ros(活性氧簇)

活性氧(ROS)是含氧的化学反应性化学物质。实例包括过氧化物,超氧化物,羟基自由基,单线态氧,和α-氧。

在生物学背景下,ROS形成为氧的正常代谢的天然副产物,并且在细胞信号传导和体内平衡中具有重要作用。然而,在环境压力(例如,紫外线或热暴露)期间,ROS水平会急剧增加。这可能会对细胞结构造成严重损害,这被称为氧化应激。ROS的产生受植物中应激因子反应的强烈影响,这些增加ROS产生的因素包括干旱,盐度,寒冷,营养缺乏,金属毒性和UV-B辐射。ROS也由外源性源如电离辐射产生。

活性氧(reactive oxygen species,ROS)广泛指代氧来源的自由基和非自由基,包含了超氧阴离子(O2)、过氧化氢(H2O2)、羟自由基(OH)、臭氧(O3)和单线态氧(O2),由于它们含有不成对的电子,因而具有很高的化学反应活性。

在机体内,ROS的主要来源之一是线粒体内膜的呼吸链底物端,在线粒体中的电子传递链复合物将电子传递给O2的过程中,有一部分O2被还原,形成O2或H2O2。其中,最为重要的是O2,它是大部分的ROS的前体,主要由线粒体内膜呼吸链中的蛋白酶复合体Ⅰ、Ⅲ产生。这部分作为代谢副产物的ROS长期被当作损伤生物大分子的毒性分子,但近年来被认为在较低水平时作为一类信号小分子具有生理作用,另一个ROS的重要来源是NADPH化酶,其催化亚基被称为NADPH氧化酶2(NADPHoxidase2,NOX2/gp91),能够在细胞质膜上表达。在不同的组织中已经鉴定了6种NOX-2的同沥物:NOX1,NOX3,NOX4,NOX5,DUOX1和DUOX2,统称为NOX家族蛋白。这些酶能通过质传递电子产生ROS,可以大量存在于吞噬细胞,也在其他各种组织细胞中以较低水平普遍存在,参与很多膜受体下游信号激活。

活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)是O2,带电子后的产物,包括氧的一电子产物氧负离子O2、二电子产物过氧化氢(H2O2,)、三电子产物羟基自由基(OH)、一氧化氮等,半衰期较短,脂溶性。体内活性氧主要是在线粒体电子传递链由Ⅲ状态向状态IV转换中产生,线粒体高O2的环境,使高还原态的呼吸链有电子由呼吸链底物端和氧端漏出,并交给O2,而生成O2。正常时,约2%的氧参与活性氧的产生;生理条件下,适量的活性氧可促进免疫、修复、存活、生长等。消除活性氧的抗氧化体系分为酶系和非酶系,酶系有超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)等,非酶系主要是还原型谷胱甘肽(GSH)、维生素C/E等。细胞内高水平谷胱甘肽GSH,CAT(H2O2酶)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶SOD、环孢素、抗凋亡因子Bcl-2,可下调活性氧的产生水平。

体内90%以上的O2,在线粒体中被消耗。O2一方面作为呼吸链的终端电子受体参与产生ATP的氧化磷酸化反应,维持能量代谢;另一方面,O2通过一系列化学反应,有时可生成氧自由基、活性氧(ROS)、活性氮(RNS)、脂类(RH)过氧化物等,脂类过氧化物有烷氧基(RO-)/烷过氧基(ROO-)/氢过氧化物(ROOH)等。线粒体产生活性氧的速率,受线粒体内膜跨膜电位的调节。线粒体呼吸链复合物Ⅰ的异咯秦半醌(FAD)、泛醌、复合物Ⅲ的细胞色素b566、辅酶Q氧化时漏电子,可产生活性氧;线粒体NADPH氧化酶和黄嘌呤氧化酶可催化生成O2,线粒体的髓过氧化物酶MPO可催化生成OH,线粒体蛋白激酶C可催化生成H2O2。

