植物线粒体中活性氧的产生与抗氧化系统
植物线粒体抗氧化应激效应影响的研究进展
植物线粒体抗氧化应激效应影响的研究进展曾德永;崔杰;张萌;关双红;高鑫;山珊;刘梦瑶;孙野青;卢卫红【期刊名称】《江苏农业科学》【年(卷),期】2018(046)021【摘要】线粒体是细胞进行呼吸作用的主要场所,通过氧化磷酸化途径产生ATP.在植物中,线粒体结构相对复杂,除参与呼吸作用外还对光合作用有促进作用.同时线粒体也是植物体内对外界环境最敏感的细胞器之一,外界环境的改变会使线粒体功能紊乱并发生氧化应激.线粒体作为植物体内参与氧化应激的重要细胞器,其功能紊乱将导致活性氧的增多,产生脂质过氧化损伤,影响抗氧化酶系活性及关键蛋白表达量的改变等.本文首先概述了植物细胞线粒体的结构组成,重点介绍了经典电子传递链复合物的构成.其次,介绍了电子传递链复合物的功能,并对线粒体中活性氧(ROS)的产生做了重点的概述.最后详细介绍了氧化应激如何影响植物线粒体三羧酸循环、氧化磷酸化、交替氧化途径中关键酶活性、蛋白以及相关基因的表达,并阐述了植物细胞中线粒体清除ROS的主要途径,包括抗氧化酶系、转录调节因子及相关的功能性蛋白的作用.【总页数】7页(P31-37)【作者】曾德永;崔杰;张萌;关双红;高鑫;山珊;刘梦瑶;孙野青;卢卫红【作者单位】哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨 150000;哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨 150000;大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连 116026;哈尔滨工业大学生命科学与技术学院,黑龙江哈尔滨 150000;哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨 150000;哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨 150000;哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨 150000;大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连 116026;哈尔滨工业大学化工与化学学院,黑龙江哈尔滨 150000【正文语种】中文【中图分类】S184;Q945.78【相关文献】1.线粒体抗氧化应激系统与融合-分裂研究进展 [J], 王颖;余剑波2.谷氧还蛋白和硫氧还蛋白对动物抗氧化应激生物学效应的研究进展 [J], 黄金昌;郭荣富3.人工湿地植物根际效应对根部微生物影响的研究进展 [J], 裘湛4.线粒体对肿瘤迁移、侵袭影响的研究进展 [J], 苏晓薇;姜晶;郝利铭5.硼在植物体内的生理效应及其对几种重要代谢产物影响的研究进展 [J], 刘磊超;姜存仓;刘桂东;董肖昌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
植物叶片抗氧化系统及其对逆境胁迫的响应研究进展
氧气是植物生命活动中必不可缺少的物质之一， 它参与新陈代谢、线粒体的呼吸和氧化磷酸化，产生 能量 ＡＴＰ，是植物生命存在的基础物质之一。然而氧 气在参与新陈代谢的过程中会被活化成为超氧物阴 离子自由基、羟基自由基、过氧化氢、脂质过氧化物和 单线态氧，即通常所说的活性氧［１］。这些活性氧以极 强的氧化性对细胞质膜进行过氧化，导致膜系统损 伤，造成代谢功能不可修复的丧失和细胞死亡［２，３］。植 物为保证其正常的代谢机能，本身对活性氧的氧化伤 害具有相应的适应和抵御能力，表现在其体内存在着 一套精细而又复杂的抗氧化系统负责对活性氧的抵 御和清除。正常情况下，植物体内的活性氧产生和清 除处于一种动态平衡状态。当植物处于逆境条件下，
