生物无机化学-第五章-细胞内金属离子浓度的控制与利用-2020

第五章细胞内金属离子浓度的控制与利用主讲：饶含兵理学院11-304（办公室）rhb@

5.1金属离子的有益作用和毒性效应5.2在严格调节之下的有益金属：铁5.3毒性金属实例：汞5.4金属离子浓度梯度的产生和应用配体门控通道——酰胆碱受体电位门控通道——钠通道5.5金属药物分配过程中的组织选择性细胞结构——透射电子显微镜观察植物细胞在细胞膜外面，有一层厚而坚硬的细胞壁，而动物细胞没有细胞壁。

在细胞中，金属离子的浓度必须维持在一定的范围之内。金属离子的毒性往往与其过高的浓度或结合在不适当的位置并引起后续反应有关。金属离子的体内平衡及解毒作用可以通过各种机理实现，包括细胞外离子载体、控制被动输运过膜的金属调控蛋白质结构之变化、离子通道和离子泵、金属调控的转录改变来影响金属离子对其受体分子的结合和释放，以及离子浓度梯度可用于能量及信息的储存与传导等。1、金属离子的有益效应及有毒效应有益金属离子：Ca，Fe，Zn…a.浓度太低时，需要利用该离子的过程将受到不利影响，生物体产生金属离子的缺乏症；b.浓度适当时，满足生物体需要；c.浓度太高时，产生毒性效应，例如，过多的金属离子将结合到某一不恰当的部位时，阻碍了其他有益金属的结合。有害金属离子：Hg，Cd…

没有特定的生物功能，当存在于细胞中时，产生较大的毒性。例如，在生物流体内生成不溶性的盐，参与降解蛋白质、核酸等生物大分子的水解反应，产生破坏性副产物，如羟自由基。体内平衡：指有益金属离子的浓度保持在一个恰当的范围之内。解毒：指降低无益金属离子的有害浓度。体内平衡和解毒需要在金属离子的摄取、利用、贮存和排出过程之间有一个平衡，即代谢平衡。1.华中农业大学王荔军课题组连续在NewPhytologist上发表硅抑制植物重金属毒害机制研究成果。

2.近日，等离子体所应用等离子体研究室陈长伦课题组研究了氧化石墨烯纳米材料结合重金属离子（如镉、钴、锌等）与微生物之间的相互作用机理，以及生物毒性。相关研究分别发表在英国皇家化学会核心期刊《环境科学：纳米》（EnvironmentalScience:Nano）上。

3.刘景富课题组阴永光研究员在《ChemicalReviews》发表高水平综述论文日前，著名期刊《ChemicalReviews》综述论文“IsotopeTracersToStudytheEnvironmentalFateandBioaccumulationofMetal-ContainingEngineeredNanoparticles:TechniquesandApplications”。纳米材料已随着其生产和应用的快速增长而进入环境，亟需研究其环境行为、生物摄入与分布，以科学评估其环境和生物安全性。由于环境与生物样品中纳米材料的浓度往往很低且存在高浓度的金属背景干扰，环境浓度下金属纳米材料的迁移转化研究面临巨大的技术挑战。放射与稳定同位素标记为高灵敏、选择性示踪金属纳米材料提供了一种新的有效工具。该论文系统地总结了金属纳米材料放射/稳定同位素标记的优点，重点讨论了放射/稳定同位素选择、同位素标记金属纳米材料制备、环境与生物暴露途径与检测研究的进展，探讨了金属纳米材料环境与生物分布/转化的研究思路和发展方向，对金属纳米材料的环境行为、生物摄入与分布等相关研究具有重要的参考价值。实例1：铁是所有生物体内的一种必需金属离子。主要作用包括传送分子氧、参与电子传递等。例如，铁缺乏时，满足不了血红蛋白合成的需要，将引起缺铁性贫血。也是常见的一般毒性物质。当生物体内铁超载时，过剩的金属离子将催化产生活性氧物种(reactiveoxygenspecies,ROS)，损伤组织——Fenton反应。··Fenton（中文译为芬顿）是反应为数不多的以人名命名的无机化学反应之一。1893年，化学家FentonHJ发现，过氧化氢(H2O2)与二价铁离子Fe的混合溶液具有强氧化性，可以将当时很多已知的有机化合物如羧酸、醇、酯类氧化为无机态，氧化效果十分显著。同时，另一方面，铁也会由于偶然的大量摄取，如治疗贫血症用药过量，或过量输血等引起过剩。铁的过量会产生积累且不易排泄，一旦铁的贮存超过饱和，过量的铁就会向机体释放，对组织产生损伤，此时，为了避免这些损害，需要摄入螯合剂来排掉多余的铁。副作用：微量元素损失，需要适量补充

1991年1月，美国食品和药品管理局（FDA）正式批准在美国生产Succimer（DMSA）并应用于儿童铅中毒口服治疗，是美国第一次仿制我国创制的药物。二巯丁二酸（钠）DMSA

中科院上海药物所研制：治疗：锑、汞、砷、铅、铜等金属中毒在这个过程中有一些药物用于治疗金属中毒

本品属羟肟（wo)酸络合剂，羟肟酸基团与游离或蛋白结合的3价铁(Fe3+)和铝（Al3+）形成稳定、无毒的水溶性铁胺和铝胺复合物（在酸性pH条件下结合作用加强），由尿排出。本品能清除铁蛋白和含铁血黄素中的铁离子，但对转铁蛋白中的铁离子清除作用不强，更不能清除血红蛋白、肌球蛋白和细胞色素中的铁离子。另外一种就是除去铁离子比较多的药物，去铁胺实例2：顺铂以铂为基础的抗癌药物，铂（II)配合物是非常难于发生取代反应，具有较大的毒性。这些特性被利用到顺铂的化学疗法上。顺铂配合物的缓慢配体取代速率使得该药物在高浓度的氯离子（0.1mol/L)存在下的血清内保持相对较低的反应活性。在血液中，Cl-浓度高(100mM)，以Pt(NH3)2Cl2形式存在，生物活性较低；NNPt

