重金属对昆虫抗氧化酶影响研究进展

吴启仙，夏 嫱

(遵义医学院珠海校区，珠海 519041)

昆虫数量多、分布广，是植物及腐食性物质(包括各种动植物尸体)的主要消费者，是重要的金属分散者，对重金属表现敏感，能够积累、转移和代谢重金属。在长期重金属胁迫下形成了特定的适应机制，抗氧化防御即是其中之一。

抗氧化防御是昆虫为减轻和防止活性氧损伤所形成的复杂的氧化应激机制，一旦其抗氧化防御机制被打破，自由基的产生就会增多，从而引起氧化应激损伤。昆虫在重金属的长期胁迫下，其抗氧化防御系统将受严重影响，从而影响其正常的生理功能。本文对昆虫抗氧化酶的种类、重金属对昆虫抗氧化酶活力影响及其可能机制进行了综述，为进一步了解重金属对昆虫影响提供帮助。

1 昆虫抗氧化酶的生理作用

抗氧化酶包括超氧化物歧化酶 (Superoxide dismutase，SOD)、谷胱甘 肽过氧 化物酶(Glutathione peroxidase，GSH-PX)、谷胱甘肽还原酶(Glutathione reductase，GR)、谷胱甘肽-S-转移酶(Gultathione S transferases，GSTs)、过氧化氢 酶 (Catalase，CAT)、羧酸酯 酶(Carboxylesterases，CarE)等，广泛存在于需氧和耐氧生物体中，对污染物胁迫相当敏感，可作为监测环境中重金属污染的生物标志物(牛亚青等，2010)。

SOD 在维持昆虫体内超氧阴离子自由基产生与清除的动态平衡中起着重要作用。它能催化超氧阴离子自由基(O2-)发生歧化反应，从而清除O2-。研究表明不同来源的同一类SOD 显示出进化上的保守性和理化特性的相似性(McCord，1976;Fridovich，1998)。SOD 按其结合的金属离子，可分为Fe-SOD、Mn-SOD、Cu·Zn-SOD、Ni-SOD (Kim et al.，1996;Youn et al.，1996)。现已发现昆虫体内(O2-)产生同其他真核生物相同，即产生于微粒体并依赖于还原型辅酶Ⅱ的酶促反应、线粒体电子传递及一些物质的自氧化等过程，且体内不同组织中Cu·Zn-SOD 和Mn-SOD的分布及其活性不同，这与各组织亚细胞结构形成(O2

-)的量不同有关。过氧化氢酶(CAT)所催化的反应中，存在着与SOD 相类似的氧化还原循环。O2经双电子还原生成的H2O2，在过氧化氢酶催化下歧化为O2和H20。CAT 对H2O2的表现Km 值很高，当H2O2浓度上升时分子活性也随之升高。而细胞内H2O2的实际水平却很低，故清除效率不高。只有在高H2O2浓度的情况下，过氧化氢酶才能高效发挥作用。

过氧化物酶(POD)所催化的反应与过氧化氢酶催化的反应不同，它除H2O2以外还需有供电子体(AH2)共存。正因为这样，所以当有足量的AH2供应时，对H2O2的Km 值很低，在低H2O2浓度的情况下即可发挥高效的催化作用。谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)以还原型谷胱甘肽(GSH)为电子供体。GSH-PX 以硒代半胱氨酸残基为活性中心。GSH-PX 还能还原脂氢过氧化物(ROOH)。此外还发现一种只能催化磷脂氢过氧化物的特异性GSH-PX。在机体内，与谷胱甘肽还原酶偶联的谷胱甘肽再生系统，对清除H2O2最为重要。

GST 能利用GSH的还原作用参与解毒反应和修复细胞的氧化损伤，通过催化GSH的巯基(-SH)攻击亲电物质的亲电中心，产生与硫醚连接的谷胱甘肽结合物，然后再排出体外，从而起到解毒作用。此外GST 酶系(GSTs)还可以作为配体结合蛋白俘获有毒物质，行使解毒功能。

昆虫体内的自由基可通过抗氧化酶作用清除。GST 和CarE 在步甲Pterosthicus oblongopunctatus 与Poecilus cupreus、非特异性单酯酶在大蜡螟Galleria mellonella 对重金属的解毒中都发挥着重要的作用(Polek et al.，1988;Stone et al.，2002;Wilczek et al.，2003)。抗氧化酶的活性具种属特异性和高度可变性 (Zvereva et al.，2003;Migula et al.，2004;Li et al.，2005)。

