結(jié)構(gòu)生物學(xué)第一講-舉例4-分子營(yíng)養(yǎng)課件

1、分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)的概念 分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)至今還沒有一個(gè)公認(rèn)的權(quán)威定義，但可以理解為：應(yīng)用分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物化學(xué)等的技術(shù)和方法從分子水平上研究營(yíng)養(yǎng)學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，是營(yíng)養(yǎng)科學(xué)研究的一個(gè)層面，是營(yíng)養(yǎng)科學(xué)的一個(gè)組成部分或分支。 分子水平主要指生物大分子水平；生物大分子主要指蛋白質(zhì)與核酸。 從分子水平上研究營(yíng)養(yǎng)學(xué)，也就是從DNA 水平或基因乃至蛋白質(zhì)水平研究營(yíng)養(yǎng)學(xué)。 分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)的形成和歷史尚不足30 年，但在營(yíng)養(yǎng)科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域已經(jīng)顯示出前所未有的生命力。 分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1908 年, Garrod AE 博士在推測(cè)尿黑酸尿癥(alcaptonuria) 的病因時(shí),首先使用了“先

2、天性代謝缺陷”(inborn error of metabolism) 這個(gè)名詞,并由此第一個(gè)提出了基因-酶的概念(理論),即一個(gè)基因負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)一個(gè)特異酶的合成。1948 年, Gibson 發(fā)現(xiàn)隱性高鐵血紅蛋白血癥(recessive methemoglobinemia) 是由于依賴NADH 的高鐵血紅蛋白還原酶缺乏所致。 1952 年, Cori 證明葡萄糖262磷酸酶缺乏可導(dǎo)致馮吉爾克癥(Von Gierkes disease)到目前為止,已發(fā)現(xiàn)了300 多種先天性代謝缺陷。然而,由于當(dāng)時(shí)受分子生物學(xué)發(fā)展的限制,分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)的發(fā)展還是非常緩慢的。1985 年,Simopoulos AP 博士

3、在西雅圖舉行的“海洋食物與健康”的會(huì)議上,首次使用了分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)這個(gè)名詞。由于分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、生理學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、流行病學(xué)等的快速發(fā)展，DNA、蛋白質(zhì)等分子結(jié)構(gòu)明了及這些新知識(shí)向營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究領(lǐng)域的滲透,從1988 年開始分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究進(jìn)入了黃金時(shí)代。此時(shí),該領(lǐng)域研究的論文與綜述驟然增多,文章所涉及的內(nèi)容大致可分為以下幾類: 分子生物學(xué)技術(shù)在營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究中的應(yīng)用; 基因轉(zhuǎn)錄的代謝調(diào)節(jié); 基因表達(dá)的營(yíng)養(yǎng)(或營(yíng)養(yǎng)素) 調(diào)節(jié); 營(yíng)養(yǎng)與變異; 基因多態(tài)性與營(yíng)養(yǎng)素之間的相互作用對(duì)營(yíng)養(yǎng)相關(guān)疾病的影響; 基因多態(tài)性對(duì)營(yíng)養(yǎng)素需要量的影響。上個(gè)世紀(jì)末與本世紀(jì)初,人類基因組計(jì)劃完成之后相繼提出了環(huán)境基因

4、組計(jì)劃和食物基因組計(jì)劃。食物基因組計(jì)劃主要是找出那些能對(duì)膳食成分(營(yíng)養(yǎng)素和非營(yíng)養(yǎng)素) 作出應(yīng)答的基因及其多態(tài)性,和那些與營(yíng)養(yǎng)素代謝有關(guān)的突變基因?；蚨鄳B(tài)性決定了個(gè)體要量上的特殊性。隨著食物基因組計(jì)劃的完成,我們最終會(huì)制訂出這樣一個(gè)RNI（推薦攝入量,Recommended Nutrient Intake） , 即它將能促進(jìn)那些對(duì)健康有利基因的表達(dá),而對(duì)退行性疾病和死亡有關(guān)基因的表達(dá)有抑制作用?；虻鞍踪|(zhì)效應(yīng)營(yíng)養(yǎng)素細(xì)胞內(nèi)受體可以是催化反應(yīng)的酶,也可以是基因表達(dá)的調(diào)控蛋白。大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控是通過細(xì)胞內(nèi)受體途徑實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上,營(yíng)養(yǎng)素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控過程相當(dāng)復(fù)雜,但可以簡(jiǎn)化為以上步驟認(rèn)識(shí)