一旦铂原子扩散进入细胞，细胞内Cl-浓度低(3~20mM)，发生Cl-的取代反应，产生阳离子性水合物，最终与DNA结合成稳定的加合物(DNA-adduct),这些加合物是有害的，但是对肿瘤的有害程度大于对正常组织的有害程度，导致在生物体水平上的有益效应。类似的钯（II）化合物，cis-[Pd(NH3)2Cl2](顺式）的配体取代速率是顺铂的105倍，由于其毒性太大，以致于不能被用于癌症的化疗。可能是由于钯配合物与许多生物目标作用太快，以至于在细胞核中不可逆性的损害DNA之前，它自身先产生损害或失活。Hanbing

Rao,et.alIdentificationofDNAadductformationofsmallmoleculesbymolecular

descriptorsandmachinelearningmethods.MolecularSimulation,

2012,38(4):259-273.

2、在严格调节之下的有益金属：铁现在讨论铁运送和储存过程中的调节问题。第五章曾讨论了细菌利用铁载体摄取铁并促进其向细胞内的运送。在此主要讨论铁的传输和储存在哺乳动物的铁传递蛋白质转移铁蛋白及贮存蛋白质铁蛋白的调节体系。通过这些体系将说明必须解决的化学和生物学问题，以利于能够有效的进行金属离子的体内平衡控制。（1）、铁的溶解、传输和摄取我们先看铁的溶解、摄取和传输，正如在上一章（第四章）所讨论的，铁的水解化学使得该元素在生物体内的调节具有挑战性。最为重要的是在中性PH时，Fe(III)是十分难溶解的。因此即使铁在环境中丰度较大，只有很低水平的水合铁存在于溶液中，并且只有很少量的有可能被摄取。前面我们讨论了利用铁质体隔离铁并使之易于传输到细菌的细胞内。在这里我们将讨论在哺乳动物体内的铁传输。（2）.铁的溶解、传输和摄取铁的溶解、传输和摄取是由转铁蛋白(Transferrin,Tf)完成的：

血液中Fe3＋

FeTf细胞内Fe3＋Tf与铁的结合常数高(K表观～1020M-1)结合特点：Tf与铁结合的同时，也同一个阴离子(如碳酸根)结合；Tf与碳酸根的结合促进了与铁的结合，反之亦然。在细胞内，这个协同作用对于铁的释放可能是很重要的。Fe3+＋OH−Fe(OH)3＋TfFeTf溶解TfTfR在哺乳动物体内，从食物中吸收的铁必须被传输到整个体内。这个作用是转移铁蛋白的蛋白质完成的。我们把这类蛋白称为运铁蛋白。运铁蛋白是一类金属键合蛋白，对于维持生命体中的铁的含量以及铁的新陈代谢起着重要作用。

根据运铁蛋白的来源不同，可将其分为：血清运铁蛋白、伴清蛋白、乳铁蛋白、黑素运铁蛋白四大类。运铁蛋白的基本功能就是通过结合、输运及解离铁（III）以控制铁(III)在体液中的含量，并可避免铁（III）的沉降从而维持铁（III）的可利用性；同时，运铁蛋白与铁（III）的紧密结合可阻止铁（III）对自由基形成的催化作用及细菌与铁（III）的结合，从而起到抗毒与抗菌的作用。

运铁蛋白为单肽链糖蛋白，分子质量约80000，含680-700个残基，可折叠成两个结构相似的球形叶片，分别对应着N端叶片和C端叶片，两个球形叶片由一短肽连接。每个叶片又可分为两个大小相似的结构域，分别由α-螺旋和β-折叠交替出现而形成，两结构域间存在一狭缝以结合铁（III）。

这幅图是结合两个铁的人乳铁蛋白的晶体结构图。（运铁蛋白是中等大小的糖蛋白（Mr-80ku）,含有两个类似但结构上相异的铁离子结合位点，分别称为N-末端和C-末端。这个家族中几个成员的X射线晶体结构已经被确定。研究表明，这些蛋白含有两个相似的结构区域，各自可结合1个铁原子）。(a)脱铁乳铁蛋白(b)铁－乳铁蛋白当乳铁蛋白与铁结合时，亚域结构象一个铰链一样弯曲，紧夹在铁－碳酸根单元上。家兔血清运铁蛋白中铁离子的配位环境在N-端铁结合区域中，铁被1个组氨酸、2个酪氨酸及1个天冬氨酸结合。X射线晶体结构分析表明，在家兔血清运铁蛋白中，起协同作用的CO32-并不与铁直接结合，一起桥联保守的精氨酸，而是通过变构（象）机理来调节铁的结合。乳铁蛋白的铁配位环境发现碳酸根离子与铁直接配位，铁的配位球呈畸变八面体状，由来自酪氨酸192和92的2个酚盐氧原子、来自组氨酸253咪唑上的1个氮原子、来自天冬氨酸60羧酸根上的1个氧原子以及来自邻近碳酸根上的2个氧原子与铁构成变形八面体配合物。