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Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ Ｖｏｌ．２３ Ｎｏ． １ ２００７ Ｊａｎｕａｒｙ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｓｂ．ｏｒｇ．ｃｎ
植物生理科学
超氧化物歧化酶（ ＳＯＤ）是生物体内特异清除超 氧阴离子自由基的酶，它是一种含金属的酶，根据金 属 辅 助 因 子 的 不 同 ， 植 物 体 内 的 ＳＯＤ 可 分 为 Ｃｕ／Ｚｎ－ＳＯＤ、Ｆｅ－ＳＯＤ、Ｍｎ－ＳＯＤ 三种类型［４］。烟草叶片 ＳＯＤ 同工酶的形式受其发育阶段的调控， 幼 叶 中 Ｃｕ／ Ｚｎ－ＳＯＤ 较为丰富，其活性随叶龄增加而下降； 而老叶中主要为 Ｆｅ－ＳＯＤ 和 Ｍｎ－ＳＯＤ［５］。
过氧化氢酶（ＣＡＴ）是一种包含血红素的 ４ 聚体 酶，存在于所有的植物细胞中，它可将 Ｈ２Ｏ２ 迅速分解 为 Ｈ２Ｏ 和 Ｏ２。ＣＡＴ 在细胞中主要存在于过氧化体中， 负责清除过氧化体中产生的 Ｈ２Ｏ２。乙醛酸体中也有 发现 ＣＡＴ 的存在，其功能主要是清除光呼吸过程或 脂肪酸 β－ 氧化反应形成的 Ｈ２Ｏ２［８，９］。ＣＡＴ 由多基因 编码，存在多个同系物，烟草的 ３ 种 ＣＡＴ 基因编码的 蛋白质的功能已得到确证。ＣＡＴｌ 基因产物主要清除 光呼吸过程中产生的 Ｈ２Ｏ２，ＣＡＴ２ 基因产物可特异的 清除活性氧胁迫过程中产生的 Ｈ２Ｏ２，ＣＡＴ３ 基因产物 主 要 清 除 乙 醛 酸 循 环 体 中 脂 肪 酸 β－ 氧 化 产 生 的 Ｈ２Ｏ２［１０］。由于 Ｈ２Ｏ２ 可以直接跨膜扩散，其他部分产生 的 Ｈ２Ｏ２ 也可扩散到过氧化体中而被 ＣＡＴ 分解，它与 ＳＯＤ 协 同 作 用 可 清 除 植 物 体 内 潜 在 危 害 的 Ｏ２．－ 和 Ｈ２Ｏ２，从而最大限度的减少了·ＯＨ 的形成。ＣＡＴ 不直 接参与 Ｈ２Ｏ２ 分解过程，它的清除机理是酶的血红素 铁与 Ｈ２Ｏ２ 反应生成铁过氧化物活性体，它再将 １ 分 子的 Ｈ２Ｏ２ 氧化［１０］。由于 ＣＡＴ 对 Ｈ２Ｏ２ 的 Ｋｍ 值大，因 此为了除去低浓度的 Ｈ２Ｏ２ 就需要提供相当高浓度的 ＣＡＴ 才能实现。但从实际情况看，过氧化物体中有着 高浓度的 ＣＡ（Ｔ ４ｍｍｏｌ／ｌ）存在，所以 ＣＡＴ 也担负着相 当数量的 Ｈ２Ｏ２ 清除任务。
植物中活性氧的作用
植物中活性氧的作用作者：陈璐瑶来源：《科技风》2016年第22期摘要：活性氧在植物生长中的重要性不可忽视，并且影响着植物生长的方方面面。
开展植物中活性氧的作用探究，从不同的角度探究活性氧对于植物的影响，可以为我国生物工程奠定更加稳定的技术基础，继而促使我国的生物工程获得更加广阔的发展空间和更加良好的发展前景。
关键词：植物；活性氧；作用在明确了植物中活性氧的种类之后，开展植物中的活性氧的作用研究，明确植物中的活性氧的作用方式和作用原理，可以使得植物培育的技术朝着更加完善的方向发展，以下就针对这一问题进行分析。
一、植物中活性氧的种类以及其性质探究开展植物中活性氧的作用探究，首先应当明确植物中的活性氧的种类和性质，才能有效的确保活性氧的探究方法和探究结果更加具有准确性和针对性。
活性氧指的是含氧的、反应性质活跃的一类小离子的整体。