2 重金属对昆虫体内抗氧化酶活力影响

2.1 重金属对昆虫体内抗氧化酶影响因种类不同而异

Zheng et al.(2011)等在镉暴露对红裸须摇蚊Propsilocerus akamusi 脂质过氧化和抗氧化系统的影响研究表明，红裸须摇蚊在镉暴露72 h 后，随处理浓度增加MDA 水平显著增高，GR 和GSH-PX 酶活性明显改变;所有处理组SOD 和GST 酶活性均没有变化;而Augustyniak et al.(2011)研究锌暴露对蚱蜢Chorthippus brunneus 所孵出的幼虫生长发育的影响中发现，随处理浓度增加幼虫体内GSH 浓度减少，所有锌处理组CAT 活性均增加，GST 酶活性则不受锌影响;并表明锌毒性基于活性氧的产生。吴国星等(2008)研究了Cu2+、Cd2+对棕尾别麻蝇幼虫脂质过氧化作用的影响，结果显示，Cd2+、Cu2+对棕尾别麻蝇幼虫的脂质过氧化作用存在着浓度依赖和时间依赖效应，高浓度处理组MDA 浓度明显高于低浓度处理组;随处理浓度升高，体内SOD 和CAT的活力明显受到抑制，而POD 活力只在高浓度Cu2+或Cd2+处理时才被抑制，低浓度处理反诱导其活力升高。Cervera et al.(2003)在研究Cd 胁迫对美洲脊胸长蝽Oncopehus fasciatus 及Migula et al.(1997)研究Cd 对红火蚁Formica polyctcena 影响实验结果显示，其体内CAT 活力无显著变化。Zammn et al.(1994)研究表明，Hg 处理能诱导家蝇Musca domestica 和粉纹夜蛾Cabbage looper 体内SOD 和CAT 活力明显提高。Cervera et al.(2005)、Migula et al.(1997)和孙虹霞等(2008)分别用不同重金属处理不同昆虫，体内CAT 活力增高的结果亦不一致，可见，即使同一种重金属因其胁迫昆虫不同所得结果亦不同。

2.2 重金属对昆虫体内抗氧化酶影响因发育阶段不同而异

同一种重金属对同一昆虫不同发育阶段的抗氧化酶活力影响亦不同。Mirc' icˇet al.(2013)等用镉胁迫舞毒蛾Lymantria dispar 幼虫，测定SOD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶(APOX)、GST、GR活性和GSH 含量，结果表明，SOD 活性无任何变化，CAT、APOX、GR 活性在3 龄及5 龄幼虫体内明显降低;GST 活性在3 龄及5 龄幼虫中均升高;GSH 含量在所有龄期均显著降低。李丽君等(2010)用Cd2+胁迫不同发育阶段中华稻蝗，研究其对SOD、CAT、POD 活性的影响，结果表明，3 龄若虫活性影响最为明显，SOD、POD、CAT 活性均最高。而王跃等(2010)研究则表明，中华稻蝗体内SOD 活力随着处理浓度的增加未发生明显变化，而CAT、GSH-PX 活力和T-Aoc 则随着处理浓度的增加，呈先升高后降低的趋势。

2.3 重金属对昆虫体内抗氧化酶影响因性别不同而异

同一种类重金属对同一昆虫抗氧化酶影响会因性别不同而不同。李艳梅等(2011)研究了重金属铅暴露对家蚕组织抗氧化酶活性的影响，结果表明，雌性家蚕脂肪体中GST 或GSH-PX 酶活性随铅离子浓度增加而上升，相关基因在脂肪体中的表达水平下调;但在雄性脂肪体中，只有Gstdl 基因的转录水平变化与雌性家蚕相似，而GSH-PX 基因的转录水平与雌性脂肪体中相反，随铅离子暴露浓度增高而上调。

2.4 重金属对昆虫体内抗氧化酶影响因暴露途径不同而异

相同重金属不同暴露途径对昆虫抗氧化酶影响亦不同。Xie et al.(2011)利用蜉蝣幼虫暴露于水中获取游离镉及饲喂镉两种途径进行实验，结果发现，水中游离的镉对抗氧化酶没有影响，但膳食镉显著抑制了CAT 和SOD的活性，使GSH浓度下降，表明不同暴露途径对昆虫抗氧化酶影响不同。

