Glutathione chìa khóa chính của sự chống oxy hóa

Tóm tắt: Kể từ khi cuộc cách mạng công nghiệp được bắt đầu thì quá trình sản xuất cũng tăng lên, đồng thời kèm theo đó là sự thải ra môi trường kim loại theo cấp số nhân và nó làm thay đổi nhiều chu trình tự nhiên của kim loại trong nhiều hệ sinh thái. Kim loại thể hiện đa dạng các đặc tính lý hóa như sự thiết yếu so với không thiết yếu, sự oxy hóa tích cực so với sự oxy hóa khử hoạt tính, tất cả các kim loại đều dẫn đến sự nhiễm độc và stress do quá trình oxy hóa khi mà đưa vào cơ thể quá mức, ảnh hưởng ngiem trọng đến môi trường và sức khỏe con người. Để đối phó lại với các kim loại, cơ thể có các chiến lược phòng thủ trong đó có glutathione (GSH; γglucysgly) đóng một vai trò như trung tâm tạo phức chất, chất chông oxy hóa và các thành phần tín hiệu. Do đó, bài đánh giá này nhấn mạnh vai trò của GSH trong: (1) cân bằng nội môi kim loại (2) chống oxy hóa (3) truyền tín hiệu stress bằng kim loại Các chức năng da dạng của GSH có nguồn gốc từ nhóm sulfhydryl trong cysteine, cho phép GSH oxy hóa vòng.

Glutathione chìa khóa chính của sự chống oxy hóa…

Tóm tắt: Kể từ khi cuộc cách mạng công nghiệp được bắt đầu thì quá trình sản xuấtcũng tăng lên, đồng thời kèm theo đó là sự thải ra môi trường kim loại theo cấp số nhân và nó làm thay đổi nhiều chu trình tự nhiên của kim loại trong nhiều hệ sinh thái Kim loại thể hiện đa dạng các đặc tính lý hóa như sự thiết yếu so với không thiết yếu, sự oxy hóa tích cực so với sự oxy hóa khử hoạt tính, tất cả các kim loại đều dẫn đến sự nhiễm độc và stress do quá trình oxy hóa khi mà đưa vào cơ thể quá mức, ảnh hưởng ngiem trọng đến môi trường và sức khỏe con người Để đối phó lại với các kim loại, cơ thể có các chiến lược phòng thủ trong đó có

glutathione (GSH; γ-glu-cys-gly) đóng một vai trò như trung tâm tạo phức chất, chất chông oxy hóa và các thành phần tín hiệu Do đó, bài đánh giá này nhấn mạnhvai trò của GSH trong:

(1) cân bằng nội môi kim loại

(2) chống oxy hóa

(3) truyền tín hiệu stress bằng kim loại

Các chức năng da dạng của GSH có nguồn gốc từ nhóm sulfhydryl trong cysteine, cho phép GSH oxy hóa vòng

Kim loại là những thành phần tự nhiên của vỏ trái đất, với nồng độ thấp có thể phát hiện trong trầm tích, nước và thậm chí là trong các sinh vật Do khả năng áp dụng linh hoạt của chúng mà kim loại được sử dụng rộng rãi như tronglinh kiện điện tử, vật liệu xây dựng, nhiên liệu cho động cơ Từ khi cuộc cách mạng công nghiêp được bắt đầu vào năm 1815, hoạt động sản xuất công nghiệp

và nông nghiệp tiên tiến đã tăng theo cấp số nhân cùng với đó là sự phát thải ra môi trường kim loại Không giống như các chất hữu cơ gây ô nhiễm, những chất mà có khả năng làm giảm hàm lương CO2 và H2O, kim loại là những chất không phân hủy và tồn tại lâu trong môi trường Việc phát thải ra môi trường kim loại quá mức đã làm thay đổi chu trình của kim loại trong nhiều hệ sinh thái Lượng kim loại khai thác phục vụ cho nền kinh tế toàn cầu dự báo tăng trưởng đáng kể, nhất là ngành khai khoáng Kể từ năm 1980, khai thác quặng kim loại là ngành công nghiệp có tỷ lệ tăng cao nhất Sự tăng trưởng của ngành công nghiệp này lớn hơn so với dự kiến và cho thấy tầm quan trọng của kim

loại trong phát triển công nghiệp, cùng với đó là lượng khí thải và kim loại thải vào môi trường ngày càng tăng

Các kim loại thiết yếu và quan trọng cung cấp chất dinh dưỡng phục vụ cho

sự phát triển bình thường của sinh vật như :coban (Co) , đồng (Cu) , sắt (Fe) , mangan (Mn) , molypden (Mo) , niken (Ni) và kẽm (Zn) ] Những kim loại này

có thể trở nên gây độc đối với cơ thể sinh vật khi chúng có hàm lượng quá cao trong môi trường Mặc dù tính chọn lọc của hệ thống vận chuyển, các kim loại không thay thế và các phi kim như Asen (As), catmi (Cd), Crom (Cr), chì (Pb),

và thủy ngân (Hg) cũng also make use of these uptake mechanisms Các mối đedọa chính đối với môi trường liên kết với nguyên tố không thay thế vì thực vật, như quá trình sản xuất sơ cấp, dạng quan trọng của con đường đi vào cho độc đối với chuỗi thức ăn Cho dù những gì đã biết, sự phát thải kim loại vẫn còn tiếp tục, đặc biệt đối với các quốc gia kém phát triển

