碩-第三講植物的氧代謝

1、第一節(jié)第一節(jié) 活性氧的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化活性氧的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化一、活性氧種類(lèi)與特性一、活性氧種類(lèi)與特性1 1、自由基、自由基 帶有未成對(duì)電子的分子、原子或離子。帶有未成對(duì)電子的分子、原子或離子。特點(diǎn)：（特點(diǎn)：（1 1）性質(zhì)活潑，具有很強(qiáng)的氧化能力；）性質(zhì)活潑，具有很強(qiáng)的氧化能力； （2 2）不穩(wěn)定，只能短時(shí)存在；）不穩(wěn)定，只能短時(shí)存在； （3 3）能持續(xù)進(jìn)行連鎖反應(yīng)。）能持續(xù)進(jìn)行連鎖反應(yīng)。 生物自由基：生物體代謝過(guò)程產(chǎn)生，主要指活性氧。生物自由基：生物體代謝過(guò)程產(chǎn)生，主要指活性氧。2 2、活性氧、活性氧 化學(xué)性質(zhì)活潑、氧化能力很強(qiáng)的含氧物質(zhì)的總稱(chēng)?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑、氧化能力很強(qiáng)的含氧物質(zhì)的總稱(chēng)。 種類(lèi)：表種類(lèi)

2、：表1 1 活性氧的產(chǎn)生活性氧的產(chǎn)生 2011-10-27 在植物體內(nèi)，由于各種復(fù)雜酶類(lèi)及電子載體的存在植物體內(nèi)，由于各種復(fù)雜酶類(lèi)及電子載體的存在，可以使分子氧不受電子自旋限制，進(jìn)行單價(jià)、在，可以使分子氧不受電子自旋限制，進(jìn)行單價(jià)、雙價(jià)、三價(jià)的還原，如：雙價(jià)、三價(jià)的還原，如：O2+e-O2.- O2+2e+2H+-H2O2 O2+3e+3H+-H2O+.OH活性氧性質(zhì)活潑活性氧性質(zhì)活潑,既可以植物強(qiáng)氧化劑既可以植物強(qiáng)氧化劑,又可以作為還又可以作為還原劑參與許多生化過(guò)程原劑參與許多生化過(guò)程,例例:2O2.-+2H+-O2+H2O2 二、植物體活性氧的產(chǎn)生的途徑與部位二、植物體活性氧的產(chǎn)生的途徑與

3、部位物質(zhì)氧化物質(zhì)氧化：酶所催化的反應(yīng)，如胞壁木質(zhì)：酶所催化的反應(yīng)，如胞壁木質(zhì) 化及解體過(guò)程?；敖怏w過(guò)程。例：脂質(zhì)的自動(dòng)氧化例：脂質(zhì)的自動(dòng)氧化 嘌呤的分解代謝嘌呤的分解代謝電子傳遞鏈電子傳遞鏈：1 1、葉綠體、葉綠體( (思考思考: :什么情況下什么情況下O2.- 增加增加?)?) 2 2、線(xiàn)粒體、線(xiàn)粒體 葉綠體葉綠體O O2 2.-.-的產(chǎn)生的途徑與部位的產(chǎn)生的途徑與部位O2O2C3循環(huán)循環(huán)O2.-O2.-O2.-CBA葉綠體活性氧的產(chǎn)生的途徑與部位葉綠體活性氧的產(chǎn)生的途徑與部位n通常以途徑C為主,但當(dāng)NADP+受到限制,過(guò)多能量經(jīng)還原O2產(chǎn)生自由基而消耗（電子傳遞出現(xiàn)短路）,此時(shí)A、B途徑

4、比例增加。n1 1O O2 2的產(chǎn)生的產(chǎn)生nChl Chl 1 1Chl Chl 3 3Chl OChl O2 2 1 1O O2 2n RH RH . .R Rhh線(xiàn)粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位線(xiàn)粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位n電子漏：呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中部分電子在途中發(fā)生泄露，并使O2以單價(jià)形式還原成O2.-的現(xiàn)象。O2O2O2.-O2.-AB線(xiàn)粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位線(xiàn)粒體活性氧產(chǎn)生的途徑與部位呼吸鏈呼吸鏈O O2 2.-.-的產(chǎn)生主要兩個(gè)部位，一般部位的產(chǎn)生主要兩個(gè)部位，一般部位BA.BA.電子漏電子漏：呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中部分電子在途中：呼吸鏈電子傳遞過(guò)程中部分電子在途中發(fā)生泄露，并使發(fā)

