活性氧对蛋白质的损伤作用
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活性氧对蛋白质的损伤作用 fZ毒旨6) 李培峰方允中
(军事医学科军两卓面j面E京l..850/《 , 一.1一
关键词兰兰兰蛋盾.兰..
活性氧是由氧直接或间接转变的氧自由.失活机理不同,如抗坏血酸一Fe\"所致磷酸葡
基及其衍生物,它们包括氧的单电子反应产萄糖变位酶失活与酶分子中磷的丢失有关,
物O,HO,HO,?OH及其衍生物O及但所致磷酸甘油酸变位酶的失活则不伴有磷 脂质(LH)过氧化中间产物LO?,LO,的丢失.(2)不同活性氧体系所致同一种酶的 LOOH等比氧活泼的物质.生物体内活性氧失活机理也不同,如H.O.所致铜锌超氧化
的生成与清除处于动态平衡状态,当各种团物歧化酶失活与酶分子中cu还原成cu一
素打破这一平衡而致活性氧浓度超过生理限有关,而抗坏血酸一Fe所致该酶失活与酶分
度时就会损伤生物大分子由于蛋白质种类子中Cu的丢失有关(3)在活性氧所致蛋 多,且广泛分布于细胞内外,故极易受到活性白质损伤中,过渡态金属离子Fe或Fe.和
氧攻击,其中当具有催化活性的酶或具有信Cu等发挥着重要作用目前认为Fe或
息传递作用的受体受到损伤后,还可将活性cu一可结合到蛋白质分子上形成蛋白质一
氧的损伤效应放大.目前,活性氧对生物大分Fe*或蛋白质一cu复合体,不同蛋白质或酶
子特别是对蛋白质的氧化损伤是自由基生物分子中结合金属离子位点的数目各不相同,
学与医学的前沿研究领域研究发现各氨酰胺合成酶与铜锌超氧化物歧
l,活性氧生成体系及氧化损伤的蛋白质化酶有两个结合位点,牛血清白蛋白有三个
活性氧生成体系有许多种,以体外和体结合位点.活性氧首先攻击连接金属离子的 内来划分的活体外因素有电离辐射,吸入Os氨基酸或其邻位氨基酸,因此,由金属离子介
等,体内有线粒体的电子传递,微粒体细胞色导的氧化损伤被称作\"定点氧化损伤\" 素P一450氧化,某些酶促反应及吞噬细胞的2.2肽链断裂
呼吸爆发等几乎所有的蛋白质或酶均可被活性氧所致蛋白质肽链断裂方式有两 活性氧氧化损伤,只是受损的程度取擞于活种,一是肽键水解,另一是从一碳原子处直
性氧的浓度及作用时间.人血清和牛血清白接断裂.究竟系何种方式取擞于活性氧和蛋
蛋白,人IgG,黄嘌呤氧化酶,铜锌超氧化物白质的类型,浓度及二者之间的反应速率.肽
歧化酶,磷酸葡萄糖变位酶,谷氨酰胺合成酶键的水解常发生在脯氨酸处,其机制为活性
等蛋白质或酶均可因活性氧作用而发生结构氧攻击脯氨酸使之引入羰基而生成a一吡咯
和功能的理化和免疫学性质改变烷酮,经水解与其相邻氨基酸之闻断开,一吡 2,蛋白质损伤后的特征咯烷酮成为新的N一末端,它可进一步水解生 2.1.功能降低或丧失成谷氨酰胺肽链直接断裂的方式是活性氧
酶区别于其它蛋白质的显着特征是它具攻击a一碳原子生成a一碳过氧自由基,
后者可
有催化功能,经活性氧氧化损伤后的酶活性转化成亚氨基肽,经弱酸水解生成铵基,酸和
降低或丧失活性氧所致酶失活的机理有以双羧基化合物在活性氧所致铜锌超氧化物
