第6章氧化胁迫在植物生产，代谢和活性氧物种的生物学作用中的作用

MojtabaKordrostami，BabakRabiei和AliAkbarEbadi

内容

6.1简介................................................................................85

6.2在植物中生产活性氧.....................86

6.3是否可以将活性氧（ROS）视为次要信使？.......................................86

6.4抵抗ROS的细胞防御机制......................................................................87

6.5非酶类抗氧化剂..................................................................................87

6.5.1抗坏血酸................................................................................................87

6.5.2谷胱甘肽.......................................87

6.5.3类胡萝卜素..................................................................88

6.6酶促抗氧化剂.........................................................88

6.6.1超氧化物歧化酶（SOD：EC1.15.1.1）............................................88

6.6.2过氧化氢酶（CAT，EC1.11.1.6）...................................................................88

6.6.3过氧化物酶（POD，EC1.11.1.x）.....................................................88

6.6.4谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽S-转移酶.......89

6.6.5过氧化物酶（PRX）和替代氧化酶（AOX）............................89

6.6.6梅勒循环（水-水循环）...................................90

6.7结论..........................................................90

参考.................................................................................90

6.1介绍

非生物因素（温度，相对湿度，光照强度和养分）的数量和强度发生任何变化，导致正常的植物生理形态发生变化，都称为压力（Pandeyetal。，）。从生物学上讲，压力是不一致性的结果，这种不一致性往往会阻止正常系统的运行（Negr?o，Schm?ckel和Tester，年）。由于任何一种压力，都会产生活性氧（ROS）（Schieber和Chandel，年）。这些物质由于电子激发而具有高能量或额外的电子电荷。更准确地说，在压力条件下，细胞内氧化还原的体内稳态受到损害，这导致了氧化应激和活性氧的形成（NitaandGrzybowski，）。氧化应激是通过增加活性氧种类或自由基的数量而产生的，从而导致早期衰老，渗透性增加，离子从细胞膜渗漏以及植物的光合作用降低（Sharma等，）。自由基通过脂质过氧化作用（主要是细胞膜）和天然抗氧化剂的阻断而导致细胞损伤。通过测量脂质过氧化作用的丙二醛（MDA），我们可以找到植物细胞中的胁迫量（Grottoetal。，）。在氧化胁迫条件下，通过产生相对减少或能量密集型的大气氧（O2）形式的氧气中间体，植物可以在压力条件下生存，并激活各种防御系统，例如抗氧化剂，以防御压力（Carvalho，）。在许多情况下，测量植物产生的胁迫量的基础是测量过氧化物酶（例如过氧化氢（H2O2））的活性。在这些活性氧过度积累的情况下，细胞中会发生多种细胞损伤，例如DNA损伤，膜脂质过氧化，RNA损伤，蛋白质氧化和酶促抑制（Saini等人，）。植物膜中的游离氧自由基或脂质过氧化反应将选择性地分解不饱和脂肪酸，并积累碳氢化合物，醛等（Frankel，）。因此，在一些研究中，为了确定环境胁迫对植物细胞膜的影响，对脂质过氧化产物（如丙二醛（MDA）或过氧化氢（H2O2））的量进行了测量，结果表明它们涉及氧自由基对压力的响应（Birben等，）。

