重金屬對昆蟲抗氧化酶影響研究進(jìn)展

吳啟仙，夏 嬙

(遵義醫(yī)學(xué)院珠海校區(qū)，珠海 519041)

昆蟲數(shù)量多、分布廣，是植物及腐食性物質(zhì)(包括各種動植物尸體)的主要消費者，是重要的金屬分散者，對重金屬表現(xiàn)敏感，能夠積累、轉(zhuǎn)移和代謝重金屬。在長期重金屬脅迫下形成了特定的適應(yīng)機(jī)制，抗氧化防御即是其中之一。

抗氧化防御是昆蟲為減輕和防止活性氧損傷所形成的復(fù)雜的氧化應(yīng)激機(jī)制，一旦其抗氧化防御機(jī)制被打破，自由基的產(chǎn)生就會增多，從而引起氧化應(yīng)激損傷。昆蟲在重金屬的長期脅迫下，其抗氧化防御系統(tǒng)將受嚴(yán)重影響，從而影響其正常的生理功能。本文對昆蟲抗氧化酶的種類、重金屬對昆蟲抗氧化酶活力影響及其可能機(jī)制進(jìn)行了綜述，為進(jìn)一步了解重金屬對昆蟲影響提供幫助。

1 昆蟲抗氧化酶的生理作用

抗氧化酶包括超氧化物歧化酶 (Superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘 肽過氧 化物酶(Glutathione peroxidase，GSH-PX)、谷胱甘肽還原酶(Glutathione reductase，GR)、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(Gultathione S transferases，GSTs)、過氧化氫 酶 (Catalase，CAT)、羧酸酯 酶(Carboxylesterases，CarE)等，廣泛存在于需氧和耐氧生物體中，對污染物脅迫相當(dāng)敏感，可作為監(jiān)測環(huán)境中重金屬污染的生物標(biāo)志物(牛亞青等，2010)。

SOD 在維持昆蟲體內(nèi)超氧陰離子自由基產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡中起著重要作用。它能催化超氧陰離子自由基(O2-)發(fā)生歧化反應(yīng)，從而清除O2-。研究表明不同來源的同一類SOD 顯示出進(jìn)化上的保守性和理化特性的相似性(McCord，1976;Fridovich，1998)。SOD 按其結(jié)合的金屬離子，可分為Fe-SOD、Mn-SOD、Cu·Zn-SOD、Ni-SOD (Kim et al.，1996;Youn et al.，1996)。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)昆蟲體內(nèi)(O2-)產(chǎn)生同其他真核生物相同，即產(chǎn)生于微粒體并依賴于還原型輔酶Ⅱ的酶促反應(yīng)、線粒體電子傳遞及一些物質(zhì)的自氧化等過程，且體內(nèi)不同組織中Cu·Zn-SOD 和Mn-SOD的分布及其活性不同，這與各組織亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)形成(O2

-)的量不同有關(guān)。過氧化氫酶(CAT)所催化的反應(yīng)中，存在著與SOD 相類似的氧化還原循環(huán)。O2經(jīng)雙電子還原生成的H2O2，在過氧化氫酶催化下歧化為O2和H20。CAT 對H2O2的表現(xiàn)Km 值很高，當(dāng)H2O2濃度上升時分子活性也隨之升高。而細(xì)胞內(nèi)H2O2的實際水平卻很低，故清除效率不高。只有在高H2O2濃度的情況下，過氧化氫酶才能高效發(fā)揮作用。

過氧化物酶(POD)所催化的反應(yīng)與過氧化氫酶催化的反應(yīng)不同，它除H2O2以外還需有供電子體(AH2)共存。正因為這樣，所以當(dāng)有足量的AH2供應(yīng)時，對H2O2的Km 值很低，在低H2O2濃度的情況下即可發(fā)揮高效的催化作用。谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)以還原型谷胱甘肽(GSH)為電子供體。GSH-PX 以硒代半胱氨酸殘基為活性中心。GSH-PX 還能還原脂氫過氧化物(ROOH)。此外還發(fā)現(xiàn)一種只能催化磷脂氫過氧化物的特異性GSH-PX。在機(jī)體內(nèi)，與谷胱甘肽還原酶偶聯(lián)的谷胱甘肽再生系統(tǒng)，對清除H2O2最為重要。