植物中具有的活性氧主要分为：超氧自由基、单线态氧、高氧化氢等，广泛的产生于植物的线粒体、叶绿体以及酶促反应当中，对于植物的作用不可忽视。
如果植物内部所含有的活性氧含量过盛，则过高的氧化还原活性会使得植物的细胞的活性降低，甚至使得植物细胞失去生命，对于植物生长安全性的保障则存在着一定的潜在威胁。
二、植物中的活性氧的作用中，与病原体的相互的作用（一）植物中的活性氧与真菌的相互作用通过应用有无感染液的培养皿进行同种番茄的细胞培养可知，真菌感染的植物，活性氧的含量会大幅度的上升，进而形成较为剧烈的氧化爆发。
（二）植物中的活性氧与细菌的相互作用通过探究叶斑病菌感染下的植物和健康的同种植物之间存在的生理差异克制，细菌感染的植物会产生较为强烈的感染效应，并且存在强烈的氧化爆发和脂质过氧化效应。
因此植物中的活性氧，与病原体中的细菌也会产生较为强烈的相互反应。
在探究植物中的活性氧的作用中，与病原体的相互作用可知，当植物受到病原体感染后，植物生物结构内的活性氧的含量会剧增，进而引起部分植物的强烈过敏反应。
植物体内过氧化氢的产生及其生理作用
植物体内过氧化氢的产生及其生理作用宋喜贵;佘小平【摘要】文章概述了过氧化氢(H2O2)在植物体内的产生及其作用机制的研究进展.H2O2作为活性氧之一在许多生命活动中有着广泛的影响,许多生物和非生物胁迫均能导致植物体产生H2O2.多年来,研究一直注重H2O2对植物生长发育方面的影响,它作为信号分子的重要作用直到近几年才越来越多地受到关注.【期刊名称】《连云港师范高等专科学校学报》【年(卷),期】2010(027)004【总页数】5页(P99-103)【关键词】过氧化氢;活性氧;生理作用;植物【作者】宋喜贵;佘小平【作者单位】陕西师范大学,生命科学学院,陕西,西安,710062;陕西师范大学,生命科学学院,陕西,西安,710062【正文语种】中文【中图分类】Q945过氧化氢(hydrogen peroxide,H2O2)是活性氧(reactive oxygen species,ROS)重要的代表之一,激素等信号以及生物、非生物胁迫刺激均可诱导植物细胞内H2O2的产生和积累。
H2O2化学性质比较稳定,寿命较长,具有较高的跨膜通透性并能在植物细胞间迅速扩散,外界刺激能迅速地刺激其合成和分解,这些特点均符合细胞间信号分子所具有的重要标准。
越来越多的证据表明,H2O2在植物面临环境胁迫反应中发挥着重要的作用,比如应对逆境产生抗病防御反应、调控植物的生长发育、参与保卫细胞气孔运动等诸多生理过程。
H2O2还与其他信号特别是植物激素相互作用,影响一些蛋白激酶与蛋白磷酸酶等一系列下游信号分子的产生和参与。
本文就H2O2在植物体内产生的途径及其作用机制的研究进展综述如下。
植物在正常的生理代谢过程中都可能会有活性氧(reactive oxygen species,ROS)的产生,如光合成、光呼吸、脂肪酸氧化和衰老等过程中都能自然产生ROS。
尤其在干旱、高温、低温、机械损伤、强光照、气体污染、真菌浸染等外界环境胁迫下会产生大量的活性氧。
活性氧调控作物种子发芽机理的研究进展
活性氧调控作物种子发芽机理的研究进展作者：邓本良来源：《安徽农业科学》2020年第13期摘要活性氧在协助作物种子打破休眠进而促进发芽过程中发挥着关键作用。
此类活性分子能降解脱落酸以及氧化细胞中多种大分子物质从而促进种子进入发芽状态，这其中NADPH 氧化酶介导的活性氧发挥着重要作用。
介绍了活性氧种类、产生部位、毒害和信号功能，并阐述了包括H2O2在内的活性氧在调控作物种子打破休眠促进发芽方面的研究进展。