5、生泄露，并使O O2 2以單價(jià)形式還原成以單價(jià)形式還原成O O2 2.-.-的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。電子漏減少了電子漏減少了? ?的產(chǎn)生的產(chǎn)生. .ATPATP三、體內(nèi)活性氧的轉(zhuǎn)化三、體內(nèi)活性氧的轉(zhuǎn)化植物體內(nèi)的氧自由基可進(jìn)行多價(jià)還原直接形成植物體內(nèi)的氧自由基可進(jìn)行多價(jià)還原直接形成O2.-，.OH，H2O2等，等，也可以在體內(nèi)相互轉(zhuǎn)化。也可以在體內(nèi)相互轉(zhuǎn)化。FentonFenton（18941894）反應(yīng)）反應(yīng)FeFe2+ + + H2O2 Fe Fe3+ + .OH+ OH-Haber-WeissHaber-Weiss（19341934）反應(yīng)）反應(yīng)O2.- + + H2O2 O2 + + .OH+ O

6、H-通過(guò)上述反應(yīng)生成比通過(guò)上述反應(yīng)生成比O2.-氧化能力更強(qiáng)的氧化能力更強(qiáng)的.OH，正常情況正常情況下，不易發(fā)生下，不易發(fā)生FentonFenton反應(yīng)，但當(dāng)體內(nèi)反應(yīng)，但當(dāng)體內(nèi)O2.-濃度增大或其濃度增大或其他刺激因素存在時(shí)，會(huì)促進(jìn)他刺激因素存在時(shí)，會(huì)促進(jìn).OH的產(chǎn)生的產(chǎn)生。如：如：FeFe3+ + + O2.- O2+ Fe+ Fe2+ Fe Fe3+ + AH+ AH2 .AH+H .AH+H+ Fe+ Fe2+ . .OHOH是化學(xué)性質(zhì)最活潑的活性氧，其作用特點(diǎn)是無(wú)專(zhuān)是化學(xué)性質(zhì)最活潑的活性氧，其作用特點(diǎn)是無(wú)專(zhuān)一性，幾乎與生物體內(nèi)所有物質(zhì)反應(yīng)，且反應(yīng)快，使一性，幾乎與生物體內(nèi)所有物質(zhì)反應(yīng)，

7、且反應(yīng)快，使非自由基成為自由基，反應(yīng)類(lèi)型有氫抽提、加成與電非自由基成為自由基，反應(yīng)類(lèi)型有氫抽提、加成與電子轉(zhuǎn)移。子轉(zhuǎn)移。 第二節(jié)第二節(jié) 活性氧對(duì)植物的傷害活性氧對(duì)植物的傷害 衰老的自由基學(xué)說(shuō)認(rèn)為，衰老是氧傷害積累的結(jié)果，在正常情衰老的自由基學(xué)說(shuō)認(rèn)為，衰老是氧傷害積累的結(jié)果，在正常情況下，植物生命過(guò)程潛伏氧傷害的累積，達(dá)一定程度即導(dǎo)致衰老況下，植物生命過(guò)程潛伏氧傷害的累積，達(dá)一定程度即導(dǎo)致衰老死亡。逆境會(huì)加速活性氧的產(chǎn)生和積累，加速衰老。死亡。逆境會(huì)加速活性氧的產(chǎn)生和積累，加速衰老。一、高濃度氧對(duì)幼苗生長(zhǎng)的毒害一、高濃度氧對(duì)幼苗生長(zhǎng)的毒害例例1 1：氧濃度：氧濃度： 對(duì)照（空氣）對(duì)照（空氣） 4

8、0% 60% 80%40% 60% 80%水稻幼苗生長(zhǎng)量水稻幼苗生長(zhǎng)量 100% 83% 66% 25%100% 83% 66% 25%例例2 2：吸漲水稻種子培養(yǎng)于：吸漲水稻種子培養(yǎng)于O2O2中，中， 前前3 3天：緩慢生長(zhǎng)出胚根、胚芽天：緩慢生長(zhǎng)出胚根、胚芽 可恢復(fù)可恢復(fù) 第第5 5天：根變褐，芽軟化天：根變褐，芽軟化 不可恢復(fù)不可恢復(fù) 第第7 7天：凋萎死亡天：凋萎死亡 傷害作用不是傷害作用不是O2O2直接引起，而是直接引起，而是O2.-引起。引起。 第二節(jié)第二節(jié) 活性氧對(duì)植物的傷害活性氧對(duì)植物的傷害例例3 3：百草枯（除草劑，：百草枯（除草劑， O O2 2.-.-源）處理花生源）處理