Đối với các kim loại thiết yếu khác, thực vật có các chiến lược để sử dụng vàbảo vệ lượng kim loại tự do trong tế bào bằng 1 cách nhất định (ví dụ: loại bỏ kim loại, liên kết thành tế bào, kìm cặp cô lập và tự điều chỉnh các đáp ứng của

tế bào theo 1 cách khác (ví dụ: sự phục hồi tổn thương của pr do stress, chống oxy hóa Sự tập trung giới hạn các kim loại tự do, xu hướng tổng hợp chelator

và sự cô lập các phức hợp phân tử đến sau là quan trọng nhất Glutathione (GSH) là chìa khóa cấu thành trong quá trình làm sạch bằng ái lực cao kim loại của nhóm cồn lưu huỳnh (-SH) và như là 1 người báo trước của phytochelatins (pCs) Ngoài tính nội cân bằng của kim loại, cơ thể cũng trang bị cho mình hệ thống chống oxy hóa tới kim loại oxy hóa mạnh thách thức Cysteine là phần còn lại của GSH là 1 chất chống oxy hóa quan trọng, nó được bổ sung vào quá trình chống oxy hóa sơ cấp, hoạt động như là 1 chất nền cho sự cải tạo của quá trình chống oxy hóa khác Theo cách này, GSH và trạng thái oxy hóa của tế bàooxidized glutathione disulfide (GSSG) versus reduced GSH) Hơn nữa, tỷ lệ GSSH/GSH cân bằng chuyển giao thông tin dứt khoát để mà con đường tín hiệu

tế bào trở lại tốt và đáp trả lại các điều kiện stress của môi trường Sự điều chỉnh phòng thủ chính của GSH và cơ chế chính xác bởi các hoạt động như là 1 tín hiệu chuyển tải under metal-induced oxidative stress is currently under intense investigation and will provide essential information to understand the cellular responses to metal toxicity Bài viết này nhấn mạnh sự tham gia của

GSH trong : (1) cân bằng kim loại nội môi (2) chống oxy hóa (3)truyền tín hiệu stress bằng kim loại.

2. Quá trình sinh tổng hợp và sự cân bằng Gluathione.

Glutathione (γ-glutamyl-cysteinyl-glycine) là 1 tripetide phân bố rộng rãi và được tìm thấy trong tế bào thực vật với lượng 0,5-10 mM Nó là 1 dạng tổng hợp của 3 amino acids dựa vào 2 bước có sử dụng (hay phụ thuộc) vào ATP, bắt đầu với sự hình thành 1 liên kết peptide giữa γ-glutamate và

cysteine bằng γ-glutamylcysteine (GSH1) và việc bổ sung tiếp theo của glycine, xúc tác bởi glutathione synthetase (GSH2) (Ảnh 1: sinh tổng hợp

GSH) Trình tự genome của Arabidopsis cho thấy rằng cả 2 enzymes GSH1

và GSH2 được mã hóa bởi gene duy nhất Đột biến làm kìm hãm sự biểu hiện 1 trong 2 gene có kiểu hình gây chết, chỉ ra con đường duy nhất cho

quá trình tổng hợp GSH ở thực vật Sự quản lý ngoại sinh của GSH in vitro

có thể cứu giúp 1 phần sự phát triển của sinh vật dột biến, chứng minh sự nội sinh của GSH là thiết yếu cho sự chín của hạt và trong suốt quá trình mọc mầm Vì vậy, để nghiên cứu tầm quan trọng của GSH trong stress kim loại các điều kiện GSH-thiếu đột biến do giảm hoạt động GSH1 được ưa thích thay vì thực vật loại trực tiếp [23] Ngoài ra các chất ức chế GSH1 buthionine sulfoximine (BSO) thường được sử dụng để thay đổiGSH của tế bào Một nghiên cứu phơi nhiễm đồng Silene cucubalus(1 loài thực vật) chứng minh sự lipid peroxy và tỷ lệ GSSG / GSH oxy hóa hơn sau khi điều trị đồng CU (20 mM) Sự suy giảm của GSH bởi tiền xử lý BOS tăng đáng

kể thiệt hại oxy hóa bởi đồng Cu [24].Gần đây, Wojcik và Tukiendorf

(2011) đã phơi nhiễm chì Cd cây Arabidopsis , có hoặc không có bổ sung các BSO để điều tra thích ứng GSH để điều hòa stress Cd (50 và 100 mM) Thí nghiệm này cho thấy điều trị với BSO tăng tính

độc đối với chì Cd về cả hai nội dung và tích lũy GSH PC đã được giảm hơn96% [25] Một nghiên cứu điều tra chi tiết quá trình sinh tổng hợp GSH chothấy GSH1 được giới hạn plastid, trong khi GSH2 phần lớn được giới hạn cục bộ trong bào tương và ít hơn 10% sẽ là hoạt động trong plastid [26] Nhận định này phù hợp với kết luận trước đó rằng việc đào thải làm giảm lưu huỳnh từ plastid là chủ yếu theo hình thức γ-glutamylcysteine (γ-EC), một tiền chất của GSH [27] Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tỷ lệ tổng hợp GSH là khả năng sử dụng ngay lưu huỳnh và hoạt động của GSH1

Độc tính kim loại tăng ,cả hai yếu tố để đáp ứng nhu cầu GSH cao trong các

tế bào để đảm bảo giải độc và tồn tại Lưu huỳnh được đưa lên bởi thực vật

từ đất như sulfate Sau khi giảm, nó được đồng hóa thành các hợp chất hữu

cơ sinh học, với cysteine là sản phẩm đầu tiên (Hình 1: GSH sinh tổng hợp) Nói chung, con đường này được quy định bởi nhu cầu, làm giảm lượng lưu huỳnh Kể từ khi GSH được coi là một dạng lưu trữ quan trọng của việc giảm lưu huỳnh trong các tế bào, nhu cầu GSH cao do stress kích thích sự hấp thu kim loại lưu huỳnh, giảm và đồng hóa để đáp ứng nhu cầu của

cysteine cho GSH và PC sinh tổng hợp [28,29] Điều này phù hợp với các nghiên cứu trong rễ ngô tiếp xúc với Cd, Cu, Zn chứng minh một biểu hiện gia tăng vận chuyển sulfate (ví dụ như ST1) đi kèm với một sự hấp thu sulfatcao [30-32] Đối với việc giảm sulfate dưới Cd căng thẳng, tăng bảng điểm của reductases sulfate (ví dụ, ATPS, APSR) có thể được liên kết với sự thay đổi trong GSH1 [30] và đồng dạng cụ thể của serine acetyltransferase (SAT)

và O-acetylserine (thiol) lyase (OASTL ), enzyme đầu tiên và cuối cùng củatổng hợp cysteine, tương ứng Những phát hiện này tiếp tục hỗ trợ các khái niệm cho một quy định phối hợp phiên mã của đồng hóa lưu huỳnh và các gen tổng hợp GSH như là một phần của phản ứng di động để tiếp xúc với Cd [33,34]