6.2植物中活性氧的产生

研究表明，环境压力通过破坏有利条件而导致植物细胞代谢异常。这些疾病的主要原因之一是ROS的产生增加（Zandalinas和Mittler，）。在正常条件下，需要四个电子才能完全还原氧气并将其转化为水（Alberts等，）。当电子传输的主路径被阻塞时，用于激活电子传输的另一子路径被激活。在这种途径中，与主要途径不同，在主要途径中，电子立即转移到了氧气中，而电子则分别转移到了氧气中。结果，大气中的氧气不完全还原，并且通过吸收一个，两个和三个电子，分别产生了超氧化物，过氧化氢和羟基自由基（Kordrostami，Rabiyi和Kumleh，年）。ROS的另一种形式是单线态氧。以这种形式，电子进入更高的轨道，分子被激发（KhanandWilson，）。在环境胁迫下导致对植物的生理损害的多种分子损伤可归因于活性氧的产生。通过分子氧的激发，产生单线态氧或激发态氧，并且通过还原一个，两个和三个电子，它们将分别转化为O2-，H2O2和OH（Sharma等，）。羟基自由基能够与任何底物发生反应，因为它非常活跃，并且细胞没有清除它的酶促机制。因此，该细胞仅使其自身具有阻止其形成的机制（Lobo等，）。超氧阴离子是一种非自由基ROS分子，通常在PhotosystemII反应中心产生，尽管半衰期短，但它可以通过扩散到类囊体的外膜或通过诸如类胡萝卜素氧化。尽管具有毒性作用，该分子仍会触发信号级联反应并导致程序性细胞死亡（PCD）（Rameletal。，）。如果该能量不受类胡萝卜素的抑制，则O2会在其他分子之间流动能量并对其造成损害，包括不饱和脂肪酸的高度过氧化（Das和Roychoudhury，年）。一种ROS向另一种ROS的转化是ROS的重要化学特征之一（Suzukietal。，）。

暴露于环境胁迫下可能会增加ROS的产生和氧化应激，并最终加速对膜，蛋白质和DNA的破坏，细胞生长和生理结构的变化以及酶的破坏。另外，叶绿体中的O2?-是通过将电子从铁硫转移到O2的Mehler反应而产生的。这样，在SOD催化的反应中，两个O2?-和两个H+生成H2O2和H2O分子。H2O2转化为HO?是由各种二价阳离子，尤其是Fe2+（Fenton反应）催化的（Sabater和Martín，）。这些自由基控制着导致DNA损伤，脂质过氧化并破坏细胞膜蛋白和宏蛋白（包括叶绿素和酶）的反应（RoyandBasu，）。

在胁迫条件下，光合作用的速率降低，这表明光合作用装置已受到胁迫的影响（Gururani，Venkatesh和Tran，年）。在渗透胁迫条件下（盐度和干旱），气孔关闭，随后中温组织中的CO2浓度降低，在此状态下，光合暗反应（卡尔文循环）被中断，光反应的产物包括不消耗ATP和NADPH（Kreslavski等人，）。在这种情况下，由于缺乏NADPH氧化作用，NADP+的使用减少了电子接收。因此，氧分子在电子传输链中充当电子替代受体，并导致ROS的形成（Pospí?il，年）。这些自由基会导致分子损伤，对植物的细胞副作用，并最终导致植物死亡（Sharma等，）。在细胞中，NADPH是由光反应，电子传输链，氧化戊糖磷酸循环，氧化还原酶反应，克雷布斯循环和氧化还原酶活性产生的（Berg，Tymoczko和Stryer，年）。因此，当NADPH：NADP+比值增加时，植物会通过清除氢势来激活改变上述比值的途径（Zandalinas和Mittler，）。

6.4抗ROS的细胞防御机制

如上所述，活性氧在植物中起着双重作用。在低浓度时，它们充当使者。在氧化胁迫条件下，通过产生相对减少或能量密集型的大气氧（O2）形式的氧气中间体，植物可以在压力条件下生存，并激活各种防御系统，例如抗氧化剂，以防御压力（Carvalho，）。活性氧是细胞代谢的必然产物，甚至可以在有利的环境条件下产生（Mittler，）。环境胁迫会影响生长，植物生理结构，蛋白质合成，酶和非酶活性，细胞呼吸和新陈代谢（Shabala，）。暴露于压力下可能会增加各种ROS的产生，破坏膜，蛋白质和DNA，诱导细胞生长和生理结构发生变化并破坏酶（Das和Roychoudhury，年）。幸运的是，植物具有特殊的防御机制，使它们能够清除ROS或阻止其形成。抗氧化剂是阻止自由基功能并防止细胞损伤的分子。它们可以将电子赋予自由基，将其转变为可持续形式，并防止其破坏作用（Ahmad等，）。抗氧化剂防御作用可保护细胞免受活性氧的危险影响。在氧化胁迫期间，植物中会发生各种事件，包括增加ROS的产生，增加抗氧化剂基因的表达和增加清除剂的能力，这可能导致植物对胁迫的耐受性增强（Ighodaro和Akinloye，年）。植物中抗氧化剂活性的程度和抗氧化剂的水平取决于植物种类，发育阶段，代谢条件，胁迫的持续时间和强度（Caverzan，Casassola和Brammer，年）。ROS清除机制存在于所有植物中，并且植物产生有效的抗应激系统抗氧化剂（Das和Roychoudhury，）。防御机制通常涉及抗氧化剂酶（超氧化物歧化酶，过氧化氢酶，抗坏血酸过氧化物酶，谷胱甘肽还原酶，谷胱甘肽过氧化物酶，脱氢抗坏血酸还原酶等）和抗氧化剂分子（维生素E，抗坏血酸，谷胱甘肽等）的使用（Ighodaro和Akinloye，）。