9、花生胚軸生長(zhǎng)情況。胚軸生長(zhǎng)情況。 百草枯百草枯 抑制抑制 百草枯百草枯+SOD+SOD抑制劑抑制劑DDC DDC 加重抑制加重抑制 百草枯百草枯+ O+ O2 2.-.-清除劑清除劑 減輕抑制減輕抑制 DDC:二乙基二硫代氨基甲酸鈉二乙基二硫代氨基甲酸鈉 第二節(jié)第二節(jié) 活性氧對(duì)植物的傷害活性氧對(duì)植物的傷害二、氧自由基對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的傷害二、氧自由基對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的傷害主要部位：葉綠體、線(xiàn)粒體主要部位：葉綠體、線(xiàn)粒體 高氧環(huán)境高氧環(huán)境1 1、葉綠體、葉綠體 葉綠素降解，葉綠體發(fā)育受抑，結(jié)構(gòu)破壞，光合能力葉綠素降解，葉綠體發(fā)育受抑，結(jié)構(gòu)破壞，光合能力下降。下降。2 2、線(xiàn)粒體、線(xiàn)粒體 線(xiàn)粒體腫

10、脹，嵴破壞，線(xiàn)粒體腫脹，嵴破壞，P/OP/O比下降。比下降。三、三、 活性氧啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化作用活性氧啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化作用 1 1、膜脂過(guò)氧化的自由基、膜脂過(guò)氧化的自由基鏈鏈?zhǔn)椒磻?yīng)式反應(yīng) R R. . . . .RHRHH HOOHOOHO-OO-OO-OO-O. .O OO OO O2 2H HH+H+.OH是啟動(dòng)此反應(yīng)的直接因子是啟動(dòng)此反應(yīng)的直接因子, ,而而O2.- 和和H2O2可以通過(guò)可以通過(guò)FentonFenton和和Haber-WeissHaber-Weiss反應(yīng)轉(zhuǎn)化成反應(yīng)轉(zhuǎn)化成. .OHOH而誘發(fā)膜脂過(guò)氧而誘發(fā)膜脂過(guò)氧化化. . 三、三、 活性氧啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化作用活性氧啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化

11、作用2、膜流動(dòng)性 液晶態(tài) 凝膠態(tài) 相變溫度提高 流動(dòng)性下降3、產(chǎn)物毒性 MDA等直接引起細(xì)胞毒害，攻擊蛋白質(zhì)分子的氨基、游離氨基酸、核酸，使之發(fā)生交聯(lián)、凝聚，變性，如形成脂褐色素（人體老年斑）。四、四、 氧自由基對(duì)生物大分子的損傷氧自由基對(duì)生物大分子的損傷1 1、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì) 氨基酸側(cè)基的修飾氨基酸側(cè)基的修飾; ;肽鍵斷裂肽鍵斷裂; ;蛋白質(zhì)交聯(lián)蛋白質(zhì)交聯(lián); ;高級(jí)結(jié)構(gòu)的破高級(jí)結(jié)構(gòu)的破壞等壞等. .2 2、酶活性、酶活性（1 1）使酶分子發(fā)生交聯(lián)聚合；）使酶分子發(fā)生交聯(lián)聚合；（2 2）攻擊巰基；）攻擊巰基；（3 3）修飾酶的不飽和性氨基酸；）修飾酶的不飽和性氨基酸；（4 4）氧自由基與酶分子

12、的金屬離子起反應(yīng)）氧自由基與酶分子的金屬離子起反應(yīng)例：例： H2O2使使CuZn-SODCuZn-SOD的的CuCu2+2+還原成還原成CuCu+ +, ,使酶失活。使酶失活。四、四、 氧自由基對(duì)生物大分子的損傷氧自由基對(duì)生物大分子的損傷3 3、DNADNA 剪切、降解、修飾。堿基修飾和單雙鏈的斷裂。剪切、降解、修飾。堿基修飾和單雙鏈的斷裂。降解產(chǎn)物可發(fā)生降解產(chǎn)物可發(fā)生TBATBA顯色反應(yīng)。顯色反應(yīng)。思考思考: :為何加為何加FeFe2+ 可以加劇可以加劇DNADNA的降解的降解? ? 第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng)一、酶系統(tǒng)一、酶系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除