3 重金属影响昆虫抗氧化酶的机理

Hg 对蛋白质和酶的影响，是由于Hg 与蛋白质中半胱氨酸残基的巯基结合而引起的。X-射线结晶分析表明，在碳酸酐酶中，醋酸汞磺胺除了与活性部位结合外，还与SH 基结合，只和这个巯基结合的汞，不会直接抑制活性部位Zn2+，但它能改变活性部位周围蛋白质的构象，结果导致了酶催化活性的改变。

Cd2+的化学性质十分类似于Zn2+，因此，Cd2+能置换许多锌酶中的Zn2+，维持锌酶的催化活性，也能抑制该酶催化活性，与Hg2+相同，Cd2+也能牢固地与蛋白质中的半胱氨酸残基的SH基结合，使SH 酶活性受抑制。早在1980年，Bauer 等即发现Cd 可替代SOD 中的Zn 形成Cu·Cd-SOD，从而影响SOD的活力。Cd 可抑制CAT的活力，使自由基的清除受影响，自由基又加重了酶活力的抑制。另外研究报道，Cu 和Cd 可诱导生物体内金属硫蛋白(Metallothionein，MT)合成，随着处理时间的延续，诱导合成MT 因螯合体内Cu 或Cd 而减少了游离Cu 或Cd，从而消弱了它们对抗氧化酶的抑制作用;同时MT 富含巯基的特殊结构使之具有清除自由基的能力，其丰富的还原巯基是自由基结合的最好靶位点，因而间接地减少自由基对酶的抑制，即MT 对SOD、CAT 又起到了间接的保护作用。王跃等 (2010)研究Cr6+对中华稻蝗的染毒实验表明:CAT、GSH-PX活力随染毒浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，随着Cr6+浓度继续升高，CAT、GSH-PX 活力未继续下降;分析其可能的原因是，高剂量Cr6+诱导产生金属硫蛋白(MT)，而MT 活力中心与重金属离子结合，减轻Cr 对机体的抗氧化损害，使CAT、GSH-PX 活力基本不变。Cu 作为生物必需元素，一方面可作为Cu·Zn-SOD 酶的活动中心，参与清除生物体内的自由基，具有抗脂质过氧化作用，另一方面，又具有较强的诱导细胞膜脂质过氧化作用;在细胞水平，Cd 可以通过代替金属辅因子或与必需硫醇群结合来抑制SOD 和CAT 等解毒活性氧的酶。这将导致()增加和(OH-)的产生，从而导致氧化胁迫和脂质过氧化，引起细胞损伤(吴国星等，2008)。

关于重金属胁迫影响抗氧化酶GST的机理，一方面可能是因为长期受重金属胁迫的昆虫已经对体内重金属成分颗粒有一定的耐受性，相对增加GSH的含量，以消除过量重金属的危害，另一方面因为GST的专一性较低，容易受到多种因素的干扰，不同种类和浓度的重金属会对整个GSTs家族不同异构酶的活性产生不同的影响。重金属能够抑制昆虫体内SOD 和CAT 活力的机理可能是因为重金属与酶中半胱氨酸残基的SH 基结合或与酶中其它金属离子发生竞争性替代作用，从而抑制了酶的活力。

总之，昆虫受到重金属胁迫后，体内抗氧化酶系对机体氧化应激做出一定的反应，各种酶协同作用以抵御ROS的损伤(刘井兰等，2006)，但抗氧化酶系含量变化还根据昆虫种类和发育阶段、重金属种类及受胁迫的程度而定，这方面的研究并不是很多，研究的也不是很详细，还有待深入研究。

4 结语

重金属对昆虫体内抗氧化酶系统的影响因重金属种类、昆虫种类、昆虫性别及发育阶段不同而不同。而目前国内外研究多集中在少数几种昆虫及单一重金属诱导的昆虫氧化损伤方面，这与现实环境中复杂的污染状况不同，因为昆虫往往暴露于多种途径的综合污染，且是各种抗氧化酶相互作用相互抑制的过程，因此今后研究的重点应放在研究不同重金属交互作用对抗氧化酶系统协同作用的影响，以便对昆虫在自然界的复合污染提供理论数据;另外，现今对重金属诱导的昆虫抗氧化防御系统的研究重点在室内暴露和效应关系方面，且作用时间短，无法真正应用于自然界复杂的生态环境中。因此，如何能有效的与野外实际相结合，科学地反应抗氧化酶对昆虫的作用及致毒机理是未来研究的又一趋势。

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