鋅、銅、硒、錳抗氧化機制的研究進展

江娜 劉清 朱慧蘭

鋅、銅、硒、錳抗氧化機制的研究進展

江娜 劉清 朱慧蘭

皮膚光老化等光線性皮膚病、機體衰老、某些腫瘤等的發(fā)生與機體內(nèi)的自由基密不可分。過量的自由基攻擊DNA、脂質(zhì)及蛋白質(zhì)等可以造成脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)氧化應激損傷等變化，從而導致細胞的結構和功能受損，最終導致相關疾病的發(fā)生。鋅、銅、硒、錳等微量元素不僅參與超氧化物酶、谷胱甘肽等Ⅱ相解毒酶的組成，增強超氧化物歧化酶等的活性，提高機體清除自由基的能力，并且通過影響體內(nèi)的一些信號通路，如核因子E2相關因子信號通路或CDK4介導的線粒體信號通路等來發(fā)揮其抗氧化作用，維持機體的動態(tài)平衡，從而預防疾病。

痕量元素；抗氧化劑；自由基；皮膚衰老；光

生理狀態(tài)下，自由基在體內(nèi)維持動態(tài)平衡的狀態(tài)，參與細胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導通路，并且調(diào)控細胞分化。對于機體來說，自由基起著雙重作用，一方面參與防御外來微生物的入侵，另一方面，過量的自由基攻擊DNA、脂質(zhì)及蛋白質(zhì)，造成氧化應激損傷，與機體的衰老、引發(fā)機體腫瘤的發(fā)生密切相關。微量元素鋅（Zn）、銅（Cu）、硒（Se）、錳（Mn）等具有抗氧化作用，并參與組成機體內(nèi)可以裂解自由基的保護酶，如銅藍蛋白、超氧化物岐化酶（SOD），谷胱甘肽過氧化物酶（GSH-Px）等，清除過量的自由基，保持機體的動態(tài)平衡。

1 Zn

Zn是人體必需的微量元素之一，其抗氧化作用可以保護機體免遭活性氧（ROS）的攻擊。Zn能夠保持DNA的完整性，缺乏Zn會造成DNA的損傷［1］。蛋白質(zhì)上的巰基是氧自由基攻擊的靶點，而Zn的存在能夠使蛋白質(zhì)形成二硫鍵阻止蛋白質(zhì)被氧化，從而保護生物膜的完整性。金屬硫蛋白（MT）能夠清除自由基發(fā)揮其抗氧化作用，Zn通過調(diào)節(jié)金屬反應元件結合轉(zhuǎn)錄因子（MTF）1參與MT的表達，并通過MTF-1參與細胞信號轉(zhuǎn)導過程及氧化損傷等應激反應［2］。Zn能阻斷脂質(zhì)過氧化反應，并顯著增加SOD的活性，減少丙二醛的形成。Zn參與SOD、GSH-Px及MT等Ⅱ相解毒酶的組成，且Zn作為銅鋅超氧化物歧化酶（CuZn-SOD）的催化劑，同時能夠激活細胞內(nèi)的傳感器MTF-1調(diào)節(jié)相關的抗氧化基因的表達［3］。Zn缺乏時可以顯著影響機體的抗氧化能力，影響氧化還原信號通路。Zn可以使細胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）的積累增加，減少ROS，并通過合成丙氨酸和GSH來發(fā)揮其抗氧化作用，從而進一步調(diào)節(jié)細胞代謝和氧化還原平衡［4］。研究發(fā)現(xiàn)，用Zn及加熱法處理小鼠肝臟，比對照組及加熱法處理組小鼠肝臟中的CuZn-SOD活性顯著增加，丙二醛的生產(chǎn)減少，核因子E2相關因子（Nrf2）、Kelch樣ECH相關蛋白1和醌氧化還原酶基因的表達也高于其他對照組。該研究提示，Zn可能是通過激活Nrf2信號通路來發(fā)揮其抗氧化的作用［5］。有作者通過RNA沉默技術發(fā)現(xiàn)，Zn可以激活核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2并使谷酰胺半胱氨酸連接酶的基因表達上調(diào)，進一步證實，Zn的抗氧化機制是與Nrf2信號通路有關［6-7］。Hagmeyer等［8］對缺乏Zn的患者和動物模型進行研究，除了皮膚病變、厭食、抑制傷口愈合和免疫功能改變外，同時還出現(xiàn)了Zn缺乏的特征性行為改變，發(fā)現(xiàn)許多神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)心理障礙相關疾病與缺乏Zn有關，這類疾病目前認為，其發(fā)病機制與氧化應激有關。同樣，缺乏Zn還會加劇脂質(zhì)過氧化，導致脂肪肝惡化［9］。目前研究也表明，氧化應激和細胞老化與血清Zn低水平有關［10］。紅細胞生成性原卟啉癥是一種由于缺乏血紅蛋白生物合成酶和原卟啉Ⅸ積累的罕見遺傳性疾病，本病的特征是疼痛性光敏。Petersen等［11］在春夏季給14例紅細胞生成性原卟啉癥患者口服硫酸鋅治療后，可以減少ROS的產(chǎn)生，且血漿Zn的濃度與其發(fā)病之間呈負相關。研究還發(fā)現(xiàn)，Zn對人成纖維細胞的活性具有保護作用［12］。