13、系統(tǒng) 一、酶類(lèi)一、酶類(lèi) 1 1、SODSOD 氧代謝的關(guān)鍵酶氧代謝的關(guān)鍵酶, 1938, 1938年年MannMann和和KeitinKeitin在進(jìn)行牛血紅細(xì)胞分級(jí)分離在進(jìn)行牛血紅細(xì)胞分級(jí)分離時(shí)發(fā)現(xiàn)的時(shí)發(fā)現(xiàn)的, ,為淡藍(lán)色含銅蛋白為淡藍(lán)色含銅蛋白.1969.1969年和年和FriidovichFriidovich弄清弄清了它催化發(fā)生歧化反應(yīng)的性質(zhì)了它催化發(fā)生歧化反應(yīng)的性質(zhì), ,正式將其命名為超氧化物歧化酶。正式將其命名為超氧化物歧化酶。 O2.-+2H+ O2+H2O2 對(duì)熱、酸、堿的穩(wěn)定性是目前酶類(lèi)中最好的一種，能抑制腎上腺素、鄰對(duì)熱、酸、堿的穩(wěn)定性是目前酶類(lèi)中最好的一種，能抑制腎上腺素、

14、鄰苯二酚的自動(dòng)氧化和氮藍(lán)四唑的光下還原。苯二酚的自動(dòng)氧化和氮藍(lán)四唑的光下還原。分布，類(lèi)型：分布，類(lèi)型：CuZn-SODCuZn-SOD：胞質(zhì)，：胞質(zhì)，葉綠體葉綠體。（。（3 3種種SODSOD中含量最豐富，中含量最豐富，H H2 2O O2 2可使可使Cu/Zn-SOD Cu/Zn-SOD 失活）失活） Mn-SODMn-SOD：線(xiàn)粒體，細(xì)菌等原核生物：線(xiàn)粒體，細(xì)菌等原核生物Fe-SODFe-SOD：葉綠體，細(xì)菌等原核生物：葉綠體，細(xì)菌等原核生物第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng)1 1、SODSOD 誘導(dǎo)酶，在脅迫條件下基因轉(zhuǎn)錄水平大幅提誘導(dǎo)酶，在脅迫條件下基因轉(zhuǎn)錄水平大幅提高，酶

15、活性增加。常用抑制劑為高，酶活性增加。常用抑制劑為DDCDDC（CuCu的螯合劑）。的螯合劑）。SODSOD與衰老與衰老SODSOD與抗性與抗性基因工程進(jìn)展：基因工程進(jìn)展： 幾種已從植物中得到克隆并用來(lái)轉(zhuǎn)幾種已從植物中得到克隆并用來(lái)轉(zhuǎn)化不同的植物化不同的植物, ,最終獲得活性增強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因植株。最終獲得活性增強(qiáng)的轉(zhuǎn)基因植株。第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng)基因工程：基因工程： 在轉(zhuǎn)基因煙草、苜蓿、土豆和棉花中在轉(zhuǎn)基因煙草、苜蓿、土豆和棉花中, ,葉綠體葉綠體的過(guò)量表達(dá)的過(guò)量表達(dá), ,提高了它們對(duì)氧化脅迫的耐受性提高了它們對(duì)氧化脅迫的耐受性; ;在苜蓿線(xiàn)粒體和土豆細(xì)胞質(zhì)中的過(guò)量表達(dá)在

16、苜蓿線(xiàn)粒體和土豆細(xì)胞質(zhì)中的過(guò)量表達(dá), ,也具有也具有同樣的效果。同樣的效果。 然而轉(zhuǎn)基因煙草然而轉(zhuǎn)基因煙草- -的過(guò)量表達(dá)并未提高的過(guò)量表達(dá)并未提高其對(duì)冷害和鹽脅迫的耐受性；用矮牽牛葉綠體其對(duì)冷害和鹽脅迫的耐受性；用矮牽牛葉綠體 - -轉(zhuǎn)化煙草得到的轉(zhuǎn)基因植株轉(zhuǎn)化煙草得到的轉(zhuǎn)基因植株 活性提高了活性提高了30305050倍倍, ,但植株并未提但植株并未提高對(duì)百草枯或臭氧引起的氧化損傷的耐受性？以上情高對(duì)百草枯或臭氧引起的氧化損傷的耐受性？以上情況說(shuō)明？（思考）況說(shuō)明？（思考）第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng) 2 2、CATCAT 主要存在于主要存在于過(guò)氧化物酶體過(guò)氧化物酶體與與乙