Hình 1 Tổng quan về sinh tổng hợp và sự tham gia GSH trong kiểm soát chelation và oxi hóa khử

kiểm soát Glutathione được hình thành bởi ba axit amin: γ-glutamate (Glu), cystein (Cys) và glycine (Gly) của γ-glutamylcysteine synthetase (GSH1) vàGSH synthetase (GSH2) và phụ thuộc vào lưu huỳnh (S) phòng trống Nhiềuphân tử GSH được polyme bởi phytochelatin synthase (PCS) để tạo thành phytochelatins (máy tính) Một số con đường bảo vệ chống oxy hóa được kếtnối với GSH để loại bỏ hydrogen peroxide (H2O2) dư thừa Thứ nhât, GSH

là Con đường phòng chống quá trình oxy hóa đầu tiên đại diện trực tiếp cho việc không sử dụng enzyme Thứ hai, ascorbate (ASA)-GSH chu kỳ được hiển thị trong đó AsA và GSH được tiếp oxy hóa và giảm xuống còn cho phép AsA peroxidase (APX) để trung hòa H2O2

Bước giới hạn tỷ lệ sinh tổng hợp GSH được xúc tác bởi GSH1, được quy định ở

ba cấp độ Đầu tiên, ức chế phản hồi hoạt động của GSH1 của GSH thường đượccoi là sự kiểm soát cơ bản trên tổng hợp GSH Giảm ức chế phản hồi này trongđiều kiện tiêu tốn GSH có thể là một cơ chế quan trọng trong việc điều khiển tăng

tỷ lệ tổng hợp GSH trong phản ứng với stress [19,35-37] Khi bị stress do kim loại

nó cũng được thành lập quy định quá trình sinh tổng hợp GSH trải qua một thayđổi đáng kể thay đổi Kim loại làm tăng GSH trong quá trình oxy hóa và sản xuất

PC, dẫn đến một sự suy giảm của mức GSH trong tế bào và do đó sự ức chế phảnhồi được hình thành (Hình 1: GSH sinh tổng hợp) [38,39] Thứ hai, de novo tổnghợp GSH1 và cả GSH2 có thể được tăng cường bằng kim loại gây ra stress[36,39-41] Vùng 5'-chưa dịch của gen GSH1 đã được thể hiện tương tác với một ức chế

ràng buộc protein oxi hóa khử nhạy cảm đã được hình thành vào quá trình oxy hóa[16,37,39,42] Cuối cùng, từ những nghiên cứu đã được trình bày cho thấy hoạtđộng của GSH1 được quy định thông qua quá trình điều khiển hậu oxy hóa khử.Gần đây, nó đã được chỉ ra rằng enzyme GSH1 thực vật tạo thành một homodimeroxi hóa khử nhạy cảm liên kết bởi hai liên kết disulfide (S-S) Mặc dù các chi tiếtcủa quá trình này vẫn còn là chủ đề của các cuộc thảo luận, việc giảm các loại liênkết (-SH) được đề nghị có liên quan đến một sự thay đổi cấu trúc và ngừng hoạtđộng của enzyme quan trọng này[20,35,43,44] Việc điều chỉnh oxi hóa khử này cóthể góp phần vào việc điều hòa, tăng tổng hợp GSH để đáp ứng với các điều kiệncăng thẳng oxy hóa như ngộ độc kim loại Sự phơi nhiễm của cây Arabidopsis với

Cd xác nhận rằng sự phân bố của GSH1 được chuyển sang các hình thức oxy hóahơn và do đó hoạt động [45] Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu phương thức điều chỉnhnày có phải là cơ chế cơ bản của thông tin phản hồi sự ức chế [46]

Hai đặc điểm cấu trúc xác định GSH là một thiol trên cysteine và một liênkết γ-glutamyl Bởi vì nó là thiol có nhiều nhất trong tế bào cũng như hợp chất γ-glutamyl, chức năng sinh học quan trọng được thể hiện rõ cho GSH Nói chung, ýnghĩa sinh lý của GSH trong cây có thể chia thành hai loại Đầu tiên, GSH là một

hồ bơi quan trọng của việc giảm lưu huỳnh và điều chỉnh sự hấp thu lưu huỳnh ởcấp độ gốc Thứ hai, GSH có chứa một phân tử cysteine tạo thành trung tâm củacác chức năng sinh học của nó trong chelation mà còn trong sự kiểm soát điều hòachống oxy hóa SH-nhóm trên cysteine là liên kết thông qua đó con đường bảo vệ

đa dạng được kết hợp trong GSH sẽ được furtherdiscussed trong tổng quan này.Mối liên kết γ-glutamyl đặc biệt ngăn ngừa GSH khỏi thoái hóa do protease phổbiến Một cách GSH phá vỡ, là sự chuyển giao của γ-glutamate để dipeptides khác,xúc tác bởi γ-glutamyl transpeptidase [47,48] Trong con đường khác, glycine đượclấy ra từ GSH bởi một carboxypeptidase trong không bào Các dipeptides còn lạiđược chuyển hóa bởi dipeptidases [47] Câu hỏi còn lại là những đặc trưng của tếbào / mô và hoạt động của các enzyme làm giảm đối với GSH so với GSSG hoặcGS-tiếp hợp [46] Cũng ảnh hưởng của stress kim loại trên GSH phá vỡ giá là chưa

