说是活性氧清除的第一道防线(程式3),当然位于PSI附近的tAPX(程式4)和位于依赖于Fd的MDA还原(程式5)在清除O-2的产物H2O2具有重要的作用。存在于细胞质的其它酶类形成清除活性氧的第二道防线。在厌氧细菌中,发现一些还原态铁硫蛋白(如红素氧化还原蛋白)可以还原O2-为水,但是在叶绿体中并未发现类似的蛋白。2红藻异构体的构建叶绿体APX可以分为类囊体APX(tAPX)和存在于基质的APX。tAPX结合在PSI的附近,主要用于清除H2O2(程式4)。除了拟南芥,单基因编码tAPX和位于基质的APX,通过选择性剪接所产生异构体。APX是类似于细胞色素c过氧化物酶的(CcP)的I类过氧化物酶,而不同于辣根过氧化物酶属于III类。尽管CcP和APX同属于一类,而CcP相对稳定,APX在缺乏AsA时不稳定,而且胞质APX也比叶绿体APX稳定。但是相反,从红藻获得的APX比植物APX稳定。另外,巯基修饰试剂可以抑制APX,半胱氨酸残基也参与的抗坏血酸和血红素结合。3硫氧还蛋白和prx对h2的去除缺乏抗坏血酸的原核生物以及蓝细菌通过硫氧还蛋白和氧还原蛋白过氧化物酶(Prx)来清除H2O2。硫氧还蛋白和Prx存在于植物的叶绿体,但是现在还不清楚在什么条件下他们可以替代APX在水-水循环中清除H2O2。但证实Prx与PSII的复合物存在一定的联系。4出现选择抑制剂不适宜的酶除了MDA,MDA还原酶还可以还原苯氧自由基。因此这种酶也参加抗氧化剂的再生。在拟南芥中,MDA还原酶,基质APX活性和谷胱甘肽还原酶基因产物同时参与叶绿体和线粒体活性氧的清除。5psiii膜氢酶叶绿体基质中,过氧化氢酶并没有被发现,然而血红素过氧化氢酶存在于PSII膜。血红素过氧化氢酶并没有直接参与到水-水循环中,但是当水-水循环不能有效的运行,导致H2O2扩散到叶绿体腔内,该过氧化氢酶起到保护腔内氧化还原平衡。6黄素蛋白A型黄素蛋白被证实参与集胞藻PCC6803中O2的光还原,在它的催化下,NAD(P)H提供电子还原O2为H2O,但不产生ROS。3光还原系统psi植物叶绿体产生H2O2得不到及时的清除,H2O2在Fe2+或Cu2+作用下,通过Fenton反应或Haber-Weiss反应产生·OH。在PSI的还原侧,H2O2也能与光还原的[4Fe24S]簇相互作用产生·OH。·OH对叶绿体的膜系统破坏强,使膜脂过氧化和破坏其它生物大分子,细胞代谢功能紊乱,细胞损害甚至死亡,其中·OH在特殊部位能够断裂Rubisco,也能使谷氨酸合酶钝化。但植物体内一些较大分子化合物(如植酸和铁蛋白)与Fe2+或Fe3+形成复合物,可阻止Haber-Weiss反应产生·OH。可见光系统中产生的O-2是最基本的活性氧。4叶绿素生物合成及其功能叶绿素吸收过量光能,受激发形成三线态叶绿素(3P680),3P680与O2反应产生1O2,即3O2+3P680*→1O2+1P680(见图1)。1O2的活性极高,但寿命很短,1O2破坏构成光合元件的蛋白、色素和脂类。在叶绿体内清除1O2有关的物质有类胡萝卜素,类胡萝卜素可以通过叶黄素循环以热耗散的方式使叶绿素从激发态转变到基态。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还不清楚。植物可通过光捕获机构的调节来减少3P680的产生以起到降低1O2的作用。在叶组织中,叶绿体中光生的1O2可以运用荧光或自旋探针DanePy检测,往往强光或紫外光诱发的PSII光抑制会导致1O2的产生增加。当然由于环境胁迫引起的CO2的同化率降低也会增加1O2的产生。叶绿素生物合成和分解代谢的中间体可产生1O2。研究发现,在暗适应后,代谢酶的不足和脱镁叶绿酸积累突变体对光敏感,也发现叶绿素生物合成的中间体和Protochlorophillide的突变体也对光敏感。1O2具有一定的信号作用,叶绿体非理化损伤产生的1O2会诱发细胞的死亡和一些基因的表达;1O2和三线叶绿素对黄化质体向叶绿体的转换具有积极的作用。由1O2和O-2诱发的烟草叶片失绿会被首先在动物体发现的Bcl蛋白和CED-9阻止。5其他清除酶系统一些外源性物质可以用来清除活性氧,主要有氯化二亚苯基碘鎓(DPI)、1,2-二羟基-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的清除剂,DMTU是H2O2的捕获剂。另外,除草剂百草枯(Paraquat)可以产生O-2,其分解产物是H2O2。总之,水-水循环中O2光还原生成O-2,在SOD作用下,O-2迅速转化成H