下特点:(1)同一活性氧体系作用于不同酶其歧化酶肽链断裂中,H.Oz以肚键水解方式使
该酶肽链断裂,而抗坏血酸一Fe则是直接从 a一碳原子处使肽链断裂. 2.3.蛋白质交联
蛋白质分子中半胱氨酸的一SH可被氧化 形成二硫键,酪氨酸可氧化形成二酪氨酸,这 样可造成蛋白质交联.交联有两种形式,即分 子内交联和分子间交联.对于某一种蛋白质 而言究竟以那种形式交联取决于其分子中半 胱氨酸和酪氨酸的数目.牛血清白蛋白中酪 氨酸含量较高,因而易发生分子间交联,铜锌 超氧化物歧化酶分子中仅含有四个酪氨酸分 子,因而观察不到分子间交联. 2.4氨基酸残基的转化及电荷的变化 经活性氧氧化的蛋白质分子中组氨酸, 精氨酸,脯氨酸,赖氨酸,苏氨酸及丝氨酸含 量常降低,而谷氨酸,天冬氨酸和甘氨酸含量 常增多.研究发现减少的氨基酸并不是从肽 链中脱落丢失,而是其侧链基团经活性氧攻 击发生了转化,从而转化成其它的氨基酸.脯 氨酸和精氨酸残基可转化生成谷氨酰半醛残 基,脯氨酸残基还可转变成焦谷氨酰半醛或
顺/反一4羟基脯氨酸残基,组氨酸可转变成 谷氨酰胺或谷氨酸残基,蛋氨酸可转变成二 硫甲酰氨酸残基.
由于氧化型蛋白质中碱性氨基酸(如精 氨酸,组氨酸,赖氨酸)的减少及酸性氨基酸 (如谷氨酸,天冬氨酸)的增多,使酶分子中正 电荷减少而负电荷增多,因此,氧化型蛋白质 的等电点往往下降. 2.5.羰基的生成
活性氧氧化后蛋白质分子中有羰基的生 成,由于这一特征具有普遍性,因而通过测定 羰基含量可判断蛋白质是否被活性氧氧化. 羰基的生成是一非常复杂的过程,概括地讲 是氨基酸残基侧链中自由氨基或亚氨基经活 性氧攻击最终转变成醛基,并释放NHa.目 前,羰基测定方法常用的有四种:(1)2,4一二 硝基苯肼法;(2)硼氢化钠法{(3)荧光索肼 法;(4)荧光胺法.
《生命的化学}1994年第14卷第6期 2.6.构象变化
活性氧对蛋白质的氧化损伤涉及到其高 级结构.抗坏血酸一Fe\"可使谷氨酰胺合成酶 三级和四级结构改变,射线也可使牛血清 白蛋白二,三级结构破坏,抗坏血酸一Fe\"和 H.o氧化后铜锌超氧化物歧化酶中折叠 含量减少,无规则卷曲的含量增加. 2.7.免疫学性质变化
活性氧氧化后蛋白质的免疫学性质发生 改变.IgG经氧化后与葡萄球菌蛋白A的交
叉反应及与类风湿因子反应均显着增强.经 T射线照射或抗坏血酸一Fe\"及Ho处理后 铜锌超氧化物歧化酶与其相应抗体的反应也 呈增强变化.目前,活性氧所致蛋白质免疫学 性质变化的机理尚不清楚,可能与其构象或 疏水性增强有关. 3.蛋白质被氧化后降解
研究发现经活性氧氧化损伤的蛋白质很 容易被蛋白水解酶水解,而天然蛋白质则不 易被水解.实验证据有:(1)从鼠肝细胞浆,大 肠杆菌胞液和红细胞中提取到一种高分子量 蛋白酶,它可专一性地识别并降解经活性氧 氧化的蛋白质,由于该酶是新近发现的,因此 其名称尚未决定.(2)氧化型蛋白质易于被胰 蛋白酶,糜蛋白酶,胃蛋白酶,枯草杆菌蛋白 酶和组织蛋白酶D所降解.(3)活性氧可加 速大肠杆菌,肝细胞,心肌线粒体及红细胞中 内源性蛋白质降解速率.(4)氧化型蛋白质被 人,兔网织红细胞或大肠杆菌提取液降解的 速率比天然形式高5O倍.