3. Glutathion và cân bằng nội mô kim loại

Khoảng một phần ba tất cả protein có cấu trúc đặc trưng là metalloproteins,

có một kim loại thiết yếu trong trung tâm hoạt động của chúng Tuy nhiên, tính

chất hóa học tương tự làm cho các ion kim loại không thể thiếu trong các hệthống sinh học là lý do tại sao chúng có thể trở nên độc hại khi dư thừa Mộtmạng lưới nội cân bằng kim loại kiểm soát chặt chẽ là cần thiết để điều chỉnhbiến động sẵn có kim loại để đảm bảo sự phân phối thích hợp của kim loại vàngăn ngừa tích tụ kim loại độc hại Khi vào trong tế bào, hai cơ chế có mặt đểràng buộc các kim loại: giám sát đi kèm cụ thể mà cung cấp kim loại thiết yếutrực tiếp đến vị trí di động hoạt động của chúng [49,50], và chelators trung hòa

và cô lập các ion kim loại tự do dư thừa [51,52] Mặc dù giám sát đi kèmthường hoạt động trong điều kiện kiểm soát , độc tính kim loại cũng sẽ tăngcường biểu hiện của chúng để ngăn chặn các ion kim loại tự do gây hại Ion Cu

dư thừa đã được chứng minh là gây ra biểu hiện COX17 [ 53 ] và Cd độc tính

có thể làm tăng CCH [ 54 ] , hai gen mã hóa Protein cu đi kèm Chelators nhưGSH và PC, mặt khác , là đóng góp lớn cho giải độc kim loại giải độc trong cây Do đó, độc tính kim loại (ví dụ , Ag, Cd , Cu, Hg) làm tăng nồng độ của chúng

để liên kết các kim loại và sau đó cô lập những khu phức hợp phối tử kim loại[ 55 ]

Tóm lại, hầu hết các kim loại mạnh liên kết với nhóm thiol các axit amincysteine , làm tự do Cysteine -một thuốc thải có hiệu quả của các ion kim loại.Tuy nhiên, khi bị ràng buộc vào một kim loại oxi hóa khử hoạt động , cysteinnhanh chóng bị oxy hóa và kim loại giảm có thể trải qua một phản ứng Fenton

và hình thành độc tính cao các gốc hydroxyl (HO •; Hình 2) Vì vậy, giữ mứccysteine tự do thấp (lên đến 50 mM ) là cần thiết để bảo vệ chống lại các chấtoxy hóa Quá trình oxy hóa thiol này của kim loại chuyển tiếp sẽ giảm đáng kểsau khi chặn nhóm amin cysteine bởi liên hợp với glutamate và hơn nữa vớiglycine để tạo thành GSH Bằng cách này, một tế bào có thể chứa một nồng độthấp cysteine và millimolar GSH nồng độ cao mà không gây ra phản ứngFenton hại [ 56 ] Glutathione có khả năng bảo vệ protein giàu cysteine dễ bịràng buộc từ các ion kim loại tự do và liên tục ảnh hưởng đến chức năng củachúng Sau khi hình thành phức hợp không độc hại với các kim loại , GSH tạođiều kiện để cô lập chúng khi đi từ các vị trí nhạy cảm trong các tế bào[ 17,52,57 ] Một số nghiên cứu chứng minh rõ ràng rằng cảm ứng của GSH -kim loại khu phức hợp sau khi tiếp xúc kim loại [ 40,52,55,58,59 ] Tuy nhiên ,không chỉ có các kim loại tự do có khả năng xenobiotics nguy hiểm như thuốcdiệt cỏ, và chất chuyển hóa như anthocyanins, đang bị ràng buộc để GSH các

enzyme xúc tác các cách chia động từ là glutathione S -transferase (GST)[ 47,60 ] Hoạt động của GST được hiển thị để được tăng lên trong Arabidopsissau khi điều trị Cu hoặc Cd để kích thích rang buộc kim loại tự do [ 54,61 ] Trong cây, phần lớn các thành phần độc hại được translocated và lưu trữ vàokhông bào [ 58,62-64 ] Một protein kháng liên quan đến đa tonoplast (MRP)vận chuyển của ATP -binding cassette ( ABC) gõ cặp vợ chồng ATP thủy phâncho việc vận chuyển của các GS- liên hợp qua màng không bào [ 36,52 ]

- EC ( Hình 1: Chelation ) Nhiều vị trí ràng buộc thiol của chúng đã làm tăng

ái lực với kim loại và tạo hiệu quả hơn trong việc chelating nhiều ion kim loại [ 36,52 ] Trong lá của cây Arabidopsis phơi nhiễm với Cd ,gây ra mức độ biểu hiện PCS1 và mức độ PC (chủ yếu là PC2 ) mạnh mẽ [ 39,40] Ngoài ra, sau khi tiếp xúc với Cd ở mức độ PC nuôi cấy huyền phù đã gây ra trong một thời gian và phụ thuộc vào nồng độ, trong khi một kích thích ít rõ ràng hơn đã được tìm thấy sau khi tiếp xúc với Cu [ 39,40] Kích hoạt kim loại PCS thông qua một vị trí liên kết cụ thể về kim loại trên enzyme ; loại bỏ các ion kim loại từ PCS và bất hoạt enzyme một lần nữa [ 65,66 ] Chelation kim loại thông qua PCs là một quá trình phòng thủ quan trọng trong nội cân bằng kim loại như PC thiếu Arabidopsis đột biến được thể hiện là quá nhạy cảm với các kim loại như

Cd , Hg , As [ 11,67 ] Nghiên cứu sử dụng dữ liệu của HPLC cho thấy sự tăng đáng kể tổng số thiol sau khi tiếp xúc với tất cả các loại kim loại loại khác nhau

ví dụ như cần thiết so với không cần thiết , oxi hóa khử tích cực so với không oxi hóa khử hoạt tính [ 68-72 ] Mặc dù tổng nồng độ thiol được tăng lên, nhưng chúng ta phải phân biệt giữa bốn thành phần của nó , cystein , γ - EC , GSH và PCs Cysteine được tăng lên trong cây Brassica juncea sau khi phơi nhiễm với Cd [ 72 ] , trong khi chúng vẫn không đổi trong các cây napus

Brassica tiếp xúc với Cd [ 71] và cây Arabidopsis thaliana tiếp xúc với Hg [68]

