生物無(wú)機(jī)化學(xué)-第五章-細(xì)胞內(nèi)金屬離子濃度的控制與利用-2020

第五章細(xì)胞內(nèi)金屬離子濃度的控制與利用主講：饒含兵理學(xué)院11-304（辦公室）rhb@

5.1金屬離子的有益作用和毒性效應(yīng)5.2在嚴(yán)格調(diào)節(jié)之下的有益金屬：鐵5.3毒性金屬實(shí)例：汞5.4金屬離子濃度梯度的產(chǎn)生和應(yīng)用配體門(mén)控通道——酰膽堿受體電位門(mén)控通道——鈉通道5.5金屬藥物分配過(guò)程中的組織選擇性細(xì)胞結(jié)構(gòu)——透射電子顯微鏡觀(guān)察植物細(xì)胞在細(xì)胞膜外面，有一層厚而堅(jiān)硬的細(xì)胞壁，而動(dòng)物細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞壁。

在細(xì)胞中，金屬離子的濃度必須維持在一定的范圍之內(nèi)。金屬離子的毒性往往與其過(guò)高的濃度或結(jié)合在不適當(dāng)?shù)奈恢貌⒁鸷罄m(xù)反應(yīng)有關(guān)。金屬離子的體內(nèi)平衡及解毒作用可以通過(guò)各種機(jī)理實(shí)現(xiàn)，包括細(xì)胞外離子載體、控制被動(dòng)輸運(yùn)過(guò)膜的金屬調(diào)控蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)之變化、離子通道和離子泵、金屬調(diào)控的轉(zhuǎn)錄改變來(lái)影響金屬離子對(duì)其受體分子的結(jié)合和釋放，以及離子濃度梯度可用于能量及信息的儲(chǔ)存與傳導(dǎo)等。1、金屬離子的有益效應(yīng)及有毒效應(yīng)有益金屬離子：Ca，F(xiàn)e，Zn…a.濃度太低時(shí)，需要利用該離子的過(guò)程將受到不利影響，生物體產(chǎn)生金屬離子的缺乏癥；b.濃度適當(dāng)時(shí)，滿(mǎn)足生物體需要；c.濃度太高時(shí)，產(chǎn)生毒性效應(yīng)，例如，過(guò)多的金屬離子將結(jié)合到某一不恰當(dāng)?shù)牟课粫r(shí)，阻礙了其他有益金屬的結(jié)合。有害金屬離子：Hg，Cd…

沒(méi)有特定的生物功能，當(dāng)存在于細(xì)胞中時(shí)，產(chǎn)生較大的毒性。例如，在生物流體內(nèi)生成不溶性的鹽，參與降解蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的水解反應(yīng)，產(chǎn)生破壞性副產(chǎn)物，如羥自由基。體內(nèi)平衡：指有益金屬離子的濃度保持在一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。解毒：指降低無(wú)益金屬離子的有害濃度。體內(nèi)平衡和解毒需要在金屬離子的攝取、利用、貯存和排出過(guò)程之間有一個(gè)平衡，即代謝平衡。1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)王荔軍課題組連續(xù)在NewPhytologist上發(fā)表硅抑制植物重金屬毒害機(jī)制研究成果。

2.近日，等離子體所應(yīng)用等離子體研究室陳長(zhǎng)倫課題組研究了氧化石墨烯納米材料結(jié)合重金屬離子（如鎘、鈷、鋅等）與微生物之間的相互作用機(jī)理，以及生物毒性。相關(guān)研究分別發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)核心期刊《環(huán)境科學(xué)：納米》（EnvironmentalScience:Nano）上。

3.劉景富課題組陰永光研究員在《ChemicalReviews》發(fā)表高水平綜述論文日前，著名期刊《ChemicalReviews》綜述論文“IsotopeTracersToStudytheEnvironmentalFateandBioaccumulationofMetal-ContainingEngineeredNanoparticles:TechniquesandApplications”。納米材料已隨著其生產(chǎn)和應(yīng)用的快速增長(zhǎng)而進(jìn)入環(huán)境，亟需研究其環(huán)境行為、生物攝入與分布，以科學(xué)評(píng)估其環(huán)境和生物安全性。由于環(huán)境與生物樣品中納米材料的濃度往往很低且存在高濃度的金屬背景干擾，環(huán)境濃度下金屬納米材料的遷移轉(zhuǎn)化研究面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。放射與穩(wěn)定同位素標(biāo)記為高靈敏、選擇性示蹤金屬納米材料提供了一種新的有效工具。該論文系統(tǒng)地總結(jié)了金屬納米材料放射/穩(wěn)定同位素標(biāo)記的優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)討論了放射/穩(wěn)定同位素選擇、同位素標(biāo)記金屬納米材料制備、環(huán)境與生物暴露途徑與檢測(cè)研究的進(jìn)展，探討了金屬納米材料環(huán)境與生物分布/轉(zhuǎn)化的研究思路和發(fā)展方向，對(duì)金屬納米材料的環(huán)境行為、生物攝入與分布等相關(guān)研究具有重要的參考價(jià)值。實(shí)例1：鐵是所有生物體內(nèi)的一種必需金屬離子。主要作用包括傳送分子氧、參與電子傳遞等。例如，鐵缺乏時(shí)，滿(mǎn)足不了血紅蛋白合成的需要，將引起缺鐵性貧血。也是常見(jiàn)的一般毒性物質(zhì)。當(dāng)生物體內(nèi)鐵超載時(shí)，過(guò)剩的金屬離子將催化產(chǎn)生活性氧物種(reactiveoxygenspecies,ROS)，損傷組織——Fenton反應(yīng)?！ぁenton（中文譯為芬頓）是反應(yīng)為數(shù)不多的以人名命名的無(wú)機(jī)化學(xué)反應(yīng)之一。1893年，化學(xué)家FentonHJ發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化氫(H2O2)與二價(jià)鐵離子Fe的混合溶液具有強(qiáng)氧化性，可以將當(dāng)時(shí)很多已知的有機(jī)化合物如羧酸、醇、酯類(lèi)氧化為無(wú)機(jī)態(tài)，氧化效果十分顯著。同時(shí)，另一方面，鐵也會(huì)由于偶然的大量攝取，如治療貧血癥用藥過(guò)量，或過(guò)量輸血等引起過(guò)剩。鐵的過(guò)量會(huì)產(chǎn)生積累且不易排泄，一旦鐵的貯存超過(guò)飽和，過(guò)量的鐵就會(huì)向機(jī)體釋放，對(duì)組織產(chǎn)生損傷，此時(shí)，為了避免這些損害，需要攝入螯合劑來(lái)排掉多余的鐵。副作用：微量元素?fù)p失，需要適量補(bǔ)充

1991年1月，美國(guó)食品和藥品管理局（FDA）正式批準(zhǔn)在美國(guó)生產(chǎn)Succimer（DMSA）并應(yīng)用于兒童鉛中毒口服治療，是美國(guó)第一次仿制我國(guó)創(chuàng)制的藥物。二巰丁二酸（鈉）DMSA

中科院上海藥物所研制：治療：銻、汞、砷、鉛、銅等金屬中毒在這個(gè)過(guò)程中有一些藥物用于治療金屬中毒

本品屬羥肟（wo)酸絡(luò)合劑，羥肟酸基團(tuán)與游離或蛋白結(jié)合的3價(jià)鐵(Fe3+)和鋁（Al3+）形成穩(wěn)定、無(wú)毒的水溶性鐵胺和鋁胺復(fù)合物（在酸性pH條件下結(jié)合作用加強(qiáng)），由尿排出。本品能清除鐵蛋白和含鐵血黃素中的鐵離子，但對(duì)轉(zhuǎn)鐵蛋白中的鐵離子清除作用不強(qiáng)，更不能清除血紅蛋白、肌球蛋白和細(xì)胞色素中的鐵離子。另外一種就是除去鐵離子比較多的藥物，去鐵胺實(shí)例2：順鉑以鉑為基礎(chǔ)的抗癌藥物，鉑（II)配合物是非常難于發(fā)生取代反應(yīng)，具有較大的毒性。這些特性被利用到順鉑的化學(xué)療法上。順鉑配合物的緩慢配體取代速率使得該藥物在高濃度的氯離子（0.1mol/L)存在下的血清內(nèi)保持相對(duì)較低的反應(yīng)活性。在血液中，Cl-濃度高(100mM)，以Pt(NH3)2Cl2形式存在，生物活性較低；NNPt

