植物超氧化物歧化酶SOD的研究进展_精品文档.pdf

1、植物超氧化物歧化酶（!#）的研究进展马旭俊!，朱大海!，（!#哈尔滨工业大学生命科学与工程系分子与细胞发育生物学实验室，哈尔滨!$%!；#哈尔滨医科大学医学遗传学实验室，哈尔滨!$%&）摘要：超氧化物歧化酶（()*+,-./0+0/(1)23(+，456）在需氧原核生物和真核生物中广泛存在，是活性氧清除系统中第一个发挥作用的抗氧化酶。植物正常代谢过程和在各种环境胁迫下均能产生活性氧和自由基，活性氧和自由基的积累引起细胞结构和功能的破坏。456 岐化超氧物阴离子自由基生成过氧化氢和分子氧，在保护细胞免受氧化损伤过程中具有十分重要的作用。本文综述了 456 的功能、在细胞中的分布、表达调控和与植物

2、抗逆性的关系。关键词：超氧化物岐化酶；活性氧；功能；表达调控；植物抗逆性中图分类号：789$文献标识码：:文章编号：%$;8=（%;）%$:?)A)B!，CDE 63D3/!，（!#$%&#%&(%)*%+,-.+#&#/0 1,+.+#&2,3,+%45,/#+67%+%8(，2,4#&5,/%)7),9-7,/-,#/0:,-;/%+%8(，7.,%):,-;/%+%8(，7(，#&$7/!$%&，1;7/#）89/(4+(：4)*+,-./0+6/(1)23(+(（456(）3,+)F/G)/2-)(HI+.*,+(+0 3B2/-./03B2+BJI1+/B 3+,-F/K-,L3B/

3、(1(3B0 K323HIJ+0/(1)232/-B-M()*+,-./0+3B/-B 2-NI0,-L+B 3B0 1-H+K)H3,-.IL+B，2N+M/,(2(2+*/B 3K2/O+-.IL+B(K3O+BL/BL(I(2+1(#456(*H3I 3 K+B2,3H,-H+/B*,-2+K2/BL K+HH(3L3/B(2 2N+2-./K+MM+K2(-M,+3K2/O+-.IL+B(*+K/+(L+B+,32+0 0),/BL B-,13H K+HH)H3,1+23F-H/K 3K2/O/2I-,3(3,+()H2-M O3,/-)(+BO/,-B1+B23H(2,+(+(#PN

4、/(*3*+,+O/+Q(2N+.*,+(/-B 3B0,+L)H32/-B-M 9%0 L+B+(3B0 2N+/,M)BK2/-B3H,-H+（(）0),/BL 0+O+H-*1+B2 3B0/B,+(*-B(+2-(2,+(+(#:.;*46/：()*+,-./0+0/(1)23(+；,+3K2/O+-.IL+B(*+K/+(；M)BK2/-B；+.*,+(/-B,+L)H32/-B；*H3B2 2-H+,3BK+植物在整个生长发育过程中受到各种不良环境的影响，如大气污染物（二硫化物、臭氧等）、金属（铜、镉、铝等）、离子辐射、极端温度（高温或低温）、水分胁迫（尤其是在强光下）、强光、盐渍

5、和病原菌侵染等。这些非生理和生理胁迫均能导致细胞产生大量的活性氧，包括过氧化氢（D5）、羟自由基（#5D）、单线态氧（!5）、超氧物阴离子自由基（5#）、氧烷基（R5#）、过氧基（R55#）、氧化氮等。细胞正常的代谢过程如酶促反应、电子传递过程及小分子自身氧化等也能产生活性氧，一些亚细胞结构如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体是细胞内活性氧的主要来源。此外，5#如果不能及时清除，在S+T存在和一定的生理条件下，5#可促进 S+B2-B 反应的进行，使 D5转变为#5D，还可通过 D3F+,U+/(反应形成#5D，而#5D 是对细胞毒害性最强的一种自由基!。总之，细胞在正常代谢活动中和不利的环境条件下

6、均能产生活性氧。生物体经过长期进化形成了完善和复杂的酶类和非酶类抗氧化保护系统来清除活性氧。非酶类氧化物有!胡萝卜素、维生素:、生育酚（维生素 V）、抗坏血酸（维生素W）、谷胱甘肽、黄酮类化合物，以及一些渗透调节物质如脯氨酸、甘露醇等。其中 生育酚可抑制类脂过氧化，清除收稿日期：%9 !；修回日期：%=!=基金项目：黑龙江省科技厅攻关项目（X:%!Y!%!）作者简介：马旭俊（!8=9 ），女，在读博士研究生，专业方向：分子遗传学通讯作者：朱大海（!8$），男，博士，教授，博导，从事分子遗传学研究。V13/H：03N3/JN)ZN-213/H#K-1；P+H：%9$!9!&$遗传 ABA2=:C

