背景：
尽管对过氧化物酶体生物化学的深入研究，谷胱甘肽在过氧化物酶体氧化还原稳态中的作用多年来一直是一个猜测问题，直到最近才开始通过实验解决这个问题。在本文中，作者总结和比较了来自几种生物的关于过氧化物酶体-谷胱甘肽的数据。从这个比较中可以清楚地看出，不同生物体的过氧化物酶体中利用谷胱甘肽的酶的种类差别很大。此外，现有的数据表明，细胞浆和谷胱甘肽过氧化物酶体池之间的动力学连通性在不同的生物体中也可能是不同的，有些生物体具有可迅速渗透到谷胱甘肽的过氧化物酶体膜，而在其他生物体中则可能不是这样。然而，抛开这些差异，从所有这些数据中得出的结论是，谷胱甘肽是所有生物体中在过氧化物酶体内部运作的抗氧化系统的关键组成部分。
简介：
2023年10月4日，来自葡萄牙波尔图大学的Jorge E. Azevedo教授课题组在Redox Biol（IF: 11.4）杂志上发表题为“Glutathione and peroxisome redox homeostasis”的文章[1]。
主要结果：
哺乳动物过氧化物酶体基质是一个还原室。
过氧化物酶体的特点是富含产生过氧化氢(H2O2)的氧化酶。在哺乳动物中，这些氧化酶参与多种代谢途径(如脂肪酸β-氧化、D-氨基酸氧化和多胺分解代谢)，并可能产生大量H2O2，特别是在肝脏中。事实上，据估计，至少在某些物种中，这个器官消耗的氧气的20%可能被这些过氧化物酶体氧化酶所吸收。过氧化氢是一种活性较弱的活性氧，但它可以直接修饰蛋白质。更重要的是，H2O2可以通过芬顿化学产生高活性自由基(例如羟基和碳酸盐阴离子自由基)，从而可以快速氧化几乎任何有机分子。
为了尽量减少氧化损伤，哺乳动物的过氧化物酶体含有一小组抗氧化酶。过氧化氢酶是其中一种酶，是最丰富的过氧化物酶体蛋白质之一，占肝脏过氧化物酶体总蛋白质质量的15%。在哺乳动物过氧化物酶体中发现的其他抗氧化酶有超氧化物歧化酶1(SOD1)、可溶性环氧化物水解酶2(sEH)、过氧化物还蛋白5 (PRDX5)和谷胱甘肽S-转移酶κappa 1 (GSTk1)。
过氧化物酶体中依赖谷胱甘肽的酶。
在一些生物体的过氧化物酶体中存在谷胱甘肽依赖酶已经知道很多年了。通过对富含过氧化物酶体的亚细胞组分的蛋白质组学分析和使用荧光标记蛋白质的体内亚细胞定位实验，植物过氧化物酶体似乎具有最多的这类酶。虽然还需要进一步的工作来证实一些现有的数据，但这些研究发现了拟南芥过氧化物酶体中的几种谷胱甘肽s -转移酶，即theta (GSTT1, GSTT2和GSTT3)，脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR1)和lambda类(GSTL2)的成员。theta家族的成员是典型的GSTs，具有谷胱甘肽转移酶和过氧化物酶对疏水亲电试剂(如脂质氢过氧化物)的活性，而GSTL2是一种具有谷氧还蛋白活性的单体蛋白。另一个GST成员DHAR1使用谷胱甘肽将脱氢抗坏血酸还原为抗坏血酸，这是谷胱甘肽-抗坏血酸循环的反应之一。有趣的是，除了DHAR1，在植物过氧化物酶体中也发现了该循环的其他酶，包括一小部分细胞质内NADPH依赖性谷胱甘肽还原酶。
哺乳动物过氧化物酶体膜可迅速渗透到GSH/GSSG。
过氧化物酶体进出口多种代谢物和辅助因子。它们通过三种不同的机制来做到这一点。一些酶辅因子(如FAD和FMN)可能与相应的酶一起共同输入(注意过氧化物酶体可以输入已经折叠的蛋白质)。一些大型代谢物(如ATP、辅酶A和酰基辅酶A)通过选择性通道/转运体运输。最后，小代谢物(如异柠檬酸盐、甘油-3-磷酸)通过非选择性高容量孔样转运体通过过氧化物酶体膜转运。在不同的生物体中，这些孔状转运体的确切分子质量临界值可能有些不同。尽管如此，对于哺乳动物过氧化物酶体来说，一个公认的一般规律是，“分子质量高达300-400 Da的溶质”可以自由地在细胞器膜上扩散，尽管正如最近讨论的那样，溶质的分子形状和电荷也可能对这个值有一定的影响。
谷胱甘肽的还原等效物如何传递到过氧化物酶体基质中的氧化蛋白半胱氨酸残基?
