歧化反应·过氧化氢酶catalaseCAT

第十七章氧化应激的生物化学第一节氧化应激的生物化学基础一、氧化应激的概念机体活性氧产生过多和/或机体抗氧化能力降低，氧化系统和抗氧化系统平衡紊乱，从而导致活性氧在体内增多并引起细胞氧化损伤的病理过程称为氧化应激（oxidativestress,OS）。活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)ROS是一类由氧形成、并在分子组成上含有氧且化学性质比氧自身活泼的物质的总称。ROS包括超氧阴离子(O2)、羟自由基(·OH)、过氧化氢(H2O2)和过氧亚硝酸根（ONOO-）等。活性氮(reactivenitrogenspecies,RNS)NO及其生物体内继发性产物的统称。RNS包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)和过氧化亚硝酸盐(ONOO-)等。自由基（freeradical）•自由基是单独存在的，具有不配对电子的离子、原子、分子基团。•特点：最外层电子轨道上具有不配对电子。化学性质十分活泼，极易与周围分子发生反应，具有多种生物学活性。二、氧化应激产生的原因（一）引起氧化应激的常见活性氧种类氧化应激的应激原是活性氧，它包括氧自由基(O2，·OH)，过氧化氢(H2O2)，单线态氧(singleoxygen，1O2)和脂过氧化物(LOOH)及其裂解的产物LO·，LOO·等。（二）引起氧化应激的常见原因1.ROS过多（1）外源性因素①加热②电离辐射③环境化学污染物④细菌感染（2）内源性因素①O2的产生②·OH的产生③吞噬细胞中活性氧的产生④一氧化氮（NO）的产生⑤脂质过氧化作用·①O2的产生·通过线粒体的辅酶Q·半醌、内质网膜上细胞色素P450和Hb、肌红蛋白、肾上腺素等自氧化作用均可产生O2SQ·+O2→Q+O2.··黄嘌呤氧化酶黄嘌呤＋2O2＋H2O尿酸＋2O2＋2H+酶促氧化过程中均可产生O2•胞液中的黄嘌呤氧化酶与醛氧化酶•线粒体中的黄素蛋白酶•内质网中的NADPH-细胞色素P450还原酶•质膜上的NADPH氧化酶等··氧化酶NADPHNADPH+O2NADP++O2+H+·②·OH的产生O2+O2+2H+H2O2+O2(歧化反应)··O2＋H2O2O2＋·OH＋OH－(Fenton反应)主要是通过Fenton反应由O2直接衍生形成：·歧化反应是指反应中的某种底物既能作为还原剂供应电子，又可作为氧化剂接受电子。上述反应中的O2就承担这种角色，故属于歧化反应。·SOD过度金属离子·过氧化物酶体中多种需氧脱氢酶催化生成的H2O2，如不迅速被分解，在Fe2+的催化下也可生·OH。H2O2＋Fe2++H+·OH＋H2O＋Fe3+③吞噬细胞中活性氧的产生NADPH+O2+H+NADP++H2O2H2O2＋Cl－H2O＋OCl－OCl－＋H2O2H2O＋1O2＋Cl－氧化酶NADPHNADPH+O2NADP++O2+H+·PKCMPOMPO④一氧化氮（NO）的产生L-精氨酸+O2NO+胍氨酸⑤脂质过氧化作用(lipidperoxidation)机体通过酶促反应和非酶促反应产生的活性氧，能攻击生物膜磷脂中的PUFA，引发一种自由基链式反应，链式地产生脂质过氧化物(又称脂氢过氧化物)，这种作用就称为脂质过氧化作用。NOS2.抗氧化物质减少(1)维生素缺乏:VitA、VitC、VitE(2)微量元素缺乏:硒、铜、锌、锰(3)营养不良(4)遗传缺陷(5)年龄三、氧化应激对机体的生理作用（一）参与某些重要生物活性物质的合成1．