一旦鉑原子擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)Cl-濃度低(3~20mM)，發(fā)生Cl-的取代反應(yīng)，產(chǎn)生陽(yáng)離子性水合物，最終與DNA結(jié)合成穩(wěn)定的加合物(DNA-adduct),這些加合物是有害的，但是對(duì)腫瘤的有害程度大于對(duì)正常組織的有害程度，導(dǎo)致在生物體水平上的有益效應(yīng)。類(lèi)似的鈀（II）化合物，cis-[Pd(NH3)2Cl2](順式）的配體取代速率是順鉑的105倍，由于其毒性太大，以致于不能被用于癌癥的化療?？赡苁怯捎阝Z配合物與許多生物目標(biāo)作用太快，以至于在細(xì)胞核中不可逆性的損害DNA之前，它自身先產(chǎn)生損害或失活。Hanbing

Rao,et.alIdentificationofDNAadductformationofsmallmoleculesbymolecular

descriptorsandmachinelearningmethods.MolecularSimulation,

2012,38(4):259-273.

2、在嚴(yán)格調(diào)節(jié)之下的有益金屬：鐵現(xiàn)在討論鐵運(yùn)送和儲(chǔ)存過(guò)程中的調(diào)節(jié)問(wèn)題。第五章曾討論了細(xì)菌利用鐵載體攝取鐵并促進(jìn)其向細(xì)胞內(nèi)的運(yùn)送。在此主要討論鐵的傳輸和儲(chǔ)存在哺乳動(dòng)物的鐵傳遞蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移鐵蛋白及貯存蛋白質(zhì)鐵蛋白的調(diào)節(jié)體系。通過(guò)這些體系將說(shuō)明必須解決的化學(xué)和生物學(xué)問(wèn)題，以利于能夠有效的進(jìn)行金屬離子的體內(nèi)平衡控制。（1）、鐵的溶解、傳輸和攝取我們先看鐵的溶解、攝取和傳輸，正如在上一章（第四章）所討論的，鐵的水解化學(xué)使得該元素在生物體內(nèi)的調(diào)節(jié)具有挑戰(zhàn)性。最為重要的是在中性PH時(shí)，F(xiàn)e(III)是十分難溶解的。因此即使鐵在環(huán)境中豐度較大，只有很低水平的水合鐵存在于溶液中，并且只有很少量的有可能被攝取。前面我們討論了利用鐵質(zhì)體隔離鐵并使之易于傳輸?shù)郊?xì)菌的細(xì)胞內(nèi)。在這里我們將討論在哺乳動(dòng)物體內(nèi)的鐵傳輸。（2）.鐵的溶解、傳輸和攝取鐵的溶解、傳輸和攝取是由轉(zhuǎn)鐵蛋白(Transferrin,Tf)完成的：

血液中Fe3＋

FeTf細(xì)胞內(nèi)Fe3＋Tf與鐵的結(jié)合常數(shù)高(K表觀(guān)～1020M-1)結(jié)合特點(diǎn)：Tf與鐵結(jié)合的同時(shí)，也同一個(gè)陰離子(如碳酸根)結(jié)合；Tf與碳酸根的結(jié)合促進(jìn)了與鐵的結(jié)合，反之亦然。在細(xì)胞內(nèi)，這個(gè)協(xié)同作用對(duì)于鐵的釋放可能是很重要的。Fe3+＋OH?Fe(OH)3＋TfFeTf溶解TfTfR在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，從食物中吸收的鐵必須被傳輸?shù)秸麄€(gè)體內(nèi)。這個(gè)作用是轉(zhuǎn)移鐵蛋白的蛋白質(zhì)完成的。我們把這類(lèi)蛋白稱(chēng)為運(yùn)鐵蛋白。運(yùn)鐵蛋白是一類(lèi)金屬鍵合蛋白，對(duì)于維持生命體中的鐵的含量以及鐵的新陳代謝起著重要作用。

根據(jù)運(yùn)鐵蛋白的來(lái)源不同，可將其分為：血清運(yùn)鐵蛋白、伴清蛋白、乳鐵蛋白、黑素運(yùn)鐵蛋白四大類(lèi)。運(yùn)鐵蛋白的基本功能就是通過(guò)結(jié)合、輸運(yùn)及解離鐵（III）以控制鐵(III)在體液中的含量，并可避免鐵（III）的沉降從而維持鐵（III）的可利用性；同時(shí)，運(yùn)鐵蛋白與鐵（III）的緊密結(jié)合可阻止鐵（III）對(duì)自由基形成的催化作用及細(xì)菌與鐵（III）的結(jié)合，從而起到抗毒與抗菌的作用。

運(yùn)鐵蛋白為單肽鏈糖蛋白，分子質(zhì)量約80000，含680-700個(gè)殘基，可折疊成兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似的球形葉片，分別對(duì)應(yīng)著N端葉片和C端葉片，兩個(gè)球形葉片由一短肽連接。每個(gè)葉片又可分為兩個(gè)大小相似的結(jié)構(gòu)域，分別由α-螺旋和β-折疊交替出現(xiàn)而形成，兩結(jié)構(gòu)域間存在一狹縫以結(jié)合鐵（III）。

這幅圖是結(jié)合兩個(gè)鐵的人乳鐵蛋白的晶體結(jié)構(gòu)圖。（運(yùn)鐵蛋白是中等大小的糖蛋白（Mr-80ku）,含有兩個(gè)類(lèi)似但結(jié)構(gòu)上相異的鐵離子結(jié)合位點(diǎn)，分別稱(chēng)為N-末端和C-末端。這個(gè)家族中幾個(gè)成員的X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)被確定。研究表明，這些蛋白含有兩個(gè)相似的結(jié)構(gòu)區(qū)域，各自可結(jié)合1個(gè)鐵原子）。(a)脫鐵乳鐵蛋白(b)鐵－乳鐵蛋白當(dāng)乳鐵蛋白與鐵結(jié)合時(shí)，亞域結(jié)構(gòu)象一個(gè)鉸鏈一樣彎曲，緊夾在鐵－碳酸根單元上。家兔血清運(yùn)鐵蛋白中鐵離子的配位環(huán)境在N-端鐵結(jié)合區(qū)域中，鐵被1個(gè)組氨酸、2個(gè)酪氨酸及1個(gè)天冬氨酸結(jié)合。X射線(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)分析表明，在家兔血清運(yùn)鐵蛋白中，起協(xié)同作用的CO32-并不與鐵直接結(jié)合，一起橋聯(lián)保守的精氨酸，而是通過(guò)變構(gòu)（象）機(jī)理來(lái)調(diào)節(jié)鐵的結(jié)合。乳鐵蛋白的鐵配位環(huán)境發(fā)現(xiàn)碳酸根離子與鐵直接配位，鐵的配位球呈畸變八面體狀，由來(lái)自酪氨酸192和92的2個(gè)酚鹽氧原子、來(lái)自組氨酸253咪唑上的1個(gè)氮原子、來(lái)自天冬氨酸60羧酸根上的1個(gè)氧原子以及來(lái)自鄰近碳酸根上的2個(gè)氧原子與鐵構(gòu)成變形八面體配合物。

