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西南大学郑鹄志:你不知道的ATP

时间: 2019-11-29 | 编辑: 170 | 阅读:170次

细胞内H2O2的过量积累会引起细胞损伤,西南大学郑鹄志课题组通过研究证实了ATP具有pH依赖的过氧化物酶和过氧化氢酶双酶活性,可发挥催化作用消除过量H2O2,协助维持细胞稳态。

H2O2是细胞中最重要的一类活性氧,寿命长、扩散距离远,但H2O2的过量积累会导致氧化应激增加,从而引起细胞损伤、癌症发展以及各种神经系统疾病,例如阿尔茨海默氏症,帕金森氏症和亨廷顿氏病。
在正常的细胞氧化还原循环过程中,过量的H2O2会被过氧化物酶和天然抗氧化剂(抗坏血酸、谷胱甘肽等)清除。因此,寻找消耗H2O2的过氧化物酶及深入研究其运作机制,对进一步干预维持细胞稳态及上述疾病治疗有非常重要的作用。
三磷酸腺苷(ATP)是细胞能量代谢的“货币分子单元”,在生物体内能量捕获、转移、储备和利用过程中起核心作用。除了承担能量代谢功能外,研究发现ATP还有潜在的催化功能,但一直未被阐明。ATP由线粒体内进行的生物氧化产生,线粒体是细胞内能量代谢至关重要的调节器,线粒体的稳定是细胞的正常功能运转的保证。ATP产生的同时会伴随H2O2的生成,这是细胞内H2O2的最主要来源。
ATP在线粒体正常运转中是否还发挥催化功能协助控制H2O2的水平?西南大学郑鹄志课题组通过研究证实了ATP具有pH依赖的过氧化物酶和过氧化氢酶双酶活性,并使H2O2的消耗成为可能:弱酸性条件下,具有过氧化物酶活性;近中性条件下,ATP在功能上模仿过氧化氢酶,将H2O2直接分解为H2O和O2。

图1
作者利用ATP催化H2O2氧化底物3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)产生显色反应来测定过氧化物酶活性。在弱酸性条件下(pH=5),三者(ATP、H2O2、TMB)同时参与显色反应,显色非常明显。但如仅有其中两种参加反应,颜色变化就很微弱(图1)。
随后作者又研究了反应速率与ATP的浓度的动力学关系,以及不同pH、H2O2浓度、温度对ATP过氧化物酶活性的影响,证实:ATP具有pH依赖的过氧化物酶活性,在弱酸条件下可以显示过氧化物酶活性,pH接近中性时活性消失。中性条件下,作者通过含氧量的测定证实ATP的过氧化氢酶活性:H2O2在水溶液中会存在可逆的分解反应生成水和氧气,当pH=7.4,ATP与H2O2溶液中溶解氧的含量随时间变化,时间越长、ATP浓度越高含氧越高,从而证实了pH依赖的ATP 的双酶活性。

图2
作者用电子自旋共振(ESR)技术对ATP双酶活性的催化机制进行了研究,确定了反应中间体·OH自由基的存在。反应自旋陷阱DMPO可捕获短暂高活性的·OH自由基形成特征光谱。在pH=5弱酸条件下,ATP加入前没有ESR信号,随着ATP的加入和浓度的增加,信号加强(图2a)。而在中性条件下pH=7.4时,紫外光照射H2O2可以产生明显的·OH自由基的ESR信号;加入ATP后,紫外光诱导的·OH减少因而信号减弱(图2b)。
根据已有报道,ATP释放出的能量水解可加速催化反应。作者通过用孔雀石绿钼酸铵法测定释放的无机磷酸盐的量,排除了ATP是通过释放能量来促使H2O2分解的可能性。并利用HPLC确定了反应前后ATP的质量或数量变化很小,明确了ATP确实起到了催化剂的作用而不是反应物。结合理论计算,作者认为ATP中腺嘌呤的N7原子为底物H2O2可能的结合位点,并提出了ATP催化过氧化氢分解的可能反应机制。
作者还将获得的验证结果应用于实际,通过体外细胞实验证实了ATP在线粒体内的确能够发挥过氧化酶活性清除过量H2O2,以降低H2O2对线粒体的损伤,并证明ATP可以成功应用于保护细胞免受H2O2损伤。基于ATP的过氧化物酶活性,作者构建了检测葡萄糖的新方法,并成功地用于检测两个健康成年人血清样品,且与医院测量结果一致,方法快速、成本低,具有巨大的应用潜力。
本研究揭示的ATP的新功能,生动体现了生物进化的神奇和生命调控的精巧:生物体内产生有害物质的同时,也存在相应的清除机制。许多生化反应都涉及ATP的消耗,充分利用ATP的过氧化物酶活性,结合ATP成本低、稳定性好且可商购的独特优势,有望进一步发展普适性的新策略用于监测多种生化反应,具有巨大的潜在临床应用价值。
该工作在CCS Chemistry第四期发表。
文章详情:
ATP Mimics pH-Dependent Dual Peroxidase-Catalase Activities Driving H2O2 Decomposition
Ying Shi, Menghuan Tang , Chaoqun Sun , Yadi Pan , Li Liu , Yijuan Long & Huzhi Zheng
Cite this: CCS Chem. 2019, 1, 373–383
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原标题:《CCS Chemistry | 西南大学郑鹄志:你不知道的ATP——双酶活性催化分解H2O2帮助细胞远离损伤》

文章标题: 西南大学郑鹄志:你不知道的ATP
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