关键词活性氧;种子发芽;脱落酸;NADPH 氧化酶中图分类号 Q946 文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）13-0021-02Abstract Reactive oxygen species play a key role in assisting crop seeds to break dormancy and promote germination.Such active molecules can degrade abscisic acid and oxidize a variety of macromolecular substances in the cells to promote the seeds to enter the germination state.Among them，NADPH oxidasemediated active oxygen plays an important role.The types，generation sites，poisons and signal functions of reactive oxygen species were introduced，and the research progress of reactive oxygen species including H2O2 in regulating crop seeds to break dormancy and promote germination was described.Key words Reactive oxygen species;Seed germination;Abscisic acid;NADPH oxidase成熟健康的作物种子在自然或人工条件下需要各种合适的内外条件才能发芽。
活性氧与线粒体损伤研究概述
活性氧与线粒体损伤研究概述一、本文概述活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是细胞代谢过程中的自然产物，包括超氧阴离子、过氧化氢、羟基自由基等。
在正常的生理状态下，细胞内的ROS水平受到严格的调控，参与了许多重要的生物学过程，如信号转导、基因表达调控等。
然而，当ROS产生过多或清除不足时，便会对细胞造成氧化应激，导致细胞结构和功能的损伤。
线粒体作为细胞内的“动力工厂”，是ROS产生的主要场所，同时也是ROS攻击的主要目标。
线粒体损伤不仅会影响其自身的功能和结构，还会对整个细胞甚至整个生物体的生命活动产生深远影响。
因此，对活性氧与线粒体损伤的研究具有重要的理论和实践意义。
本文旨在全面概述活性氧与线粒体损伤的研究现状，包括ROS的产生与清除机制、ROS对线粒体结构和功能的损伤作用、线粒体损伤对细胞生命活动的影响以及相关的疾病发生机制等。
通过梳理和分析近年来的研究成果，本文旨在为读者提供一个清晰、全面的活性氧与线粒体损伤研究框架，为未来的研究提供理论支持和参考。
二、活性氧的产生与调控活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是生物体内一类具有高度化学活性的含氧分子。
它们包括超氧阴离子（O₂⁻）、过氧化氢（H ₂O₂）、羟自由基（HO·）和单线态氧（¹O₂）等。
在正常生理条件下，ROS在细胞信号转导、抗菌免疫等方面发挥着重要作用。
然而，当ROS 产生过多或清除不足时，便会对细胞造成氧化应激，导致线粒体等细胞器损伤。
活性氧的产生主要来源于线粒体呼吸链的电子泄露。
线粒体是细胞内ROS的主要来源，其中90%以上的ROS由线粒体呼吸链产生。
NADPH 氧化酶、黄嘌呤氧化酶等酶类以及非酶促反应也是ROS的重要来源。
为维持ROS在细胞内的稳态，生物体发展了一系列复杂的调控机制。