该碳酸根还与蛋白质的精氨酸Arg、苏氨酸Thr侧链和多肽链骨架提供的氢键单元组成了碳酸根的结合域。在生理条件下，CO32-为伴阴离子时，人血清运铁蛋白可逆地结合两个铁（III）离子，铁（III）结合位点存在于匹配结构域（N端的两个结构域互为匹配；C端的两个结构域互为匹配）形成的狭缝中。两个铁（III）离子均与酪氨酸残基的酚羟基氧、天冬氨酸残基的羧基氧、组氨酸残基的咪唑氮以及通过氢键与蛋白质相连的CO32-的两个氧配位，铁为畸变八面体构型。

在这个过程中，伴阴离子对金属键合至关重要。首先，能够中和金属键合位点附近精氨酸及a螺旋5N端的强正电势；其次，为金属键合提供了两个配位原子。另外，伴阴离子或许正是运铁蛋白实现其生理功能---紧密且可逆结合铁的关键所在，如CO32-的质子化或被取代均可破坏氢键导致铁的释放。

除铁外，运铁蛋白还可与大量其他金属离子结合，包括过渡金属、镧系、锕系及第三主族离子等。由于血液中人血清运铁蛋白仅有约30%的金属离子结合部位由铁（III）占据，其它金属离子与运铁蛋白的结合同样具有重要的生物学意义。如运铁蛋白是锰在血液中的主要运载体、血液透析病人血浆中铝的主要结合蛋白；在锌的运输中，运铁蛋白具有较白蛋白更积极的作用；镓与运铁蛋白的稳定结合可为实现肿瘤的定向化疗提供新的途径；运铁蛋白作为稀土离子进入生物体的有效载体，对稀土生物效应的发挥起重要作用。

另外，镧系离子特有的发光效应使其可作为探针对运铁蛋白进行光谱研究。构象变化是运铁蛋白金属结合与释放过程伴随的重要特征之一。金属结合，运铁蛋白金属键合狭缝由开放到关闭变化；相反，金属释放，由关闭到开放变化。Tf与铁结合的同时，也同一个阴离子(如碳酸根)结合；由几何特性可以解释碳酸根与铁原子结合作用的协同性。蛋白质分子形成了一个供碳酸根结合的腔袋，由侧链及肽链骨架上贡献而形成的氢键结构所撑起。一旦碳酸根结合在此位点，铁的结合位置也就完全确定。这样Fe(III)就可以结合在一个富含氧原子的八面体配位环境之中，对于铁（III）这样一个相对来说较硬的金属离子是有利的。

无论是碳酸根还是铁（III）,都不能单独与运铁蛋白紧密结合，但两者同时存在结合作用急剧加强，这种合作行为叫协同效应。脱铁转铁蛋白铁离子含铁转铁蛋白转铁蛋白受体包合孔笼合体包合囊泡去包合泡涵体释放铁铁蛋白Pi＋ADPATP＋H+细胞膜铁吸收进入细胞——转铁蛋白受体(transferrinreceptor)调节细胞内吞作用细胞内铁释放——质子泵调节H+浓度细胞内铁的贮存——铁蛋白质子泵将质子抽进泡涵体，pH下降，转铁蛋白中碳酸根和酪氨酸氧发生质子化，与铁的配位能力减弱，铁被释放出来。首先，运铁蛋白(Tf)与铁原子结合后，蛋白分子的构象发生显著变化，接着运铁蛋白受体识别到这种荷载型运铁蛋白并与之结合。

受体结合运铁蛋白之后，膜上含有受体的部分就内陷收缩，形成一个“有被”小泡。在细胞之内，小泡去被，形成一个核内体。

核内体的膜上有由ATP驱动的质子泵，负责将质子泵入核内体，使pH降至～5.5。在此pH下，碳酸根及酪氨酸发生质子化，铁被释放出来。被释放出来的铁离子由通道运送进入泡液，用来生成血红素，或贮存于铁蛋白之中，或被其他酶所结合。

然后，含有脱铁铁传递蛋白受体的小泡部分与血浆膜相互融合。约在pH7.4，当再次被暴露在细胞外侧时，脱铁铁传递蛋白又被释放出来，整个过程反复进行。整个循环在生理条件下大约需要15min即可完成。整个这个过程，铁（III）释放的过程有哪些影响因素？运铁蛋白铁（III）释放动力学的可能干扰因素至少有以下五种：（1）铁（III）释放的位点，运铁蛋白N,C叶片结构上的差异必然导致两端释放动力学行为的不同，且一端的占据对另一端可能产生影响（协同效应）。(2)支持液中的离子组成、伴阴离子及非伴阴离子与运铁蛋白所具有的特异性结合、盐对运铁蛋白构象的影响使支持液中离子的组成对铁（III）释放动力学有明显影响。

(3)PH的改变会影响到运铁蛋白四级结构、元素氢键网的稳定性，某些残基的质子化或去质子化将导致运铁蛋白与铁（III）的结合和释放，运铁蛋白在胞外中性条件下结合铁（III）,在胞内酸性条件下释放铁（III）,PH变化是其直接诱因。（4）与铁（III）结合能力强的螯合剂可有效地与运铁蛋白竞争铁（III）。（5）运铁蛋白与其受体的结合，另外，温度也是重要影响因素。事实上，以上因素并非独立产生作用，而是相互影响制约、共同实现某种效果。铁贮存蛋白——铁蛋白(ferritin)高等植物、微生物、哺乳动物的各种细胞中都含有储铁蛋白，细胞类型不同储铁蛋白的铁储存功能也有所不同。哺乳动物储铁蛋白的功能之一是在铁的循环使用中起铁（III）储备作用。哺乳动物储铁蛋白的另一功能是对进入细胞内铁的管理，既可以为铁蛋白、酶的合成储备铁，又可防止过量进入细胞的铁水解、聚合、沉淀而起解毒作用。