GST 能利用GSH的還原作用參與解毒反應(yīng)和修復(fù)細(xì)胞的氧化損傷，通過催化GSH的巰基(-SH)攻擊親電物質(zhì)的親電中心，產(chǎn)生與硫醚連接的谷胱甘肽結(jié)合物，然后再排出體外，從而起到解毒作用。此外GST 酶系(GSTs)還可以作為配體結(jié)合蛋白俘獲有毒物質(zhì)，行使解毒功能。

昆蟲體內(nèi)的自由基可通過抗氧化酶作用清除。GST 和CarE 在步甲Pterosthicus oblongopunctatus 與Poecilus cupreus、非特異性單酯酶在大蠟螟Galleria mellonella 對重金屬的解毒中都發(fā)揮著重要的作用(Polek et al.，1988;Stone et al.，2002;Wilczek et al.，2003)。抗氧化酶的活性具種屬特異性和高度可變性 (Zvereva et al.，2003;Migula et al.，2004;Li et al.，2005)。

2 重金屬對昆蟲體內(nèi)抗氧化酶活力影響

2.1 重金屬對昆蟲體內(nèi)抗氧化酶影響因種類不同而異

Zheng et al.(2011)等在鎘暴露對紅裸須搖蚊Propsilocerus akamusi 脂質(zhì)過氧化和抗氧化系統(tǒng)的影響研究表明，紅裸須搖蚊在鎘暴露72 h 后，隨處理濃度增加MDA 水平顯著增高，GR 和GSH-PX 酶活性明顯改變;所有處理組SOD 和GST 酶活性均沒有變化;而Augustyniak et al.(2011)研究鋅暴露對蚱蜢Chorthippus brunneus 所孵出的幼蟲生長發(fā)育的影響中發(fā)現(xiàn)，隨處理濃度增加幼蟲體內(nèi)GSH 濃度減少，所有鋅處理組CAT 活性均增加，GST 酶活性則不受鋅影響;并表明鋅毒性基于活性氧的產(chǎn)生。吳國星等(2008)研究了Cu2+、Cd2+對棕尾別麻蠅幼蟲脂質(zhì)過氧化作用的影響，結(jié)果顯示，Cd2+、Cu2+對棕尾別麻蠅幼蟲的脂質(zhì)過氧化作用存在著濃度依賴和時間依賴效應(yīng)，高濃度處理組MDA 濃度明顯高于低濃度處理組;隨處理濃度升高，體內(nèi)SOD 和CAT的活力明顯受到抑制，而POD 活力只在高濃度Cu2+或Cd2+處理時才被抑制，低濃度處理反誘導(dǎo)其活力升高。Cervera et al.(2003)在研究Cd 脅迫對美洲脊胸長蝽Oncopehus fasciatus 及Migula et al.(1997)研究Cd 對紅火蟻Formica polyctcena 影響實驗結(jié)果顯示，其體內(nèi)CAT 活力無顯著變化。Zammn et al.(1994)研究表明，Hg 處理能誘導(dǎo)家蠅Musca domestica 和粉紋夜蛾Cabbage looper 體內(nèi)SOD 和CAT 活力明顯提高。Cervera et al.(2005)、Migula et al.(1997)和孫虹霞等(2008)分別用不同重金屬處理不同昆蟲，體內(nèi)CAT 活力增高的結(jié)果亦不一致，可見，即使同一種重金屬因其脅迫昆蟲不同所得結(jié)果亦不同。