Từ cysteine tự do có thể bị nhiễm độc , nó được giữ ở nồng độ thấp trong các tế bào để kích hoạt chuyển đổi nó thành chuỗi axit amin Theo các thành phần trong sinh tổng hợp GSH , γ - EC ,tích lũy đến một mức độ lớn trong cây tiếp xúc với Cd [ 71,72 ] , trong khi nồng độ GSH giảm hoặc duy trì ổn định khi tiếpxúc Cd hoặc Hg [ 54,68,70 ] Cùng những phát hiện này cho thấyGSH2 được giới hạn tốc độ trong sinh tổng hợp GSH sau khi điều trị bằng kim loại Phù hợpvới giả thuyết này,có tài liệu đã xác nhận rằng một hoạt động GSH2 giảm sau khi xử lý bằng kim loại [ 73] Điều này giải thích lý do tại sao quá mức

củaGSH2 không ảnh hưởng đến mức độ GSH trong các cây [ 38,74 ] nhưng bị căng thẳng bằng kim loại có thể làm giảm bớt sự suy giảm của GSH và tăng cường tổng hợp kết quả là một sự dung nạp kim loại tăng [38].Trùng hợp GSH vào PC là vắng mặt trong điều kiện kiểm soát nhưng tổng hợp của nó được kíchthích trong một mảng đa dạng của thực vật khi tiếp xúc với một loạt các kim loại [ 69 ] Hơn nữa, Grill và đồng nghiệp(1987) trình bày một khoảng thời gian của PC sau khi cảm ứng và tiêu thụ GSH 200 mM Cd (NO3) 2 với một Rauvolfia serpentina treo tế bào , cho thấy một phản ứng nhanh trong đó GSH được giảm bởi vì nó được sử dụng như một chất nền cho PC[ 69 ] Sự di chuyển

xa của kim loại từ rễ lên thân lá đã được đề xuất để xảy ra giữa những điều khácthông qua xylem một cách phụ thuộc PC Những phát hiện này cho thấy rằng , ngoài việc được biết đến như chức năng bảo vệ tế bào củaPCs, chúng đóng góp

để duy trì một hàm lượng kim loại tự do thấp trong rễ này giả thuyết đã được xác nhận bởi một nghiên cứu của Gong và đồng nghiệp trong Arabidopsis xử lý

Cd [ 75 ] Tuy nhiên , PCs và Cd được phát hiện trong vỏ cây của các cây phơi nhiễm Cd, nhưng quá trình di chuyển lại này cần tiếp tục thăm dò [ 59,71 ] Phytochelatins thường được sử dụng để giải độc kim loại không cần thiết Tuy nhiên , không chỉ có kim loại độc hại , mà các ion cần thiết như Cu, Zn là bị ràng buộc bởi các PCs, cho thấy một chức năng của PCs trong việc điều tiết nồng độ tế bào tự do của chúng[ 76,77 ] Vai trò quan trọng của sự trao đổi Zn được thể hiện rõ trong PCs ở Arabidopsis đột biến ( cad1 -3 và cad1 -6 ) việc

thiếu PCs dẫn đến một quá mẫn Zn rõ rệt và giảm đáng kể tích lũy Zn ở rễ [ 78 ] Tuy nhiên , kết quả trái ngược chỉ ra rằng PC cảm ứng kim loại gây ra sản xuất quá mức có thể làm cạn kiệt GSH đến một mức độ gây ra stress oxy hóa Một nghiên cứu của Semane và đồng nghiệp (2007) hỗ trợ phát hiện này [ 40 ] Họ quan sát thấy sự tăng sản xuất PCs , kết hợp với sự sụt giảm hàm lượng GSH và tỷ lệ GSSG / GSH oxy hóa hơn sau khi điều trị Cd (1 và 10

mM ) trong Arabidopsis Đồng thời , một số enzyme chống oxy hóa được kích hoạt , cho thấy tăng stress oxy hóa [ 40 ] Nghiên cứu Phytoextraction đang tìm kiếm những cách an toàn để tăng cường tích lũy kim loại dư thừa trong các nhà máy Một thử nghiệm thú vị là sản xuất quá mức chelating và ràng buộc

protein như GSH và PCs [ 79 ] Nghiên cứu xác nhận rằng quá mức của các enzyme trong đồng hóa sulfate, GSH hoặc PC sinh tổng hợp đã dẫn đến tăng cường tích lũy kim loại và dung nạp với các kim loại khác nhau [ 36,80-83 ]

Ví dụ, biến đổi gen B juncea biểu hiện tốt GSH1 và GSH2 cho thấy tăng cường tích lũy Cd và đã có thể làm giảm đáng kể nồng độ Cd và Zn trong đất bị

ô nhiễm kim loại do tăng γ - EC , GSH và PCs[ 38,72,84 ] Quá mức của PCS1trong cây thuốc lá dẫn đến tăng cường tích tụ Cu, Cd , Pb , Zn trong chồi cây trồng trên đất bị ô nhiễm với các kim loại [ 83,85 ] Tuy nhiên, khi chỉ PCS được làm sáng tỏ thì nó không phải lúc nào là cũng có lợi Trong cây

Arabidopsis và B juncea , cây trồng chuyển gen với hàm lượng PCS cao nhất nhưng nghịch lý là quá nhạy cảm với Cd , trong khi các cây với biểu hiện quá mức vừa phải có khả năng kháng nhiều hơn [ 23,86 ] Ngoài ra, gen có thể biểuhiện khác nhau trong các loài thực vật khác; Arabidopsis AtPCS1 cho thấy sức

đề kháng cao như và quá mẫn với Cd trong cây Arabidopsis [ 87 ] , nhưng trong

B juncea AtPCS1 này cải thiện cả As và Cd dung nạp [ 86 ] Có thể giải thích cho các quan sát bất ngờ hoặc tương phản này là do các cây sản xuất thừa PCs gây ra một sự suy giảm nghiêm trọng GSH , vô hiệu hóa GSH trong việc thực hiện chức năng quan trọng khác của nó trong việc bảo vệ chống oxy hóa và tín hiệu Sulfate homeostasis cũng sẽ bị rối loạn để không ngừng duy trì hàm lượng GSH Do đó, khả năng chịu kim loại có liên quan đến khả năng của cây

để sản xuất PCs và ngăn chặn sự suy giảm GSH Theo , các gen biểu hiện tốt liên quan đến đồng hóa sulfate và sinh tổng hợp GSH nói chung dường như thành công hơn trong việc cho phép các cây để khắc phục ngộ độc kim loại [18] Hỗ trợ đã được tìm thấy trong thực vật là hyperaccumulating-kim loại mà

dường như không phải dựa trên PCs , nhưng biểu hiện trên một số gen liên quanđến chất chống oxy hóa và có một sự tổng hợp tăng cường GSH để đối phó với nguy cơ stress oxy hóa liên quan đến sự hấp thu kim loại cao [ 88 ]