一个普通体重的人约含5～6g铁，但绝大部分被贮存着，只有～35mg铁处于激活状态，被用于酶、运送蛋白、氧结合蛋白、氧化还原蛋白等的代谢过程。铁蛋白是真核生物体内贮存铁的主要场所，这样可以避免由于贮存大量铁伴随而来的溶解度问题，并可提供稳定的、可供随时调用的铁库。铁贮存蛋白——铁蛋白(ferritin)储铁蛋白是一个具有某种不均一性的分子，整个分子有一个直径约为12nm，

壳厚约为2.5nm的蛋白质外壳，质量约为450000Da。蛋白质外壳由24个亚基组装而成。可以积聚4500个铁,大约是一个氨基酸对一个铁。马脾铁蛋白及脱辅基蛋白的结构已由X射线晶体学测定。铁蛋白的结构特征(a)脱金属辅基蛋白中24个亚基的总体结构；(b)四重对称的疏水性通道；(c)三重对称的亲水性通道；(d)一个亚基的折叠，其中的螺旋束是构成骨架结构的主要部分。铁蛋白与二价铁的结合原因：1.在胞内pH条件下Fe3+极为难溶；2.同Fe3+相比，Fe2+在动力学上活泼易变，有利于快速配合。所以铁先以Fe2+的形式进入铁蛋白，接着被氧化成Fe3+，最终在蛋白的核中被成长着的晶格所吸收。氧化成比较惰性的三价铁有利于长期贮存并对运送起稳定作用。铁蛋白核由铁的碱式磷酸盐[Fe(O)(OH)8(FeOPO3H2)·xH2PO4]微晶排列而成，由Fe2+经氧化、水解、结合正磷酸根(H2PO42-)等步骤形成。铁蛋白的成核过程(a)铁蛋白含有3重轴对称性的8个漏斗形亲水通道，其上由二价铁进入口。(b)Fe2+进入脱铁蛋白的腔袋并与氨基酸残基结合，有利于被氧化成Fe3+并形成微晶。晶核形成后迅速长大，形成碱式磷酸铁微晶晶格，其他的Fe2+进入腔袋并在矿物表面上氧化。在成核的最初阶段，二价铁离子的结合与氧化作用必须在蛋白质的内表面发生，已被化学修饰研究所证实。脱铁蛋白中携带羧基的氨基酸残基的脂化作用会阻止铁核的形成，然而如果铁核已经存在，每个亚基上的4个携带羧残基会受到保护不被脂化。这说明在最易引发矿化作用的成核部位的孔穴中，存在4个重要的含羧残基。初始结合作用中的计量关系是，每个铁原子需要两个亚基。随着核的长大，成长着的微晶核表面发生进一步的氧化、水解作用。59Fe放射性标记技术证实，由铁蛋白释出的第一个铁离子对应于成核时最后结合上去的那个铁离子。由此看来，核的构建与分解这些动力学是高度有序的化学事件。铁蛋白成核的矿化过程

铁蛋白(ferritin)

高等植物，微生物，哺乳动物的各种细胞中都含有储铁蛋白。细胞类型不同储铁功能也有所不同。哺乳动物体内主要储存铁的蛋白质，主要分布在动物的脾脏(spleen),肝脏

(liver)和骨髓(bonemarrow)中，植物的叶绿体和某些细菌中也发现有铁蛋白。铁蛋白为机体内一种贮存铁的可溶组织蛋白，正常人血清中含有少量铁蛋白；肝癌患者治疗有效者血清铁蛋白下降，而恶化和再发者升高，持续增高则予后不良，故血清铁蛋白测定可作为疗效监测手段之一。

储铁蛋白是一个具有某种不均一性的分子，整个分子有一个直径为13nm壳厚约为2.5nm蛋白质外壳。它由24个亚基组装而成；沿三，四重轴方向的通道使蛋白质壳与外部联系，其中8个三重轴通道由亲水氨基酸残基(Asp,Glu,His,Tyr)排列而成，即亲水性通道；而6个四重轴通道排列有多个亲脂性残基，即疏水性通道。无论是储铁蛋白还是脱铁储铁蛋白，其外壳的大小和亚基的排列方式基本不变。蛋白质壳内是一个无机物复合体的铁核，铁就聚积在铁核内，其铁含量为~4500个Fe3+不等,主要成分为[(FeOOH)8(FeOPO3H2)]，铁的碱式磷酸盐微晶排列而成。

铁蛋白的结构特点铁蛋白的结构

储铁蛋白的主要生物功能是铁的储存，即机体或细胞铁过剩时可吸收铁，而缺少时又可释放铁。研究表明，铁积聚于储铁蛋白的初始阶段包括Fe2+通过三重轴方向亲水性通道进入蛋白质内壳，在氧的存在下，被氧化为Fe3+，Fe3+水解形成铁核，该氧化，成核过程随吸收铁的增加而变化。在低铁(Fe/protein<50)吸收过程中，铁(II)的氧化和成核可用下式表示

2Fe2++O2+4H2O→2FeOOHcore+H2O2+4H+

当高铁(Fe/protein>200)时,氧化反应和水解反应分两步进行:

