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自由基与谷胱甘肽过氧化物酶
2009-06-15 14:58   发布范围:公开

口腔医学系二队陈敏


【摘 要】生物体内的氧化代谢会产生少量的自由基,体内的抗氧化系统能及时清除以维持自由基的代谢平衡。但是在一些损伤因素的作用下可诱导体内大量自由基的堆积,细胞中抗氧化保护机制不足时,使活性氧产生堆积并对细胞产生毒性,从而产生氧化和抗氧化的不平衡状态,这种状态称为氧化应激。谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)是生物机体内重要的抗氧化酶之一,它可以消除机体内的过氧化氢及脂质过氧化物,阻断活性氧自由基对机体的进一步损伤,是生物体内重要的活性氧自由基清除剂,本文对谷胱甘肽过氧化物酶的研究进行了综述。

【关键词】自由基;谷胱甘肽过氧化物酶


0 前言

    谷胱甘肽是人体细胞的小分子物质,是由三种氨基酸(谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸)所组成的三肽。根据科学研究表明:它是人类赖与生存的基本物质,他在人体内含量水平的高低直接影响到人的健康程度和寿命长短,要健康长寿,就必须提高谷胱甘肽在体内的含量水平。

通常生物体内的氧化代谢会产生少量的自由基,体内的抗氧化系统(抗氧化剂和自由基清除酶类)能及时清除以维持自由基的代谢平衡。但是在一些损伤因素的作用下,如缺血[1]、缺氧[2]、离子辐射[3]、紫外线照射[4]、化疗药物[5]、化学试剂[6]等可诱导体内大量自由基的堆积,细胞中抗氧化保护机制不足时,使活性氧产生堆积并对细胞产生毒性,从而产生氧化和抗氧化的不平衡状态,这种状态称为氧化应激。现代医学认为,活性氧在体内堆积与白内障[7]、克山病[8]、心脑血管疾病[9]和炎症[1011]等发病机制密切相关。所谓活性氧就是主要由氧组成的、性质活泼、氧化性强的物质的总称。主要包括羟基自由基、超氧阴离子自由基、过氧化氢、脂质过氧化物和单线态氧等。活性氧自由基对机体造成的最大损害是使脂质过氧化。生物膜上的许多不饱和脂肪酸对活性氧自由基的进攻非常敏感,而且一旦反应启动,就会以连锁反应方式进行下去,造成大量脂质过氧化物的产生。这些过氧化物被断裂成不同大小的醛类分子,对细胞产生很强的毒性,使生物膜的结构发生改变,进而影响其功能,如使膜的流动性下降、通透性改变、膜运输过程紊乱等等[12]。羟基自由基、超氧阴离子自由基、过氧化氢和脂质过氧化的不稳定中间体统称为活性氧自由基(ROS)。

整个防御体系包括酶学机制和非酶学机制。在酶学防御体系中包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)等。SOD歧化O-·2为H2O2。CAT催化分解H2O2为H2O和O2。GPX利用GSH还原氢过氧化物为H2O或醇类化合物。非酶学机制主要是一些低分子量的抗氧化分子,如α2生育酚、Vc和GSH。GSH通过2种方式发挥抗氧化作用:一是直接与自由基反应,自身则氧化成氧化型谷胱甘肽(GSSG),还可使α2生育酚再生而间接发挥作用;二是GSH作为GPX底物发挥抗氧作用。谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)是生物机体内重要的抗氧化酶之一,它可以消除机体内的过氧化氢及脂质过氧化物,阻断活性氧自由基对机体的进一步损伤,是生物体内重要的活性氧自由基清除剂,它以硒代半胱氨酸(Sec)的形式发挥作用,以谷胱甘肽(GSH)为还原剂分解体内的脂质过氧化物,因而可防止细胞膜和其它生物组织免受过氧化损伤。它与体内的超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)一起构成了机体的抗氧化防御体系。

1  GPX

    GPX是在哺乳动物体内发现的第一个含硒酶,它于1957年就被Mills首先发现[13],但直到1973年才由Flohe和Rotruck2个研究小组确立了GPX与硒之间的联系[1415]。GPX可以催化下述反应:

ROOH+2GSH→ROH+H2O+GSSG(1)

H2O2+2GSH→2H2O+GSSH(2)

