3.2 胞內(nèi)ROS的合成機制
胞內(nèi)ROS作為反應(yīng)副產(chǎn)物生成的途徑多種多樣，不同細胞器中形成的機制存在區(qū)別(圖3.1)：
線粒體中，超氧化物被認為是由電子傳遞鏈的復(fù)合物I和復(fù)合物III大量產(chǎn)生的（圖3.1b）(Holmstrom and Finkel 2014; Reczek and Chandel 2015)；
內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)中，構(gòu)成蛋白質(zhì)二硫鍵的半胱氨酸殘基的氧化也會產(chǎn)生ROS(Zito 2015)（圖3.1c）；此外蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)氧化蛋白質(zhì)產(chǎn)生的電子傳遞到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化還原蛋白1(ERO1)后，也能還原O2產(chǎn)生過氧化氫；對于漿細胞而言，免疫球蛋白的生物合成過程中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)會堆積大量的ROS；
過氧化物酶體中，當(dāng)脂肪酸和其他各種物質(zhì)，如D-氨基酸、多胺和乙醇酸被FAD或FMN依賴的酶（例如?；鵆oA氧化酶）氧化時，就會產(chǎn)生ROS（圖3.1d）(Lismont et al. 2019)，甚至生成過氧化氫；
最后，ROS還是各種胞質(zhì)酶的副產(chǎn)物，如黃嘌呤氧化酶、環(huán)氧合酶、細胞色素P450酶和脂氧合酶等(Holmstrom and Finkel 2014)。
圖3.1 ROS的合成機制。(a)位于質(zhì)膜或內(nèi)體膜上的NOX利用細胞質(zhì)中的NADPH產(chǎn)生電子(e?)，并跨膜傳遞。電子與分子氧發(fā)生反應(yīng)生成超氧化物(O2-?)，并由胞膜上或胞外的超氧化物歧化酶(SOD3)將其轉(zhuǎn)化為過氧化氫。H2O2通過水通道蛋白(AQP)轉(zhuǎn)運回胞漿，同時質(zhì)子泵HVCN1輸出NOX產(chǎn)生的H+，重新平衡整個膜電荷水平，維持最佳的NOX活性。(b)線粒體內(nèi)，超氧化物是由呼吸鏈的復(fù)合體I/III產(chǎn)生。隨后在基質(zhì)中被SOD2轉(zhuǎn)化為H2O2，或在膜間隙中被SOD1轉(zhuǎn)化?；|(zhì)中的H2O2通過水通道蛋白轉(zhuǎn)移到膜間隙，而膜間隙中的H2O2通過電壓依賴性陰離子通道(VDAC)轉(zhuǎn)移到胞漿中。線粒體中的谷氧還蛋白(GPX)和過氧化還蛋白(PRDX)可清除過氧化氫。(c)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(ER)中，氧化分泌蛋白和膜蛋白的半胱氨酸，產(chǎn)生二硫鍵。再經(jīng)蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)氧化，附帶生成的電子被傳遞給內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化還原蛋白1(ERO1)，還原O2產(chǎn)生過氧化氫，繼而通過水通道蛋白轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中。最終，過氧化氫被GPX和PRDX還原為水。(d)過氧化酶體內(nèi)，當(dāng)脂肪酸和其他物質(zhì)，如氨基酸、多胺和乙醇酸被依賴于黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)或黃素單核苷酸(FMN)的氧化酶(如酰輔酶A氧化酶)氧化時，就會產(chǎn)生過氧化氫，隨后被過氧化氫通道蛋白/水通道蛋白運輸?shù)桨|(zhì)或被過氧化氫酶清除。