作者單位：510095廣州市皮膚病防治所（江娜、劉清、朱慧蘭）；廣州醫(yī)科大學（江娜、劉清）

2 Cu

Cu是機體所必需的微量元素，在補充精氨酸的前提下，Cu可以誘導SOD、過氧化氫酶、GPX、GSH、Nrf2、Kelch樣ECH相關蛋白1等的mRNA表達增多［13］。作為SOD的金屬輔基組成成分，在機體抗氧化面發(fā)揮著重要的作用。銅藍蛋白是一種鐵氧化酶，是細胞外液重要的抗氧化劑，銅藍蛋白作為Cu的主要運載蛋白，在血漿中可以裂解自由基。CuZn-SOD作為超氧化物歧化酶3種主要成分中的一種金屬酶，是一種參與清除氧自由基的胞質(zhì)酶，主要存在于胞質(zhì)內(nèi)。超氧陰離子的生產(chǎn)可能與T細胞受體信號通路有關，而CuZn-SOD可能是通過調(diào)節(jié)T淋巴細胞的活性來增加細胞外SOD-1的水平來發(fā)揮作用［14］。對于心臟和血管的強度和完整性，Cu發(fā)揮重要的作用［15］。同樣，賴氨酰氧化酶在Cu離子的作用下，氧化膠原蛋白和彈性蛋白上的氨基酸殘基，使之形成共價鍵，在傷口愈合劑抗衰老方面發(fā)揮一定的作用。賴氨酰氧化酶樣2是賴氨酰氧化酶家族中的一員，也是目前的研究熱點，而失調(diào)的賴氨酰氧化酶樣2與多種疾病的發(fā)生有關，如癌癥、纖維化和心臟病等［16］。UVB與皮膚光老化和皮膚癌的發(fā)生相關，UVB能夠下調(diào)缺氧誘導因子（HIF）1蛋白，從而導致表皮增生，吡啶硫酮鋅能夠阻斷HIF-1蛋白在角質(zhì)形成細胞的降解，但不影響HIF-1的合成。經(jīng)UVB反復照射小鼠皮膚后，表皮增生，且HIF-1蛋白從角質(zhì)形成細胞的細胞核中消失，但含有吡啶硫酮鋅的乳膏可以有效的防治皮膚增厚，上調(diào)HIF-1到正常水平，這些結果表明，吡啶硫酮鋅可以潛在的防御UV誘導的皮膚光老化和皮膚癌，同時也為紫外線導致的皮膚病提供了靶向治療的分子靶標［17］。