4. Glutathione và phòng chống oxy hóa

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng cây tiếp xúc với bất kỳ một mảng đa dạng của các kim loại gây ra stress oxy hóa, một quá trình mà trong đó sự cân bằng oxi hóa khử tế bào giữa ủng hộ và chất chống oxy hóa bị xáo trộn trong lợi của các trước đây [14,51,89-91] Tăng không kiểm soát được nồng độ trong trạng thái

ổn định của các pro-oxy hóa dẫn đến phản ứng dây chuyền triệt để qua trung gian tự do nhắm mục tiêu protein, chất béo, polysaccharides và DNA Có ý kiếncho rằng kim loại gây ra stress oxy hóa trong các tế bào chịu trách nhiệm một phần cho các hiệu ứng độc hại của kim loại [92] Để đối phó với thiệt hại oxy hóa này, những biến động nhỏ trong nồng độ pro-oxy hóa đóng một vai trò quantrọng trong quá trình điều chỉnh phản ứng của tế bào tín hiệu, kết quả trong việcbảo vệ tế bào và / hoặc thích nghi để Cd hoặc vượt quá Cu [89] Do đó, thuật ngữ "oxy hóa thách thức" được sử dụng thay vì "căng thẳng oxy hóa" do sự ý nghĩa tiêu cực của "căng thẳng" [12,16,89,93,94]

Phản ứng đầu tiên của thực vật đối với stress kim loại là mức độ của dạng phản ứng oxy (ROS) như superoxide (O2 • -), hydrogen peroxide (H2O2) và hydroxyl cực đoan (HO •), bên cạnh những đóng góp lớn cho quá trình ôxy hoá[95, 96] Tùy thuộc vào tính chất lý hóa của kim loại, ROS được hình thành bởi các cơ chế khác nhau Đầu tiên, ngay cả trong điều kiện không bị stress, ROS làkhông thể tránh khỏi bởi các sản phẩm của hô hấp tế bào Thứ hai, do khả năng của họ để thay đổi số oxi hóa, kim loại oxi hóa khử hoạt động miễn phí như Cr,

Cu, Fe có thể trực tiếp tăng cường sản xuất ROS qua Fenton và Haber Weiss phản ứng (hình 2) [97] Hơn nữa, kim loại có thể thay đổi trạng thái oxi hóa khử

di động gián tiếp thông qua nhắm mục tiêu các thành phần của chuỗi hô hấp hoặc hệ thống phòng thủ chống oxy hóa Cuối cùng, các kim loại có thể kích hoạt các enzym ủng hộ ôxy hóa như oxidase NADPH và lipoxygenases

[13,93,98,99] Hai cơ chế cuối cùng là cách mà cũng oxi hóa khử kim loại hoạt tính (ví dụ, As, Cd, Co, Hg, Mn, Ni, Pb, Zn) có thể gây stress oxy hóa

ROS gây ra bởi kim loại có thể ảnh hưởng xấu đến thực vật ở nhiều cấp độ : hình thái học (ví dụ , giảm tăng trưởng , quăn lá ) , sinh lý (ví dụ như quang hợp, úa vàng , sự hấp thu khoáng chất ) và sinh hóa (ví dụ , rò rỉ màng , bất hoạt

protein ) [ 51,100-105 ] Do thưc vật không có khả năng di chuyển để đối phó với điều kiện stress, và cũng là một thực tế là các nhà máy cả tiêu thụ và tạo ra oxy trong hô hấp và quang hợp là tạo cho chúng một thách thức oxy hóa cao hơn so với sinh vật nhân chuẩn khác Kết quả là, tế bào thực vật phản ứng phòng thủ để gây thiệt hại oxy hóa bằng cách loại bỏ ROS và duy trì các hợp chất chống oxy hóa bảo vệ ở nhiều mức độ phản ánh điều kiện môi trường xungquanh.

Hệ thống chống oxy hóa chứa cả phòng thủ enzyme [ ví dụ như superoxide dismutase (SOD) , catalase (CAT) , peroxidase , reductase , redoxin ] và các chất chuyển hóa [ ví dụ , GSH , ascorbate (ASA) ] [ 13,97,99,106 ] Yếu tố stress khác nhau , bao gồm cả kim loại , có thể làm rối loạn sự cân bằng giữa các hoạt động tế bào và nồng độ ROS tiêu hóa, dẫn đến thiệt hại tế bào

Glutathione có vai trò chủ chốt trong hệ thống chống oxy hóa này, với một chức năng quan trọng trong tinh lọc ROS và như một bộ đệm oxy hóa-khử để giữ trạng thái oxi hóa khử tế bào trong sự cân bằng [36.107.108] Glutathione tồn tại trong hai hình thức: giảm (GSH) và bị oxy hóa (GSSG) Trong trạng thái giảm, nhóm thiol của cystein có thể tặng một điện tử giảm trực tiếp với các phân tử không ổn định như ROS Trong tăng một điện tử, GSH tự nó trở thành phản ứng, nhưng sẵn sàng phản ứng với một phản ứng GSH để tạo thành GSSG(Hình 1: H2O2 trực tiếp giải độc) Trong một bước sau đây, GSH có thể được tái sinh từ GSSG do tác động của glutathione reductase (GR), tại các tổn thất của NADPH Hai gen được chú thích để mã hóa GR trong các nhà máy: GR1 cytosolic và GR2, được dually nhắm mục tiêu đến plastid và ty thể Một đặc điểm quan trọng của GSH hồ bơi di động là nhà nước giảm cao do GR đó là constitutively hoạt động và cảm ứng khi căng thẳng oxy hóa (Hình 1: Tái sinh) Trong tế bào khỏe mạnh hơn 90% tổng số hồ bơi GSH là trong hình thức giảm của nó [13] tuy nhiên Sau khi điều trị bằng kim loại, tỷ lệ GSSG / GSH đã được chứng minh là giảm 65% mặc dù hoạt động GR tăng [40,90] Điều này cho thấy

kích thích kim loại gây ra của GR là không đủ để đối phó với những ảnh hưởng lớn của GSH (GSH liên kết trực tiếp với kim loại, GSH quá trình oxy hóa, tổnghợp hệ thống PC), gây giảm tự do GSH