6.5非酶法抗氧化剂

ROS对细胞大分子的有害作用可通过抗氧化剂化合物（例如抗坏血酸，谷胱甘肽和类胡萝卜素）的活性来降低。

6.5.1抗坏血酸

L-抗坏血酸是一种在植物细胞中大量存在的代谢剂，在某些情况下可达到植物碳水化合物含量的10％（Hancock等，）。抗坏血酸在植物胁迫和植物生长发育的生理过程中起着重要作用（Hossainetal。，）。最近，越来越多的证据表明抗坏血酸在清除植物中活性氧方面起着重要作用（Ye等人，）。抗坏血酸具有直接清除几种ROS（包括单线态氧和羟基自由基）的能力（Das和Roychoudhury，年）。这些研究人员还认识到抗坏血酸是一种抗氧化剂（α-生育酚）保护剂（以还原状态结合到膜上）。此外，抗坏血酸（在叶黄素循环中作为辅助因子）在光保护中也起着重要作用（Jahns和Holzwarth，年）。已经观察到，抗坏血酸作为紫黄质脱环氧化物酶的辅助因子是必需的（UrzicaandAdler，）。康克林（Conklin，）进行的研究结果表明，由于抗环氧化反应速率的降低，缺少抗坏血酸的突变植物的非光化学猝灭水平较低。

6.5.2谷胱甘肽

谷胱甘肽是一种水溶性的非蛋白质化合物，是一种低分子量的硫三肽（DeKok等，）。NADPH，抗坏血酸和谷胱甘肽的顺序氧化还原可作为潜在的H2O2清除剂（由叶绿体中的光氧化应激产生）（Foyer和Noctor，年）。这些反应通常称为抗坏血酸-谷胱甘肽循环。该循环在大多数细胞器官如线粒体，叶绿体和细胞质中进行，这些器官已与谷胱甘肽还原酶，脱氢抗坏血酸还原酶，抗坏血酸过氧化物酶，抗坏血酸和谷胱甘肽共同形成（Jiménez等，）。提到的循环是将过氧化氢分解成水的最重要方法之一。需要氢气以通过H+，NADPH还原过氧化氢；因此，通过执行该循环，NADPH：NADP+比率在大多数细胞器官中得以缓解（Carvalho和Amancio，）。谷胱甘肽还原酶（GR，EC1.6.4.2）是一种在所有活生物体中都发现的黄素酶。该酶与NADPH氧化一起将谷胱甘肽二硫键（GSSG）还原为谷胱甘肽（GSH），这是清除植物中活性氧系统的主要反应之一（Tsai等人，）。许多细胞功能都需要还原型谷胱甘肽（GSH）。与许多可以与ROS反应的一级和二级代谢产物的氧化形式不同，GSSG在重要器官中被GR迅速还原（Noctor等人，）。由于严重的压力，细胞内的GSSG浓度增加（Emri，Pócsi和Szentirmai，）。GR重建GSH是一个高效的过程，可以分散能量，并在限制CO2固定的情况下帮助设定ATP：NADPH的比例（Yousuf等，）。

目前，植物细胞中的谷胱甘肽水平被用作高等植物中氧化胁迫的指标（Tausz，?ircelj和Grill，年）。同样，各种研究表明，谷胱甘肽是线粒体，细胞质，过氧化物酶体和细胞核中的抗氧化剂（Noctor等，）。

