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

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些氢过氧化物(XOOH)。这些氢过氧化物显著干扰前列腺素的生物合成。在GSH-Px的作用下, XOOH可转变为无活性物质(XOH),故GSH-Px 对前列腺素的生物合成起到调节作用。

4.1.5其他作用硒和GSH系统在氧化防御反应中起着关键作用。此外,GSH在代谢、细胞信号传导和蛋白质相互作用中也具有辅助性功能,还可以调节机体防御反应。其他含硒蛋白也有抗氧化特性。硒蛋白和有机硒复合物可以催化过亚硝酸盐反应生成NO2,在预防过亚硝酸盐的生成中也起着重要作用,可以保护细胞免受过亚硝酸盐的损害[8]。4.2谷胱甘肽转硫酶的作用

GST广泛存在于哺乳动物各组织器官中,主要功能是催化某些内源性或外来有害物质的亲电子基团与还原型谷胱甘肽的巯基偶联,增加其疏水性使其易于穿越细胞膜,分解后排出体外,从而达到解毒的目的,保护DNA及一些蛋白质免受损伤。GST 在肝细胞中含量很多,肝细胞受到损伤时GST很快会释放到血液中,因此血液中GST升高可作为肝脏损伤的敏感指标。GST具有清除体内过氧化物及解毒的双重功能,但GST在GSH-Px活力降低的条件下,只有清除脂质过氧化物(LPO)的功能[1-3,5]。5检测方法

GSH-Px的活力以催化GSH的反应速度来表示。由于GSH和H2O2生成GSSH和H2O的反应在没有酶的条件下也能进行,因此计算酶活力时必须扣除非酶促反应引起的GSH减少的部分。GSH 测定通常采用二硫代二硝基苯甲酸法,其原理是GSH和二硫代二硝基苯甲酸作用生成5-硫代二硝基苯甲酸阴离子。该离子呈现较稳定的黄色,在412nm测定其吸光度,即可计算出GSH的量,以单位时间内GSH减少量来表示GSH-Px活力。GST 具有催化GSH与1氯-2,4-二硝基苯结合的能力,

GSH+C6H3(NO2)2Cl C6H3(NO2)2GS

(1-巯基-2,

4-二硝基苯)+H Cl,在一定时间内,活性高低与GSH的减少量呈线性关系。GSH的测定原理和GSH-Px相同。

6谷胱甘肽过氧化物酶的临床应用及研究进展冯彪等[7]报道,老龄鼠肝和心肌中GSH-Px的活力显著高于幼龄鼠。何绘敏[9]报道,大鼠缺氧时脑内GSH-Px显著下降,而脂类过氧化物的代表MDA显著升高,表明缺氧时脑内抗氧化能力减弱。耿义群等[10]报道GSH-Px降低可能与脑智力发育障碍,大脑缺血、缺氧损伤,神经变性及重金属中毒有关;脑内GSH-Px 可能防止脑细胞受到氧化损伤。陈振峰[11]报道,30名成人从平原进入拉萨(海拔3658m)5d后,红细胞GSH-Px由1675.2mmol/L?715.36mmol/L降低到794.3mmol/L?326.38mmol/L;GSH也从19.01mmol/L?7.72mmol/L降低到11.49?

4.14mmo l/L,而SOD显著升高,表明人急进高原后抗氧化系统发生一系列适应性反应。任中海[12]报道经常参加体育锻炼大学生全血GSH-Px显著高于非锻炼组;刘贺等[13]报道经过16周瑜珈锻炼,女大学生GSH-Px活性显著提高;经常锻炼可使机体抗氧化能力提高。武瑞[14]报道,酮病奶牛血清GSH-Px极显著降低,而MDA显著升高。据崔永华等[15]报道,给生长牛饲料中添加20g/kg的不同中草药方剂,2月~3月后,血清GSH-Px显著升高。