线粒体受外界因素刺激时,包括射线、高压氧、香烟烟雾、空气污染、铅、铬、钒、抗癌药、抗生素、杀虫剂、麻醉药、高血糖、炎症因子、肿瘤坏死因子TNF-a/MLR(microcystin)、高血脂、缺血、乙醛、缺氧等,活性氧产生明显增加。血管内皮生长因子受体、转化生长因子B受体、胰岛素样生长因子受体、胰岛素受体、血管紧张素受体ATIR、瘦素受体通路等高度活化时,也可使活性氧产生明显增加。

在生物系统中,游离活性氧星很低,因此测定时需要灵敏的方法如脉冲射解、电子自旋共振等技术,但仪器较昂贵。由线粒体产生的H2O2,存在时间较长,能使DCFH探针的荧光物被氧化成DCF(二氯荧光素双乙酸盐),DCF可被酯酶裂解成二氯荧光素,以二氯荧光素为基础的荧光法,可检测H2O2、O2和OH,这种方法较简单,但特异性较低。以亚铁血红素过氧化物酶/辣根过氧化物酶催化H2O2氧化荧光物、产生荧光素的荧光法,特异性和灵敏度较高;通过测定活性氧损伤的产物如脂质过氧化物(oxLDL)和DNA损伤产物(8-羟基鸟嘌呤)等,可间接反映活性氧产量。不成对电子使H2O2,等带有顺磁共振特性,可被EPR光谱法测量,但需要特殊的设备。使用氧化还原反应中分子间能量转移,使发光氨还原后可与O2,反应产生产物并发光,这种方法非常灵敏,已经用于测定完整细胞、单独的线粒体及线粒体亚颗粒中的O2含量。

线粒体是过量的活性氧主要的促调亡靶,可诱导线粒体双层膜通透孔(PT孔)开放,释放钙离子、细胞色素C、凋亡诱导因子AIF,引起胱冬蛋白酶caspase9激活caspase3/6/7;可使线粒体电子传递链解耦联,下调ATP产生水平,上调促凋亡蛋白Bax的表达水平,最后使线粒体外膜破裂,导致细胞凋亡。

线粒体双层膜通透孔有2个氧化敏感位点:一个位点有吡啶核苷酸结合基序,可结合NAD/NADH和NADP+/NADPH;另一个位点有谷胱甘肽结合基序,可结合谷胱甘肽。活性氧能使线粒体双层膜通透孔结合的NADH,NADPH、谷胱甘肽氧化,促使线粒体双层膜通透孔开放。活性氧增加既是线粒体双层膜通透孔开放的原因,也是其结果。高水平肿瘤坏死因子TNF-a/MLR可上调活性氧的产生水平。高水平活性氧也可刺激死亡受体通路,引起细胞凋亡。过量的活性氧也可诱导线粒体外膜孔开放,释放钙离了、细胞色素C、凋亡诱导因了AIF,引起细胞凋亡。

过量的活性氧可与线粒体电子传递链多种蛋白硫氧还中心的Fe-S簇的Cys残基反应,形成蛋白的S-谷胱甘肽化的加合物。过量的活性氧,可损伤生长因子、转录因子、蛋白质、核酸、糖类、脂类等。

适量的活性氧可通过活化表皮生长因子受体EGFR,激活磷脂酶PLA2/PLD,分解膜磷脂产生甘油二酯、三磷酸肌醇,活化蛋白激酶C,使DNA依赖的蛋白激酶和DNA断端结合蛋白形成的复合体增加,促进对DNA双链断裂的修复,促进细胞存活。

活性氧过度产生时,可促使磷酸酶PTPIB、PTEN、细胞周期相关蛋白cde25失活,促进蛋白酪氨酸激酶PTK过度磷酸化活化,可促进NADPH氧化酶产生大量活性氧,过度活化钙离于/钙调蛋白激酶CaMK,引起生长抑制蛋白p21,p27表达水平上调,使生长因子、转录因子AP-1/c-Myb/Sp-1/EGR-1等降解、细胞骨架形成障碍、细胞周期停滞、生长受抑,促进细胞凋亡。

适量的活性氧可激活非受体酪氨酸激酶Src等,再通过结合下游信号蛋白,激活Ras/蛋白激酶MAPK.使转录因子磷酸化,促进靶基因表达、但活性氧过度产生时,使Src/Ras/蛋白激酶p38MAPK和蛋白激酶JNK过度激活,能氧化损伤转录因子cMyb、Sp-1、EGR-1、缺氧诱导因子HIF-1、cFos,cJun、AP-1等的半胱氨酸-SH基,使它们丧失与靶基因启动子的结合力,抑制靶基因表达,促进细胞凋亡。