这些机制包括ROS的生成调控、ROS的清除以及ROS的响应等。
ROS生成的调控：细胞通过调节呼吸链酶的活性、调节NADPH氧化酶等ROS产生酶的表达和活性，以及调节线粒体膜电位等方式，实现对ROS生成的调控。
活性氧和氮物种的合成与代谢
如氢自由基H· 氯自由基Cl· 羟基自由基(OH· )
活性氧:
是指那些含氧的具有比较强的氧化和还原性质的自 由基和非自由基氧的衍生物 （如：超氧阴离子.O2-、过氧化氢H2O2、羟自由基OH· ）
活性氮：NO代谢产生一系列复合物的总称
第九章 活性氧和氮物种的合成与代谢
主要内容：
1、有关活性氧和氮物种的基本知识
（生成特性、作用机制、生理功能、构成抗氧化系统）
2、急性和慢性运动在形成、作用、调节活 性氧和氮物种特性上的具体影响
第九章 活性氧和氮物种的合成与代谢
1. 生物体内的活性氧和氮物种
自由基：是在其轨道中存在具有非常明显的化学
活性氮的作用可以描述为一个“双刃剑”
第九章 活性氧和氮物种的合成与代谢
3.3. 活性氧和氮的物种和免疫系统
(RONS and the immune system)
第九章 活性氧和氮物种的合成与代谢
3.4. 疾病中的活性氧和活性氮物种
(RONS in diseases)
(Mechanisms of RONS generation)
活性氧和氮物种 (RONS)
以氧为中心的活 性氧（ROS） 以氮为中心的活 性氮（RNS）
第九章 活性氧和氮物种的合成与代谢
2.1. 氧为中心的活性物种及其衍生物
（oxygen-centered reactive species and their derivates）
第九章 活性氧和氮物种的合成与代谢
3.1.3. DNA氧化损伤
(oxidative DNA damage)
DNA已被认为是氧化损伤最显著的生物标记 每个人体细胞平均每天至少发生几百个DNA氧化损伤
线粒体中活性氧的产生途径和测定方法
体 膜 上 的 Ｃ Ｑ 含 量 与 线 粒 体 中 自由基 的产 生 速 度 呈 正 相关 ． Ｏ 复合 物 工的黄 素 蛋 白和 复合 物 Ⅲ的细 胞 色素 ｂ ６ ５ ６也作 用 于 超 氧 负 离 子 的 产 生 ． 当丙 酮 酸通 过 硫 辛 酸 和 Ｆ Ｄ 将 Ｈ 传 递 给 Ａ
ＮＡ 时 ，Ａ Ｄ Ｆ Ｄ也将 电子供给分 子氧 ， 生成超氧负离子 ． 因此 ， 线粒体 呼吸链传递 电子不是绝
粒体是细胞 中产生活性氧 的一个 重要部位 ． 其产 生 的速率 主要受线 粒体跨 膜 电位△｛ 的 』 Ｊ ｍ 控制 ． ｈｎｅｌ Ｃ ａｃｌ等证 明在正常生理情 况下约有 ２ ＿ ｊ ％的氧参与活性 氧的产生 ， 它们是 呼吸链 底
物端 漏 出 的 电子 引 起 氧分 子 单 电子 还 原 而 生 成 的 ． 际 上 呼 吸链 底 物 端 电 子 漏 和 氧 端 电 子 实 漏 共 同构 建 了超 氧 自由基 的代 谢 路 径 ， 示 线 粒 体 中存 在 着 超 氧 自由基 代 谢 过 程 ． 提 线 粒 体 中活 性 氧 的产 生 部 位 是 呼 吸链 的底 物 端 ． 醌 的 自动 氧 化 是 超 氧 阴 离 子 产 生 的 泛 途 径 之 一 ， 合 物 工的 异 咯 嗪半 醌 也 是 生 成 超 氧 阴 离 子 的 部 位 ． ａｓ等 ｌ 证 明 结 合 于 线 粒 复 Ｌｓ Ｌ ２
本文只讲述线粒体 中活性 氧的产生及测定方法 ．
１ 活 性 氧 的产 生
机体在正常情况下 ， 内活性氧 的产生和清除处 于动态平衡 ． 体 此时 ， Ｏ Ｒ Ｓ对机体有 利而
