蛋白质羰基化及茶多酚的预防作用研究进展

左高隆，黄 霞，林 勇*，林海燕，陈美艳，刘仲华

（1.湖南农业大学 茶学教育部重点实验室，国家植物功能成分利用工程技术研究中心，湖南 长沙 410128；2.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128）

氧化应激会引起蛋白质发生可逆与不可逆修饰。其中，可逆修饰主要发生在半胱氨酸残基上，且可通过特异性抗氧化酶进行修复[1]。而不可逆修饰如羰基化修饰则无法被体内的抗氧化防御机制修复[2]。因此，羰基化蛋白质会随时间增加慢慢聚集，并引起多种信号通路改变和细胞功能障碍，最终导致细胞死亡[3]。蛋白质羰基化已被认为是机体氧化损伤的通用标志，且与各种疾病的发生与发展有关[4-5]。

机体虽无法修复羰基化蛋白质，但可利用各种抗氧化剂或抗氧化酶来抑制氧化应激过程从而减少羰基化蛋白质的形成，茶多酚便是一种优异的抗氧化剂。茶多酚是茶叶中表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）、表没食子儿茶素（EGC）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）和表儿茶素（EC）及其他约30种酚类化合物的总称[6]，其抗氧化活性对于抑制蛋白质羰基化和防治相关疾病具有很好的效果。

1 蛋白质羰基化

1.1 羰基化蛋白质形成的原因和途径

活性氧（ROS）被认为是有氧代谢的有毒副产物，并且是生物大分子损伤的主要原因[7]。体内的ROS 如自由基主要由线粒体电子传递链上的电子泄露产生[7]。泄漏的电子与氧气结合后形成超氧化物阴离子自由基，并在锰、铁超氧化物歧化酶的作用下被催化生成过氧化氢[8]。一部分过氧化氢与金属离子发生芬顿反应生成羟基自由基[9]。膜磷脂和甘油三酯的不饱和侧链在羟基自由基的作用下，形成脂质过氧化产物如4-羟基壬烯醛（4-HNE）[10]。随后4-HNE与组氨酸、半胱氨酸和赖氨酸残基侧链发生迈克尔加成反应，对蛋白质进行共价修饰进而导致羰基化[11]。此外，羰基还可以通过α-酰胺化途径或谷氨酰胺氧化途径、赖氨酸残基与活性羰基衍生物的二次反应和氨基酸残基的金属催化氧化反应产生[12-13]。

1.2 羰基化位点和羰基化蛋白质

由于羰基化位点是羰基化蛋白质功能改变或缺失的决定性因素，因此鉴定羰基化位点及其在蛋白质中的作用对于了解蛋白质羰基化过程和相关发病机理至关重要。最近一篇综述报道了208种蛋白质中的456个非冗余位点，发现最容易被修饰的残基是赖氨酸和脯氨酸，其次是精氨酸和苏氨酸[14]。脯氨酸残基的高羰基化程度可能因其存在于蛋白质二级结构的柔性环中，更容易与氧分子接触。而苏氨酸残基由于拥有疏水侧链，因此被埋藏在蛋白质中，不易被氧化[15]。另外蛋白质羰基化位点容易聚集，这种聚集趋势可能由金属结合位点引发，第一个氨基酸残基被羰基化后会发生连锁反应刺激其它位点进一步羰基化[16]。因此，羰基化位点与其在蛋白质中所处区域是否有金属结合位点密切相关。蛋白质在亚细胞区室中的位置也是影响其遭受氧化损伤的因素之一。有报道显示，44%的羰基化蛋白质来自线粒体，28%的来自细胞溶胶[17]，原因可能是因为线粒体是ROS 的主要来源。

1.3 羰基化蛋白质与疾病

羰基化蛋白质产生后由于无法被体内的抗氧化防御机制修复，因此会随时间增长慢慢聚集，导致多种信号通路关键酶的功能改变或缺失，进而引发一系列与蛋白质羰基化有关的疾病。

1.3.1 炎症

有科学家发现急性胰腺炎患者血浆中的羰基化蛋白质浓度显著增加，并且与疾病的严重程度相关[18]。因此，血浆蛋白的羰基化似乎与炎症的发展息息相关。另外，在接受通气治疗的早产儿的气管吸出物中也观察到羰基化蛋白质增加，并且羰基化蛋白质含量与髓过氧化物酶活性具有相关性[19]。

1.3.2 糖尿病

对糖尿病患者进行研究发现，年轻I 型糖尿病患者血浆中的羰基化蛋白质含量远远高于健康同龄人，而II 型糖尿病患者血浆羰基化蛋白质含量甚至更高[20]。并且有证据表明羰基化蛋白质的积累有助于糖尿病并发症的发展，如动脉粥样硬化、神经功能障碍以及视网膜病变[21-23]。

1.3.3 阿尔茨海默病

脂质过氧化衍生的羰基化产物如丙二醛的增加是阿尔茨海默病的一个特征[24]。在患有轻度认知障碍的人的大脑中也观察到羰基化蛋白质含量升高，而这种情况通常在阿尔茨海默病发病前发生，这表明蛋白质羰基化可能是阿尔茨海默病发病和持续恶化的早期原因之一[25]。

