氧化應激是指機體在病理狀態下，體內高活性分子如活性氧自由基\\( reactive oxygen species，ＲOS\\) 產生過多，氧化程度超出氧化物的清除，氧化系統和抗氧化系統失衡，從而導致組織損傷［1］。ＲOS 主要包括 O2 +與 OH－及其活性衍生物如 H2O2、HOCl、O2、LO、LOO 及 LOOH 等。ＲOS 反應活性高，能迅速與細胞內各種生物大分子反應，引起細胞水平上的損傷，其中包括 DNA、脂質和蛋白質的氧化損傷［2］。蛋白質在生物體正常生命活動中擔負著催化、調節、轉運、儲存、運動和支架作用等重要功能。因而，有學者認為蛋白質的氧化損傷在疾病的病理生理過程中起著至關重要的介導作用［3］。

蛋白質羰基化是蛋白質氧化損傷中的一種，其本身是氧化應激中的一種不可逆的化學修飾，指的是氨基酸殘基側鏈受到氧自由基攻擊最后轉變成羰基產物［4］。蛋白質的羰基化修飾后會引起蛋白質結構的改變，使其失去原有的生物學功能，最終導致細胞和組織功能紊亂，出現機體病理生理改變。

已有研究表明，蛋白質羰基化聚集參與了衰老、凋亡以及多種神經退行性疾病的病因和病理生理演變。本文將重點綜述蛋白質羰基的形成和降解及其在多種相關疾病中的可能作用。

一、羰基化蛋白質形成的機制

蛋白質羰基化是蛋白質的非酶促的不可逆羰基修飾，根據是否有 ＲOS 的參與將羰基蛋白的生成途徑分為兩大類:

\\( 1\\) ＲOS 直接氧化蛋白質側鏈氨基酸生成羰基蛋白\\( 即自由基氧化\\) ; \\( 2\\) 蛋白質在脂質氧化和非酶糖基化過程后生成羰基蛋白\\( 即糖基化\\)［5］。

在體內金屬離子\\( 鐵離子或銅離子\\) 催化氧化系統幫助下，ＲOS 能直接氧化蛋白質側鏈的賴氨酸、精氨酸、脯氨酸和蘇氨酸等殘基形成羰基［4-6］。此外，羥基自由基還可直接作用于肽鍵，使肽鍵斷裂，在斷裂處產生羰基，此途徑又稱 α 酰胺化。其主要的原理是羥基自由基抽提碳原子上的氫，使碳原子氧化，在此基礎上水解斷裂。非酶糖基化蛋白質的非酶糖基化反應\\( 簡稱糖基化反應\\) 是羰基蛋白生成的另一重要途徑。脂質氧化和非酶糖氧化過程后形成的活性羰基類物質\\( reactive carbonyl species，ＲCS\\) ，主要是一些不飽和醛，如: 4-羥基壬烯醛\\( 4-hydroxy-trans-2-nonenal，HNE\\) 、丙烯醛\\( acrolein，ACＲ\\) 、丙二醛\\( malondialdehyde，MDA\\) ，這些活性羰基分子本身含有羰基，能夠通過羰氨交聯直接結合到蛋白質側鏈上半胱氨酸、組氨酸以及賴氨酸上形成羰基［6-7］。糖基化反應的顯著特征是: 它是還原糖與氨基之間的反應，不依賴于脂類和氧。這樣，即使所有的自由基攻擊能被抗氧化系統所阻止，只要機體內存在 ＲCS，它就能進一步反應生成羰基蛋白。

現有的研究表明，ＲCS 參與了心血管疾病\\( 如動脈粥樣硬化\\) 、神經退行性疾病\\( 如阿爾茨海默病、帕金森病\\) 、腦缺血、類風濕關節炎、局部缺血再灌注等許多疾病和應激的啟動和發展過程，甚至還參與和啟動了衰老過程［3，7］。多數學者認為在氧化劑和自由基攻擊生物體系而引起的細胞毒性過程中，ＲCS 是直接的致病因子［3-4］。體外的前期研究也發現抑制脂質氧化途徑能夠減少蛋白質羰基化的形成，表明蛋白質羰基化主要是通過脂質氧化這條途徑［8］。