无 害 ． 生理 条 件 下 ， Ｏ 在 Ｒ Ｓ的产 生 主 要 通 过 体 内的 酶 反 应 和非 酶 反 应 ， 其 是 与 线 粒 体 呼 吸 尤 链 有 关 的某 些 酶反 应 ． 这 些 活 性 氧 能 被 机 体 利 用并 发挥 重要 的生 理 功 能 ． 验 已经证 明线 且 实
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植物线粒体中活性氧的产生与抗氧化系统摘要活细胞中活性氧不仅在信号转导方面起着关键作用,而且还可以对生物大分子起到伤害作用,所以线粒体中的活性氧必须控制在一定的浓度。
植物线粒体中存在几种抗氧化系统,它们可以控制活性氧的产生,修补活性氧对大分子造成的损伤。
其中抗氧化系统包括依赖于抗坏血酸分子和谷胱甘肽分子途径的,依赖硫氧还蛋白(thioredoxin,TRX)分子和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxudase,GPX)途径的。
综述了线粒体中控制活性氧的各种氧化还原反应途径,并特别强调指出,TRX 和GPX系统,以期能给该方面的研究提供帮助。
关键字线粒体;活性氧;抗氧化系统需氧进行光合作用的生物是在大气中氧存在的情况下出现和进化的,陆生植物也是在大气中氧存在的情况下出现和进化的,结果陆生植物形成了不仅可以极大运用氧气的能力,而且也形成了能限制活性氧不良作用的新陈代谢方式。
单线态氧(1O2)、超氧负离子(O2-)、过氧化物和过氧化氢的氧代谢均可以产生活性氧。
一方面,由于这些氧化物的有害性,植物需要控制它们在细胞中的含量;另一方面,当植物体遭遇病原体入侵时,活性氧可以作为信号分子起作用。
同时,这些分子能使蛋白质发生变化,诱导基因转录。
这种信号系统是细胞与外环境通信的重要组成部分。
在植物细胞中,叶绿体、线粒体和过氧化物体是产生活性氧的部位,由于活性氧可以通过细胞空隙自由扩散进入线粒体,所以线粒体成为活性氧伤害的主要细胞器[1-6]。
最近研究表明,线粒体在信号转导中处于十分重要的地位。
1植物线粒体中活性氧的产生和性质在线粒体的电子传递过程中,电子沿着一系列的电子传递体传递到末端氧化酶,然后再传递给氧,最后质子与离子型氧结合生成水。
但是,位于呼吸链底物端的一些物质,如黄素蛋白、非血红素铁蛋白(non-heme iron proteins)、醌(qu-inols),尤其是半醌(semiquinols)等发生氧化还原的能障(en-ergy barier)是很低的,常常直接启动O2的单电子还原(one-electron reduction),产生O2-。
在电子传递给末端氧化酶之前漏出呼吸链与氧反应生成超氧自由基的过程是线粒体产生ROS的主要来源。
一些酶系统通过细胞色素C氧化酶和交替氧化酶(alternative oxidase,AOX)还原氧分子。
在动物线粒体中黄素单核苷酸(FMN)和复合物Ⅰ中NADH脱氢酶的铁硫中心是超氧阴离子产生的部位。
复合物Ⅰ不仅能增加活性氧的含量,也能控制活性氧在整个细胞中的浓度;但复合物Ⅰ对泛醌即辅酶Q的过度还原会产生相反的作用,即形成大量的活性氧。
在复合物Ⅲ中过度的还原也会产生大量的超氧化物阴离子(O2-)。
大部分超氧阴离子(O2-)在Mn-SOD的作用下可以有效地转变成过氧化氢,然后过氧化氢与铁或铜离子反应生成OH。
铁硫蛋白也可通过释放铁离子进行同样的反应。
同时,高分子和大分子成为其他活性氧攻击的目标,例如,在膜脂或线粒体DNA合成过程中起作用:线粒体中的染色体是以染色质的形式存在,同时DNA修复的低频率性使线粒体DNA比核DNA更易受到氧化损伤。
恶劣的外界环境条件同样会使植物体遭受氧胁迫,例如,病原体入侵,细胞凋亡,盐胁迫以及大量金属离子的累积都可以导致活性氧的形成。