Ngoài khả năng chống oxy hóa chính của nó, GSH tham gia vào chu kỳ AsA-GSH được đặt trong khoang dưới mức tế bào khác nhau (Hình 1: AsA-GSH chu kỳ) Chu kỳ này, đuy nhất tồn tại trong thực vật, là điều cần thiết cho

sự trao đổi chất bình thường của chúng cũng như bảo vệ họ chống lại stress oxyhóa Nó bao gồm các quá trình oxy hóa tiếp và giảm AsA và GSH với chuyển tuần hoàn các chất tương đương để các cây cụ thể ascorbate peroxidase (APX)

có thể giảm H2O2 thành H2O Hồ bơi di động của AsA cũng được duy trì ở trạng thái giảm của nó bằng cách dehydroascorbate (DHA) reductase (Dhar) có

sử dụng GSH như là một chất cho điện tử [13,16,36].giảm lượng GSH và AsA

là rất cần thiết cho một chức năng tối ưu của chu kỳ AsA-GSH Biến đổi gen cây Nicotiana tabacum biểu hiện tốt GR chỉ ra vai trò quan trọng của GSH, GR

và Dhar trong việc duy trì các hồ bơi AsA Mặc dù các hồ bơi GSH vẫn giảm trong cả hai nhà máy trong điều kiện căng thẳng oxy hóa, cây không chuyển gen hiển thị một AsA hồ bơi oxy hóa hơn so với cây chuyển gen Nó là điều cầnthiết để giữ cho hồ bơi AsA giảm vì APX nhanh chóng ức chế trong sự vắng mặt của ASA Nghiên cứu này ủng hộ vai trò thiết yếu của GR trong tốc độ cung cấp điện tử để DHA [109.110] Một số nghiên cứu đã chứng minh kim loạigây ra sự gia tăng các hoạt động của các enzym tham gia vào chu kỳ này và / hoặc chất chuyển hóa oxy hóa hồ cao, đặc biệt là trong rễ Vì vậy, cả hai AsA vàGSH hành động bộ đệm oxi hóa khử là quan trọng và tỷ lệ oxy hóa khử của chúng phản ánh độc tính tế bào [40,90,100,111,112] Một nghiên cứu của

Cuypers và đồng nghiệp (2001) minh họa cho một phản ứng nhanh ngay lập tứccủa chu kỳ AsA-GSH nhiễm độc Zn (50 mM Zn) trong Phaseolus vulgaris Sau5 giờ khi tiếp xúc với Zn, rễ cho thấy tỷ lệ DHA / AsA và GSSG / GSH cao

do sự sụt giảm trong AsA và tăng GSSG Quá trình oxy hóa GSH đầu có thể là nguyên nhân gây ra AsA tái sinh Tuy nhiên, sau khi hoạt động 5 giờ APX được giảm do tổng nồng độ AsA thấp hơn, xác nhận những phát hiện trước đó [113] Giảm khả năng chống oxy hóa này có thể gây ra stress oxy hóa Sau 5 ngày tổng hàm lượng AsA và hoạt động APX đã được khôi phục để đối phó với những thách thức oxy hóa nhưng tỷ lệ DHA / AsA vẫn ở mức cao, cho thấy những thách thức oxy hóa vẫn còn hoạt động Trong kết luận, Zn rõ ràng là làm nhiễu loạn GSH cân bằng và cản trở các tế bào từ việc duy trì hồ bơi AsA trong trạng thái giảm [114]

Ngoài APX, CAT là một enzyme H2O2-tinh lọc lớn So với APX, nó có ái lực thấp nhưng tốc độ phản ứng cao đối với H2O2 Nó có lợi thế bổ sung mà nókhông bị giới hạn bởi một chất nền Những khác biệt trong mối quan hệ của APX và CAT cho thấy APX chịu trách nhiệm về việc điều chỉnh nồng độ ROS cho tín hiệu, trong khi CAT có thể loại bỏ các ROS thừa đã được đề xuất sau

khi tiếp xúc với kim loại ở cây Arabidopsis thaliana [90] Một nghiên cứu gần đây được tiến hành bởi Mhamdi và đồng nghiệp (2010) cung cấp bằng chứng trực tiếp cho một vai trò trong chuyển hóa của GR1 H2O2 trong tế bào Một cây Arabidopsis GR1 knock-out đột biến (GR1) và một đột biến thiếu CAT (cat2) đều đặc trưng bởi nồng độ GSSG tăng do thiếu GR1 trên một mặt và tích lũy H2O2 mặt khác Nếu chức năng chính của GR là cung cấp cho GSH DHA

để giảm AsA, điều chỉnh xuống của GR1 cần phải có một phản ứng tương tự như thiếu APX vì APX bị ức chế trong trường hợp không giảm AsA Khi so sánh gr1cat2 [115], và apx1cat2 [116]là đột biến đôi, một kiểu hình được cải thiện đã được quan sát trong apx1cat2 Hiệu ứng khác nhau giữa GR1 và thiếu APX1 được giải thích bởi thực tế là H2O2 cũng được chuyển hóa qua GR-phụ thuộc nhưng AsA con đườngđộc lập Hình 1 cho ba con đường GR-phụ thuộc khác nhau của sự trao đổi chất H2O2: GSH quá trình oxy hóa trực tiếp, chu kỳ GSH-AsA và chu kỳ redoxin Hai con đường đầu tiên đã được mô tả ở trên.Chu

kỳ redoxin, là chu kỳ quan trọng trong tế bào (H2O2) và protein (-SH) oxi hóa khử nội cân bằng, được giải thích trong phần tiếp theo Mặc dù thioredoxin-(TRx-) và con đường GSH phụ thuộc có chức năng chồng chéo trong cây