GPX的催化基团是Sec,它由终止密码子UGA编码,对它的研究拓展了人们对遗传密码的认识,Sec也因此被人们称作第21种氨基酸[16],Sec在原核和真核生物中的表达略有不同,但是它们的表达都依赖于mRNA中特殊的二级结构[17]。它具有清除脂质过氧化物(RO防御系统,有预防畸变、防止细胞膜和其它生物组织免受过氧化损伤的重要生物学功能,因此对GPX的结构与功能、催化机制及GPX的实际开发应用研究具有重大意义。

2 GPX的结构

    GPX是一个酶超家族,在这个家族里有2个酶的晶体结构已解。它们是牛cGPX和人的phGPX。尽管2个酶属于不同的种类,但它们的亚基结构非常相似。牛cGPX是由2条同样的链构成。图2为牛cGPX的二级结构[18]:根据X-射线晶体衍射结构分析结果,GPX一个亚基的30~40,140~150,63~70与另一亚基的63~69位氨基酸残基在表面形成一个扁平的凹槽,硒代半胱氨酸就位于这个凹槽底部,是酶的催化中心,该凹槽区是酶分子的活性部位。Trp)与Gln272同对硒代半胱氨酸起稳定作用。在进行晶体结构研究时,Epp等人对GPX与底物GSH的相互作用也进行了详尽的研究。他们发现,在还原条Sec与GSH通过(Se2S)桥共价连接。在酶的活性部位中,对底物结合起重要作用的残基包括Arg167、Arg40、Gln130和Trp148。谷氨酰胺残基上的羧基与Arg167的胍基产生静电作用,而C端的游离羧基与Arg40形成一个盐桥。这一模型与Flohé等人的研究成果一致。Flohé等人认为GSH的2个羧基对于GPX与GSH的相互作用十分重要。

3  GPX的催化机制

    Flohe等人对牛血红蛋白GPX的催化机制进行了研究,认为GPX以GSH为底物催化氢过氧化物的反应为乒乓机制。硒是GPX中起氧化还原催化作用的唯一元素,以硒氢基(-SeH)的形式发挥作用,在催化过程中存在着一个价态循环,当氢过氧化物过量时,酶活性中心硒以硒酸形式存在(E2SeOOH)第一道防线是超氧化物歧化酶(SOD),它将O-·2转化为过氧化氢和其它氢过氧化物;第二道防线是过氧化氢酶(CAT)和GPX,其中CAT可清除过氧体系中的H2O2,而GPX分布在细胞的胞液和线粒体中,可同时清除H2O2和氢过氧化物。最奇妙的是微生物也利用GPX来抵御宿主的保护机制。在马铃薯的一种病毒Globodera rostochiensis中它能编码二种GPX,其中一种能分泌到细胞外,因为宿主被它感染后会生成一些自由基来清除它,它通过分泌GPX到胞外来抵抗宿主的保护机制。至少有4种GPX同工酶被发现。这些同工酶在位置分布、亚基结构、一级序列和酶学特点上显著不同。经典的细胞内GPX(cGPX)主要分布在组织的胞浆和红细胞,它催化还原H2O2和有机氢过氧化合物。磷脂氢GPX(phGPX)主要分布于胞浆内,部分与膜结合。它除了还原H2O2外,并还原磷脂氢过氧化物。第三类是血浆GPX(pGPX),它既能还原磷脂氢过氧化物又能还原H2O2。第四类GPX是胃肠道GPX(giGPX),它高表达于胃肠道粘膜上皮细胞。大量的证据表明cGPX能有效地新陈代谢细胞内的H2O2,特别是细胞内或细胞器的CAT含量很低或缺乏时。PHGPX是必不可少生物膜组成成分,它阻止生物膜的非专一性的磷脂过氧化。现在又有一种新的GPXP被发现,它存在于植物中被命名为OsGPX,它是由环境胁迫诱导产生。

4 结语

谷胱甘肽过氧化物酶是机体抗氧化防御体系中重要的酶之一,能清除H2O2防止细胞脂质过氧化,延缓生命衰老。自由基学说是现代抗衰老学说中的一种。自由基学说认为自由基能使细胞受到损害,导致人体衰老和死亡。同时,这种学说还认为凡能抑制和消除自由基的物质,均具有抗衰老作用。因此研究和完善自由基学说,筛选能防御自由基损害的抗衰老药物,对防治老年病和提高人类生存质量,延年益寿有着不可低估的作用。综上所述,人体产生的自由基能加速人体衰老和死亡,而抑制和清除自由基能延缓人体衰老过程。因此研究和应用抗氧化剂和抗氧化酶类药物,防御自由基对人体的健康损害有重要的现实意义。

参 考 文 献

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