3 Se

Se的生物學功能是以硒代半胱氨酸的形式與硒蛋白結合來發(fā)揮作用的，其中包括其抗氧化的作用。GSH-Px可以起到清除體內(nèi)脂質(zhì)過氧化物和自由基，維持細胞膜的完整性，而Se是GSH-Px的必需組成部分，Se可使GSH-Px的活性增加，分解脂質(zhì)過氧化物，修復自由基引起的硫化合物的損傷，并且可以穩(wěn)定化合物，有著抗衰老的作用，因此，GSH-Px是在哺乳動物發(fā)現(xiàn)的第一個含有Se的酶。但只有低濃度的Se才可以清除自由基發(fā)揮其抗氧化的作用，高濃度的Se則可以催化ROS的生成。Se缺乏將會導致細胞的結構和功能受損，核酸和蛋白質(zhì)及細胞的代謝受到干擾，同時Se的缺乏與多種腫瘤相關，如黑素瘤。另外，Se具有抗炎癥及預防腫瘤的作用，聯(lián)合補充Se、白蘆藜醇、輔酶Q10等7種天然組合的膳食，可用于皮膚疾病的預防，可以抑制ROS和脂質(zhì)過氧化，降低炎癥細胞因子的分泌和調(diào)節(jié)核因子κB通路，對皮炎起到抑制和抗氧化應激的作用［18］。對正常人成纖維細胞補充Se后進行UVA照射，雖然不能使細胞凋亡減少，但可以減少UVA誘導丙二醛以及基質(zhì)金屬蛋白酶1和基質(zhì)金屬蛋白酶3的生產(chǎn)，因此，Se可以用于防治皮膚光老化［19］。其他形式的Se包括硒蛋白P、硒蛋白W、硒蛋白H等也被發(fā)現(xiàn)有一定的抗氧化作用，同時與腫瘤的發(fā)生相關。

4 Mn

Mn參與多種蛋白質(zhì)、酶和維生素的代謝。金屬酶錳超氧化物歧化酶（Mn-SOD）也是SOD中的主要成分，是哺乳動物主要的線粒體抗氧化，通過線粒體氧化磷酸化生產(chǎn)在氧自由基解毒方面發(fā)揮作用，這與CDK4調(diào)節(jié)其活性有關，并通過CDK4介導的線粒體信號通路，可使細胞感知環(huán)境基因毒性應激［20］。線粒體清除ROS的能力是通過Mn-SOD來實現(xiàn)的，這對紫外線誘導由內(nèi)到外的信號通路來說是非常重要的［21］。Mn-SOD的缺乏與機體其他的氧化應激損傷也有一定的關聯(lián)。缺乏Mn-SOD可加重冠狀動脈粥樣硬化［22-23］，Mn-SOD抗冠狀動脈粥樣硬化的機制可能是增加了過氧化氫酶的濃度［24］，防止自由基的氧化損傷作用。Mn-SOD同時有抗腫瘤［25］及抗炎的作用。

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Antioxidation mechanisms of zinc,copper,selenium and manganece

Jiang Na,Liu Qing,Zhu Huilan*.*Guangzhou Institute of Dermatology,Guangzhou 510095,China

Free radicals in the body are closely related to photodermatoses such as skin photoaging,aging and some tumors.Excessive free radicals can attack DNA,lipids and proteins,cause lipid peroxidation and oxidative protein damage,lead to structural damages and functional impairment in cells,and finally induce the occurrence of related diseases.Some microelements such as zinc,copper,selenium and manganese are involved in the composition of phase II detoxifying enzymes （including superoxide dismutase ［SOD］,glutathione,etc）,can enhance the activity of SOD and ability to remove free radicals.In addition,these microelements exert antioxidative effects through some signal pathways,including the Nrf2 signal pathway and CDK4-mediated mitochondrial signal pathway,and play a role in maintaining dynamic balance in the body and in preventing diseases.

Trace elements;Antioxidants;Free radicals;Skin aging;Light

Zhu Huilan,Email:zhlhuilan@126.com

2015-02-25）

廣東省產(chǎn)業(yè)技術研究與開發(fā)專項資金項目（2013B021800044）

Fund program:Guangdong Province Special Foundation for Industrial Technology Research and Development（2013B021800044）

10.3760/cma.j.issn.1673-4173.2016.01.016

朱慧蘭，Email:zhlhuilan@126.com

本文主要縮寫：SOD：超氧化物岐化酶，GSH-Px：谷胱甘肽過氧化物酶，ROS：活性氧，MT：金屬硫蛋白，MTF：金屬反應元件結合轉(zhuǎn)錄因子，CuZn-SOD：銅鋅超氧化物歧化酶，GSH：谷胱甘肽，Nrf2：核因子E2相關因子，HIF：缺氧誘導因子，Mn-SOD：錳超氧化物歧化酶