谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽转硫酶研究进展

动物医学进展,2008,29(10):53-56

Pr ogress in Veterinary Medicine

文献综述

谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽转硫酶研究进展*

马森

(武夷学院化学系福建省高校绿色化工技术重点实验室,福建武夷354300)

摘要:谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和谷胱甘肽转硫酶(GST)是一对抗氧化酶。GSH-Px为含硒半胱氨酸,至少有4种同工酶,催化还原H2O2和有机氢过氧化物。GST不含硒,有多种同工酶,不能分解H2O2,但具有清除过氧化物和解毒的双重功能。二者广泛存在于组织细胞、红细胞、血浆和乳中,与细胞损伤、缺氧、中毒、衰老、多种疾病的发生有关;GSH-Px活性也与机体硒水平密切相关。文章综述了GSH-Px 和GST的分类与结构、性质、作用、检测原理、动物临床方面的应用及研究进展。

关键词:谷胱甘肽过氧化物酶;谷胱甘肽转硫酶;研究进展

中图分类号:Q554.6文献标识码:A文章编号:1007-5038(2008)10-0053-04

谷胱甘肽过氧化物酶(g lutathione pero xidase, GSH-Px)于1957年由M ills从牛红细胞中发现,分子结构中含硒,故又名硒谷胱甘肽过氧化物酶(Se-GSH-Px),是体内清除H2O2和许多有机氢过氧化物的重要酶。1976年,Law rence等发现组织中还存在一种不含硒的GSH-Px,命名为谷胱甘肽转硫酶或不含硒的谷胱甘肽过氧化物酶(g lutathio ne-S-tr ansferase,GST或on-Se-GSH-Px),在体内具有清除过氧化物及解毒的双重功能。文章对GSH-Px和GST的分类与结构、性质、作用、检测原理、动物临床方面的应用及研究进展进行了阐述。

1分类与结构

从人和动物组织或细胞中提纯的GSH-Px,分子质量为76ku~95ku,为水溶性四聚体蛋白,4个亚基相同或极为类似,每个亚基有1个硒原子。目前发现GSH-Px至少有4种同工酶,其在机体中的分布、亚基结构、一级序列和酶学特点上有显著不同。第1种为细胞谷胱甘肽过氧化物酶(cGPx),主要分布在组织细胞的细胞区、线粒体和红细胞中,催化还原H2O2和有机氢过氧化物,对各类氢过氧化物都有较好的催化作用。第2种为磷脂过氧化氢谷胱甘肽过氧化物酶(PH GPX),主要分布在各种组织细胞外的细胞液内,部分分布在细胞膜上,主要还原磷脂过氧化氢、脂肪酸过氧化氢和甾体过氧化氢, PH GPX是必需的生物膜组成成分,可阻止生物膜非专一性的磷脂过氧化。第3种为血浆谷胱甘肽过氧化物酶(pGPx),主要分布在血液中,既能还原磷脂氢过氧化物又能还原H2O2。第4种为消化系统谷胱甘肽过氧化物酶(GIGPX),高表达于胃肠道黏膜上皮细胞。牛红细胞GSH-Px有178个氨基酸,第35位是1个硒半胱氨酸。在其亚基结构中有4处A-螺旋和4处B-折叠。整个酶分子中,4个亚基处在一个平面,具有催化活性的硒半胱氨酸位于酶分子表面凹穴的活性部位,易于接触有机氢过氧化物等底物。后者虽然不溶于水,但由于活性基团周围存在一些疏水性芳香环氨基酸残基,形成脂溶性底物可进入的疏水区域,可以与硒半胱氨酸反应,从而使GSH-Px显示很高的反应性。GST是分子质量40ku~50ku的二聚体蛋白质,随着亚基的不同组合而有多种同工酶,如哺乳动物的GST分为A, L,P,H,R等5类水溶性GST,另外还有一类是脂溶性的微粒体同工酶。随着对GST的深入研究,新GST种类不断被发现。已确定了上述5种主要的酶家族中至少一个成员的三维结构,这些结构都具有包括两个结构域的基本蛋白质折叠。大鼠肝胞浆GST是由Ya、Yb、Yc3种不同亚基组合成的YaYa、YcYc、YaYc、YbYb等同工酶,亚基的分子质量为22.5ku~25ku;大鼠肝微粒体GST的亚基分子质量却为14ku;不同来源的GST中氨基酸组成可能有差异,分子质量常不一致[1-5]。

*收稿日期:2008-05-04

基金项目:福建省教育厅/乳谷胱甘肽过氧化物酶研究0项目(JB03266)

作者简介:马森(1947-),男,青海西宁人,教授,主要从事动物生理生化研究。

2化学性质

GSH-Px可使H2O2转变为H2O,使许多有机氢过氧化物(ROOH)还原为ROH,在催化反应中需要还原型谷胱甘肽(GSH)作为供氢体,反应如下:

2GSH+H2O2GSH-Px

GSSH+2H2O,2GSH+

ROOH GSH-Px

GSSH+2ROH;几乎所有的有机

氢过氧化物都可以在GSH-Px的作用下还原为ROH。

GSH-Px虽然可以催化许多巯基化合物氧化,但催化效率相对很低,在所有的巯基化合物中以C-谷胱甘肽的催化效率最高。GSH-Px愈纯,其性质愈不稳定,纯酶置冰箱中贮存,活力会降低。GSH-Px的最适pH为8~9,在pH6及其以下,GSH-Px 无活性。氰化物与叠氮化物都不能抑制GSH-Px的活性。GSH-Px的吸收光谱在400nm~420nm范围内。

在GST的作用下,GSH可与许多亲电药物结合,如GSH与1-氯-2,4-二硝基苯结合成1-巯基-2, 4-二硝基苯:GSH+C6H3(NO2)2Cl

Non-S e-GS H-Px SG-C6H3(NO2)2Cl+H Cl;该酶还可以清除脂类氢

过氧化物,但不能催化H2O2分解,2GSH+ROOH

Non-Se-GSH-Px

ROH+H2O+GSSG,从微粒体提纯的GST为低活性酶,被活化剂N-乙基-顺丁烯二酰亚胺、靛乙酰胺等处理后活性可明显增强。

牛乳中也存在GST,测定牛乳中GSH-Px和GST的活性及热稳定性,发现温度升至75e加热15s,GSH-Px活力大致降到原有的20%;95e煮沸1m in后活性全部丧失。75e加热15s,GST的活性下降50%,95e煮沸1min后GST活性仍保存30%左右,GST有更高的耐热性[6]。

3谷胱甘肽过氧化物酶的作用机制

在GSH-Px的催化反应中,分子中的硒半胱氨酸起重要作用。在反应(1)中ROOH可用H2O2代替。无论ROOH还是H2O2,都可将GSH-Px中的

E-CysSe-+H++ROOH k1E-Cy sSeOH+ROH Y(1) E-CysSeOH+GSH k2

k-2

E-Cy sSe-SG+H2O(2)

E-Cys-Se-SG+GSH k3

k-3

E-Cys-Se-+GSSG+H+(3)

硒醇离子氧化成硒次磺酸衍生物(E-CysSeOH),但后者是酶促反应的中间物(过度态复合物)。在反应(2)中GSH为供氢体,它与酶反应的中间物作用后产生E-Cy sSe-SG(酶-底物复合物)。然后通过反应(3)再与GSH反应,生成原来的GSH-Px与氧化型谷胱甘肽(GSSG)。这三步反应表明,GSH-Px的催化反应是一种循环过程,其中硒半胱氨酸发生的可逆性氧化还原反应起重要作用;在循环过程中GSH-Px可恢复原来状态,但GSH却变成GSSG。要使GSSG还原成GSH,必须在GSH还原酶作用下由NADPH提供H,反应式:GSSG+NADPH GSH还原酶

2GSH+NADP+[1-4]。

4生物学作用

4.1谷胱甘肽过氧化物酶的作用

4.1.1清除脂类氢过氧化物GSH-Px的主要作用是清除脂类氢过氧化物,并在过氧化氢酶含量很少或H2O2产量很低的组织中,可代替过氧化氢酶清除H2O2,其清除脂类氢过氧化物的速度决定于GSH-Px的浓度,而与GSH的浓度无关。

4.1.2清除H2O2脑与精子中几乎不含过氧化氢酶,而含较多的GSH-Px,代谢中产生的H2O2可以被GSH-Px清除。即使含过氧化氢酶较多的组织,仍需GSH-Px清除H2O2,因为在细胞中过氧化氢酶多存在于微体,而在胞浆和线粒体中却很少,组织中较多的GSH-Px可及时清除H2O2;如有的病人缺乏产生过氧化氢酶的基因,但GSH-Px可清除H2O2,故H2O2损伤组织不明显。

4.1.3减轻有机氢过氧化物对机体的损伤在病理生理情况下,活性氧如#OH可能诱发脂类过氧化,除了直接造成生物膜损伤外,还可以通过脂类氢过氧化物与蛋白质、核酸反应,使机体发生广泛性损伤。如果GSH-Px清除脂类氢过氧化物能力不受影响,机体的损伤就可减轻。除了脂类氢过氧化物外,还可能出现其他有机氢过氧化物,如核酸氢过氧化物、胸腺嘧啶氢过氧化物,这两者属于致突变剂, GSH-Px清除有机氢过氧化物的作用可降低致突发生率。脂类过氧化也是细胞老化的原因之一,预防脂类过氧化可延缓细胞老化,所以GSH-Px在预防衰老方面起到重要作用[7]。

4.1.4参与前列腺素合成的调节前列腺素在体内分布较广,其合成原料为花生四烯酸。但在环氧酶与脂氧合酶的作用下,花生四烯酸尚可氧化成某

54动物医学进展2008年第29卷第10期(总第183期)