促进前列腺素的合成:·OH、O22．参与脂肪加氧酶的催化作用：ROS3．参与胶原蛋白的合成：O2、·OH、H2O2、或1O24．参加凝血酶原的合成：O2···（二）参与机体免疫防御作用1．增强白细胞的吞噬功能，提高杀菌效果白细胞在吞噬细菌的过程中，对氧的消耗量激增，会产生大量的O2和H2O2，两者还会进一步产生·OH，这些活性氧对病原菌都有很强的杀灭效果。·OH还可引发被吞噬细菌的不饱和脂肪酸降解，降解终产物丙二醛也是一种强力杀菌剂，足以致细菌死亡。2．杀伤外来微生物和肿瘤细胞NO·和O2氧化性非常强，具有很大的细胞毒性，对于杀伤外来微生物和肿瘤细胞非常有意义。··（三）参与肝脏的解毒作用外来物质通过细胞色素P450的羟化作用达到解毒作用，O2参与了羟化作用。（四）参与血管壁松弛而降血压NO是精氨酸在酶作用下形成的一种信号化合物，还作为细胞松弛因子而松弛血管壁，降低血压。·四、氧化应激对机体的损害效应（一）氧化应激对脂类和生物膜的破坏•PUFA受到ROS的攻击并引生脂质过氧化作用，形成LOOH。LOOH在有氧条件下不稳定，能进一步分解生成一系列产物，如MDA、HNE，包括形成新的ROS等。•脂质过氧化作用还可通过链式反应，使活性氧的作用得以放大，导致脂类分解产物的形成增加，从而使细胞膜的流动性降低和通透性增大，最终导致细胞结构和功能的改变。•血管壁处的氧化应激可引起LDL氧化修饰，ox-LDL不能被LDL受体识别、代谢，而被单核巨噬细胞通过细胞膜上的清道夫受体摄取，形成泡沫细胞和动脉粥样硬化脂质斑块。（二）氧化应激对蛋白质的损害1.攻击蛋白质中有些氨基酸,攻击后它们可变成其它成分。2.蛋白质的肽链断裂3.蛋白质交联4.破坏空间结构•蛋白质受ROS攻击后必然生成羰基（-C=O）衍生物，所以羰基化的蛋白质是细胞氧化损伤重要的生物标记物，羰基化水平是评价蛋白质总的氧化程度的常用方法。但它并非蛋白质氧化的特异性指标。•蛋白质中的酪氨酸被ONOO-硝基化生成3-硝基酪氨酸（3-nitrotyrosine，3-NT）。通过检测3-NT可判断体内硝基化损伤的情况。氧化应激对酶的活性的影响①破坏酶的活性中心，有些酶的活性中心含有巯基，自由基可使巯基发生氧化，破坏了酶的活性中心，从而使酶丧失活性。②通过链式反应，使酶分子发生聚合，酶活性下降。③通过LOOH中的MDA使酶分子发生交联，影响酶的活性。④通过氧化作用直接破坏酶分子中的氨基酸，使酶活性受损。（三）氧化应激对核酸和核酸和染色体的损害1.ROS可从DNA链上的戊糖夺取其氢原子，使C4成为有未配对电子的自由基，然后该自由基在其β位置上发生链的断裂，从而使核酸分子结构的完整性被破坏，发生遗传突变。2.自由基与碱基发生加成反应。通过碱基修饰使原有DNA的成分和结构发生改变，从而影响遗传信息的正确表达。3.丙二醛很容易在富含游离氨基的组蛋白之间产生交联，从而在双股DNA链之间形成股间交联，股间交联的形成限制了DNA的解链，导致DNA的复制，转录发生障碍，使遗传信息表达受阻。•8-羟基-脱氧鸟嘌呤（8-hydroxy-2’-deoxyguanosine，8-OHdG）是公认的DNA氧化损伤的标志物，并用来估计氧化应激相关肿瘤发生的危险性。•机体还一些嘌呤或嘧啶碱基直接脱去的反应，从而形成核酸中无嘌呤(apurinic)和脱嘧啶(apyrimidinic)位点，统一简称为AP位点。（四）氧化应激对糖分子的损害•蛋白质氨基酸残基与还原性糖基的相互作用最终形成糖-蛋白交联物。