5、一般功效,發(fā)現(xiàn)缺乏癥弄清結(jié)構(gòu)闡明作用機(jī)理制定解決方案臨床應(yīng)用,產(chǎn)品化鐵缺乏癥（ID）是世界上最為常見的營(yíng)養(yǎng)缺乏疾病。高發(fā)于兒童和育齡期婦女。缺鐵性貧血（IDA）主要影響兒童的行為和發(fā)育，工作能力和免疫力。實(shí)例：鐵&鐵對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控 世界上鐵缺乏癥和缺鐵性貧血的發(fā)病率地區(qū)缺鐵性貧血人口（百萬）懷孕婦女貧血的發(fā)病率（）非洲20652美洲9440歐洲2718地中海東部14950南太平洋61674西太平洋105840發(fā)達(dá)國(guó)家18發(fā)展中國(guó)家56合計(jì)215051鐵通過小腸上皮細(xì)胞吸收進(jìn)入血液循環(huán),與轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin) 結(jié)合后被運(yùn)送到全身的各種組織細(xì)胞中,細(xì)胞表面有轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(trans

6、ferrin receptor ,TfR) 。當(dāng)荷鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白與TfR 結(jié)合以后,通過細(xì)胞內(nèi)吞作用將其轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi),并在酸性環(huán)境中釋放鐵,但脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白仍與受體結(jié)合并一起回到細(xì)胞表面,在中性pH 值環(huán)境下,脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白與TfR 解離,二者重新進(jìn)入運(yùn)輸鐵的上述循環(huán)中。進(jìn)入細(xì)胞中的鐵絕大部分被組織細(xì)胞利用,如在骨髓合成血紅素(大約占體內(nèi)總鐵的70%) ;在肌肉組織合成肌紅蛋白(占總鐵的3%5 %) ;10 % 存在于其它蛋白質(zhì)中,其中絕大部分含鐵蛋白是氧傳遞鏈、電子傳遞鏈、三羧酸循環(huán)等生物化學(xué)反應(yīng)的酶及核糖核苷酸還原酶,其余的鐵貯存在鐵蛋白中。 因此,轉(zhuǎn)鐵蛋白及其受體、鐵蛋白在運(yùn)輸鐵和貯存鐵方面發(fā)揮

7、了重要作用。近幾年的研究發(fā)現(xiàn),鐵對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、鐵蛋白的表達(dá)具有重要的調(diào)節(jié)作用,從而使體內(nèi)鐵處于穩(wěn)態(tài)平衡狀態(tài)。組織儲(chǔ)存（鐵蛋白）轉(zhuǎn)鐵蛋白Fe血 液粘膜細(xì)胞膳食中的鐵血紅素鐵非血紅素鐵載體胃、腸腔鐵蛋白鐵蛋白是-種含鐵23，分子量約750kDa，直徑為12-14nm的球形蛋白。其核心是由4個(gè)亞基組成的高電子密度氫氧化鐵膠態(tài)分子團(tuán)，外層由24個(gè)H2和L2蛋白質(zhì)亞單位組成近似球形的外殼。具有雙重功能: 暫時(shí)貯存鐵以備組織利用; 結(jié)合游離鐵,從而阻止由游離鐵誘導(dǎo)的羥自由基產(chǎn)生,因而具有解毒功能。 轉(zhuǎn)鐵蛋白受體基因在其3端非翻譯區(qū)有2個(gè)鐵調(diào)節(jié)受體表達(dá)所必須的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有200個(gè)堿基組成。在這兩個(gè)區(qū)域