由于硒是GSH-Px的构成成分,机体硒含量和GSH-Px活力密切相关。张舸等[16]用低硒低碘饲料喂养SD大鼠,仔3代、仔4代4日龄和21日龄肝脏GSH-Px降至对照组水平的约1%,全血降至约20%。张世珍等[17]报道,硒缺乏动物血液、肝GSH-Px活力下降,M DA和自由基水平升高,表明硒缺乏导致自由基损伤,而补硒可降低M DA和自由基,升高GSH-Px。盛永杰[18]报道,奶牛补硒0.01L g/kg ~0.1L g/kg,使红细胞GSH-Px增加近10%。李英等[19]报道,给黄牛灌服10g/L亚硒酸钠12h~ 72h后全血中GSH-Px升高约64%~72%。侯江文[20]报道,用富硒玉米饲喂动物,奶山羊、猪在30、70d后全血GSH-Px分别升高近1倍和2.4倍;鸡全血GSH-Px在60d后升高近2.3倍。硒是GSH-Px构成成分也解释了硒的部分抗氧化功能,但多种GPX酶和基因的发现表明这种概念过于简化。在硒缺乏动物中,GPX1、GPX4、硒蛋白-P和Dò具有分级保护作用,在动物或其他组织中GPX1的主要作用可能作为/生物硒0缓冲剂[21]。

Ellis L等[22]报道,人、牛、山羊和鼠乳汁中均可检出GSH-Px,说明此酶存在于乳腺。早产儿母乳GSH-Px和LCP均高于足月儿,GSH-Px的抗氧化作用可以保护乳脂肪球膜的结构,可能对乳腺内脂肪酸分泌和婴儿营养起辅助作用,对新生儿的发育起一定保护作用。李晓南[23]报道,妇女初乳中GSH-Px显著高于常乳。Debski B等[24]报道,妇女乳中硒浓度与GSH-Px之间呈线性相关(r= 0.76,P<0.001)。马森检测了9份牛乳中GSH-Px活性为125.39?22.83活性单位/mL,硒浓度为2.68?0.99L g/100m L),两者间线性相关r=

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马森等:谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽转硫酶研究进展

0.8392(P<0.0025)[25]。

7结语

GSH-Px催化还原动物体内H2O2和有机氢过氧化合物,参与调节前列腺素的合成。GST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、乳中,与细胞损伤、缺氧、中毒、衰老、多种疾病的发生有关;检测GSH-Px活性是衡量机体抗氧化力的重要指标,也与机体硒水平密切相关。

参考文献:

[1]方允中,李文杰.自由基与酶[M].北京:科学出版社,1989:

133-142.

[2]周玫,陈瑗.谷胱甘肽过氧化物酶[J].生物化学与生物物

理进展,1985,(3):27-30.

[3]王咏梅.自由基与谷胱甘肽过氧化物酶[J].解放军药学学报,

2005,21(5):369-371.

[4]刘俊秋,罗贵民,沈家骢.仿硒酶研究进展[J].化学进展,2007,

19(12):1928-1938.

[5]杨海灵,聂力嘉,朱圣庚,等.谷胱甘肽硫转移酶结构与功能

研究进展[J].成都大学学报,2006,25(1):19-23.

[6]马森.牛乳中GSH-PX、GST及热稳定性研究[J].中国奶

牛,2006,(12):38-39.

[7]冯彪,石贵山,何满.老龄鼠和幼龄鼠肝、心组织中过氧化

脂质、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶的变化[J].中国

实验动物学杂志,1994,4(1):60-61.

[8]井明艳,赵树盛,付亮剑.硒的生化特性与谷胱甘肽系统[J].饲

料工业,2006,27(4):8-11.

[9]何绘敏,徐立新,曲云霞,等.新生大鼠缺氧缺血性脑病组织内

丙二醛及谷胱甘肽过氧化物酶的动态变化[J].大连医科大学

学报,1999,21(2):105-106.

[10]耿义群,苏敏,徐小虎.硒谷胱甘肽过氧化物酶在脑抗氧化

损伤中的研究进展[J].脑与神经疾病杂志,2004,12(3):239-

240.