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O------氧化

4Fe3++8H2O→4FeOOHcore+12H+----水解

4Fe2++O2+6H2O→4FeOOHcore+8H+------总反应储铁蛋白的功能

在铁成核的初期，铁的结合与氧化发生在蛋白壳的内表面。铁核一旦形成，铁的氧化，水解及核生长就像普通的无机反应一样。这一性质使脱铁储铁蛋白被用作无机纳米粒子合成的反应笼腔(nanodimensionalcavity).无机铁核晶体生长的前提是形成Fe3+簇。何处成核与蛋白质壳内表面的负电荷有关，成簇的谷氨酸残基有利于成核区的形成。在还原剂的存在下，储铁蛋白可将Fe3+以Fe2+的形式向外释放，这一过程受介质组成，酸度等影响。介质中螯合剂的存在，降低pH均能促使铁的释放。59Fe放射性标记证实，储铁蛋白最先释放的铁对应于成核时最后结合的铁，表明铁的释放过程也是高度有序的化学反应。铁传递蛋白(transferrin,Tf)NormalIronAbsorptionandMetabolismAllbodycellsneediron.Thehumanbodycontainsanaverageof3.5gofiron.ThetypicaldailyAmericandietcontains10–20mgofiron.Onlyabout10%ofdietaryironisabsorbed(1–2mg/day).Mostabsorbedironistransportedinthebloodstreamboundtotheglycoproteintransferrin.Transferrinisacarrierproteinthatplaysaroleinregulatingthetransportofironfromthesiteofabsorptiontovirtuallyalltissues.

哺乳动物可以吸收的铁有两类：血红素铁和非血红素铁。在肠粘膜内，血红素氧化酶使血红素以Fe2+的形式释放;因此血红素铁引起高生物利用率成为从食物中吸收铁的重要来源。进入肠道的非血红素铁多为Fe3+，肠道内的黏液可以避免Fe3+的水解沉淀，同时肠道内的还原剂如维生素c等还原酶将Fe3+还原为Fe2+,使Fe2+进入小肠上皮细胞。

成年人的铁含量为4.5~5.5mg/kg，其中60-70%以血红蛋白的形式存在；10%以肌红蛋白，细胞色素，含铁酶等存在；储铁蛋白的铁为总铁量的20~30%；运铁蛋白形式存在的铁仅为0.1%(3mg)。血浆中运铁蛋白运输率30mg/24h。通过运铁蛋白每天有近24mg的血浆铁(III)被运到骨骼中用以血红蛋白的合成，约5mg的血浆铁(III)被运到非血红素细胞组织(如肝)，有近1mg血浆铁损失。因此，人体要保持微量元素铁的平衡，每天要吸收1mg的铁。尽管运铁蛋白含铁量很少但在铁的调控中他是最重要的铁源。

铁传递蛋白是一类金属键合蛋白，对于维持生命体中铁的含量以及铁的新陈代谢起着重要作用。根据来源不同可将其分为四类：血清运铁蛋白(serumtransferrin),伴清运铁蛋白(ovotransferrin),乳运铁蛋白(lactoferrin),黑素运铁蛋白(melanotransferrin)。运铁蛋白为单肽链糖蛋白，含680~700个氨基酸残基，可折叠成两个结构相似的球形叶片，分别对应着N端叶片(N-lobe)和C端叶片(C-lobe)。两球形叶片由一短肽相连接。每个叶片又可分为两个大小相似的结构域，分别由螺旋折叠交替出现而形成。结构域内有二硫键。两结构域间存在一狭缝以结合铁(III)。铁传递蛋白的分类与结构人乳铁蛋白分子的三维结构FromBrJOphthalmol2005;89:684

①与不同金属离子的结合：在生理条件下，CO32-为伴阴离子时，人血清运铁蛋白可逆结合2个铁离子，平衡常数为LgK1=21.4,Lgk2=20.3；

研究指出，当缺乏碳酸氢根HCO3-时，FeIII-Tf特征粉红色消失，表明FeIII与Tf结合必须有阴离子存在，据此认为,对于脱铁铁传递蛋白与Fe(III)的稳定配位，血液中CO2是不可缺少的。Fe3++H3Tf+HCO3-Fe-Tf-HCO3-+3H+

铁传递蛋白的功能特点

应该指出，除铁外，运铁蛋白还可与大量的其它金属离子结合，包括过渡金属，镧系，錒系以及第三主族离子等。由于血液中人血清运铁蛋白仅有30%的金属离子结合部位由铁(III)占据，其余金属离子与运铁蛋白的结合同样具有重要的生物学意义。如运铁蛋白是Mn在血液中的主要运载体;血液透析病人血浆中Al的主要结合蛋白；在Zn的运输中，运铁蛋白具有较白蛋白更积极的作用；Ga与运铁蛋白的稳定结合可实现肿瘤定向化疗提供新的途径；铁蛋白作为La系离子进入生物体的有效载体，对稀土生物效应的发挥起着重要作用。另外，镧系离子特有的发光效应使其可作为针对运铁蛋白进行光谱研究。脱铁铁传递蛋白虽能结合一系列二价和三价金属离子，但稳定性远不如与Fe3+的结合。脱铁铁传递蛋白不能结合Fe2+或结合很弱。因此在血液里脱铁铁传递蛋白与Fe3+的结合最有效。

②与阴离子结合：阴离子可与运铁蛋白结合并发挥重要作用。根据其结合特性可分为伴阴离子和非伴阴离子。伴阴离子在专一结合位点发挥调节作用以促进运铁蛋白金属结合及释放的特性是区别于普通阴离子所在。