該碳酸根還與蛋白質(zhì)的精氨酸Arg、蘇氨酸Thr側(cè)鏈和多肽鏈骨架提供的氫鍵單元組成了碳酸根的結(jié)合域。在生理?xiàng)l件下，CO32-為伴陰離子時(shí)，人血清運(yùn)鐵蛋白可逆地結(jié)合兩個(gè)鐵（III）離子，鐵（III）結(jié)合位點(diǎn)存在于匹配結(jié)構(gòu)域（N端的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域互為匹配；C端的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域互為匹配）形成的狹縫中。兩個(gè)鐵（III）離子均與酪氨酸殘基的酚羥基氧、天冬氨酸殘基的羧基氧、組氨酸殘基的咪唑氮以及通過(guò)氫鍵與蛋白質(zhì)相連的CO32-的兩個(gè)氧配位，鐵為畸變八面體構(gòu)型。

在這個(gè)過(guò)程中，伴陰離子對(duì)金屬鍵合至關(guān)重要。首先，能夠中和金屬鍵合位點(diǎn)附近精氨酸及a螺旋5N端的強(qiáng)正電勢(shì)；其次，為金屬鍵合提供了兩個(gè)配位原子。另外，伴陰離子或許正是運(yùn)鐵蛋白實(shí)現(xiàn)其生理功能---緊密且可逆結(jié)合鐵的關(guān)鍵所在，如CO32-的質(zhì)子化或被取代均可破壞氫鍵導(dǎo)致鐵的釋放。

除鐵外，運(yùn)鐵蛋白還可與大量其他金屬離子結(jié)合，包括過(guò)渡金屬、鑭系、錒系及第三主族離子等。由于血液中人血清運(yùn)鐵蛋白僅有約30%的金屬離子結(jié)合部位由鐵（III）占據(jù)，其它金屬離子與運(yùn)鐵蛋白的結(jié)合同樣具有重要的生物學(xué)意義。如運(yùn)鐵蛋白是錳在血液中的主要運(yùn)載體、血液透析病人血漿中鋁的主要結(jié)合蛋白；在鋅的運(yùn)輸中，運(yùn)鐵蛋白具有較白蛋白更積極的作用；鎵與運(yùn)鐵蛋白的穩(wěn)定結(jié)合可為實(shí)現(xiàn)腫瘤的定向化療提供新的途徑；運(yùn)鐵蛋白作為稀土離子進(jìn)入生物體的有效載體，對(duì)稀土生物效應(yīng)的發(fā)揮起重要作用。

另外，鑭系離子特有的發(fā)光效應(yīng)使其可作為探針對(duì)運(yùn)鐵蛋白進(jìn)行光譜研究。構(gòu)象變化是運(yùn)鐵蛋白金屬結(jié)合與釋放過(guò)程伴隨的重要特征之一。金屬結(jié)合，運(yùn)鐵蛋白金屬鍵合狹縫由開(kāi)放到關(guān)閉變化；相反，金屬釋放，由關(guān)閉到開(kāi)放變化。Tf與鐵結(jié)合的同時(shí)，也同一個(gè)陰離子(如碳酸根)結(jié)合；由幾何特性可以解釋碳酸根與鐵原子結(jié)合作用的協(xié)同性。蛋白質(zhì)分子形成了一個(gè)供碳酸根結(jié)合的腔袋，由側(cè)鏈及肽鏈骨架上貢獻(xiàn)而形成的氫鍵結(jié)構(gòu)所撐起。一旦碳酸根結(jié)合在此位點(diǎn)，鐵的結(jié)合位置也就完全確定。這樣Fe(III)就可以結(jié)合在一個(gè)富含氧原子的八面體配位環(huán)境之中，對(duì)于鐵（III）這樣一個(gè)相對(duì)來(lái)說(shuō)較硬的金屬離子是有利的。

無(wú)論是碳酸根還是鐵（III）,都不能單獨(dú)與運(yùn)鐵蛋白緊密結(jié)合，但兩者同時(shí)存在結(jié)合作用急劇加強(qiáng)，這種合作行為叫協(xié)同效應(yīng)。脫鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白鐵離子含鐵轉(zhuǎn)鐵蛋白轉(zhuǎn)鐵蛋白受體包合孔籠合體包合囊泡去包合泡涵體釋放鐵鐵蛋白Pi＋ADPATP＋H+細(xì)胞膜鐵吸收進(jìn)入細(xì)胞——轉(zhuǎn)鐵蛋白受體(transferrinreceptor)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)吞作用細(xì)胞內(nèi)鐵釋放——質(zhì)子泵調(diào)節(jié)H+濃度細(xì)胞內(nèi)鐵的貯存——鐵蛋白質(zhì)子泵將質(zhì)子抽進(jìn)泡涵體，pH下降，轉(zhuǎn)鐵蛋白中碳酸根和酪氨酸氧發(fā)生質(zhì)子化，與鐵的配位能力減弱，鐵被釋放出來(lái)。首先，運(yùn)鐵蛋白(Tf)與鐵原子結(jié)合后，蛋白分子的構(gòu)象發(fā)生顯著變化，接著運(yùn)鐵蛋白受體識(shí)別到這種荷載型運(yùn)鐵蛋白并與之結(jié)合。

受體結(jié)合運(yùn)鐵蛋白之后，膜上含有受體的部分就內(nèi)陷收縮，形成一個(gè)“有被”小泡。在細(xì)胞之內(nèi)，小泡去被，形成一個(gè)核內(nèi)體。

核內(nèi)體的膜上有由ATP驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子泵，負(fù)責(zé)將質(zhì)子泵入核內(nèi)體，使pH降至～5.5。在此pH下，碳酸根及酪氨酸發(fā)生質(zhì)子化，鐵被釋放出來(lái)。被釋放出來(lái)的鐵離子由通道運(yùn)送進(jìn)入泡液，用來(lái)生成血紅素，或貯存于鐵蛋白之中，或被其他酶所結(jié)合。

然后，含有脫鐵鐵傳遞蛋白受體的小泡部分與血漿膜相互融合。約在pH7.4，當(dāng)再次被暴露在細(xì)胞外側(cè)時(shí)，脫鐵鐵傳遞蛋白又被釋放出來(lái)，整個(gè)過(guò)程反復(fù)進(jìn)行。整個(gè)循環(huán)在生理?xiàng)l件下大約需要15min即可完成。整個(gè)這個(gè)過(guò)程，鐵（III）釋放的過(guò)程有哪些影響因素？運(yùn)鐵蛋白鐵（III）釋放動(dòng)力學(xué)的可能干擾因素至少有以下五種：（1）鐵（III）釋放的位點(diǎn)，運(yùn)鐵蛋白N,C葉片結(jié)構(gòu)上的差異必然導(dǎo)致兩端釋放動(dòng)力學(xué)行為的不同，且一端的占據(jù)對(duì)另一端可能產(chǎn)生影響（協(xié)同效應(yīng)）。(2)支持液中的離子組成、伴陰離子及非伴陰離子與運(yùn)鐵蛋白所具有的特異性結(jié)合、鹽對(duì)運(yùn)鐵蛋白構(gòu)象的影響使支持液中離子的組成對(duì)鐵（III）釋放動(dòng)力學(xué)有明顯影響。

(3)PH的改變會(huì)影響到運(yùn)鐵蛋白四級(jí)結(jié)構(gòu)、元素氫鍵網(wǎng)的穩(wěn)定性，某些殘基的質(zhì)子化或去質(zhì)子化將導(dǎo)致運(yùn)鐵蛋白與鐵（III）的結(jié)合和釋放，運(yùn)鐵蛋白在胞外中性條件下結(jié)合鐵（III）,在胞內(nèi)酸性條件下釋放鐵（III）,PH變化是其直接誘因。（4）與鐵（III）結(jié)合能力強(qiáng)的螯合劑可有效地與運(yùn)鐵蛋白競(jìng)爭(zhēng)鐵（III）。（5）運(yùn)鐵蛋白與其受體的結(jié)合，另外，溫度也是重要影響因素。事實(shí)上，以上因素并非獨(dú)立產(chǎn)生作用，而是相互影響制約、共同實(shí)現(xiàn)某種效果。鐵貯存蛋白——鐵蛋白(ferritin)高等植物、微生物、哺乳動(dòng)物的各種細(xì)胞中都含有儲(chǔ)鐵蛋白，細(xì)胞類(lèi)型不同儲(chǔ)鐵蛋白的鐵儲(chǔ)存功能也有所不同。哺乳動(dòng)物儲(chǔ)鐵蛋白的功能之一是在鐵的循環(huán)使用中起鐵（III）儲(chǔ)備作用。哺乳動(dòng)物儲(chǔ)鐵蛋白的另一功能是對(duì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)鐵的管理，既可以為鐵蛋白、酶的合成儲(chǔ)備鐵，又可防止過(guò)量進(jìn)入細(xì)胞的鐵水解、聚合、沉淀而起解毒作用。