[11]陈振峰,刘兴太,王世鑫,等.急进高原人群红细胞谷胱甘肽、

谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶的变化[J].环境与健

康杂志,1999,16(3):128-129.[12]任中海.体育锻炼对高原大学生全血GS H-PX的影响[J].青

海大学学报,2004,22(5):94-95.

[13]刘贺,李静,王耀光.瑜珈练习对女大学生CK、SOD、

GPX及M DA的影响[J].沈阳体育学院学报,2007,26(2):

65-66.

[14]武瑞,张洪友,夏成,等.荷斯坦奶牛酮病对抗氧化系统影

响的研究[J].动物医学进展,2005,26(1):89-90.

[15]崔永华,吴乃科,杨维仁,等.不同中草药组方及其添加水平对

生长牛血清GS H-PX活性的影响[J].中国畜牧杂志,2006,

42(11):40-42.

[16]张舸,田东萍,苏敏,等.长期低硒、低碘对发育期大鼠肝

脏和全血GS H-Px活性的影响[J].环境与职业医学,2005,22

(4):309-311.

[17]张世珍,王兴亚,齐志明,等.硒和维生素在硒缺乏动物自由基

代谢中作用机制的研究[J].畜牧兽医学报,1997,28(4):311-

316.

[18]盛永杰,陈维多.硒对奶牛红细胞谷胱甘肽过氧化物酶活力的

浓度依赖性研究[J].黑龙江畜牧兽医,2001,(8):8-9.

[19]李英,何锵恒,张胜,等.灌服亚硒酸钠对黄牛全血中

GSH-Px活力和GS H的影响[J].兽药与饲料添加剂,2005,

10(3):1-2.

[20]侯江文,韩斌,董庆爰.天然富硒饲料对畜禽全血谷胱甘肽

过氧化物酶活性的影响[J].陕西农业科学,1996,(3):15-16. [21]张兆琴,吴占福,吴淑琴,等.必需微量元素硒的研究进展[J].

畜牧兽医杂志,2007,26(1):44-46.

[22]Ellis L.妊娠期长短对人乳硒含量及谷胱甘肽过氧化物酶活

性的影响[J].国外医学:医学地理分册,1991,12(4):160-

161.

[23]李晓南,陈荣华,郭锡熔,等.母乳中谷胱甘肽过氧化物酶活性

和脂质过氧化水平的测定及意义[J].临床儿科杂志,1998,16

(1):47-48.

[24]Debsk i B.素食与非素食妇女的乳硒含量和谷胱甘肽过氧化

物酶活性[J].国外医学:医学地理分册,1990,11(3):111-

113.

[25]马森.牛乳中硒测定及与GSH-Px的相关性[J].乳业科学

与技术,2007,(6):293-295.

Progress on G SH-Px and G ST

M A Sen

(Chemistry Dep ar tment of W uyi Univ er sity,Fuj ian Unive rsity K ey L aboratory f or G reen

Che mical En gineering T ec hnology,W uyi,Fuj ian,354300,China)

Abstract:The GSH-Px and GST is a pair of antio xy gented enzym es.GSH-Px,is a Cys co ntaining Se,and it has4isoenzym es at least.It catalyzes and reduces H2O2and or ig annic H-perox ide.GST does not contain Se,but it has m any iso enzym es and could not decom pose the H2O2.H ow ev er it has tw o functions:elimina-ting perox ide and deto xificatio n.GSH-Px and GST ex ist g reatly in histo cytes,er ythr ocy tes,plasma,milk, and closely relate w ith the damage o f cells,anox ia,poiso ning,ageing and many diseases.T he activ ity of GSH-Px is closely related w ith concentration of selenium.T his article summarized the research develop-m ent o n types and structure,character s,functions,detection pr inciple,clinical application in anim als of GSH-Px and GST.

Key words:glutathione perox idase;g lutathio ne-S-tr ansferase;progr ess

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