如上所述，哺乳动物过氧化物酶体基质蛋白中的半胱氨酸残基与细胞质蛋白中的残基一样减少。根据最近的定量氧化还原蛋白质组学分析和酵母过氧化物酶体中谷胱甘肽氧化还原电位的测量，酿酒酵母也是如此。我们仍然缺乏植物过氧化物酶体的氧化还原蛋白质组学数据，但由于这些细胞器基质中的硫醇二硫化物氧化还原电位与细胞质的氧化还原电位相似，因此类似的情况可能存在于植物中。如果所有生物体的过氧化物酶体基质中都有谷胱甘肽，那么它的还原等效物是如何传递到氧化蛋白半胱氨酸残基中的?我们仍然缺少谷胱甘肽-过氧化物酶体之谜的许多部分，以充分了解过氧化物酶体生物化学的这一方面。然而，很可能酶促和非酶促的谷胱甘肽机制都在这一过程中发挥作用。
谷胱甘肽在保护过氧化物酶体蛋白半胱氨酸残基免受H2O2诱导氧化方面比过氧化氢酶更重要。
出乎意料的是，上述动力学模拟还揭示了哺乳动物过氧化物酶体中谷胱甘肽的非酶辅助作用比过氧化氢酶本身对H2O2的保护作用更强。事实上，虽然过氧化物酶体中过氧化氢酶的缺失使过氧化物酶体内H2O2浓度从~80 nM增加到~1 μM，导致过氧化物酶体基质蛋白的大量氧化，但即使在缺乏谷胱甘肽的情况下，具有可渗透细胞质谷胱甘肽的过氧化物酶体膜也足以保护过氧化物酶体内蛋白免受H2O2诱导的氧化。这并不意味着过氧化氢酶在过氧化物酶体中具有冗余/不重要的功能。通过将过氧化氢酶维持在较低水平，过氧化氢酶降低了可能发生芬顿化学反应的过氧化氢部分。此外，过氧化氢酶通过清除大部分由过氧化物酶氧化酶产生的H2O2，将到达细胞质的过氧化物酶的H2O2量减少了94%，从而节省了细胞质中清除H2O2的过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶系统对NADPH的消耗。过氧化物酶体过氧化氢酶所节省的NADPH量可能相当可观。例如，如果我们将大鼠肝脏(每克肝脏每分钟产生380 nmol过氧化物酶体H2O2)的生化数据外推到成人(肝脏重量约1.5 Kg)，并考虑到人类肝脏静息代谢率约为大鼠肝脏的1/4，我们得出人类肝脏过氧化物酶体每天产生0.2 mol H2O2。这相当于230毫升的3% (w/v) H2O2溶液，可以在药店获得。在缺乏过氧化物酶的情况下，所有这些H2O2将到达细胞质，在那里它的中和将花费0.2 mol NADPH或大约3g葡萄糖/天，假设所有NADPH都来自戊糖磷酸途径(1 mol葡萄糖(180 g)→12 mol NADPH)。在过氧化氢酶存在的情况下，只有180毫克葡萄糖/天被细胞质内NADPH依赖的还原系统消耗。
结论和展望：
在本文中，作者总结了关于过氧化物酶体-谷胱甘肽关系的数据。虽然我们的重点是哺乳动物过氧化物酶体，但也分析了其他生物的数据。从这些比较中可以得出的一个主要结论是，在给定生物体中收集的关于谷胱甘肽过氧化物酶体主题的数据不能轻易地外推到其他生物体。众所周知，过氧化物酶体是真核生物王国中最具可塑性的细胞器之一，可以在不同的生物体中容纳不同的酶库。然而，一些基本功能(例如脂肪酸的β-氧化，多种氧化酶和过氧化氢酶的存在)在整个进化过程中大多是保守的，因此在给定生物体中谷胱甘肽生物化学的重要方面在其他生物体中并不保守的认识有些出乎意料。
关于过氧化物酶体-谷胱甘肽的话题还有许多其他问题。一个明显的问题是允许GSH/ GSSG穿过过氧化物酶体膜的转运体的身份。预计系统敲除编码哺乳动物过氧化物酶体膜蛋白的基因将很快导致这种蛋白质的鉴定，尽管如果长期寻找的谷胱甘肽转运蛋白是将新合成的蛋白质输入细胞器的蛋白质转座子，可能会遇到问题。另一个尚不清楚的重要问题是，将氧化还原当量从胞内谷胱甘肽传递到蛋白质半胱氨酸残基的酶机制。虽然很明显，谷胱甘肽在过氧化物酶体基质中的存在已经对H2O2诱导的氧化提供了有效的保护，但其他更具侵略性的ROS可能需要更强大的酶基防御。酵母GTO1和植物GSTL2是目前催化谷胱甘肽修复氧化蛋白的最佳候选，但支持这种可能性的实验数据仍然缺乏。在哺乳动物中，最近有人提出GSTk1发挥了这样的作用，但同样，GSTk1用于维持蛋白半胱氨酸残基处于还原状态的机制仍不清楚。如果我们要充分了解过氧化物酶体内部的氧化还原稳态机制，就必须澄清这些和其他方面。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221323172300318X?via%3Dihub
参考文献：
[1] Ferreira MJ, Rodrigues TA, Pedrosa AG, Silva AR, Vilarinho BG, Francisco T, Azevedo JE. Glutathione and peroxisome redox homeostasis. Redox Biol. 2023 Oct 4;67:102917. doi: 10.1016/j.redox.2023.102917. Epub ahead of print. PMID: 37804696; PMCID: PMC10565873.
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