一個(gè)普通體重的人約含5～6g鐵，但絕大部分被貯存著，只有～35mg鐵處于激活狀態(tài)，被用于酶、運(yùn)送蛋白、氧結(jié)合蛋白、氧化還原蛋白等的代謝過(guò)程。鐵蛋白是真核生物體內(nèi)貯存鐵的主要場(chǎng)所，這樣可以避免由于貯存大量鐵伴隨而來(lái)的溶解度問(wèn)題，并可提供穩(wěn)定的、可供隨時(shí)調(diào)用的鐵庫(kù)。鐵貯存蛋白——鐵蛋白(ferritin)儲(chǔ)鐵蛋白是一個(gè)具有某種不均一性的分子，整個(gè)分子有一個(gè)直徑約為12nm，

殼厚約為2.5nm的蛋白質(zhì)外殼，質(zhì)量約為450000Da。蛋白質(zhì)外殼由24個(gè)亞基組裝而成?？梢苑e聚4500個(gè)鐵,大約是一個(gè)氨基酸對(duì)一個(gè)鐵。馬脾鐵蛋白及脫輔基蛋白的結(jié)構(gòu)已由X射線(xiàn)晶體學(xué)測(cè)定。鐵蛋白的結(jié)構(gòu)特征(a)脫金屬輔基蛋白中24個(gè)亞基的總體結(jié)構(gòu)；(b)四重對(duì)稱(chēng)的疏水性通道；(c)三重對(duì)稱(chēng)的親水性通道；(d)一個(gè)亞基的折疊，其中的螺旋束是構(gòu)成骨架結(jié)構(gòu)的主要部分。鐵蛋白與二價(jià)鐵的結(jié)合原因：1.在胞內(nèi)pH條件下Fe3+極為難溶；2.同F(xiàn)e3+相比，F(xiàn)e2+在動(dòng)力學(xué)上活潑易變，有利于快速配合。所以鐵先以Fe2+的形式進(jìn)入鐵蛋白，接著被氧化成Fe3+，最終在蛋白的核中被成長(zhǎng)著的晶格所吸收。氧化成比較惰性的三價(jià)鐵有利于長(zhǎng)期貯存并對(duì)運(yùn)送起穩(wěn)定作用。鐵蛋白核由鐵的堿式磷酸鹽[Fe(O)(OH)8(FeOPO3H2)·xH2PO4]微晶排列而成，由Fe2+經(jīng)氧化、水解、結(jié)合正磷酸根(H2PO42-)等步驟形成。鐵蛋白的成核過(guò)程(a)鐵蛋白含有3重軸對(duì)稱(chēng)性的8個(gè)漏斗形親水通道，其上由二價(jià)鐵進(jìn)入口。(b)Fe2+進(jìn)入脫鐵蛋白的腔袋并與氨基酸殘基結(jié)合，有利于被氧化成Fe3+并形成微晶。晶核形成后迅速長(zhǎng)大，形成堿式磷酸鐵微晶晶格，其他的Fe2+進(jìn)入腔袋并在礦物表面上氧化。在成核的最初階段，二價(jià)鐵離子的結(jié)合與氧化作用必須在蛋白質(zhì)的內(nèi)表面發(fā)生，已被化學(xué)修飾研究所證實(shí)。脫鐵蛋白中攜帶羧基的氨基酸殘基的脂化作用會(huì)阻止鐵核的形成，然而如果鐵核已經(jīng)存在，每個(gè)亞基上的4個(gè)攜帶羧殘基會(huì)受到保護(hù)不被脂化。這說(shuō)明在最易引發(fā)礦化作用的成核部位的孔穴中，存在4個(gè)重要的含羧殘基。初始結(jié)合作用中的計(jì)量關(guān)系是，每個(gè)鐵原子需要兩個(gè)亞基。隨著核的長(zhǎng)大，成長(zhǎng)著的微晶核表面發(fā)生進(jìn)一步的氧化、水解作用。59Fe放射性標(biāo)記技術(shù)證實(shí)，由鐵蛋白釋出的第一個(gè)鐵離子對(duì)應(yīng)于成核時(shí)最后結(jié)合上去的那個(gè)鐵離子。由此看來(lái)，核的構(gòu)建與分解這些動(dòng)力學(xué)是高度有序的化學(xué)事件。鐵蛋白成核的礦化過(guò)程

鐵蛋白(ferritin)

高等植物，微生物，哺乳動(dòng)物的各種細(xì)胞中都含有儲(chǔ)鐵蛋白。細(xì)胞類(lèi)型不同儲(chǔ)鐵功能也有所不同。哺乳動(dòng)物體內(nèi)主要儲(chǔ)存鐵的蛋白質(zhì)，主要分布在動(dòng)物的脾臟(spleen),肝臟

(liver)和骨髓(bonemarrow)中，植物的葉綠體和某些細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)有鐵蛋白。鐵蛋白為機(jī)體內(nèi)一種貯存鐵的可溶組織蛋白，正常人血清中含有少量鐵蛋白；肝癌患者治療有效者血清鐵蛋白下降，而惡化和再發(fā)者升高，持續(xù)增高則予后不良，故血清鐵蛋白測(cè)定可作為療效監(jiān)測(cè)手段之一。

儲(chǔ)鐵蛋白是一個(gè)具有某種不均一性的分子，整個(gè)分子有一個(gè)直徑為13nm殼厚約為2.5nm蛋白質(zhì)外殼。它由24個(gè)亞基組裝而成；沿三，四重軸方向的通道使蛋白質(zhì)殼與外部聯(lián)系，其中8個(gè)三重軸通道由親水氨基酸殘基(Asp,Glu,His,Tyr)排列而成，即親水性通道；而6個(gè)四重軸通道排列有多個(gè)親脂性殘基，即疏水性通道。無(wú)論是儲(chǔ)鐵蛋白還是脫鐵儲(chǔ)鐵蛋白，其外殼的大小和亞基的排列方式基本不變。蛋白質(zhì)殼內(nèi)是一個(gè)無(wú)機(jī)物復(fù)合體的鐵核，鐵就聚積在鐵核內(nèi)，其鐵含量為~4500個(gè)Fe3+不等,主要成分為[(FeOOH)8(FeOPO3H2)]，鐵的堿式磷酸鹽微晶排列而成。

鐵蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鐵蛋白的結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)鐵蛋白的主要生物功能是鐵的儲(chǔ)存，即機(jī)體或細(xì)胞鐵過(guò)剩時(shí)可吸收鐵，而缺少時(shí)又可釋放鐵。研究表明，鐵積聚于儲(chǔ)鐵蛋白的初始階段包括Fe2+通過(guò)三重軸方向親水性通道進(jìn)入蛋白質(zhì)內(nèi)殼，在氧的存在下，被氧化為Fe3+，F(xiàn)e3+水解形成鐵核，該氧化，成核過(guò)程隨吸收鐵的增加而變化。在低鐵(Fe/protein<50)吸收過(guò)程中，鐵(II)的氧化和成核可用下式表示

2Fe2++O2+4H2O→2FeOOHcore+H2O2+4H+

當(dāng)高鐵(Fe/protein>200)時(shí),氧化反應(yīng)和水解反應(yīng)分兩步進(jìn)行:

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O------氧化

4Fe3++8H2O→4FeOOHcore+12H+----水解

4Fe2++O2+6H2O→4FeOOHcore+8H+------總反應(yīng)儲(chǔ)鐵蛋白的功能

在鐵成核的初期，鐵的結(jié)合與氧化發(fā)生在蛋白殼的內(nèi)表面。鐵核一旦形成，鐵的氧化，水解及核生長(zhǎng)就像普通的無(wú)機(jī)反應(yīng)一樣。這一性質(zhì)使脫鐵儲(chǔ)鐵蛋白被用作無(wú)機(jī)納米粒子合成的反應(yīng)籠腔(nanodimensionalcavity).無(wú)機(jī)鐵核晶體生長(zhǎng)的前提是形成Fe3+簇。何處成核與蛋白質(zhì)殼內(nèi)表面的負(fù)電荷有關(guān)，成簇的谷氨酸殘基有利于成核區(qū)的形成。在還原劑的存在下，儲(chǔ)鐵蛋白可將Fe3+以Fe2+的形式向外釋放，這一過(guò)程受介質(zhì)組成，酸度等影響。介質(zhì)中螯合劑的存在，降低pH均能促使鐵的釋放。59Fe放射性標(biāo)記證實(shí)，儲(chǔ)鐵蛋白最先釋放的鐵對(duì)應(yīng)于成核時(shí)最后結(jié)合的鐵，表明鐵的釋放過(guò)程也是高度有序的化學(xué)反應(yīng)。鐵傳遞蛋白(transferrin,Tf)NormalIronAbsorptionandMetabolismAllbodycellsneediron.Thehumanbodycontainsanaverageof3.5gofiron.ThetypicaldailyAmericandietcontains10–20mgofiron.Onlyabout10%ofdietaryironisabsorbed(1–2mg/day).Mostabsorbedironistransportedinthebloodstreamboundtotheglycoproteintransferrin.Transferrinisacarrierproteinthatplaysaroleinregulatingthetransportofironfromthesiteofabsorptiontovirtuallyalltissues.

哺乳動(dòng)物可以吸收的鐵有兩類(lèi)：血紅素鐵和非血紅素鐵。在腸粘膜內(nèi)，血紅素氧化酶使血紅素以Fe2+的形式釋放;因此血紅素鐵引起高生物利用率成為從食物中吸收鐵的重要來(lái)源。進(jìn)入腸道的非血紅素鐵多為Fe3+，腸道內(nèi)的黏液可以避免Fe3+的水解沉淀，同時(shí)腸道內(nèi)的還原劑如維生素c等還原酶將Fe3+還原為Fe2+,使Fe2+進(jìn)入小腸上皮細(xì)胞。

成年人的鐵含量為4.5~5.5mg/kg，其中60-70%以血紅蛋白的形式存在；10%以肌紅蛋白，細(xì)胞色素，含鐵酶等存在；儲(chǔ)鐵蛋白的鐵為總鐵量的20~30%；運(yùn)鐵蛋白形式存在的鐵僅為0.1%(3mg)。血漿中運(yùn)鐵蛋白運(yùn)輸率30mg/24h。通過(guò)運(yùn)鐵蛋白每天有近24mg的血漿鐵(III)被運(yùn)到骨骼中用以血紅蛋白的合成，約5mg的血漿鐵(III)被運(yùn)到非血紅素細(xì)胞組織(如肝)，有近1mg血漿鐵損失。因此，人體要保持微量元素鐵的平衡，每天要吸收1mg的鐵。盡管運(yùn)鐵蛋白含鐵量很少但在鐵的調(diào)控中他是最重要的鐵源。

鐵傳遞蛋白是一類(lèi)金屬鍵合蛋白，對(duì)于維持生命體中鐵的含量以及鐵的新陳代謝起著重要作用。根據(jù)來(lái)源不同可將其分為四類(lèi)：血清運(yùn)鐵蛋白(serumtransferrin),伴清運(yùn)鐵蛋白(ovotransferrin),乳運(yùn)鐵蛋白(lactoferrin),黑素運(yùn)鐵蛋白(melanotransferrin)。運(yùn)鐵蛋白為單肽鏈糖蛋白，含680~700個(gè)氨基酸殘基，可折疊成兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似的球形葉片，分別對(duì)應(yīng)著N端葉片(N-lobe)和C端葉片(C-lobe)。兩球形葉片由一短肽相連接。每個(gè)葉片又可分為兩個(gè)大小相似的結(jié)構(gòu)域，分別由螺旋折疊交替出現(xiàn)而形成。結(jié)構(gòu)域內(nèi)有二硫鍵。兩結(jié)構(gòu)域間存在一狹縫以結(jié)合鐵(III)。鐵傳遞蛋白的分類(lèi)與結(jié)構(gòu)人乳鐵蛋白分子的三維結(jié)構(gòu)FromBrJOphthalmol2005;89:684

①與不同金屬離子的結(jié)合：在生理?xiàng)l件下，CO32-為伴陰離子時(shí)，人血清運(yùn)鐵蛋白可逆結(jié)合2個(gè)鐵離子，平衡常數(shù)為L(zhǎng)gK1=21.4,Lgk2=20.3；

研究指出，當(dāng)缺乏碳酸氫根HCO3-時(shí)，F(xiàn)eIII-Tf特征粉紅色消失，表明FeIII與Tf結(jié)合必須有陰離子存在，據(jù)此認(rèn)為,對(duì)于脫鐵鐵傳遞蛋白與Fe(III)的穩(wěn)定配位，血液中CO2是不可缺少的。Fe3++H3Tf+HCO3-Fe-Tf-HCO3-+3H+

鐵傳遞蛋白的功能特點(diǎn)

應(yīng)該指出，除鐵外，運(yùn)鐵蛋白還可與大量的其它金屬離子結(jié)合，包括過(guò)渡金屬，鑭系，錒系以及第三主族離子等。由于血液中人血清運(yùn)鐵蛋白僅有30%的金屬離子結(jié)合部位由鐵(III)占據(jù)，其余金屬離子與運(yùn)鐵蛋白的結(jié)合同樣具有重要的生物學(xué)意義。如運(yùn)鐵蛋白是Mn在血液中的主要運(yùn)載體;血液透析病人血漿中Al的主要結(jié)合蛋白；在Zn的運(yùn)輸中，運(yùn)鐵蛋白具有較白蛋白更積極的作用；Ga與運(yùn)鐵蛋白的穩(wěn)定結(jié)合可實(shí)現(xiàn)腫瘤定向化療提供新的途徑；鐵蛋白作為L(zhǎng)a系離子進(jìn)入生物體的有效載體，對(duì)稀土生物效應(yīng)的發(fā)揮起著重要作用。另外，鑭系離子特有的發(fā)光效應(yīng)使其可作為針對(duì)運(yùn)鐵蛋白進(jìn)行光譜研究。脫鐵鐵傳遞蛋白雖能結(jié)合一系列二價(jià)和三價(jià)金屬離子，但穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如與Fe3+的結(jié)合。脫鐵鐵傳遞蛋白不能結(jié)合Fe2+或結(jié)合很弱。因此在血液里脫鐵鐵傳遞蛋白與Fe3+的結(jié)合最有效。

②與陰離子結(jié)合：陰離子可與運(yùn)鐵蛋白結(jié)合并發(fā)揮重要作用。根據(jù)其結(jié)合特性可分為伴陰離子和非伴陰離子。伴陰離子在專(zhuān)一結(jié)合位點(diǎn)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用以促進(jìn)運(yùn)鐵蛋白金屬結(jié)合及釋放的特性是區(qū)別于普通陰離子所在。