2.2 重金屬對昆蟲體內(nèi)抗氧化酶影響因發(fā)育階段不同而異

同一種重金屬對同一昆蟲不同發(fā)育階段的抗氧化酶活力影響亦不同。Mirc' icˇet al.(2013)等用鎘脅迫舞毒蛾Lymantria dispar 幼蟲，測定SOD、CAT、抗壞血酸過氧化物酶(APOX)、GST、GR活性和GSH 含量，結(jié)果表明，SOD 活性無任何變化，CAT、APOX、GR 活性在3 齡及5 齡幼蟲體內(nèi)明顯降低;GST 活性在3 齡及5 齡幼蟲中均升高;GSH 含量在所有齡期均顯著降低。李麗君等(2010)用Cd2+脅迫不同發(fā)育階段中華稻蝗，研究其對SOD、CAT、POD 活性的影響，結(jié)果表明，3 齡若蟲活性影響最為明顯，SOD、POD、CAT 活性均最高。而王躍等(2010)研究則表明，中華稻蝗體內(nèi)SOD 活力隨著處理濃度的增加未發(fā)生明顯變化，而CAT、GSH-PX 活力和T-Aoc 則隨著處理濃度的增加，呈先升高后降低的趨勢。

2.3 重金屬對昆蟲體內(nèi)抗氧化酶影響因性別不同而異

同一種類重金屬對同一昆蟲抗氧化酶影響會因性別不同而不同。李艷梅等(2011)研究了重金屬鉛暴露對家蠶組織抗氧化酶活性的影響，結(jié)果表明，雌性家蠶脂肪體中GST 或GSH-PX 酶活性隨鉛離子濃度增加而上升，相關(guān)基因在脂肪體中的表達(dá)水平下調(diào);但在雄性脂肪體中，只有Gstdl 基因的轉(zhuǎn)錄水平變化與雌性家蠶相似，而GSH-PX 基因的轉(zhuǎn)錄水平與雌性脂肪體中相反，隨鉛離子暴露濃度增高而上調(diào)。

2.4 重金屬對昆蟲體內(nèi)抗氧化酶影響因暴露途徑不同而異

相同重金屬不同暴露途徑對昆蟲抗氧化酶影響亦不同。Xie et al.(2011)利用蜉蝣幼蟲暴露于水中獲取游離鎘及飼喂鎘兩種途徑進(jìn)行實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水中游離的鎘對抗氧化酶沒有影響，但膳食鎘顯著抑制了CAT 和SOD的活性，使GSH濃度下降，表明不同暴露途徑對昆蟲抗氧化酶影響不同。

3 重金屬影響昆蟲抗氧化酶的機(jī)理

Hg 對蛋白質(zhì)和酶的影響，是由于Hg 與蛋白質(zhì)中半胱氨酸殘基的巰基結(jié)合而引起的。X-射線結(jié)晶分析表明，在碳酸酐酶中，醋酸汞磺胺除了與活性部位結(jié)合外，還與SH 基結(jié)合，只和這個巰基結(jié)合的汞，不會直接抑制活性部位Zn2+，但它能改變活性部位周圍蛋白質(zhì)的構(gòu)象，結(jié)果導(dǎo)致了酶催化活性的改變。