二、羰基化對蛋白質的選擇性

在不同疾病誘導的氧化應激下，羰基化對蛋白質具有一定的選擇性，即有些蛋白質容易羰基化，而有些卻不易羰基化［9-10］。以細胞骨架為例，膠質纖維酸性蛋白\\( glial fibrillaryacidic protein，GFAP\\) 是多發性硬化［11］、皮克?。?2］和衰老［13］中最容易受到氧化損傷攻擊的蛋白質，其羰基化水平提高，然而，在阿爾茨海默病患者中其羰基化水平降低［13］\\( 表 1\\) 。

此外，另一個細胞骨架分子 β-actin 羰基化水平在阿爾茨海默?。?3］和多發性硬化［11］中提高，但是在衰老中卻是減少的。研究表明，羰基化修飾在不同病理狀態下對蛋白質的不同選擇性，并不是由蛋白質的相對數量決定的［14］; 盡管果蠅飛行肌線粒體中有很多種蛋白質，但只有順烏頭酸酶和腺嘌呤核苷酸移位酶的羰基化程度會隨年齡而增加，并相應地失去活性; 而細胞色素 C，盡管其含量豐富，羰基化修飾水平并沒有提高。羰基化修飾對蛋白質選擇性的機制至今仍未完全清楚。

Stadtman［15-16］認為，蛋白質是否具有過渡金屬結合位點對于其是否能通過金屬催化氧化途徑形成羰基至關重要。蛋白質與過渡金屬結合是產生自由基的重要來源，而自由基一旦產生，將啟動一系列連鎖反應，最終發生羰氨反應形成羰基［17］。除此之外，蛋白質的分子構象、半衰期以及金屬催化氧化敏感型氨基酸殘基含量，也是影響蛋白質羰基化修飾的選擇性的重要因素［18-19］。而是否位于 ＲOS 產生的附近，也是其羰基化修飾的重要決定因素［6］。

三、蛋白質羰基化后去路

機體內的蛋白質損傷后，通常的去路有 3 種，即: 被修復、被蛋白質降解系統分解和聚積。蛋白質羰基化后很有可能會失去其原有的生物學功能，由于羰基化是一個不可逆的化學反應，蛋白質羰基化后無法被修復，通常被直接運送到蛋白質降解系統降解［20-21］。病理狀態下，當羰基化蛋白質生成過多或者蛋白酶體活性降低無法降解羰基化蛋白質，羰基化蛋白質就會聚集在細胞內。羰基化\\( 損傷\\) 蛋白質的累積和聚合，將會損傷細胞和組織的功能，誘導病理生理改變。

一般認為哺乳動物體內存在溶酶體蛋白酶、鈣依賴蛋白酶和蛋白酶體 3 種蛋白質降解途徑［20］。已有研究表明羰基化蛋白質主要是通過 20S 蛋白酶體本身降解的，而且這個過程并不需要 ATP 和泛素的參與［20-21］。多個體外實驗也表明使 用 蛋 白 酶 體 抑 制 劑 能 夠 導 致 羰 基 蛋 白 聚 積［20］。

Shringarpure 等［22］認為，蛋白質羰基化后可導致蛋白質側鏈的開鏈和變性，從而增加了其疏水表面，這些疏水片段正好為 20S 蛋白酶體提供了識別位點。同時，體外研究表明鈣依賴蛋白酶降解氧化包括羰基化蛋白的速度遠遠大于正常狀態下蛋白的速度［23］。此外，學者認為只有輕微羰基化的蛋白質才能被蛋白酶體降解，而過度羰基化和交聯的蛋白質不僅不能被蛋白酶體降解，反而具有抗蛋白酶體水解的特性［24］。比如 HNE 本身就能結合到蛋白酶體導致其活性降低。此時，就需要溶酶體蛋白酶來降解這些過度羰基化的蛋白質［24］。