7、9（6,7D7/8）$（）：$;!，%;!专论与综述万方数据!#$、%!#、%!#，猝灭&!；甘露醇对活性氧特别是!#$和#!的产生有抑制作用，对已经产生的#!具有清除作用。一些激素如细胞分裂素能清除!#$，使大豆种子在氧胁迫下仍能维持较高的活力(，最近发现褪黑素不仅在动物中存在，在植物中也存在并能有效清除多种活性氧)。植物抗氧化保护酶类有超氧化物歧化酶（*!+）、过氧化氢酶（,-.）、抗坏血酸过氧化物酶（-/0）、谷胱甘肽还原酶（1%）、谷胱甘肽过氧化物酶（1/0）、脱氢抗坏血酸还原酶（+-%）、单脱氢抗坏血酸还原酶（2+-%）等。其中*!+第一个参与活性氧的清除反应，在抗氧化酶类中处于核心

8、地位；-/0 和 1%是抗坏血酸谷胱甘肽循环中的关键酶，直接清除叶绿体内的!。此外，一些辅酶在抗氧化过程中也起到重要作用，这些辅酶包括 3-+/$醌氧化还原酶和 1*1$还原酶。最近发现在一些植物（如烟草）中存在的 456789 或 95:;，?。总之，在氧胁迫下酶保护系统和非酶保护系统的成员协同作用使细胞内的活性氧维持在较低水平，确保植物正常生长和代谢。细胞内活性氧的产生和清除始终处于一种动态平衡。当生物体中活性氧的产生大于活性氧的清除而打破这种平衡时，细胞内活性氧则急剧积累而使细胞受氧胁迫。由于这些活性氧基团外层自由电子的存在，活性氧比分子氧更活跃。许多研究表明活性氧对细胞有明显的毒害作用

9、，它们能与蛋白质、核酸和脂类发生作用而引起蛋白质失活和降解、+3-链断裂和膜脂过氧化等现象，从而导致细胞结构和功能的破坏。活性氧对蛋白质的损伤是通过羰基化和糖基化来实现的，氧自由基可与酶活性中心的巯基作用，将其氧化成二硫健，造成酶生物活性丧失。活性氧与+3-分子中的嘌呤、嘧啶、脱氧核糖作用，引起+3-单链或双链的断裂、降解和修饰，从而影响+3-的复制。活性氧中的#!直接诱发膜脂过氧化，导致膜组成成分比率改变，膜流动性下降，膜的生物学功能受到破坏。在动物中活性氧可导致细胞坏死、细胞程序性死亡、过敏反应、癌变或其他病理过程。在植物中活性氧会引起植物代谢失活、细胞死亡、光合作用速率下降、同化物的形成

10、减少，甚至造成植物品质下降和产量降低等严重后果。!植物#$的生物学功能&A?A 年，2:,B6C 和 D68CBE8:FG首先揭示了*!+的生物学功能。*!+是活性氧清除反应过程中第一个发挥作用的抗氧化酶，能将超氧物阴离子自由基（!#$）快速歧化为过氧化氢（!）和分子氧；在随后的反应中，!在过氧化氢酶（,-.）、各种过氧化物酶（如-/0）和抗坏血酸谷胱甘肽循环系统的作用下转变为水和分子氧。*!+对于清除氧自由基，防止氧自由基破坏细胞的组成、结构和功能，保护细胞免受氧化损伤具有十分重要的作用。细菌A和酵母&H!#$缺陷突变体对氧超敏感，氧环境甚至引起细胞死亡。在朱大海等的研究中，玉米$%!#在酵

11、母$%!#$缺失突变体中表达并恢复了酵母突变体对氧胁迫的耐受性&。大量研究表明*BC 在植物中的过量表达能够提高转基因植物对多种氧胁迫的耐受性。此外，最近对马铃薯 29*!+的生物化学研究表明，马铃薯的 29*!+还具有%3-结合特性，但这种%3-结合特性对酶活性影响不大。而细菌 29$和 D5$*!+不具有%3-结合能力，这说明马铃薯线粒体 29*!+除了具有清除超氧物阴离子自由基（!#$）的功能外，还具有参与基因的表达与调控等其他生物学功能&，这方面研究有待进一步深入。%植物#$在细胞内的分布*!+是一种含金属的抗氧化酶，在植物界普遍存在而且具有多种类型。这些不同类型的*!+具有不同的分子