6.5.3类胡萝卜素

类胡萝卜素是最重要的四萜族成员之一（Arvayo-Enríquez等，）。它们是高度亲脂性的化合物，并且始终与生物膜结合。叶绿体中的类胡萝卜素被认为是光合作用的重要色素（Ashraf和Harris，年）。它们还可以保护植物免受紫外线辐射。大多数类胡萝卜素均来自40碳链，可被视为分子骨架。自然界中类胡萝卜素的构型是反型的（Goodwin，）。类胡萝卜素在保护植物细胞免受过度光照的过程中起着重要的作用，因此会导致多余的能量被吸收（Edreva，）。因此，类胡萝卜素是ROS的强大受体，可保护色素和脂肪免受氧化损伤。

6.6酶法抗氧化剂

ROS清除酶位于植物细胞的不同部分（Tripathy和Oelmüller，）。植物细胞中的ROS清除酶包括过氧化氢酶，超氧化物歧化酶，单脱氢抗坏血酸，抗坏血酸过氧化物酶，脱氢抗坏血酸还原酶，谷胱甘肽还原酶和谷胱甘肽过氧化物酶。

6.6.1超氧化物歧化酶（sod：ec1.15.1.1）

超氧化物歧化酶（SOD）位于抗氧化剂防御的最前沿。已知超氧化物是细胞中的主要ROS之一，它会引起酶性质的改变，脂质过氧化和DNA变性（Fukai和Ushio-Fukai，）。超氧化物歧化酶是一种能够清除O2的酶，并且是有氧生物的第一个酶屏障。调节其数量以改变氧化应激的影响非常重要（Racchi，）。当细胞中的ROS增加时，连锁反应开始，其中SOD将两个超氧化物分子转化为氧气和过氧化氢（Bowler，Montagu和Inzé，）。超氧化物歧化酶清除了单价氧（超氧化物自由基）还原产生的第一个分子。因此，SOD被认为是抗氧化防御的前线。该酶是由一个小基因家族编码的金属酶（metalloenzyme），根据活性位点中的金属分为三类（Shiriga等，）。在植物中，Cu/ZnSOD通常存在于细胞质中，FeSOD和Cu/ZnSOD存在于叶绿体中，而MnSOD存在于线粒体中（Foyer等，）。似乎超氧化物歧化酶在清除超氧化物中的作用非常重要，并且是抵抗活性氧的最重要的抗氧化剂之一。因为磷脂膜对超氧自由基是不可渗透的，所以已知超氧化物歧化酶是抵抗游离氧自由基的主要手段。实际上，它可以作为抗氧化剂并保护细胞成分（Fukai和Ushio-Fukai，年）。各种研究表明，叶绿体超氧化物歧化酶的表达是提高植物对不同氧化应激源抗性的成功途径（Grene，；Gill和Tuteja，a）。

6.6.2过氧化氢酶（cat，ec1.11.1.6）

过氧化氢酶是所有生物在压力条件下产生的最有效的酶之一（Racchi，）。该酶对过氧化氢具有直接作用，从而降低了其毒性作用。实际上，过氧化氢酶使用过氧化氢作为前体，并通过迅速清除该分子来抑制其破坏作用（Gill和Tuteja，b）。过氧化氢酶无需能量即可清除H2O2分子，但仅在高浓度的H2O2时清除;过低的浓度则由其他过氧化物酶清除（与有效的还原剂如谷胱甘肽和抗坏血酸配合使用）（Scandalios，）。过氧化氢酶活性将两个H2O2分子还原为H2O和O2（Anjumetal。，）。过氧化氢酶主要位于过氧化物酶体中，因此其活性范围受到限制，并且在压力条件下当ROS的量增加时，它参与清除（Ighodaro和Akinloye，）。与其他酶相比，过氧化氢酶最重要的特征是不需要还原剂即可催化反应（Mhamdi等，）。过氧化氢酶是被发现和表征的最早的抗氧化酶之一（Mhamdi，Noctor和Baker，）。过氧化氢酶以高强度表达，尤其是在所有类型的植物细胞中，因此是植物抗氧化系统不可或缺的一部分（Sofo等人，）。