尽管活性氧使线粒体代谢失衡,但是它们构成了细胞内的信号通路,特别在细胞核DNA转录调控中起到了很大作用。
2线粒体蛋白组分析线粒体中的生物系统与细胞质和叶绿体中的生物系统具有相似性,但植物线粒体也有自己独特的特征。
大规模蛋白质组学研究已经完成,该研究旨在阐明各细胞器中生物系统进化是否有相关性,特别是当处于胁迫情况下时它们之间的相关性[6,7]。
许多线粒体蛋白被认为是过氧化酶的靶分子,并且一些蛋白以氧化的形式存在[8,9]。
当氧化发生在半胱氨酸和甲硫氨酸时,氧化可以可逆的影响酶的活性,而且以此方式参与信号通路。
当氧化发生在其他氨基酸时,肽链就会断裂并且对蛋白酶的攻击也就加强,这样就会影响线粒体代谢。
当蛋白质遭受氧化损伤时,在线粒体的提取物中可以发现蛋白质断裂后的产物,同时线粒体中的多种蛋白质也会发生改变。
在氧化胁迫情况下,三羧酸循环中的酶和含Fe-S聚簇的酶很可能是第1个作为氧化的靶分子遭受氧化损伤[10]。
3线粒体能量释放系统交替氧化酶(AOX)和解偶联蛋白(UCP)是线粒体中2种能量释放系统,它们由多基因家族编码,具有不同的表达和调控方式。
线粒体膜蛋白之间良好的协调关系将有助于它们减少由于电子传递链过度还原产生的活性氧。
它们的调控很可能会影响三羧酸循环过程[11,12]。
由于对AOXs和UCPs多样性研究的逐渐增多,植物线粒体中它们的不同功能在不久的将来可能出现。
它们在线粒体产生的氧化胁迫上能起到很好的保护作用,但不能阻止伤害的产生。
4抗坏血酸抗坏血酸是一种小分子的抗氧化物,在植物细胞中具有很高的浓度,具有很强的抗氧化能力,通常浓度在10~100mg/L之间,但在特殊的情况下,浓度可高达300mg/L。
因此,抗坏血酸在细胞氧化还原反应和代谢调控上起到了很突出的作用。
抗坏血酸在线粒体以及细胞的其他部位均存在,浓度相当,但在叶绿体中的含量较多。
而且与在其他细胞器中一样,在线粒体中以还原态存在。
现已经证实抗坏血酸-谷胱甘肽循环在线粒体中的存在,并且可以调节自身内部过氧化氢的浓度,其中谷胱甘肽(glutathione,GSH)、抗坏血酸(ascorbic acid,AsA)、脱氢抗坏血酸还原酶(dehydro-ascorbate reductase,DHAR)、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase,GR)均存在于线粒体基质中,单脱氢抗坏血酸还原酶(monodehydroascorbate reductase,MDHAR)和抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)则存在于线粒体膜上[13,14]。
抗坏血酸进入线粒体的形式至今没有得到证实。
但需要注意的是催化合成抗血酸的酶定位于线粒体内膜上(Bartoli et al.,2000)。
在线粒体的膜间隙中抗坏血酸合成,被氧化后进入基质中,进入循环后被还原,接着在APX催化下还原型的抗坏血酸将过氧化氢还原成水,同时ASA变成DHA;DHA通过循环,在2分子GSH作用下被还原成ASA,同时GSH被氧化成GSSG。
5酶促ROS清除系统5.1SOD和过氧化氢酶(catalase)线粒体基质中含有Mn-SOD,它催化超氧阴离子自由基还原成过氧化氢,同时Mn-SOD也保护着基质中可溶性酶被超氧阴离子氧化。
但是生成的过氧化氢的清除机制仍不是很清楚。
5.2GSH和硫氧还蛋白(TRX)的线粒体系统GSH在线粒体基质中的浓度高达107 。
在线粒体脊发现了GSH还原酶,但是人们仍然认为GSH合成通路不存在于线粒体中。
在细胞器之间的间隙存在GSH存储池,不同的载体可以从细胞溶质中吸收GSH来维持GSH的含量。
