活性氧类的生物学功能研究

活性氧类的生物学功能研究

摘要活性氧类（ROS）是机体中一类重要的自由基，离子微小，性质活跃。ROS是正常氧代谢的副产物，并且对细胞信号传导，和机体稳态维持起很大作用。同时，活性氧的过度积累也会严重损坏细胞结构，导致细胞凋亡等不良反应。本文就活性氧的生物学功能展开讨论，具体说明活性氧类物质在细胞信号转导、细胞代谢、细胞增殖及死亡中的重要作用。

关键词活性氧类；信号转导；细胞增殖；凋亡

前言

活性氧类物质是机体进行氧化还原反应的产物，种类较多，主要有：O2-，HO2-，H2O2，·OH，以及LO·，LOO·，LOOH等，通过氧代谢产生（图1）。活性氧（ROS）在人体生理和病理生理过程中起着至关重要的作用。ROS一度被认为几乎完全来自线粒体代谢，事实上，虽然线粒体功能正常，最终的氧电子受体被还原为水，但在病理条件下，电子可能过早地漏出系统并生成ROS。现证明，细胞内的ROS的产生与NADPH氧化酶有很大关系。ROS在细胞凋亡中起了重要作用，作为胞内信号转导分子参与细胞凋亡过程[1-2]。除凋亡之外，活性氧类还有许多其他功能。以常见的过氧化氢为例，高浓度的过氧化氢可以诱导细胞凋亡，而低浓度的过氧化氢却可以促进细胞增殖。其在信号转导方面也有不可忽视的作用。

O2在被还原为H2O的过程中，每次只接受一个电子，中间过程产生超氧阴离子（O2-）、过氧化氢（H2O2）、羟基自由基（·OH）等活性中间产物。

1 活性氧积累引起的细胞凋亡

1.1 活性氧引起细胞凋亡的机制

细胞凋亡是一种程序性细胞死亡，它在正常发育的调节、受损细胞的清除和多细胞生物体内平衡的维持中扮演重要角色[3]。过氧化氢诱导细胞凋亡具有时间和剂量的依赖性[4]。过氧化氢同时通过死亡受体途径和线粒体途径诱导细胞凋亡[5]。内源性和外源性细胞凋亡途径都汇聚在一个级联的胱天蛋白酶，然后引起细胞凋亡现象[6-7]。

（1）死亡受体途径

Fas为同源三聚体，死亡受体接收死亡信号（过氧化氢刺激等），启动死亡结构域（DD）之后，可诱导Fas三聚体化，Fas的死亡结构域与相关蛋白的FADD 结合，两者相互作用，使其死亡作用结构域（DED）与caspase-8/caspase-10作用，Fas寡聚化导致DISC的形成及caspase-8/caspase-10寡聚化。caspase-8/caspase-10自身剪接后被激活，从而使下游的caspase-3/caspase-7被激活，caspase-3又可激

活caspase-6，产生级联反应，引起细胞凋亡[8-10]。

（2）线粒体途径

线粒体途径是通过线粒体释放凋亡信号的内在途径启动的。相比之下，线粒体途径需要释放线粒体细胞色素C和一个大型的多蛋白复合体，包括细胞色素C 和caspase-9前体。这与线粒体膜的通透性转运孔的开关有关。Bax和Bak是直接的Bcl-2家族的促凋亡的线粒体外膜通透性因子，存在于非凋亡细胞的细胞质中和凋亡细胞的线粒体中它们可以嵌入线粒体外膜，寡聚化，形成孔洞[5]。氧化作用及自由基对线粒体膜的氧化性损伤可导致上述孔洞的形成。

孔洞形成后，细胞色素C及凋亡诱导因子（AIF）等释放到细胞质中。在ATP的作用下，APAF-1的C端WD-40重复序列形成多聚复合物。复合物利用APAF-1的N端CARD区募集caspase-9前体，并使其剪接活化。Caspase-9将水解激活下游的caspases，特别是负责细胞凋亡、破坏的caspases 3和7，caspase-3在DNA片段化中起着重要作用。因此，产生caspase的级联反应，引起细胞凋亡。