8、當(dāng)中，含有5 個(gè)聚集在一起的鐵反應(yīng)元件(ironresponsive element ,IRE) ,每一個(gè)IRE 都能結(jié)合一個(gè)細(xì)胞質(zhì)鐵調(diào)節(jié)蛋白( iron regulatory protein ,IRP) 。IRE 具有一個(gè)特殊結(jié)構(gòu),即莖環(huán)結(jié)構(gòu), 其中環(huán)狀部分由5 個(gè)堿基即CAGUGC 組成,這是一個(gè)高度保守序列。鐵蛋白基因在其5端非翻譯區(qū)也有一個(gè)IRE ,IRE 也是莖2環(huán)結(jié)構(gòu),且環(huán)狀部分的堿基序列與鐵蛋白受體IRE 莖2環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)狀部分完全相同。但莖部堿基序列二者不同。轉(zhuǎn)鐵蛋白受體和鐵蛋白mRNA 上都存在相似的IRE 是非常重要的,因?yàn)镮RE 可通過鐵濃度變化來協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)這兩種蛋白質(zhì)的合

9、成。 IRP 可作用于上述兩種基因上的IRE , 進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)。已發(fā)現(xiàn)有兩種不同的IRP , 即IRP21 和IRP22, 它們與IRE 結(jié)合的親和力相似。IRP21 起主要作用,它存在于所有組織中,其中肝臟、腎臟和小腸中表達(dá)量最多;IRP22 表達(dá)范圍較窄,僅限于肝臟、小腸、腦等幾種組織,且表達(dá)量較低。人的IRP21 含有889 個(gè)氨基酸; 而IRP22 較大一些, 在IRP21 的第一個(gè)蛋白結(jié)構(gòu)域插入了73 個(gè)氨基酸。這兩種蛋白序列有61 % 的一致性、79 % 的相似性,且均屬于順烏頭酸酶蛋白家族。IRP21 是一種存在于胞漿中的順烏頭酸酶, 當(dāng)細(xì)胞鐵充足時(shí), IRP21 含有一個(gè)4

10、Fe24S 簇結(jié)構(gòu),并與3 個(gè)半胱氨酸殘基結(jié)合,此時(shí)IRP21 具有順烏頭酸酶活性,可將檸檬酸轉(zhuǎn)變?yōu)楫悪幟仕?但不能結(jié)合IRE , 即無鐵調(diào)節(jié)蛋白活性;當(dāng)細(xì)胞內(nèi)鐵缺乏時(shí), IRP21 則失去4Fe24S 簇結(jié)構(gòu),形成無鐵2硫簇的脫輔基蛋白,此時(shí)無順烏頭酸酶活性,卻具有鐵調(diào)節(jié)蛋白活性, 可與IRE 結(jié)合。無鐵2硫簇時(shí),可使蛋白構(gòu)象發(fā)生改變, 使IRP21 暴露IRE 結(jié)合位點(diǎn)。IRP22 沒有鐵2硫簇,因此沒有順烏頭酸酶活性,只有鐵調(diào)節(jié)蛋白活性。在鐵缺乏的情況下, IRP 就會(huì)結(jié)合到轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA 3端非翻譯區(qū)上的IRE , 以便保護(hù)mRNA , 防止被核糖核酸酶降解,從而使mRNA 的穩(wěn)

11、定性延長(zhǎng)、增加由mRNA 翻譯成蛋白的數(shù)量,即轉(zhuǎn)鐵蛋白受體數(shù)量增加并增加細(xì)胞對(duì)鐵的攝入;在鐵充足的情況下,由于IRP 形成鐵2硫簇結(jié)構(gòu),失去了與IRE 結(jié)合能力,因此IRP 就會(huì)從轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA 上離開,mRNA 就會(huì)被核糖核酸酶降解,從而降低了mRNA 的翻譯、降低了轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的合成,最終降低了細(xì)胞對(duì)鐵的攝入。 同樣,鐵濃度變化也會(huì)對(duì)鐵蛋白基因表達(dá)產(chǎn)生影響。在鐵缺乏的情況下, IRP 就會(huì)結(jié)合到鐵蛋白基因mRNA 5端非翻譯區(qū)上的IRE , 阻止mRNA 與核糖體結(jié)合,因而抑制翻譯的啟動(dòng),從而減少鐵蛋白,減少鐵的貯存; 在鐵充足的情況下, IRP 就會(huì)從mRNA 離開并啟動(dòng)mRNA