运铁蛋白是唯一需要伴阴离子参与的金属蛋白,生理条件下。伴阴离子应满足以下条件：1.一端为羧基，另一端为给电子基团；2.适宜的立体结构。一些阴离子虽然不能作伴阴离子，但能与运铁蛋白特异性结合，从而影响两个金属键合位点的相对稳定性，并对金属离子的释放产生调节作用。一些无机阴离子与运铁蛋白的结合强度序列为：PO43->SO32->HCO3->NO3->Cl-。

③铁传递蛋白构象变化

构象变化是运铁蛋白与金属结合与释放过程伴随的重要特征之一。金属结合，运铁蛋白金属键合狭缝有开放到关闭变化；相反金属释放，有关闭到开放变化。诱发蛋白质构象变化的因素较多，其中pH,盐桥以及第二配位层等因素比较重要。当pH=7时，释放Fe3+；pH=4时，铁传递蛋白释放出全部的Fe3+，变为脱铁铁传递蛋白。

Lactoferrin,withFeBound

withoutFeBound

Lactoferrin,withFeBoundLactoferrinwithoutFe

（3）

铁摄取和储存的金属调节现在我们来讨论铁运送和储存过程中的调节问题。生物体内对铁吸收和贮存的调控生物体发展了一套积累和贮存铁离子以备后用的方法。铁蛋白充当着运铁蛋白进细胞中的铁的仓库，并且在需要时可以大量地释放出铁。关于铁进入及离开铁蛋白整个过程在分子水平上受细胞调控的细节，目前尚未完全了解。但有关有铁调控并负责产生铁载体、运铁蛋白及脱辅基铁蛋白的基因表达机理已有了相当深入的了解。铁在细菌体中的调控在细菌体中，负责铁载体生物合成的基因在转录水平上受铁的调控。一种叫Fur(ironuptakeregulator)的铁摄取调节蛋白以协调方式调控许多基因。Fur蛋白分子是一个二聚体，亚基分子量为17ku，具有与一段特定DNA片段相结合能力。但此能力的发挥又必须借助于二价金属离子如Fe2+，无二价金属离子时Fur蛋白就失去其DNA结合能力。当铁的浓度足够高时，Fur蛋白分子含有结合态的金属铁离子，与特定的DNA调控序列相结合，阻遏了相应基因的转录作用。当铁的浓度很低时，Fur蛋白未结合铁离子，不与特定的DNA片段结合，基因转录得以进行，于是合成摄取铁所需要的相应的铁载体、运铁蛋白及脱辅基铁蛋白。铁在哺乳动物中的调控哺乳动物体中铁蛋白和运铁蛋白受体的表达也按金属调控方式来调节，但此处蛋白的表达在翻译水平上受到调节。如果细胞内的铁浓度低，则储备的铁蛋白mRNA就以相对较慢的方式被翻译；如果细胞的铁浓度增加了，则铁蛋白mRNA的翻译速度显著加快。相反，负责运铁蛋白受体合成的mRNA在富铁条件下相对不稳定，而在贫铁条件下则变得相当稳定。这两种现象在mRNA分子中按相似的序列/结构方式进行调节，这样的结构被称为铁响应元件(iron-responsiveelements),简记为IREs。铁蛋白(Ft)和运铁蛋白(TIR)的表达受铁响应元件结合蛋白(IRE-BP)的调控当铁浓度高时，IRE-BP已经结合了铁，对IRE的亲和力降低，有利于FtmRNA的翻译和TIRmRNA的降解。当铁浓度低时，IRE-BP对IRE的亲和力上升，阻遏FtmRNA的翻译，并稳定了TIRmRNA。铁调控元件(IronRegulatedElement,IRE)：蛋白mRNA上的一段核苷酸序列，形成茎环结构(stem-loop)。铁蛋白mRNA的5’端存在一个IRE；转铁蛋白受体mRNA的3’端存在几个IRE。IRE是IRE结合蛋白结合到mRNA上的结合部位。铁调控元件IRE结合蛋白AAUCGAUGCUUGAAIREIRE结合蛋白(IREbindingprotein,IRE-BP)：分子量约为90kD。

当IRE-BP与铁蛋白mRNA上的IRE结合时，它将阻止mRNA翻译成蛋白质；

当IRE-BP与转铁蛋白受体mRNA上的IRE结合时，将抑制mRNA降解，导致翻译进行。IRE-BP对IRE亲和性是受铁浓度调节的。在高铁水平下，IRE-BP与铁结合，对IRE有较低的亲和性；在低铁水平下，IRE-BP对IRE的亲和性增加。IRE结合蛋白人铁蛋白IRETfRIRE蛋白编码区蛋白编码区蛋白编码区蛋白编码区FtmRNATfRmRNA低亲和性IRE-BP高亲和性IRE-BP+Fe－Fe通过铁离子浓度调节有关蛋白编码基因的表达Fe的摄取受到生物体的严格调控摄取过程（哺乳动物）调控方式细菌:调控蛋白（Fur）-FurBox哺乳动物：IRE结合蛋白:IRE-BP-IRE(RNA)转铁蛋白（Tf）转铁蛋白受体（Tfr）铁蛋白（Ft）上面我们对生物必需元素铁的浓度调节途径作了讨论。大自然也进化了一些类似的机制来有效地去除有毒元素，由细菌质粒编码的汞解毒系统是目前了解较多的解毒过程。毒性金属实例：汞汞的吸收—有机汞甲基汞CH3HgX，毒性较Hg高1000倍乙基汞CH3HgCH3，毒性更高症状：视力减退面部发呆、手足麻木、协调失常、步行困难，听力、语言、运动障碍、弱智；重者神经错乱、思觉失调、痉挛、神经失常然后全身弯曲而死。