GSH 可以保护蛋白免受氧化损伤。
GSH的不可逆内收保护了半胱氨酸免受过氧化的损伤。
由于谷胱甘肽化的蛋白质没有活性,因此,谷胱甘肽化的蛋白质成为氧化胁迫的一种调节方式。
在动物线粒体中,GRX调节谷胱甘肽化和非谷胱甘肽化。
目前,GRX在植物线粒体中还没有被正式认定,但是几种序列都支持线粒体的转运肽,而且可能这些蛋白质现在存在于线粒体中[15]。
5.3GRX和TRX在线粒体中的靶分子随着植物中GRX和TRX系统的发现,对它们作用对象的寻找和分析以及它们在器官和分子水平上的作用成为日益关注的问题。
TRX系统不仅与在细胞的组成物中发现的物质具有相似性,而且还与一组特殊的线粒体酶相互作用。
由于半胱氨酸标记方法,单半胱氨酸GRX和TRX突变体的应用,双向电泳和荧光探针,使它们得到了证实。
对分离多肽的光谱测定,鉴定了GRX和TRX的靶分子。
TRX 很可能以多种方式调节着很多种线粒体酶。
在不同的靶分子中,区别酶分子的不同是可能的,此需要TRX具有催化作用和再生功能,最重要的是具有氧化还原酶和底物酶。
第1类不依赖TRX的酶有:过氧化物还原酶(peroxi-redoxins,PRXs)、核苷酸还原酶(ribonucleotide reductase)、蛋氨酸亚砜还原酶(methionine sulfoxide reductase,MSR)、植物的谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidases,GRXs)。
MSR 存在于人类的线粒体中,而在植物中至今没有发现。
PRX几乎存在于所有细胞中。
植物的PRX通常有4种类型,即PRXⅡ、2-CysPRX、1-CysPRX和PRXQ,其中PRXⅡ是最大的一种,从生物体和细胞水平上考虑,GSH或GRX或TRX均可以单独还原PRXⅡ;2-CysPRX存在于哺乳动物组织细胞的线粒体中,但在植物中却没有报道。
除了上述的4种类型外,最近又发现了第5种不依赖TRX的过氧化物酶,它属于GPX蛋白;在植物中GPX蛋白很可能与TRX作用而不与GSH作用,并且从序列分析得知,植物线粒体中至少含有它的1种异构体。
通过绿色荧光蛋白融合技术,在活体外部观察到了GPX存在于线粒体中,是细胞质或叶绿体的TRX还原了线粒体的电子供体而不是线粒体本身的TRX还原的[14,15]。
这样,就像其他细胞中的一样,PRX家族和其伴侣在线粒体中形成了一个很复杂的网络结构,以调控不同环境中ROS的浓度变化;另外,它们很可能在氧化还原和信号转导上起作用,还需要进一步研究。
线粒体中有一类可以被TRX调控的蛋白质,这些蛋白质作为TRX的靶分子,其存在于许多代谢过程中,包括柠檬酸循环、光呼吸作用、脂肪酸代谢、激素调节过程、硫或氮代谢、转运调控和蛋白组装上。
PCD中的与渗透性转变小孔形成有关的阴离子通道载体是最有意义的靶分子,但是研究最多的靶分子是AOX。
在电子传递链上,AOX是一种铁蛋白,催化氧气还原为水,同时泛醌被氧化,但是不形成三磷酸腺苷。
当线粒体处于胁迫时,AOX可以阻止泛醌的过度还原,减少超氧阴离子自由基的产生和氧化胁迫。
AOX以2分子复合物的形式存在,锚定于线粒体内膜,有保守的半胱氨酸,当2个半胱氨酸被氧化形成二硫键,发生二聚化,即酶失活[14,15]。
以上这些都说明,在线粒体基质中,存在一个交叉点,可以将TRX调控系统和ETC的氧化还原状态与线粒体膜联系起来。
6结束语由于科学的进步和新的实验方法的出现,使得人们对线粒体的认识正在逐步深入。
这些都归于从不同植物,甚至从模式植物中纯化线粒体方法的提高,在蛋白质组学的研究上也出现了新的方法。
因此,对线粒体中各种代谢途径与抗氧化关系的研究将是以后研究的方向。