運(yùn)鐵蛋白是唯一需要伴陰離子參與的金屬蛋白,生理?xiàng)l件下。伴陰離子應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：1.一端為羧基，另一端為給電子基團(tuán)；2.適宜的立體結(jié)構(gòu)。一些陰離子雖然不能作伴陰離子，但能與運(yùn)鐵蛋白特異性結(jié)合，從而影響兩個(gè)金屬鍵合位點(diǎn)的相對(duì)穩(wěn)定性，并對(duì)金屬離子的釋放產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。一些無(wú)機(jī)陰離子與運(yùn)鐵蛋白的結(jié)合強(qiáng)度序列為：PO43->SO32->HCO3->NO3->Cl-。

③鐵傳遞蛋白構(gòu)象變化

構(gòu)象變化是運(yùn)鐵蛋白與金屬結(jié)合與釋放過(guò)程伴隨的重要特征之一。金屬結(jié)合，運(yùn)鐵蛋白金屬鍵合狹縫有開(kāi)放到關(guān)閉變化；相反金屬釋放，有關(guān)閉到開(kāi)放變化。誘發(fā)蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的因素較多，其中pH,鹽橋以及第二配位層等因素比較重要。當(dāng)pH=7時(shí)，釋放Fe3+；pH=4時(shí)，鐵傳遞蛋白釋放出全部的Fe3+，變?yōu)槊撹F鐵傳遞蛋白。

Lactoferrin,withFeBound

withoutFeBound

Lactoferrin,withFeBoundLactoferrinwithoutFe

（3）

鐵攝取和儲(chǔ)存的金屬調(diào)節(jié)現(xiàn)在我們來(lái)討論鐵運(yùn)送和儲(chǔ)存過(guò)程中的調(diào)節(jié)問(wèn)題。生物體內(nèi)對(duì)鐵吸收和貯存的調(diào)控生物體發(fā)展了一套積累和貯存鐵離子以備后用的方法。鐵蛋白充當(dāng)著運(yùn)鐵蛋白進(jìn)細(xì)胞中的鐵的倉(cāng)庫(kù)，并且在需要時(shí)可以大量地釋放出鐵。關(guān)于鐵進(jìn)入及離開(kāi)鐵蛋白整個(gè)過(guò)程在分子水平上受細(xì)胞調(diào)控的細(xì)節(jié)，目前尚未完全了解。但有關(guān)有鐵調(diào)控并負(fù)責(zé)產(chǎn)生鐵載體、運(yùn)鐵蛋白及脫輔基鐵蛋白的基因表達(dá)機(jī)理已有了相當(dāng)深入的了解。鐵在細(xì)菌體中的調(diào)控在細(xì)菌體中，負(fù)責(zé)鐵載體生物合成的基因在轉(zhuǎn)錄水平上受鐵的調(diào)控。一種叫Fur(ironuptakeregulator)的鐵攝取調(diào)節(jié)蛋白以協(xié)調(diào)方式調(diào)控許多基因。Fur蛋白分子是一個(gè)二聚體，亞基分子量為17ku，具有與一段特定DNA片段相結(jié)合能力。但此能力的發(fā)揮又必須借助于二價(jià)金屬離子如Fe2+，無(wú)二價(jià)金屬離子時(shí)Fur蛋白就失去其DNA結(jié)合能力。當(dāng)鐵的濃度足夠高時(shí)，F(xiàn)ur蛋白分子含有結(jié)合態(tài)的金屬鐵離子，與特定的DNA調(diào)控序列相結(jié)合，阻遏了相應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄作用。當(dāng)鐵的濃度很低時(shí)，F(xiàn)ur蛋白未結(jié)合鐵離子，不與特定的DNA片段結(jié)合，基因轉(zhuǎn)錄得以進(jìn)行，于是合成攝取鐵所需要的相應(yīng)的鐵載體、運(yùn)鐵蛋白及脫輔基鐵蛋白。鐵在哺乳動(dòng)物中的調(diào)控哺乳動(dòng)物體中鐵蛋白和運(yùn)鐵蛋白受體的表達(dá)也按金屬調(diào)控方式來(lái)調(diào)節(jié)，但此處蛋白的表達(dá)在翻譯水平上受到調(diào)節(jié)。如果細(xì)胞內(nèi)的鐵濃度低，則儲(chǔ)備的鐵蛋白mRNA就以相對(duì)較慢的方式被翻譯；如果細(xì)胞的鐵濃度增加了，則鐵蛋白mRNA的翻譯速度顯著加快。相反，負(fù)責(zé)運(yùn)鐵蛋白受體合成的mRNA在富鐵條件下相對(duì)不穩(wěn)定，而在貧鐵條件下則變得相當(dāng)穩(wěn)定。這兩種現(xiàn)象在mRNA分子中按相似的序列/結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為鐵響應(yīng)元件(iron-responsiveelements),簡(jiǎn)記為IREs。鐵蛋白(Ft)和運(yùn)鐵蛋白(TIR)的表達(dá)受鐵響應(yīng)元件結(jié)合蛋白(IRE-BP)的調(diào)控當(dāng)鐵濃度高時(shí)，IRE-BP已經(jīng)結(jié)合了鐵，對(duì)IRE的親和力降低，有利于FtmRNA的翻譯和TIRmRNA的降解。當(dāng)鐵濃度低時(shí)，IRE-BP對(duì)IRE的親和力上升，阻遏FtmRNA的翻譯，并穩(wěn)定了TIRmRNA。鐵調(diào)控元件(IronRegulatedElement,IRE)：蛋白mRNA上的一段核苷酸序列，形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)(stem-loop)。鐵蛋白mRNA的5’端存在一個(gè)IRE；轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA的3’端存在幾個(gè)IRE。IRE是IRE結(jié)合蛋白結(jié)合到mRNA上的結(jié)合部位。鐵調(diào)控元件IRE結(jié)合蛋白AAUCGAUGCUUGAAIREIRE結(jié)合蛋白(IREbindingprotein,IRE-BP)：分子量約為90kD。

當(dāng)IRE-BP與鐵蛋白mRNA上的IRE結(jié)合時(shí)，它將阻止mRNA翻譯成蛋白質(zhì)；

當(dāng)IRE-BP與轉(zhuǎn)鐵蛋白受體mRNA上的IRE結(jié)合時(shí)，將抑制mRNA降解，導(dǎo)致翻譯進(jìn)行。IRE-BP對(duì)IRE親和性是受鐵濃度調(diào)節(jié)的。在高鐵水平下，IRE-BP與鐵結(jié)合，對(duì)IRE有較低的親和性；在低鐵水平下，IRE-BP對(duì)IRE的親和性增加。IRE結(jié)合蛋白人鐵蛋白IRETfRIRE蛋白編碼區(qū)蛋白編碼區(qū)蛋白編碼區(qū)蛋白編碼區(qū)FtmRNATfRmRNA低親和性IRE-BP高親和性IRE-BP+Fe－Fe通過(guò)鐵離子濃度調(diào)節(jié)有關(guān)蛋白編碼基因的表達(dá)Fe的攝取受到生物體的嚴(yán)格調(diào)控?cái)z取過(guò)程（哺乳動(dòng)物）調(diào)控方式細(xì)菌:調(diào)控蛋白（Fur）-FurBox哺乳動(dòng)物：IRE結(jié)合蛋白:IRE-BP-IRE(RNA)轉(zhuǎn)鐵蛋白（Tf）轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（Tfr）鐵蛋白（Ft）上面我們對(duì)生物必需元素鐵的濃度調(diào)節(jié)途徑作了討論。大自然也進(jìn)化了一些類(lèi)似的機(jī)制來(lái)有效地去除有毒元素，由細(xì)菌質(zhì)粒編碼的汞解毒系統(tǒng)是目前了解較多的解毒過(guò)程。毒性金屬實(shí)例：汞汞的吸收—有機(jī)汞甲基汞CH3HgX，毒性較Hg高1000倍乙基汞CH3HgCH3，毒性更高癥狀：視力減退面部發(fā)呆、手足麻木、協(xié)調(diào)失常、步行困難，聽(tīng)力、語(yǔ)言、運(yùn)動(dòng)障礙、弱智；重者神經(jīng)錯(cuò)亂、思覺(jué)失調(diào)、痙攣、神經(jīng)失常然后全身彎曲而死。