[117.118], Mhamdi và đồng nghiệp (2010) đã chứng minh không có điều hòa tăng của các gen TRx phụ thuộc vào điều kiện tăng H2O2 như cat2 và gr1cat2, cung cấp bằng chứng cho thấy GR1 đóng một vai trò cụ thể trong quá trình chuyển hóa nội bào H2O2 Ngược lại, protein GSH phụ thuộc như glutaredoxin (GRX) và GST được phiên mã upregulated trong những đột biến [115] Công việc tiếp theo là liên tục để xác nhận vai trò tình trạng của GSH và GR trong tínhiệu H2O2-trigerred

5. Glutathione oxi hóa khử Cân bằng nội môi và tín hiệu

Thực vật liên tục phải đối mặt với sự thay đổi của môi trường khi chúng lớn lên và phát triển Để thích ứng với môi trường xung quanh, thực vật yêu cầu đòi hỏi sựhiệu quả trong hệ thống tín hiệu Để duy trì một trạng thái giảm trong một môi trường nếu khôngcó sự oxy hóa, thực vật có hệ thống kiểm soát nội bộ oxi hóakhử Sản xuất cao ROS là một phản ứng chung trong cây tiếp xúc với stress bằng kim loại Mặc dù tác động có hại của ROS không thể phủ nhận, đó là khái niệm nghịch lý mà các gốc tự do phản ứng cùng tham gia truyền tín hiệu mà đã trở thànhđối tượng nghiên cứu hiện tại [16,94] Xác định các oxidase ROS tạo chuyên

ngành ở một số sinh vật tiếp tục hỗ trợ khái niệm này.Oxidase NADPH được gợi ýtạo ra nồng độ ROS cục bộ cao sau khi xử lý bằng kim loại [59,119-121] Cây Arabidopsis tiếp xúc với 5 mM Cd hoặc 2 mM Cu trong 24 giờ cho thấy phản ứng kim loại cụ thể trong rễ ở cấp cao Ngộ độc cadmium có liên quan đến điều hòa tăng của NADPH oxidase, trong khi dư thừa Cu chủ yếu cho thấy một ức chế tuyếnyên của những gen này nhưng gen lipoxygenase đã gây ra Những dữ liệu này cho thấy rằng kim loại điều chỉnh mạng lưới tín hiệu kim loại cụ thể để điều chỉnh phảnứng thích nghi [98] Thế hệ của sứ giả thứ như H2O2, có dung lượng nhỏ và có khả năng khuếch tán trên một khoảng cách ngắn, là một cơ chế quan trọng để gợi

ra một phản ứng tín hiệu nội bào [122] Mitogen kích hoạt protein kinase (MAPKs)

là cảm biến ROS cụ thể liên kết cảm nhận của một tín hiệu môi trường với mục tiêu hạ nguồn thông qua phosphoryl hóa tuần tự của các protein, bao gồm các yếu

tố phiên mã và các enzym Một số dữ liệu cho thấy MAPK thác có liên quan đến báo hiệu kích hoạt bằng kim loại khác nhau để dịch các thông tin vào một phản ứng sinh học [123-129] Jonak và đồng nghiệp (2004) đã chứng minh kích hoạt một số khác biệt Đường MAPK bởi Cd, Cu căng thẳng trong các tế bào gốc của cỏlinh lăng (Medicago sativa) Những phản ứng xảy ra trong vòng nửa giờ và kích hoạt nhiều cơ chế tín hiệu tế bào, hỗ trợ báo cáo rằng phản ứng của tến bào để các ion kim loại và các đường dẫn tín hiệu sau đây được tích hợp trong một quá trình truyền tín hiệu [124]

5.1. kiểm soát oxy hóa khử của Protein chức năng

Mặc dù đường dẫn tín hiệu cổ điển phụ thuộc vào sự tương tác giữa các phân

tử, oxy hóa nhẹ như H2O2 tín hiệu thông qua phản ứng hóa học với các nhóm chứcnăng của protein mục tiêu, kết quả là thay đổi liên kết cộng hóa trị protein ở cấp độnguyên tử Dư lượng thiol của cysteine, một trong những axit amin phổ biến nhất được tìm thấy trong protein, rất hữu ích cho mặt cấu trúc và quy định của các tế bào và đồng thời một vị trí chính của hành động cho ROS Quá trình oxy hóa của các nhóm sulfhydryl trong protein kết quả disulfide có thể được yêu cầu cho sự thích hợp nhanh để tăng tính ổn định enzyme hoặc để duy trì hoạt động của nó Quá trình oxy hóa liên tục và việc giảm các loại S-S có thể do chuyển điện tử nhanh chóng và thuận nghịch giữa cysteines trí hoạt động của enzyme thiol-oxi hóa khử và cysteines trong protein mục tiêu [130] Hai enzyme thiol - oxi hóa khử chính là GRX NADPH phụ thuộc và TRx

( Hình 1: Redoxin chu kỳ) Cả hai hệ thống bổ sung cho hệ thống GSH trong việc xác định protein

tình trạng thiol / disulfide, một yếu tố chính trong tín hiệu oxi hóa khử Ngoài

ra, họ bảo vệ thiol có chứa

protein từ quá trình oxy hóa không thể đảo ngược trong điều kiện căng thẳng nghiêm trọng ( Hình 1: Kiểm soát Redox bởi protein

thiol ) [ 131 ] Mặc dù TRx và GRX kích hoạt kim loại gây ra chưa được

nghiên cứu chuyên sâu trong

nhà máy , có dấu hiệu cho thấy GRX được kích hoạt bởi Như [ 132.133 ] Thioredoxins sử dụng hai cysteine

dư lượng trong hoạt động trang web của họ để giảm disunphua protein Trang web hoạt động của họ được giảm xuống lần lượt của mình bằng một

ferredoxin hoặc NADPH phụ thuộc thioredoxin reductase ( FTR và NTR , tương ứng) Glutaredoxin

ngược lại, cũng có thể giảm thiol qua glutathionylation đảo ngược của các protein (ví dụ,

hình thành một cầu nối disulfide giữa GSH và dư lượng cysteine cụ thể) và có thể được giảm

GSH và NADPH phụ thuộc vào GR [ 134-137 ] Cũng peroxiredoxin ( PRX ) ,