四、蛋白質羰基化與疾病

1． 蛋白質羰基化與衰老: 早在 1987 年 Oliver 等［25］發現了羰基蛋白含量隨年齡的增長而增加。此后科學家們還發現，羰基蛋白含量與家蠅的預期壽命或生理壽命有關［16］。在培養的人類皮膚成纖維細胞中，羰基蛋白含量與該細胞捐贈者的年齡有關，并呈指數增加［9］。早老癥患者成纖維細胞的羰基蛋白含量遠遠高于培養的與患者年齡相符的正常個體的成纖維細胞的羰基蛋白含量［9］。有學者［6］認為，蛋白質羰基化參與了蛋白質的質量控制，它標記異常的、損傷的蛋白質，使其被降解; 而在衰老過程中，機體對羰基蛋白的降解減弱伴隨羰基蛋白的生成加快，羰基蛋白對蛋白質、細胞乃至機體的危害逐漸暴露出來，導致蛋白質和細胞功能的降低和喪失，最終加快衰老的進程。研究也表明羰基化蛋白質的主要降解細胞器蛋白酶體的活性在多種衰老模型中都是降低的［16］，而氧化應激早就被認為是衰老的一個主要分子機制之一［9］，這些實驗數據無疑支持著以上的學說。然而，最近研究發現，組蛋白的羰基化程度在衰老過程中降低而不是升高，該研究組至今不清楚其潛在的生物學意義，但是他們認為，組蛋白羰基化可能導致其與 DNA 的綁定減弱，從而影響了基因的表達［26］。因而，衰老過程中的蛋白質羰基化修飾可能不單單是因為其本身具有毒性，可能還涉及對基因表達的調節，而這些有可能在衰老的病理生理過程中起著重要的作用。

2． 蛋白質羰基化與凋亡: 研究發現凋亡誘導因子\\( apoptosis-inducing factor，AIF\\) 在氧化應激狀態下被羰基化，鈣蛋白酶識別并降解羰基化的 AIF，從而誘導了細胞凋亡［27］。在一氧化氮誘導的凋亡過程中也發現抗凋亡蛋白Bcl-2 先是被羰基化，然后才有了凋亡的啟動［28］。高爾基體伴侶蛋白的羰基化修飾能使其失去功能，導致損傷或錯誤折疊的蛋白集聚，這本身就是誘導凋亡的信號之一［29］。此外，線粒體腺苷酸轉運體作為線粒體膜上的離子通道，其羰基化后將導致線粒體膜的開放，膜電勢喪失，凋亡因子釋放，從而誘導了凋亡［30］。

3． 蛋白質羰基化與神經退行性疾病: 阿爾茨海默病是常見的神經退行性疾病，主要臨床表現為進行性記憶喪失和癡呆［31］。研究發現阿爾茨海默病患者的海馬回和海馬旁回組織切片中羰基蛋白水平升高［13］。帕金森病是另一種較常見的神經退行性疾病，以進行性運動障礙為主要臨床表現［32］。有研究指出，老年癡呆患者腦黑質、基底神經節、蒼白球、額部皮質、小腦等腦部組織中羰基蛋白水平均升高［33］。多發性硬化是一種病因不明的、以中樞神經系統脫髓鞘為特征的神經免疫退行性疾?。?4］，最新國外研究也發現多發性硬化患者大腦白質和灰質中羰基蛋白的水平均比正常對照組高［11］。在多種神經退行性疾病中，均發現蛋白酶體活性減弱，這可能也是其羰基蛋白水平提高的原因之一［21，35-36］。

4． 蛋白質羰基化與其他疾病: 氧化應激是創傷性腦損傷繼發性損傷中已經被廣泛認同的分子機制之一［37］。研究表明氧化應激在顱腦創傷的同時就出現，也是顱腦損傷后神經元、血管損傷的主要病理生理基礎［38］。顱腦損傷動物模型研究發現蛋白質羰基化水平在腦損傷后就升高，腦損傷 3個月后，損傷對側大腦的羰基蛋白水平也增高［39］。另一研究組在動物模型實驗中發現輕型腦損傷后羰基蛋白水平提高，而重型腦損傷后羰基蛋白水平反而正常［40］。除此之外，在一些疾病如類風濕關節炎、膿毒血癥、肌萎縮性\\( 脊髓\\) 側索硬化、呼吸困難綜合征、肌肉萎縮癥、白內障、動脈硬化癥［7-8］等，其羰基蛋白的含量明顯高于相應的對照組。這些都表明蛋白質羰基化修飾不單單是一個細胞氧化程度的一個標志，而是參與了疾病的病理生理過程。

五、結論

細胞內氧化水平和抗氧化水平的失衡導致了氧化應激，氧化應激的情況下蛋白質側鏈和 ＲOS 或 ＲCS 反應形成羰基。由于蛋白質羰基化是一個不可逆的化學反應，蛋白質羰基化后無法被修復，通常被直接運送到蛋白質降解系統降解。大量實驗研究已經證實蛋白質羰基化不僅僅是生物體內氧化損傷的一個指標，事實上也參與了多種疾病的生理病理過程，比如蛋白質羰基化啟動凋亡的過程。未來的研究將能進一步揭開蛋白質羰基化在各種疾病的作用。

參 考 文 獻

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