汞離子對(duì)于許多生物體是劇毒的，很可能起因于它對(duì)巰基具有極大的親合作用。這種親合作用以及由此而生成的加合物的穩(wěn)定性可能導(dǎo)致許多蛋白質(zhì)及酶中的巰基失活。正常的代謝過(guò)程也可能生成有機(jī)汞，這是比Hg(II)本身更具毒性的物質(zhì)。為了有效地對(duì)這些物質(zhì)進(jìn)行解毒，細(xì)菌利用了兩種酶，即有機(jī)汞裂解酶和汞離子還原酶，分別催化反應(yīng)。汞的吸收—有機(jī)汞補(bǔ)牙用的汞材料并不僅僅是汞一種，而是銀汞合金。銀汞合金材料是多年來(lái)一直使用的修補(bǔ)牙體缺損的材料，作為一種永久性修復(fù)材料，它可以在口腔內(nèi)使用幾年到幾十年。該材料是由銀合金粉和汞調(diào)制而成。當(dāng)調(diào)拌銀汞合金時(shí)，汞融合于合金粉中，生成了金屬互化物，其中的汞失去了原有的毒性，而調(diào)制好的銀汞合金是堅(jiān)硬的固體混合物，不可能再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)產(chǎn)生新的毒性，所以這種補(bǔ)牙材料是不會(huì)導(dǎo)致汞中毒或有害健康的。1.涉及汞解毒過(guò)程的酶汞離子的毒性：①汞離子對(duì)巰基具有較大的親和性，這種相互作用以及伴隨所形成加合物的穩(wěn)定性，使得很多蛋白質(zhì)和酶結(jié)構(gòu)中的必需巰基失活；②Hg(II)代謝產(chǎn)生一些毒性更大的有機(jī)汞化合物。細(xì)菌內(nèi)降低汞毒性的兩種酶：有機(jī)汞裂解酶和汞離子還原酶。RHgX＋HXRH＋HgX2有機(jī)汞裂解酶Hg(SR)2＋NADPH＋H+Hg(0)＋NADP+＋2RSH汞離子還原酶咱們先看下這兩種酶，絕大多數(shù)金屬-碳鍵易水解，相比之下Hg-C鍵卻相當(dāng)穩(wěn)定，不易斷裂。所以需要有機(jī)汞裂解酶，一種催化劑讓它裂解，有機(jī)汞裂解酶該水解的機(jī)理如圖所示，酶的活性位點(diǎn)含有半胱氨酸殘基作為汞的配位點(diǎn)。有機(jī)汞裂解酶的產(chǎn)物是汞的加合物—Hg(SR)2,是通過(guò)像谷胱甘肽上的內(nèi)源巰基與酶上的半胱氨酸配體的交換而生成的，該加合物也是汞離子還原酶的一種底物。汞離子還原酶是一個(gè)二聚體酶，每個(gè)亞基含有一個(gè)黃素。此酶同有機(jī)汞裂解酶相似，也含有幾個(gè)必需的半胱氨酸殘基。該酶可能利用其他非巰基配體同底物結(jié)合來(lái)完成此任務(wù)。汞離子被結(jié)合之后，就被還原成Hg(0)。這一過(guò)程可能伴有氫負(fù)離子從NADPH向黃素的轉(zhuǎn)移，接著立即發(fā)生還原態(tài)的黃素進(jìn)攻Hg(II)配位巰基部位，導(dǎo)致汞的還原，同時(shí)生成黃素巰基加合物。放出的汞原子與下一個(gè)Hg(II)相結(jié)合，伴隨有C-S鍵的斷裂，于是完成一個(gè)循環(huán)。應(yīng)當(dāng)注意的是，汞一旦被產(chǎn)生，就擴(kuò)散穿過(guò)細(xì)胞膜，擴(kuò)散到環(huán)境中去。2.汞解毒基因的金屬調(diào)節(jié)汞解毒基因：有機(jī)汞裂解酶基因和汞離子還原酶基因。MerR蛋白：一種在轉(zhuǎn)錄上控制汞解毒基因表達(dá)的細(xì)胞內(nèi)汞傳感器。汞與MerR的結(jié)合導(dǎo)致MerR-DNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)變化，激活RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄活性。表現(xiàn)為DNA以33度角解旋，解旋的DNA更易與RNA聚合酶結(jié)合。Hg汞離子濃度調(diào)節(jié)汞解毒基因的轉(zhuǎn)錄SSS87SSSHgHHH

MerR是一種二聚的DNA結(jié)合蛋白，它專(zhuān)一性地與DNA部位結(jié)合。汞的存在與否，僅有細(xì)微的差別。在缺乏結(jié)合汞的情況下，表現(xiàn)MerR基因的轉(zhuǎn)錄。一旦汞被結(jié)合，它將活化這些基因的轉(zhuǎn)錄。這個(gè)效應(yīng)是通過(guò)蛋白質(zhì)DNA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)變化調(diào)節(jié)的。汞與蛋白質(zhì)的結(jié)合導(dǎo)致了DNA以33度解旋。因此，汞對(duì)MerR-DNA復(fù)合物產(chǎn)生影響，從而調(diào)節(jié)RNA多聚酶激活轉(zhuǎn)錄的能力。汞對(duì)轉(zhuǎn)錄影響的定量分析揭示出一個(gè)值得注意的結(jié)果就是：一旦結(jié)合汞后(即汞離子濃度較高時(shí))，MerR將活化汞解毒基因的轉(zhuǎn)錄，最終解除汞的毒性。其中每個(gè)MerR二聚體能夠結(jié)合一個(gè)汞離子。每個(gè)汞與3個(gè)巰基結(jié)合，其中一個(gè)巰基可能是來(lái)自于一個(gè)亞單元，而另兩個(gè)巰基可能來(lái)自于另外一個(gè)亞單元。離子泵離子泵的功能是使離子穿越細(xì)胞膜發(fā)生轉(zhuǎn)移，同時(shí)伴隨著ATP與ADP的相互轉(zhuǎn)化。由于離子泵能催化水解ATP或者利用ADP和無(wú)機(jī)磷酸鹽(Pi)合成ATP，它們也被稱(chēng)為ATP酶。X＋X＋X＋X＋X＋X＋ATPADP＋PiX＋離子梯度細(xì)胞膜金屬離子梯度的產(chǎn)生離子通道離子通道在離子梯度驅(qū)動(dòng)下傳遞離子穿越細(xì)胞膜。與離子泵不同，通過(guò)離子通道傳遞離子時(shí)與ATP的水解和合成沒(méi)有直接的聯(lián)系。離子通道傳遞離子的能力受到閘門(mén)的控制，例如膜電位、外源性配體如神經(jīng)遞質(zhì)的濃度或其他條件等。閘門(mén)允許通道將信息從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。膜電位－膜兩邊電位之差膜電位可以認(rèn)為是由于膜兩邊離子濃度的差別所決定的每個(gè)離子的電位的總和。根據(jù)Nernst方程，濃度差決定電位：V=(RT/ZF)ln(cout/cin)離子cout(mM)cin(mM)平衡電位(mV)Na+K+Ca2+Cl-14541.51231215510-6~10-7M4.2+68－99+128－90表哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)外游離離子濃度和平衡電位Z—離子電荷數(shù)cout—細(xì)胞外的離子濃度cin—細(xì)胞內(nèi)離子濃度離子通道不允許所有的離子以同樣的效率傳遞。相反，它表現(xiàn)出不同等級(jí)的離子選擇性，例如，區(qū)別陽(yáng)離子和陰離子；區(qū)別某個(gè)特定離子(如Na+)與其十分相似的離子(如K+)。離子通道對(duì)不同離子的選擇性與離子通道的電導(dǎo)(單位：