汞离子对于许多生物体是剧毒的，很可能起因于它对巯基具有极大的亲合作用。这种亲合作用以及由此而生成的加合物的稳定性可能导致许多蛋白质及酶中的巯基失活。正常的代谢过程也可能生成有机汞，这是比Hg(II)本身更具毒性的物质。为了有效地对这些物质进行解毒，细菌利用了两种酶，即有机汞裂解酶和汞离子还原酶，分别催化反应。汞的吸收—有机汞补牙用的汞材料并不仅仅是汞一种，而是银汞合金。银汞合金材料是多年来一直使用的修补牙体缺损的材料，作为一种永久性修复材料，它可以在口腔内使用几年到几十年。该材料是由银合金粉和汞调制而成。当调拌银汞合金时，汞融合于合金粉中，生成了金属互化物，其中的汞失去了原有的毒性，而调制好的银汞合金是坚硬的固体混合物，不可能再发生化学反应，不会产生新的毒性，所以这种补牙材料是不会导致汞中毒或有害健康的。1.涉及汞解毒过程的酶汞离子的毒性：①汞离子对巯基具有较大的亲和性，这种相互作用以及伴随所形成加合物的稳定性，使得很多蛋白质和酶结构中的必需巯基失活；②Hg(II)代谢产生一些毒性更大的有机汞化合物。细菌内降低汞毒性的两种酶：有机汞裂解酶和汞离子还原酶。RHgX＋HXRH＋HgX2有机汞裂解酶Hg(SR)2＋NADPH＋H+Hg(0)＋NADP+＋2RSH汞离子还原酶咱们先看下这两种酶，绝大多数金属-碳键易水解，相比之下Hg-C键却相当稳定，不易断裂。所以需要有机汞裂解酶，一种催化剂让它裂解，有机汞裂解酶该水解的机理如图所示，酶的活性位点含有半胱氨酸残基作为汞的配位点。有机汞裂解酶的产物是汞的加合物—Hg(SR)2,是通过像谷胱甘肽上的内源巯基与酶上的半胱氨酸配体的交换而生成的，该加合物也是汞离子还原酶的一种底物。汞离子还原酶是一个二聚体酶，每个亚基含有一个黄素。此酶同有机汞裂解酶相似，也含有几个必需的半胱氨酸残基。该酶可能利用其他非巯基配体同底物结合来完成此任务。汞离子被结合之后，就被还原成Hg(0)。这一过程可能伴有氢负离子从NADPH向黄素的转移，接着立即发生还原态的黄素进攻Hg(II)配位巯基部位，导致汞的还原，同时生成黄素巯基加合物。放出的汞原子与下一个Hg(II)相结合，伴随有C-S键的断裂，于是完成一个循环。应当注意的是，汞一旦被产生，就扩散穿过细胞膜，扩散到环境中去。2.汞解毒基因的金属调节汞解毒基因：有机汞裂解酶基因和汞离子还原酶基因。MerR蛋白：一种在转录上控制汞解毒基因表达的细胞内汞传感器。汞与MerR的结合导致MerR-DNA复合物的结构变化，激活RNA聚合酶转录活性。表现为DNA以33度角解旋，解旋的DNA更易与RNA聚合酶结合。Hg汞离子浓度调节汞解毒基因的转录SSS87SSSHgHHH

MerR是一种二聚的DNA结合蛋白，它专一性地与DNA部位结合。汞的存在与否，仅有细微的差别。在缺乏结合汞的情况下，表现MerR基因的转录。一旦汞被结合，它将活化这些基因的转录。这个效应是通过蛋白质DNA复合物的结构变化调节的。汞与蛋白质的结合导致了DNA以33度解旋。因此，汞对MerR-DNA复合物产生影响，从而调节RNA多聚酶激活转录的能力。汞对转录影响的定量分析揭示出一个值得注意的结果就是：一旦结合汞后(即汞离子浓度较高时)，MerR将活化汞解毒基因的转录，最终解除汞的毒性。其中每个MerR二聚体能够结合一个汞离子。每个汞与3个巯基结合，其中一个巯基可能是来自于一个亚单元，而另两个巯基可能来自于另外一个亚单元。离子泵离子泵的功能是使离子穿越细胞膜发生转移，同时伴随着ATP与ADP的相互转化。由于离子泵能催化水解ATP或者利用ADP和无机磷酸盐(Pi)合成ATP，它们也被称为ATP酶。X＋X＋X＋X＋X＋X＋ATPADP＋PiX＋离子梯度细胞膜金属离子梯度的产生离子通道离子通道在离子梯度驱动下传递离子穿越细胞膜。与离子泵不同，通过离子通道传递离子时与ATP的水解和合成没有直接的联系。离子通道传递离子的能力受到闸门的控制，例如膜电位、外源性配体如神经递质的浓度或其他条件等。闸门允许通道将信息从一种形式转换成另一种形式。膜电位－膜两边电位之差膜电位可以认为是由于膜两边离子浓度的差别所决定的每个离子的电位的总和。根据Nernst方程，浓度差决定电位：V=(RT/ZF)ln(cout/cin)离子cout(mM)cin(mM)平衡电位(mV)Na+K+Ca2+Cl-14541.51231215510-6~10-7M4.2+68－99+128－90表哺乳动物细胞内外游离离子浓度和平衡电位Z—离子电荷数cout—细胞外的离子浓度cin—细胞内离子浓度离子通道不允许所有的离子以同样的效率传递。相反，它表现出不同等级的离子选择性，例如，区别阳离子和阴离子；区别某个特定离子(如Na+)与其十分相似的离子(如K+)。离子通道对不同离子的选择性与离子通道的电导(单位：