與其他作為副產(chǎn)物產(chǎn)生ROS的分子機制不同，NADPH氧化酶(NOXes)利用電子轉(zhuǎn)移到氧分子來催化ROS的合成（圖3.1a）。NOXes本質(zhì)為膜結(jié)合酶家族，涵括7個亞型，即NOX1、NOX2、NOX3、NOX4、NOX5、DUOX1和DUOX2(Bedard and Krause 2007; Brandes et al. 2014)。其中，嚙齒動物缺乏NOX5。大多數(shù)NOXes催化活性的行使都需借助與跨膜分子和胞質(zhì)分子等的結(jié)合，以形成催化核心。例如NOX1-4與Cyba基因編碼的跨膜分子p22phox相互作用，而DUOX1和DUOX2分別與跨膜分子DUOXA1和DUOXA2相互作用。此外，NOX5、DUOX1和DUOX2含有EF hand結(jié)構(gòu)，可被鈣離子激活。而NOX1-3的胞質(zhì)亞基與Rac一起共募集而被激活。其中NOX1和NOX3的胞質(zhì)亞基為NOXA1和NOXO1，NOX2的胞質(zhì)亞基為p40phox、p47phox和p67phox。募集過程由PKC介導(dǎo)的p47phox和NOXO1的磷酸化觸發(fā)。Rac的激活也參與了NOX1-3的激活。值得注意的是，不同NOX亞型表現(xiàn)出不同的組織分布和細胞內(nèi)定位，例如NOX2在巨噬細胞、中性粒細胞和B細胞中大量表達，空間上則分布于質(zhì)膜和內(nèi)體中，參與ROS的產(chǎn)生與內(nèi)體中病原物質(zhì)的清除。
各種途徑產(chǎn)生的超氧化物superoxide被超氧化物歧化酶(SOD)轉(zhuǎn)變?yōu)檫^氧化氫和氧分子(Holmstrom and Finkel 2014; Schieber and Chandel 2014; Reczek and Chandel 2015; Di Marzo et al. 2018)。線粒體中產(chǎn)生的超氧化物被線粒體基質(zhì)中的SOD2迅速轉(zhuǎn)化為過氧化氫(圖3.1b)；不同NOXes異構(gòu)體的產(chǎn)物也不同，NOX4、DUOX1和DUOX2主要生成過氧化氫，而其他亞型則產(chǎn)生超氧化物。
定位在質(zhì)膜的NOXes將電子從胞質(zhì)NADPH轉(zhuǎn)移到膜上，并有能力將合成的超氧化物和過氧化氫輸注到細胞外的環(huán)境中，而分布于質(zhì)膜和細胞外的SOD3則能將超氧化物轉(zhuǎn)化為過氧化氫(Di Marzo et al. 2018)（圖3.1a）。H2O2輸注過程涉及水通道蛋白：線粒體基質(zhì)中產(chǎn)生的過氧化氫通過水通道蛋白轉(zhuǎn)移到膜間隙(Yoboue et al. 2018)，繼而通過電壓依賴的陰離子通道(VDAC)轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中(Lustgarten et al. 2012)（圖3.1b）；過氧化物酶體中產(chǎn)生的過氧化氫通過位于細胞器內(nèi)過氧化物素和水通道蛋白穿過過氧化物體膜(Lismont et al. 2019)(圖3.1d)，受益于H2O2相對穩(wěn)定的特性（淋巴細胞中H2O2的半衰期為1 ms，而超氧化物O2-的半衰期僅1 μs），之后能以擴散的形式通過水通道蛋白，從而作為信號分子發(fā)揮作用。
胞內(nèi)ROS水平受到抗氧化酶的嚴格調(diào)控，如谷胱甘肽過氧化物酶GPXs、過氧化還原酶(PRDXs)和過氧化氫酶catalase等(Reczek and Chandel 2015)，能催化過氧化氫還原成水。其中，過氧化氫酶主要位于過氧化物酶體中（圖3.1d）(Lismont et al. 2019，而GPX和PRDX根據(jù)亞型分布在不同的細胞器中：GPX1、GpX4、PRDX3和PRDX5多位于線粒體(Quijano et al. 2016)（圖3.1b），GPX7、GPX8和PRDX4多定位在ER中（圖3.1c）(Zito 2015)。盡管過氧化物酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體不斷產(chǎn)生副產(chǎn)物ROS，但這些細胞器中的抗氧化酶能有效使之清除，從而保護細胞免受氧化應(yīng)激的損傷。
SuppInfo:
AQP:?aquaporin
ERO1:?endoplasmic reticulum oxireductin 1
FAD:?flavin adenine dinucleotide
FMN:?flavin mononucleotide
GPX:?glutathione peroxidase
NOXes:?NADPH oxidases
PDI:?protein disulfide isomerase
PRDX:?peroxiredoxin
SOD:?superoxide dismutase
VDAC:?voltage-dependent anion channel