-1或S)有關(guān)。電流＝電導(dǎo)×膜電位電導(dǎo)1.細(xì)胞膜內(nèi)外離子梯度的產(chǎn)生

離子梯度的產(chǎn)生是一個(gè)依賴(lài)能量的過(guò)程，所需的能量是由ATP水解產(chǎn)生ADP和Pi提供的。細(xì)胞膜內(nèi)外Na+和K+梯度的產(chǎn)生是由離子泵Na+-K+ATP酶負(fù)責(zé)的。胞內(nèi)1.與Na+結(jié)合2.磷酸化3.構(gòu)象變化翻轉(zhuǎn)4.釋放Na+5.與K+結(jié)合6.去磷酸化7.構(gòu)象變化翻轉(zhuǎn)8.釋放K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+K+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+Na+ATPADPPPPPP在Na+-K+ATP酶作用下，依賴(lài)ATP提供的能量使3個(gè)Na+被傳遞到胞外，2個(gè)K+被泵進(jìn)胞內(nèi)。Na+-K+ATP酶是一個(gè)整合膜蛋白，是由催化亞基(100kD,

亞基)和糖蛋白(45kD,

亞基)組成的

2

2四聚體。酶催化的方程為：3Na+in＋2K+out＋ATP＋H2O3Na+out＋2K+in＋ADP＋Pi該反應(yīng)涉及膜兩邊的電荷的凈傳遞。每3個(gè)鈉離子被傳遞到膜外就有2個(gè)鉀離子被泵進(jìn)膜內(nèi)；ATP的水解是與離子傳遞緊密相關(guān)的過(guò)程。注意：2.通過(guò)離子通道進(jìn)行的離子傳輸Na+-K+ATP酶能夠以每秒100次的速度翻轉(zhuǎn)，而離子通道是每秒能夠傳輸106~107個(gè)離子的蛋白質(zhì)。離子通道有多種構(gòu)象狀態(tài)：開(kāi)放構(gòu)象，能夠傳送離子；關(guān)閉構(gòu)象或失活構(gòu)象，不能傳送離子。主要介紹兩種離子通道：乙酰膽堿受體——一種受神經(jīng)遞質(zhì)控制的通道鈉通道——一種電壓控制通道乙酰膽堿受體乙酰膽堿(acetylcholine，Ach)受體是一種大而復(fù)雜的分子，其結(jié)構(gòu)尚未在原子水平上確定。它是一個(gè)碩大的寡聚糖蛋白，由四種不同類(lèi)型的5條多肽鏈組成，整體結(jié)構(gòu)為α2βγδ，總分子量約為300ku，主要存在于肌肉、大腦及一些特殊器官中。分析表明，有4個(gè)亞基是同源性的，與一個(gè)共同的始祖序列相關(guān)。每個(gè)乙酰膽堿受體可以結(jié)合2個(gè)神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿分子，每個(gè)α-亞基上結(jié)合1個(gè)。乙酰膽堿受體的結(jié)構(gòu)(a)在氨基酸序列分析基礎(chǔ)上假設(shè)的其中一個(gè)乙酰膽堿受體亞基的圖示；(b)以電鏡為基礎(chǔ)的俯視圖，示出5個(gè)亞基呈五邊形排列；(c)截面圖，示出包括離子通道在內(nèi)的跨膜區(qū)域，上部為細(xì)胞外側(cè)一邊，即突觸一側(cè)，下部為細(xì)胞內(nèi)側(cè)。乙酰膽堿受體的結(jié)構(gòu)組成

用電子顯微鏡對(duì)乙酰膽堿受體的整個(gè)構(gòu)筑情況進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)：

5個(gè)亞基按五邊形排列方式圍繞在一個(gè)相對(duì)開(kāi)放的核周?chē)?，形成一個(gè)五聚體(pentamer)；有一個(gè)較大的結(jié)構(gòu)域伸展至細(xì)胞膜外側(cè)，而在細(xì)胞內(nèi)側(cè)膜一邊有一個(gè)較小的結(jié)構(gòu)域。在每個(gè)亞基的相對(duì)應(yīng)位置，有4段由20～25個(gè)相鄰疏水殘基組成的延伸。

在神經(jīng)脈沖的刺激下，神經(jīng)末端的軸突中含有乙酰膽堿的突觸泡囊融化，將乙酰膽堿釋放到突觸間隙中。這些神經(jīng)遞質(zhì)分子穿過(guò)突觸間隙，與處于對(duì)面膜中的受體分子結(jié)合，引發(fā)離子通道的開(kāi)啟，從而將神經(jīng)脈沖傳遞出去。乙酰膽堿受體的生理學(xué)作用乙酰膽堿受體是一種非專(zhuān)一性陽(yáng)離子通道，對(duì)不同的陽(yáng)離子沒(méi)有選擇性。在生理?xiàng)l件下，Na+是經(jīng)過(guò)該通道的重要離子。

TheAcetylcholineReceptor乙酰膽堿受體運(yùn)送金屬離子的過(guò)程乙酰膽堿受體通過(guò)離子通道運(yùn)送離子。該通道在平常情況下是關(guān)閉的，沒(méi)有顯著的離子過(guò)膜現(xiàn)象，但當(dāng)乙酰膽堿存在時(shí)，受體分子就會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殚_(kāi)啟狀態(tài)，以便讓離子通過(guò)。乙酰膽堿受體是一個(gè)非特異性的陽(yáng)離子通道，它只允許帶正電荷的離子通過(guò)，但對(duì)不同的正離子則不能區(qū)別。在生理?xiàng)l件下，鈉離子是最主要的輸運(yùn)物種。離子可按相當(dāng)快的速度通過(guò)這種通道，如肌肉乙酰膽堿受體一般在每次轉(zhuǎn)換中保持啟開(kāi)10ms，在此時(shí)間間隔內(nèi)，約有104～105個(gè)離子運(yùn)動(dòng)過(guò)膜。這一通量相當(dāng)于幾個(gè)皮安培(picoamps)膜片箝方法測(cè)定離子通道運(yùn)送各種離子的能力

由于在每次分子構(gòu)象變化中由～105個(gè)離子運(yùn)動(dòng)過(guò)膜，從而形成了一個(gè)可使人們有可能發(fā)展出一套用于跟蹤監(jiān)視其作用的方法，這種方法稱(chēng)為“膜片箝qián”(Patch-clamping)技術(shù)。其方法如下圖所示：將具有非常平滑表面的一個(gè)微吸管緩緩移向細(xì)胞膜表面，輕微的吸入作用使微吸管口部在細(xì)胞膜表面形成一個(gè)非常緊密的封口即微膜片(patch).兩個(gè)電極中的一個(gè)裝在此微吸管之內(nèi)，另一個(gè)穿入細(xì)胞之內(nèi)側(cè)，這樣使任何一個(gè)流過(guò)這兩個(gè)電極之間的電流，必須流經(jīng)這塊本身使膜表面的一小部分同時(shí)又被封于吸管之內(nèi)的微膜片。采用適合于測(cè)量皮安培級(jí)電流的靈敏方法，人們就能夠用這種裝置記錄當(dāng)有乙酰膽堿存在時(shí)單個(gè)離子通道的電流。膜片鉗(patch-clamping)法測(cè)定離子通道的電導(dǎo)記錄圖譜中向下的尖峰信號(hào)對(duì)應(yīng)于單個(gè)離子通道的開(kāi)啟作用ThePatchClampTechnique通過(guò)膜的總電流可被分割成許多組分相應(yīng)于個(gè)別離子通道的開(kāi)啟與關(guān)閉對(duì)于包含大量Ach受體的膜區(qū)域的行為，可以通過(guò)將一系列個(gè)別通過(guò)的測(cè)定圖譜綜合，或?qū)σ粋€(gè)通道作多次測(cè)量再現(xiàn)除了，如右圖所示。它表明宏觀(guān)行為可以用大量獨(dú)立地起作用的個(gè)別分子性質(zhì)的綜合作出解釋。乙酰膽堿受體離子通道開(kāi)啟作用與乙酰膽堿濃度及時(shí)間關(guān)系當(dāng)沒(méi)