•使细胞膜中的糖分子羟基化，破坏细胞膜上的多糖结构，影响细胞功能的发挥。•通过氧化降解使多糖破坏，影响组织功能。五、抗氧化应激损伤的防御系统(一）抗氧化酶类1.超氧化物歧化酶（SOD）2.过氧化氢酶（CAT）3.硒谷胱甘肽过氧化物酶（SeGSHPx）4.谷胱甘肽硫转移酶（GST）1.超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)SOD是金属酶，包括三种同工酶•CuZn-SOD在真核细胞胞液中，以Cu2+-Zn2+为辅基•Mn-SOD在原核和真核细胞的线粒体中，以Mn2+为辅基•Fe-SOD在原核细胞中，以Fe3+为辅基SOD2O2+2H+H2O2+O2（歧化反应）·2.过氧化氢酶(catalase,CAT)CAT2H2O2H2O+O2可清除O2的歧化产物H2O2·3.硒谷胱甘肽过氧化物酶(seleniumdependentglutathioneperoxidase,SeGSHPx)•还发现一新的硒酶：PHGSHPx，称磷脂氢过氧化物谷胱甘肽过氧化物酶，能清除生物膜上的磷脂氢过氧化物，防止生物膜的脂质过氧化•PHGSHPx是单体酶•SeGSHPx是由4个相同亚基构成的寡聚酶LOOH(H2O2)＋2GSHLOH(H2O)+H2O＋GSSGSeGSHPx可清除LOOH或H2O2，抑制自由基的生成4．谷胱甘肽硫转移酶(glutathioneS-transferase,GST)属不含硒的谷胱甘肽过氧化物酶，只清除LOOH，而不能清除H2O2。LOOH＋2GSHLOH＋H2O＋GSSGGST1.脂溶性抗氧化剂2.水溶性小分子抗氧化剂3.蛋白性抗氧化剂（二)抗氧化剂⑴维生素E清除O2、·OH、脂过氧基LOO·及1O2，防止脂质过氧化。·⑵β-胡萝卜素清除1O2、LOO·、O2、及·OH，防止脂质过氧化。·⑶辅酶Q既参与自由基的生成也具有抗氧化作用，CoQH2较氧化型的抗氧化作用强。⑷固醇类激素雌激素可能与结构中的酚基相关，但大剂量可生成O2，诱导肿瘤发生。·1.脂溶性抗氧化剂VC还可与维生素E自由基(VE·)反应，使其恢复为还原型维生素E，而本身变成VC·，后者可由依赖于NADH的氧化还原酶系统还原成VC。VC与VE两者有协同作用。因此VC的总效果与其浓度有关。VC的不利作用：将Fe3+还原成Fe2+，H2O2存在时，可通过Fenton反应形成·OH；但它又可清除·OH。⑴维生素C(又称抗坏血酸)能直接与·OH、O2和1O2作用，是机体重要的活性氧清除剂。·2.水溶性小分子抗氧化剂H2O2＋2GSH──→GSSG＋2H2OLOOH＋GSH──→GSSG＋LOH＋H2O·OH＋GSH──→H2O＋GS·2GS·──→GSSG⑷色氨酸代谢产物3-羟犬尿酸，黄尿酸和3-羟邻氨基苯甲酸等均含有酚羟基，抑制脂质过氧化作用。⑵谷胱甘肽(GSH)为H2O2、LOOH、·OH和1O2重要清除剂。⑶尿酸清除1O2和·OH，抑制脂质过氧化。⑴铜蓝蛋白具有亚铁氧化酶活性，能催化Fe2+氧化成Fe3+，抑制由Fe2+催化H2O2生成·OH的反应，从而防止·OH引发的脂质过氧化作用。铜蓝蛋白还是吞噬细胞呼吸爆炸生成的氧代谢产物O2和OCl－的主要清除剂。·3.蛋白性抗氧化剂⑵清蛋白结合的胆红素有效地清除1O2、O2和LOO·。•保护与清蛋白结合的不饱和脂肪酸和清蛋白本身免受活性氧损伤。•肠道的抗氧化剂，保护维生素A和不饱和脂肪酸免受氧化破坏。•胆红素在mol/L浓度时即能保护血浆蛋白免受过氧亚硝酸致的氧化修饰，或通过清除自由基减轻血浆蛋白损伤。·