12、质量和氨基酸序列，而且位于酶活性中心的金属原子也不同。根据*!+所结合的金属原子的不同，植物*!+可分为三种类型：29*!+、,IJK9*!+和 D5*!+。低等植物以 D5*!+和 29L*!+为主，高等植物以,IJK9*!+为主，,IJK9*!+主要位于细胞质和叶绿体中，29*!+主要位于线粒体中，D5*!+一般位于一些植物的叶绿体中。D5*!+和 29*!+在序列和结构上具有很高的同源性，,IJK9*!+与 D5*!+或 29*!+之间不存在同源性，*!+存在于植物细胞内所有能够产生活性氧的亚细胞结构中，在不同植物，以及同一细胞的不同亚细胞结构中*!+的类型和酶活性存在差异。植物 29*

13、!+同酵母和动物体内的 29*!+一样都与线粒体密切相关，它由核基因编码，在细胞质中合成蛋白质前体，蛋白质前体在线粒体前导肽作用下运输到线粒体内发挥功能&(。,IJK9*!+主要位于植物细胞质和叶绿体中&)，其中叶绿体,IJK9*!+由核基因编码，在细胞质中合成后由叶绿体前导肽引导进入叶绿体内，细胞质,IJK9*!+主要位于靠近液泡、细胞核、质外体的细胞质区&。!4M采用免疫组织化学和免疫电子显微镜技术，首次发现在菠菜叶肉细胞的细胞核中存在,IJK9*!+，它具有保护核+3-免受氧化损伤的功能。此外，在藻类和某些高等植物如白菜、拟南芥、烟草、水稻、柑橘中发现了 D5*!+的存在。除了细胞质、叶

14、绿体和线粒体这些亚细胞结构外，*!+还存在于乙醛酸循环体&?和过氧化物酶体中&。&植物#$的理化性质动物、植物和真菌中的,IJK9*!+是分子质量约为(N+卷万方数据!#和叶绿体$%&(!#由于在不同亚细胞结构中发挥功能，虽然它们在进化上起源相同，但仍存在一定差异)*。+#,-和氨基酸序列分析表明$%&(!#蛋白质分子上与金属原子相结合的位点十分保守：$%原子与./、01、22 和)30处的组氨酸相结合；(原子与 22、/4、*0 处的组氨酸和*/处的天冬氨酸相结合51，5)。大多数原核生物的 67!#和 8(9!#是同源二聚体，而植物等真核生物的 67!#和 8(!#是同源四聚体，组成 67

15、!#和 8(!#的每个亚基的分子质量约为 51:#;，而且每个亚基结合有一个 67&8(原子。67!9#和 8(!#具有同源性，它们与金属相结合的活性中心的碱基序列和三维结构也具有同源性。不同来源的植物 8(9!#同源性达 21以上，67!#同源性约 41，8(!#和 679!#之间约 01$,的抑制，679!#的酶活性只受=55的抑制，而 8(!#的酶活性不受=55和$,的抑制55。!植物#$基因的组织特异性表达在植物不同组织和不同发育阶段，不同的!#基因在表达上存在很大差异，这可能与它们所编码的!#所在的亚细胞位点有关，线粒体内氧自由基增加往往引起$%!#基因的表达，叶绿体内氧自由基的增加

16、常引起&!#基因表达，细胞质氧自由基增加会引起细胞质()*+%!#基因的表达53。在高等植物中研究得最清楚的是玉米!#同工酶系统，遗传学和分子生物学研究表明玉米!#同工酶是由 4 个不 同 的 核 基 因 编 码：!#,、!#-、!#.、!#/、!#/0 和!#15.?54，其中!#-、!#/、!#/0 和!#1 编码细胞质$%&(!#，!#,编码叶绿体$%&(!#，!#.编码线粒体 8(9!#。朱大海等对玉米$%!#基因的研究发现，玉米$%!#基因（!#3）是一个多基因家族，由.个相似却不同的基因组成：!#.2,、!#.2-、!#.2.、!#.2/52，而且每个!#.基因在玉米发育过程中表达不同。!#普遍存在于玉米的各种组织中，但是在不同组织和同一组织的不同发育阶段!#同工酶在蛋白质水平和酶活性上都存在很大的差异。$%&(!#和 8(!#在发芽幼胚的盾片中含量较高，在叶、胚芽鞘、中胚轴和根中含量较低50。玉米种子、种子外壳、穗、胚乳和茎中!#酶活性和!#基因的转录产物比较稳定。朱大海等人对玉米$%!#基因在不同组织中表达研究的结果表明，除了!#.2,在玉米所有组织中都表达外，其他三种