6.6.3过氧化物酶（Pod，ec1.11.1。x）

过氧化物酶是在植物中响应生物和非生物胁迫而产生的一大类抗氧化酶（YouandChan，）。过氧化物酶通常催化作为电子受体的H2O2与多种酚类底物，抗坏血酸，芳族胺和细胞色素C之间的氧化还原反应，并充当ROS清除酶（Sharma等，）。过氧化物酶分解细胞中的H2O2，从而防止ROS的产生，并且随着该酶活性水平的提高，植物受到ROS的损害较小。换句话说，过氧化物酶通过将H2O2转化为水和O2，可以中和H2O2的有害作用（Das和Roychoudhury，）。植物过氧化物酶可以在其通常的活动周期中催化H2O2的减少。这一组酶存在于细胞质，液泡，叶绿体和质外体中（Sofo等人，）。通过控制细胞的伸长，防御机制和其他一些功能，从发芽初期到衰老期的整个植物的整个生命周期中，过氧化物酶的活性都可以很容易地鉴定出来（Niu和Liao，）。该酶已在动物，植物和微生物中广泛发现，并参与许多细胞过程，例如植物生长素代谢，木材形成，对环境压力的响应等。愈创木酚过氧化物酶（EC1.11.1.7）与大量底物，包括愈创木酚，邻苯三酚和苯酚，用于测量酶的活性，但其特定底物是过氧化氢（Mika和Lüthje，年）。在这些酶中，供电子的性质在很大程度上取决于酶的结构，酚类化合物（例如愈创木酚）是H2O的电子供体，愈创木酚过氧化物酶被广泛认为是应激酶，并且可以作为有效的还原酶。压力条件下O2中间形式和过氧自由基的化学剂（Blokhina，Virolainen和Fagerstedt，年）。

6.6.4谷胱甘肽R释放酶和谷胱甘肽-s-转移酶

谷胱甘肽还原酶通过使用NADPH作为电子供体的谷胱甘肽贮藏体的再生来完成Asada–Halliwell途径（Perl-Treves和Perl，年）。尽管已经在叶绿体中研究了大多数谷胱甘肽还原酶的活性，但该酶的线粒体形式也存在于植物细胞的胞质同工酶中。还已经报道谷胱甘肽还原酶乙二醛酶II将氧化的谷胱甘肽还原成还原的谷胱甘肽，并有助于在植物细胞中维持还原的谷胱甘肽：氧化谷胱甘肽的比例（Foyer等，）。谷胱甘肽-S-转移酶是另一种重要的酶，可通过清除有害化合物来保护植物细胞（Gill和Tuteja，b）。已经发现谷胱甘肽-S-转移酶催化谷胱甘肽与细胞中各种有毒化合物的结合。还已经表明，谷胱甘肽-S-转移酶在保护植物免受各种生物和非生物胁迫（包括异种毒素，紫外线辐射和光氧化胁迫）中起重要作用（Pellegrini等人，）。而且，氧化损伤的产物通过谷胱甘肽-s-转移酶与还原的谷胱甘肽结合并被清除。因此，谷胱甘肽-S-转移酶被认为是维持谷胱甘肽自我保存的关键酶（Zeng，LuandWang，）。