适量的活性氧可激活蛋白激酶C,引发一系列蛋白质磷酸化,促进细胞增殖;高浓度的活性氧使蛋白激酶C过度活化,可使胱冬蛋白酶caspase依赖的凋亡通路活化,促细胞凋亡。

适量的活性氧可激活蛋白激酶PI3K信号通路,抗辐射。活性氧过度产生时,过度上调蛋白激酶P13K/Akt的水平,可引发放射线照射后的细胞凋亡。活性氧过度产生时,也可与Fe进行自由基反应,产生毒性OH,可造成DNA突变、断裂,促进细胞凋亡。

活性氧过度产生时,能氧化钙调蛋白CaM的Met残基,使之持续活化,可过度激活钙调蛋白激酶CaMK,促细胞凋亡。活性氧过度产生时,能氧化产生氧化型低密度脂蛋白oxLDL,并通过清道夫受体LOX-1,上调促凋亡因子p53,Bax的表达水平;能使抗氧化酶如SOD,CAT,GPx的Cys残基,形成二硫键而失活,降低细胞抗氧化力;也可使端粒酶活性下降,抑制细胞生长;也能上调凋亡诱导因子AIF活性,使PGC1a/锌结合蛋白KEAPI/核受体因子NRF2/钙离子/钙调蛋白激酶/叉头盒蛋白FoxO通路持续活化,促进细胞凋亡。

活性氧过度产生时,还可经转录因子Smad2/3、蛋白激酶ERK1/2、黏附斑激酶FAK、蛋白激酶P13K/Akt、蛋白激酶p38MAPK、蛋白激酶C8、核因子NF-kB等,促进胶原合成,促进纤维化。

与细胞外环境相比,细胞质通常处在还原状态,这由细胞内的疏基化合物的还原能力来维持,主要有谷胱甘肽、维生素C/E、硫氧还蛋白(TRX),可下调H2O2,和脂质过氧化物的水平,抑制细胞的氧化应激。活性氧过度产生时,可引起还原物谷胱甘肽、维生素C/E、硫氧还蛋白的耗竭,增加细胞对活性氧的敏感度。

活性氧过度产生时,可诱导大分子发生氧化反应,氧化蛋白质的Ser和Cys残基上的功能基团,引起构型、信号改变;可使核因子NF-kB、蛋白激酶C催化结构域内Cys残基形成二硫键,上调NF-kB,蛋白激酶C的活性,催化产生H2O2,活性氧过度产生时,也可直接氧化、活化缺氧诱导因子HIF-1中的Cys残基,促进炎症及凋亡;能氧化某些酶中的[4Fe-4S]中心,导致Fe的释放,Fe可经Fenton反应产生大量活性氧;Fe的释放也可引起某些金属蛋白质失活。活性氧过度产生时,也可氧化信号分子、细胞因子、蛋白质、核酸、糖类、脂类等,使之受损。

活性氧过度产生时,通过上调三磷酸肌醇,使胞内的内质网膜三磷酸肌醇受体-钙离子通道开放,内质网钙库释放钙离子,细胞质高水平钙离子/钙调蛋白激酶CaMK,可使质膜L型电压门控钙离子通道开放,胞外钙离子流入,可诱发线粒体双层膜通透孔开放,使线粒体肿胀、破裂,线粒体膜间腔钙库释放钙离子,可使细胞质Ca超载,活性氧大量产生。

胞质高水平钙离子可活化蛋白激酶JNK/FoxO及巨噬细胞刺激因子MST1/FoxO等信号通路,促细胞凋亡;可使锌结合蛋白KEAP1的Cys残基被氧化、活化,可释放Zn并抑制核受体因子NRF2,并经Ⅱ相异生化酶、缺氧/UV辐射相关蛋白等,阻断DNA修复,促细胞凋亡。近年发现活性氧的信号通路可被氧化磷酸化的解耦联剂FCCP阻断,并减少胞质钙离子。

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