12、的翻譯,使鐵蛋白增加并增加鐵的貯存。鐵對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體及鐵蛋白基因表達(dá)的調(diào)節(jié)是真核細(xì)胞mRNA 具體調(diào)節(jié)的第一個(gè)例子,而且闡明了轉(zhuǎn)錄后調(diào)控如何對(duì)細(xì)胞中某一營(yíng)養(yǎng)素濃度變化做出應(yīng)答反應(yīng),從而產(chǎn)生不同蛋白質(zhì)的統(tǒng)一調(diào)節(jié)。采用原子力顯微鏡對(duì)飽和鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白和脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白與轉(zhuǎn)鐵蛋白抗體之間的相互作用進(jìn)行研究.對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白抗體層層自組裝在噴金基片表面并且與抗原蛋白之間特異性結(jié)合的形貌進(jìn)行了表征.通過原子力顯微鏡對(duì)分子間力的曲線的探測(cè),比較了飽和鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白和脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白與抗體之間的作用力的差異.實(shí)驗(yàn)表明,飽和鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白與抗體分子之間結(jié)構(gòu)互相嵌合,結(jié)合更加緊密; 分子間力的曲線亦顯示飽和鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白與抗體之間的特異性結(jié)

13、合力明顯大于脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白. 從上述鐵對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體及鐵蛋白基因表達(dá)的調(diào)節(jié)過程中,可發(fā)現(xiàn)IRP 中的鐵2硫簇是感受細(xì)胞鐵濃度的感受器,是調(diào)節(jié)基因表達(dá)的“開關(guān)”,它控制著細(xì)胞內(nèi)的鐵水平,即細(xì)胞內(nèi)鐵缺乏時(shí)鐵攝入增加、貯存減少;細(xì)胞內(nèi)鐵含量高時(shí)鐵攝入減少,貯存增加。通過這種反饋調(diào)節(jié)使細(xì)胞內(nèi)的鐵維持在一個(gè)正常范圍內(nèi)。因此,如果IRP 數(shù)量減少,活性降低, 可影響細(xì)胞鐵的攝取和貯存,此時(shí)可用一些IRP 表達(dá)的誘導(dǎo)劑或活性激活劑進(jìn)行糾正; 如果IRP 基因發(fā)生突變,使IRP 喪失活性,則可用IRP 類似物代替其功能,也就是說通過對(duì)IRP 的干預(yù)來調(diào)節(jié)鐵代謝。另外,NO 可摸擬鐵對(duì)IRP21 的作用,它可激活

14、IRP21 使之結(jié)合到IRE , 從而抑制鐵蛋白翻譯并穩(wěn)定轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA 。由此看來,IRP21 不僅對(duì)鐵,還可對(duì)NO 做出應(yīng)答反應(yīng)。這一機(jī)制的發(fā)現(xiàn)有助于理解炎癥對(duì)鐵代謝的影響:在炎癥過程中對(duì)細(xì)胞因子做出應(yīng)答反應(yīng)所產(chǎn)生的NO , 可能通過作用于IRP21 的鐵2硫簇來改變細(xì)胞的鐵代謝。其它一些物質(zhì)如超氧自由基或O2 , 可能也會(huì)作用于IRP21 這個(gè)“開關(guān)”。吸收促進(jìn)劑抑制劑牛肉、豬肉、肝臟、雞肉、魚肉麩皮、茶、堅(jiān)果、豆莢、多葉蔬菜橙汁、梨汁、蘋果汁、菠蘿汁/咖啡、玉米/梅子、香蕉、芒果/大米/胡蘿卜、馬鈴薯、西葫蘆、椰菜、菜花、番茄/雞蛋沙拉（萵苣、番茄、綠色胡椒、黃瓜）菠菜分子營(yíng)養(yǎng)學(xué)的現(xiàn)狀是，許多人正在從事這方面的研究