6.6.5过氧化物酶（PRx）和替代氧化酶（aox）

Peroxiredoxin具有直接与H2O2反应并通过提供必要的氢将其转化为水的能力（Dietz等，）。这样，PRX变成其氧化形式，并在两个分子之间建立了硫醇键。为了继续该循环的活动，应将PRX的氧化形式再次转化为其还原形式（Miller等，）。此操作由硫氧还蛋白（TRX）和戊二醛（GRX）完成。过氧化物酶在重要器官如叶绿体，线粒体和细胞质中起作用。有证据表明，植物中的TRX和GRX系统之间存在复杂的相互作用（Foyer和Noctor，）。NADPH和硫氧还蛋白还原酶可直接还原TRX的氧化二硫形式，而使用NADPH电子可通过谷胱甘肽（GSH）还原GRX。胞质和线粒体的TRX需要依赖NADPH的硫氧还蛋白还原酶：NTR才能还原（Foyer和Shigeoka，年）。尽管通过铁氧还蛋白/TRX还原酶：FTR减少了叶绿体TRX，但TRX在植物的氧化胁迫耐受性中起着至关重要的作用。它们通过电子转移处理氧化损伤，以减少清除脂质氢过氧化物所需的还原酶，从而修复氧化的蛋白质。它们通过调节抗氧化酶参与清除ROS（SchürmannandBuchanan，）。

替代氧化酶是清除ROS的另一种途径。众所周知，线粒体是在植物中产生细胞能量的引擎（Xu，Yuan和Lin，年）。他们利用电子转移链氧化NADPH，并在线粒体膜上产生质子刺激，其中ADP被磷酸化为ATP（Schertl和Braun，）。电子传输链的活性的另一个结果是电子向氧气的转移以及超氧化物的产生。这些活性氧可以通过超氧化物歧化酶（SOD）酶的活性转化为其他ROS，包括H2O2（ZandalinasandMittler，）。在这种情况下，电子泄漏量增加，这增加了膜电位并进一步减少了电子传输链成分。植物线粒体具有可以氧化其他NADPH而不会产生ATP的机制，以防止呼吸链过度还原（Finnegan，Soole和Umbach，年）。替代氧化酶途径是减少叶绿体和线粒体器官中各种活性氧产生的重要途径之一（Carvalho，）。在这种情况下，氧仍然是电子的最终受体。但是，与其完全传递一个电子，不如完全吸收氧气所需的全部四个电子都被它吸收并将其变成水。该作用由替代的氧化酶完成。像其他抑制剂路径一样，激活这种替代途径可以防止ROS的形成并降低电子传输链上可用电子的压力（Maxwell，Wang和McIntosh，）。通过激活替代氧化酶，细胞可以减少过氧化氢的产生（Purvis，）。AOX酶是一种抗氰化物的氧化酶，可通过从泛醌中接收电子来催化线粒体电子转移链中的氧还原（Vanlerberghe和Mclntosh，）。与AOX功能相似（减少ATP产生），解偶联蛋白（UCP）也是一种膜蛋白，可阻止质子的倾斜。解偶联蛋白最早是在动物中发现的。后来在植物中被发现（Blokhina和Fagerstedt，）。在动植物中，解偶联蛋白由多基因家族编码在细胞核中。研究表明，ROS刺激了UCP活性。尽管UCP的活动可能会导致热量产生，但人们认为它的主要作用不是在工厂中产生热量。也有报道说，当ROS水平增加时，UCP能够运行（Borecky和Vercesi，）。

6.6.6梅勒循环（水-水循环）

顾名思义，它始于水，始于水。仅在叶绿体中执行此循环。在此循环中，在光系统I中，该电子不是从铁氧还蛋白转移到NADP+，而是转移到氧气并将其转化为超氧化物（Exposito-Rodriguez等，）。超氧化物自由基立即被超氧化物歧化酶转化为过氧化氢。所得的过氧化氢被抗坏血酸过氧化物酶完全降解，并转化为水。这些反应连续进行，因此防止了活性氧的分布。这将减少由ROS引起的损害（Slesak等，）。

6.7结论

ROS是不稳定，小的，高反应性的分子，可以氧化DNA，蛋白质和脂质。ROS是由氧电子的不完全再生形成的。ROS包含氧阴离子，自由基（包括超氧化物和羟基）和高氧化物（如过氧化氢（H2O2））。ROS在植物中起双重作用。在低浓度时，它们充当使者。较高浓度的ROS对植物高度有害，而较低浓度的活性氧与细胞信号转导，适应性和交叉抗性有关。植物使用不同的机制来耐受ROS氧化应激。研究结果表明，一组抗氧化酶的活性可能导致活性氧的解毒。因此，为了更好地了解ROS排毒因子，应对抗氧化剂体系进行全面研究。