2 茶多酚对蛋白质羰基化的预防作用

2.1 茶多酚的抗氧化能力及机制

2.1.1 直接清除体内自由基

茶多酚可以通过清除ROS 并产生更稳定的酚类自由基来减少氧化应激，其还可在氧化过程的早期阶段通过降低黄嘌呤氧化酶活性来抑制ROS 的生成[6]。

2.1.2 预防脂质过氧化

ROS 与生物膜的多不饱和脂肪酸侧链及核酸等生物大分子物质发生脂质过氧化反应形成脂质过氧化产物如丙二醛（MDA）和4-HNE，并引起细胞膜通透性和流动性改变，最终导致细胞结构和功能受损[10]。茶多酚不仅可以清除电子传递链上的氧自由基，还可以清除电子传递链反应的中间产物如脂质过氧化自由基和烷氧自由基，从而阻止自由基的扩增[26]。

2.1.3 螯合金属离子

金属离子是许多自由基产生过程中的催化剂，尤其是Fe2+，不仅能够催化自由基的产生，还能够介导脂质过氧化反应[9]。茶多酚能够螯合金属离子铁和铜，从而防止金属离子作为催化剂催化自由基的生成[27]。

2.1.4 增强机体的抗氧化能力

核因子Nrf 2 信号通路是目前发现抵御外源性刺激和有毒物质的核心转录因子。有研究表明，EGCG 通过抑制人骨髓间充质干细胞中P21的表达来激活Nrf 2 信号通路，以阻止由氧化应激诱导的细胞衰老[28]。并且我们推测PI3k 和蛋白激酶B 也可能参与了茶多酚对Nrf 2 抗氧化防御途径的调节[29]。此外，绿茶多酚还可通过抑制核因子kB、细胞信号调节激酶和丝裂原活化蛋白激酶的活化来起抗氧化作用[30]。在H2N2诱导人真皮层纤维细胞损伤实验中，EGCG 可通过增强超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX-px）活性以及降低MDA 水平来减少氧化损伤[26]。最后，EGCG 还通过与特异性受体如67KD 层粘连蛋白受体结合，使细胞内的第二信使如Ca2+增加，而这些信使能够刺激如蛋白激酶B、一氧化氮合酶和酸性鞘磷脂等生物活性分子来抑制氧化应激[31]。

2.2 茶多酚抑制蛋白质羰基化作用及机制

当机体内抗氧化与氧化能力失衡后，会发生氧化应激反应，并导致蛋白质被羰基化。茶多酚的抗氧化能力能够减少机体的氧化应激反应，其可通过多种途径抑制蛋白质羰基化过程（图1）。目前已有许多报道表明了茶多酚对蛋白质羰基化的抑制作用。

一是茶多酚可通过螯合金属离子、抑制黄嘌呤氧化酶活性以及直接与体内ROS 结合来减少机体内产生的ROS，以此来抑制蛋白质羰基化。有报道表明，EGCG 可以通过螯合铁离子来抑制蛋白质羰基化，并改善由1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶诱导的神经缺陷[32]。

二是茶多酚可通过增强体内的抗氧化酶活性来抑制蛋白质羰基化。在体能恢复试验中，儿茶素预处理能够降低跑步后比目鱼肌中的羰基化蛋白质含量，这可能是因为儿茶素的摄入使肌原纤维蛋白和抗氧化酶活性增加，并以此减少骨骼肌收缩功能障碍和肌肉萎缩[33]。GPX-px 是一种减少脂质过氧化物的重要酶，而脂质过氧化物与羰基化的形成密切相关。在氟化钠的肝毒性实验中，EGCG 可以防止由氟化钠导致的肝脏羰基化蛋白含量增加[34]。同时，喂食绿茶儿茶素能够降低老龄小鼠大脑中的羰基化蛋白质水平[35]。这可能是通过增强机体中GPX-px 的活性来达到抑制羰基化蛋白的作用。另一篇文献也报道了服用绿茶儿茶素可以防止老年小鼠大脑海马中SOD 和GPX-px 活性的下降并使羰基化蛋白质含量减少[36]。

三是茶多酚还可通过减少脂质过氧化终产物来抑制蛋白质羰基化。研究人员发现EGCG和绿茶水提取物均能够在结肠生理模拟条件下猝灭4-HNE[37]。这可能是减少羰基化蛋白产生的原因之一。在用EGCG 给老龄大鼠灌胃30 d后，老龄大鼠的脂质过氧化水平和蛋白质羰基含量显著降低[38]。此外，通过给老龄大鼠喂食富含多酚的绿茶提取物，在其心脏组织中同样观察到脂质过氧化，蛋白质羰基化被抑制以及GPX-px 活性的增加[39]。

3 总结与展望

蛋白质羰基化是否能够成为疾病的致病原因，其中羰基化位点是至关重要的。只有在鉴定羰基化位点后，才能评估蛋白质羰基化对蛋白质功能的影响。因为蛋白质位点决定了蛋白质的功能，并且未来我们需要进一步阐明羰基化蛋白质丰度和羰基化的目标蛋白在疾病发生与发展中的重要作用。现已发现蛋白质羰基修饰与多种健康疾病相关，如衰老、神经退行性疾病、癌症和II 型糖尿病等。而茶多酚具备很强的抗氧化能力，它能够通过多种途径去抑制蛋白质羰基化过程，这为防治蛋白质羰基化相关疾病提供了可能。随着对茶多酚预防蛋白质羰基化过程的继续深入研究，并最终运用于临床试验，将一定能为蛋白质羰基化疾病的治疗和茶叶保健功能的开发利用提供理论支撑。