Cd2+的化學(xué)性質(zhì)十分類似于Zn2+，因此，Cd2+能置換許多鋅酶中的Zn2+，維持鋅酶的催化活性，也能抑制該酶催化活性，與Hg2+相同，Cd2+也能牢固地與蛋白質(zhì)中的半胱氨酸殘基的SH基結(jié)合，使SH 酶活性受抑制。早在1980年，Bauer 等即發(fā)現(xiàn)Cd 可替代SOD 中的Zn 形成Cu·Cd-SOD，從而影響SOD的活力。Cd 可抑制CAT的活力，使自由基的清除受影響，自由基又加重了酶活力的抑制。另外研究報道，Cu 和Cd 可誘導(dǎo)生物體內(nèi)金屬硫蛋白(Metallothionein，MT)合成，隨著處理時間的延續(xù)，誘導(dǎo)合成MT 因螯合體內(nèi)Cu 或Cd 而減少了游離Cu 或Cd，從而消弱了它們對抗氧化酶的抑制作用;同時MT 富含巰基的特殊結(jié)構(gòu)使之具有清除自由基的能力，其豐富的還原巰基是自由基結(jié)合的最好靶位點，因而間接地減少自由基對酶的抑制，即MT 對SOD、CAT 又起到了間接的保護(hù)作用。王躍等 (2010)研究Cr6+對中華稻蝗的染毒實驗表明:CAT、GSH-PX活力隨染毒濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，隨著Cr6+濃度繼續(xù)升高，CAT、GSH-PX 活力未繼續(xù)下降;分析其可能的原因是，高劑量Cr6+誘導(dǎo)產(chǎn)生金屬硫蛋白(MT)，而MT 活力中心與重金屬離子結(jié)合，減輕Cr 對機(jī)體的抗氧化損害，使CAT、GSH-PX 活力基本不變。Cu 作為生物必需元素，一方面可作為Cu·Zn-SOD 酶的活動中心，參與清除生物體內(nèi)的自由基，具有抗脂質(zhì)過氧化作用，另一方面，又具有較強(qiáng)的誘導(dǎo)細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化作用;在細(xì)胞水平，Cd 可以通過代替金屬輔因子或與必需硫醇群結(jié)合來抑制SOD 和CAT 等解毒活性氧的酶。這將導(dǎo)致()增加和(OH-)的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致氧化脅迫和脂質(zhì)過氧化，引起細(xì)胞損傷(吳國星等，2008)。

關(guān)于重金屬脅迫影響抗氧化酶GST的機(jī)理，一方面可能是因為長期受重金屬脅迫的昆蟲已經(jīng)對體內(nèi)重金屬成分顆粒有一定的耐受性，相對增加GSH的含量，以消除過量重金屬的危害，另一方面因為GST的專一性較低，容易受到多種因素的干擾，不同種類和濃度的重金屬會對整個GSTs家族不同異構(gòu)酶的活性產(chǎn)生不同的影響。重金屬能夠抑制昆蟲體內(nèi)SOD 和CAT 活力的機(jī)理可能是因為重金屬與酶中半胱氨酸殘基的SH 基結(jié)合或與酶中其它金屬離子發(fā)生競爭性替代作用，從而抑制了酶的活力。

總之，昆蟲受到重金屬脅迫后，體內(nèi)抗氧化酶系對機(jī)體氧化應(yīng)激做出一定的反應(yīng)，各種酶協(xié)同作用以抵御ROS的損傷(劉井蘭等，2006)，但抗氧化酶系含量變化還根據(jù)昆蟲種類和發(fā)育階段、重金屬種類及受脅迫的程度而定，這方面的研究并不是很多，研究的也不是很詳細(xì)，還有待深入研究。

4 結(jié)語

重金屬對昆蟲體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的影響因重金屬種類、昆蟲種類、昆蟲性別及發(fā)育階段不同而不同。而目前國內(nèi)外研究多集中在少數(shù)幾種昆蟲及單一重金屬誘導(dǎo)的昆蟲氧化損傷方面，這與現(xiàn)實環(huán)境中復(fù)雜的污染狀況不同，因為昆蟲往往暴露于多種途徑的綜合污染，且是各種抗氧化酶相互作用相互抑制的過程，因此今后研究的重點應(yīng)放在研究不同重金屬交互作用對抗氧化酶系統(tǒng)協(xié)同作用的影響，以便對昆蟲在自然界的復(fù)合污染提供理論數(shù)據(jù);另外，現(xiàn)今對重金屬誘導(dǎo)的昆蟲抗氧化防御系統(tǒng)的研究重點在室內(nèi)暴露和效應(yīng)關(guān)系方面，且作用時間短，無法真正應(yīng)用于自然界復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境中。因此，如何能有效的與野外實際相結(jié)合，科學(xué)地反應(yīng)抗氧化酶對昆蟲的作用及致毒機(jī)理是未來研究的又一趨勢。

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