由此可见,活性氧可以\"标记\"蛋白质使 之易于被蛋白酶所识别并降解.由于氧化型 蛋白质的降解是一新开展研究的领域,有关 这方面的报道及资料积累甚少,许多重大问 题如蛋白酶特异地识别氧化型蛋白质的机理 等尚不清楚.
4.活性蠢对蛋白质的氧化损伤与某些疾 病的关系
蛋白质或酶不仅是生物体的重要组成成
《生命的化学~>1994,年第14卷第6期 氧化应激与原核基因表达的调控 堕垦旦:丛一
(第军医大学自由基医学研究室,广州510515) 关键词氧化应激基因表达原核细胞
———————～r——————一●—————一 露在正常情况下,细胞中活性氧的生成和 消除处于平衡状态.当活性氧浓度超过细胞 消除能力时即产生氧化应激如氧化应激程 度超过细胞防御能力,过多的活性氧就会对 DNA,蛋白质和脂类造成损伤,出现毒性效 应.需氧生物为了减轻和防止活性氧损伤已 形成了复杂的氧化应激机制.随着分子克隆 技术的发展,在转录水平上对原核细胞氧化 应激基因反应的了解已取得很大进展.本文 就近年来有关原核细胞对氧化应激基因表达 调控的文献作一简要综述. 1.原核细胞对氧化应激的反应
细菌对各种不同的应激产生反应使一组 全局性调节基因(globallyregulatedgenes) 消除阻遏(derepression),至少有13种以上 基因系统(刺激子stimulons)在对不同应激 刺激剂反应中受到诱导.当氧化应激时,细菌 中两种刺激子,过氧化物(H0)刺激子和超 氧阴离子(0)刺激子,产生诱导作用. 1.1.H0.应激反应
暴露于H0或其它有机过氧化物时, 细菌至少有30种蛋白质的合成增加在大肠
杆菌(E.coli)和鼠伤寒沙门氏菌(s.typh.) 中,H0刺激子包括8～9种蛋白质.这些蛋 c:) )
白质受oxyR基因正性调控.编码这些蛋白 质的基因组成oxyR调节子.缺失oxyR基因 (oxyRA),细菌失去诱导这些蛋白质的能力 而在oxyR(con)突变株中,这些蛋白质的含 量有组成性升高.
随着H0.刺激子的消除阻遏,细菌获 得对H:0.应激的耐受能力.例如细菌经低 浓度Ho处理.对以后致死剂量H0攻击 有抵抗作用,与对照组相比,存活率增加. 1.2.0应激反应
用能生成0的百草枯处理细菌也能诱 导30种以上蛋白质.在这30种以上的o 刺激子蛋白质中至少有6种是由两个调节基 因(soxR和soxS)产物SoxR和SoxS调控 的.这两个基因的突变灭活使细胞失去诱导 这6种蛋白质的能力.因此SoxR和Soxs蛋 白质正性调控soxRS调节子基因.如同 H0应激反应一样,o应激反应能增强细 菌对以后致死浓度0攻击的耐受力.受到 0损伤的噬菌体对事先经或未经o处理 的细菌的接种效率是前者明显高于后者.因 为噬菌体是将裸DNA注入宿主.接种效率 的增加说明.0应激反应增加了细菌DNA 分.而且在生命活动中还担负着许多重要功 能.活性氧对其损伤势必会引发或加重某些
疾病的病理生理过程.研究已经证实衰老,恶 性肿瘤,动脉粥样硬化,糖尿病,某些自身免 疫性疾病,放射病,肺气肿,白内障等许多疾 病与活性氧所致蛋白质的氧化损伤有关. 活性氧对蛋白质氧化损伤随着自由基生 物学与自由基医学的发展受到广泛重视.取 得了可喜进展.但在这一领域,研究工作尚停 留在现象观察上.对于活性氧所致蛋白质结 构,功能及免疫学性质变化分子机制,氧化型 蛋白质降解途径等重要问题尚未阐明.在这 一
领域进行深入研究不仅有助于认识许多疾 病的发生发展过程.同时,对于抗氧化研究还 具有理论指导意义.
(本文1994年5月21日收到)
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