17、醛酸循環(huán)體乙醛酸循環(huán)體，清除，清除光呼光呼吸吸中產(chǎn)生的中產(chǎn)生的H H2 2O O2 2，是，是C C3 3 植物中植物中H H2 2O O2 2 清除的關(guān)鍵酶清除的關(guān)鍵酶, , 而且而且是是C C3 3 植物耐受脅迫所必需的，對(duì)植物耐受脅迫所必需的，對(duì)H H2 2O O2 2 的親和性較的親和性較POXPOX低。低。 HO-OH + HO-OH 2H2 2O + O=O 第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng) 3 3、PODPODn 種類(lèi)較多種類(lèi)較多, , 主要包括主要包括GPX GPX 和和APXAPX兩種酶。位于葉綠體、兩種酶。位于葉綠體、胞質(zhì)和線(xiàn)粒體，對(duì)胞質(zhì)和線(xiàn)粒體，對(duì)H2O2H

18、2O2親和性要比親和性要比CAT CAT 高得多高得多, ,能專(zhuān)一的能專(zhuān)一的清除葉綠體內(nèi)的清除葉綠體內(nèi)的H2O2H2O2，重要的葉綠體保護(hù)酶。，重要的葉綠體保護(hù)酶。 HO-OH + HO-R-OH 2H2O + O=R=O 第三節(jié)第三節(jié) 活性氧的清除系統(tǒng)活性氧的清除系統(tǒng)二、非酶二、非酶nAsAAsA， GSHGSH， VEVE， CarCar，甘露醇，甘露醇n次生物質(zhì)：（多酚、黃酮、單寧）等次生物質(zhì)：（多酚、黃酮、單寧）等 積極的一面：積極的一面：1 1、細(xì)胞代謝、細(xì)胞代謝（1 1） 許多酶促反應(yīng)，往往以自由基的形式作為電子轉(zhuǎn)許多酶促反應(yīng)，往往以自由基的形式作為電子轉(zhuǎn) 移的中間產(chǎn)物。移的中間產(chǎn)

19、物。如：黃酶催化反應(yīng)時(shí)，電子從黃素轉(zhuǎn)移時(shí)先形成黃素半如：黃酶催化反應(yīng)時(shí)，電子從黃素轉(zhuǎn)移時(shí)先形成黃素半醌自由基（必要的中間產(chǎn)物）。醌自由基（必要的中間產(chǎn)物）。 底物底物 黃素黃素 . .黃素自由基黃素自由基 生成物生成物+ +黃素黃素（2 2）促進(jìn)物質(zhì)的合成與分解）促進(jìn)物質(zhì)的合成與分解 如：木質(zhì)素生物合成的最后一步由結(jié)合在細(xì)胞壁如：木質(zhì)素生物合成的最后一步由結(jié)合在細(xì)胞壁上的過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化氫使木質(zhì)素單體發(fā)生聚合反上的過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化氫使木質(zhì)素單體發(fā)生聚合反應(yīng)完成。應(yīng)完成。第四節(jié)第四節(jié) 活性氧的生理意義活性氧的生理意義 e e 2 2、抗病、抗病 植物抗病植物抗病. .植物和病原物的互作分為：

20、植物和病原物的互作分為：親和性：反應(yīng)強(qiáng)度小親和性：反應(yīng)強(qiáng)度小, ,時(shí)間短時(shí)間短. .非親和性（非親和性（）誘發(fā)感染處的細(xì)胞發(fā)生過(guò)敏反應(yīng)誘發(fā)感染處的細(xì)胞發(fā)生過(guò)敏反應(yīng)( () )；（）局部獲得抗性（）局部獲得抗性( () )或系統(tǒng)或系統(tǒng)獲得抗性獲得抗性( () )活性氧迸發(fā)被認(rèn)為是植物對(duì)病原菌應(yīng)答的最早期反活性氧迸發(fā)被認(rèn)為是植物對(duì)病原菌應(yīng)答的最早期反應(yīng)之一應(yīng)之一第四節(jié)第四節(jié) 活性氧的生理意義活性氧的生理意義 A schematic representation of the kinetics of cell death,H2O2 and salicylic cid accumulation in plant cells following bacteria inoculation 、氧化酶（主要）、氧化酶（主要