1.2 细胞的自我损伤防御机制

在经典模型中，抗凋亡蛋白家族成员，如Bcl-2等，在抑制线粒体凋亡途径中起着关键的作用。Bcl-2，Bcl-xL 和Mcl-1，三种蛋白协同作用，改变了线粒体外膜的通透性，阻止细胞凋亡。Bcl-2直接作用于BH结构域（Bcl-2同源域，它决定了Bcl-2家族结构和功能的同源性），从而抑制Bax和Bak的活性。凋亡前体BH3-only蛋白能促进Bax的活性，可直接作用于Bax，或者抑制抗凋亡物质，如Bcl-2家族成员，解除其对Bax的阻遏作用，使Bax被激活。

此外，其他的凋亡抑制因子（IAPS）也具有抑制细胞凋亡的作用。IAPs 蛋白通过BIR 结构域直接与Caspase 的IBM 结合，抑制Caspase3/7/9 的催化活性，阻断细胞凋亡进程。

2 低浓度活性氧类促进细胞增殖

细胞增殖是机体重要的生命特征，细胞增殖异常往往与疾病的发生有关。增殖的促进与细胞周期检测点、周期蛋白、细胞周期蛋白依赖性激酶（CDKs）、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CKIs）等有重要关系。

活性氧会诱导细胞凋亡已被广泛认可，但研究表明极低浓度的外源活性氧加入培养基，会使一些细胞出现增殖的现象，例如：人成纤维细胞、上皮细胞、成骨细胞等。有研究表明，给大鼠主动脉平滑肌细胞中转入以腺病毒为载体的过氧化氢酶的cDNA（AdCat）或控制基因，AdCat转染导致细胞内定位于过氧化物酶体的过氧化氢酶蛋白的剂量依赖性增加，与对照组相比细胞内H2O2的浓度降低。这表明，过氧化氢酶过表达抑制平滑肌增殖，同时增加细胞凋亡率，内源性产生的H2O2对血管平滑肌细胞的存活和增殖有重要的调节作用。也有研究表

明，低浓度的H2O2 對mESCs 有明显的促增殖作用。活性氧类促进细胞增殖的方式主要有激活转录因子（如NF-κB）、激活MAP激酶家族等。

研究表明，ROS水平在细胞周期内呈规律性变化。ROS水平在G1期较低，随着细胞周期进程ROS水平也在不断上升，到M期达到峰值，细胞分裂后ROS 水平急剧下降到G1期的较低水平。3 活性氧类在细胞信号转导中的作用

cox诱导合成前列腺素（PG）。PG通过MRP4从细胞释放，这是第一个限速步骤。前列腺素激活G蛋白受体，通过腺苷酸环化酶（AC）激活环磷酸腺苷（cAMP）的途径，增加CFTR活性即第二个限速步骤，并增加黏膜纤毛清除功能（MCC）。

4 结束语

长期以来，ROS被认作是细胞代谢的毒性物质，可诱导细胞凋亡。目前，越来越多的证据显示，ROS是信号通路的正常成分。从胚胎的发育到细胞的死亡，都有它的参与。ROS在细胞内发挥作用需要很多分子的精密配合。研究ROS 在细胞增殖、凋亡以及信号转导中的作用，对于癌症及其他疾病的治疗，有及其重大的作用。

参考文献

[1] 佟丽.TSG抑制过氧化氢诱导内皮细胞凋亡机制的初步研究[D].衡阳：南华大学，2011.

[2] Wang YK，Hong YJ，Wei M，et al. Curculigoside attenuates human umbilical vein endothelial cell injury induced by H2O2[J]Journal of Ethnopharmacology，2010，132（1）：233-239.

[3] Dandona P，Thusu K，Cook S，et al. Oxidative damage to DNA in diabetes mellitus [J]. Lancet，1996，347（8999）：444.

[4] Gutiérrezvenegas G，Guadarramasolís A，Mu?ozseca C，et al.Hydrogen peroxide-induced apoptosis in human gingival fibroblasts[J].Int J Clin Exp Pathol，2015，8（12）：15563-15572.

[5] 肖卫民，蒋碧梅，石永忠，等.过氧化氢诱导C2C12细胞凋亡的机制初探[J].医学临床研究，2004，21（11）：1288-1291.

[6] Singh M，Sharma H，Singh N. Hydrogen peroxide induces apoptosis in HeLa cells through mitochondrial pathway[J]. Mitochondrion，2007，7（6）：367-373.

[7] Barbouti A，Amorgianiotis C，Kolettas E，et al. Hydrogen peroxide inhibits caspase-dependent apoptosis by inactivating procaspase-9 in an iron-dependent