-1或S)有关。电流＝电导×膜电位电导1.细胞膜内外离子梯度的产生

离子梯度的产生是一个依赖能量的过程，所需的能量是由ATP水解产生ADP和Pi提供的。细胞膜内外Na+和K+梯度的产生是由离子泵Na+-K+ATP酶负责的。胞内1.与Na+结合2.磷酸化3.构象变化翻转4.释放Na+5.与K+结合6.去磷酸化7.构象变化翻转8.释放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，依赖ATP提供的能量使3个Na+被传递到胞外，2个K+被泵进胞内。Na+-K+ATP酶是一个整合膜蛋白，是由催化亚基(100kD,

亚基)和糖蛋白(45kD,

亚基)组成的

2

2四聚体。酶催化的方程为：3Na+in＋2K+out＋ATP＋H2O3Na+out＋2K+in＋ADP＋Pi该反应涉及膜两边的电荷的净传递。每3个钠离子被传递到膜外就有2个钾离子被泵进膜内；ATP的水解是与离子传递紧密相关的过程。注意：2.通过离子通道进行的离子传输Na+-K+ATP酶能够以每秒100次的速度翻转，而离子通道是每秒能够传输106~107个离子的蛋白质。离子通道有多种构象状态：开放构象，能够传送离子；关闭构象或失活构象，不能传送离子。主要介绍两种离子通道：乙酰胆碱受体——一种受神经递质控制的通道钠通道——一种电压控制通道乙酰胆碱受体乙酰胆碱(acetylcholine，Ach)受体是一种大而复杂的分子，其结构尚未在原子水平上确定。它是一个硕大的寡聚糖蛋白，由四种不同类型的5条多肽链组成，整体结构为α2βγδ，总分子量约为300ku，主要存在于肌肉、大脑及一些特殊器官中。分析表明，有4个亚基是同源性的，与一个共同的始祖序列相关。每个乙酰胆碱受体可以结合2个神经递质乙酰胆碱分子，每个α-亚基上结合1个。乙酰胆碱受体的结构(a)在氨基酸序列分析基础上假设的其中一个乙酰胆碱受体亚基的图示；(b)以电镜为基础的俯视图，示出5个亚基呈五边形排列；(c)截面图，示出包括离子通道在内的跨膜区域，上部为细胞外侧一边，即突触一侧，下部为细胞内侧。乙酰胆碱受体的结构组成

用电子显微镜对乙酰胆碱受体的整个构筑情况进行研究后发现：

5个亚基按五边形排列方式围绕在一个相对开放的核周围，形成一个五聚体(pentamer)；有一个较大的结构域伸展至细胞膜外侧，而在细胞内侧膜一边有一个较小的结构域。在每个亚基的相对应位置，有4段由20～25个相邻疏水残基组成的延伸。

在神经脉冲的刺激下，神经末端的轴突中含有乙酰胆碱的突触泡囊融化，将乙酰胆碱释放到突触间隙中。这些神经递质分子穿过突触间隙，与处于对面膜中的受体分子结合，引发离子通道的开启，从而将神经脉冲传递出去。乙酰胆碱受体的生理学作用乙酰胆碱受体是一种非专一性阳离子通道，对不同的阳离子没有选择性。在生理条件下，Na+是经过该通道的重要离子。

TheAcetylcholineReceptor乙酰胆碱受体运送金属离子的过程乙酰胆碱受体通过离子通道运送离子。该通道在平常情况下是关闭的，没有显著的离子过膜现象，但当乙酰胆碱存在时，受体分子就会迅速转变为开启状态，以便让离子通过。乙酰胆碱受体是一个非特异性的阳离子通道，它只允许带正电荷的离子通过，但对不同的正离子则不能区别。在生理条件下，钠离子是最主要的输运物种。离子可按相当快的速度通过这种通道，如肌肉乙酰胆碱受体一般在每次转换中保持启开10ms，在此时间间隔内，约有104～105个离子运动过膜。这一通量相当于几个皮安培(picoamps)膜片箝方法测定离子通道运送各种离子的能力

由于在每次分子构象变化中由～105个离子运动过膜，从而形成了一个可使人们有可能发展出一套用于跟踪监视其作用的方法，这种方法称为“膜片箝qián”(Patch-clamping)技术。其方法如下图所示：将具有非常平滑表面的一个微吸管缓缓移向细胞膜表面，轻微的吸入作用使微吸管口部在细胞膜表面形成一个非常紧密的封口即微膜片(patch).两个电极中的一个装在此微吸管之内，另一个穿入细胞之内侧，这样使任何一个流过这两个电极之间的电流，必须流经这块本身使膜表面的一小部分同时又被封于吸管之内的微膜片。采用适合于测量皮安培级电流的灵敏方法，人们就能够用这种装置记录当有乙酰胆碱存在时单个离子通道的电流。膜片钳(patch-clamping)法测定离子通道的电导记录图谱中向下的尖峰信号对应于单个离子通道的开启作用ThePatchClampTechnique通过膜的总电流可被分割成许多组分相应于个别离子通道的开启与关闭对于包含大量Ach受体的膜区域的行为，可以通过将一系列个别通过的测定图谱综合，或对一个通道作多次测量再现除了，如右图所示。它表明宏观行为可以用大量独立地起作用的个别分子性质的综合作出解释。乙酰胆碱受体离子通道开启作用与乙酰胆碱浓度及时间关系当没