鐵蛋白結(jié)構(gòu)與功能VIP

鐵蛋白結(jié)構(gòu)與功能 摘要：鐵元素是生物體中的半微量元素，鐵元素子生物體內(nèi)的平衡對(duì)生物體的健康有著很重要的作用，而作為可以調(diào)節(jié)體內(nèi)鐵元素平衡的鐵蛋白很早就出現(xiàn)在學(xué)者的研究中。鐵蛋白不僅直接在人體內(nèi)發(fā)揮作用，也通過植物食物的鐵元素積累影響著人類的健康，所以通過閱讀了幾篇文獻(xiàn)后，簡(jiǎn)單概括一下目前對(duì)鐵蛋白的結(jié)構(gòu)和功能的研究情況。關(guān)鍵詞： 鐵蛋白 結(jié)構(gòu) 功能鐵是生物體很重要的一種半微量元素，對(duì)生物體的健康有著極為重要的作用，鐵在動(dòng)物體內(nèi)參與造血、運(yùn)輸氧氣、免疫和防御等生理過程，在植物體內(nèi)則參與葉綠素的形成，但是鐵含量超標(biāo)則會(huì)造成消化功能紊亂、生長(zhǎng)受阻等。所以，維持生物體體內(nèi)鐵含量平衡至關(guān)重要。鐵蛋白是生物體內(nèi)的鐵貯藏蛋白質(zhì)，起著調(diào)節(jié)生物體鐵平衡的作用。目前，在動(dòng)物、植物和微生物體內(nèi)都對(duì)鐵蛋白進(jìn)行了大量研究1，除了對(duì)其基因2、結(jié)構(gòu)和功能做了大量研究之外，也在不斷探索研究鐵蛋白的方法3、鐵蛋白的新作用4-5以及鐵蛋白的作用方法等6-7。由于鐵元素在生物體內(nèi)的重要作用和植物性食物的鐵含量很低，甚至在某些地區(qū)有缺鐵現(xiàn)象的發(fā)生，為了提高植物食物中的鐵含量，有學(xué)者已經(jīng)開始了通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將豌豆鐵蛋白基因?qū)Ｈ怂?-9。雖然鐵蛋白對(duì)動(dòng)物和植物都很重要，但是無論是存在分布、結(jié)構(gòu)和功能上，動(dòng)物和植物體內(nèi)的鐵蛋白都不同10。與動(dòng)物鐵蛋白相比，植物鐵蛋白具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：首先，植物鐵蛋白在其N端具有一個(gè)獨(dú)特的EP肽段；其次，植物鐵蛋白只含有H型亞基，且有兩種不同的H型亞基組成。1. 鐵蛋白的結(jié)構(gòu) 鐵蛋白分子通常由24個(gè)亞基形成一個(gè)中空的球狀蛋白質(zhì)外殼，內(nèi)徑通常為78nm，外徑為1213nm，厚度為22.5nm。每個(gè)球狀鐵蛋白分子大約有4500個(gè)三價(jià)鐵原子儲(chǔ)存在其中。每?jī)蓚€(gè)鐵蛋白亞基反向平行形成一組，再由這十二組亞基對(duì)構(gòu)成一個(gè)近似正八面體，成4-3-2重軸對(duì)稱的球狀分子 (圖1)。每個(gè)鐵蛋白亞基外形成空心的柱狀(長(zhǎng)約5nm，直徑約2.5nm)，且由一個(gè)兩兩成反向平行的4個(gè)螺旋簇 (A、B和C、D)、C末端第五個(gè)較短螺旋(E)以及N末端的伸展肽段 (EP) 構(gòu)成。B和C螺旋之間由一段含18個(gè)氨基酸的BC環(huán)連接，E螺旋位于4螺旋簇的尾端并與之成 60 夾角 (圖2)。每個(gè)鐵蛋白分子形成12個(gè)二重軸通道、8個(gè)三重軸通道和6個(gè)四重軸通道，這些通道被認(rèn)為是鐵蛋白內(nèi)部與外部離子出入鐵蛋白的必經(jīng)之路，起著聯(lián)系鐵蛋白內(nèi)部空腔與外部環(huán)境的作用。 圖1 圖2植物鐵蛋白和動(dòng)物鐵蛋白起源是相同的，但足植物鐵蛋與動(dòng)物鐵蛋白有以下幾方面的不同之處：(1) 分布不同：植物鐵蛋白主要存在于質(zhì)體中(葉子的葉綠體中，種子的淀粉體巾)，而動(dòng)物鐵蛋白則存在于細(xì)胞質(zhì)中埋；(2)表達(dá)調(diào)控水平不同：動(dòng)物鐵蛋白的表達(dá)嚴(yán)格受控于鐵反應(yīng)元件和鐵調(diào)節(jié)蛋白的相互作用，是屬于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控；而植物鐵蛋白基因的表達(dá)主要在翻譯水平一；(3)通道親疏性不同：動(dòng)物鐵蛋白中，3倍軸是親水性的，4倍軸通道是疏水性的，而在植物鐵蛋白中，這兩種通道都是親水性的；(4)亞基結(jié)構(gòu)不同：對(duì)于哺乳動(dòng)物來說，鐵蛋白通常由H(重鏈，分子量約為2lkDa)和L(輕鏈，分子量約為195kDa)兩種類型的亞基組成，二者氨基酸序列具有55的相似度，而且功能截然不同。H型亞基包含一個(gè)由His65、GIu27、Glu61、Glul07、Tyr34、Glu62和Glnl4l七個(gè)保守的氨基酸組成的亞鐵氧化中心，主要負(fù)責(zé)亞鐵離子的快速氧化，1個(gè)亞鐵氧化中心可同時(shí)結(jié)合2個(gè)Fe2+離子；而L型亞基缺乏這個(gè)活性中心，但是它含有一個(gè)成核中心，負(fù)責(zé)亞鐵離子的緩慢氧化以及礦化核的形成。而且兩種亞基的組成比例具有組織特異性，例如：心臟和腦由于鐵代謝旺盛而富含H型亞基，肝臟和脾臟由于主要用于鐵的長(zhǎng)期儲(chǔ)藏而富含L型亞基。另外，對(duì)于牛蛙等兩棲動(dòng)物來說，其紅細(xì)胞中鐵蛋白除了具有與哺乳動(dòng)物類似的H和L型亞基外，還存在一種包含一個(gè)亞鐵氧化中心的M型亞基或叫做類H型亞基，三種亞基可以形成雜合體鐵蛋白。對(duì)于植物鐵蛋白來說，亞基結(jié)構(gòu)明顯不同于動(dòng)物鐵蛋白。組成鐵蛋自的24個(gè)亞基均為H型亞基，每個(gè)亞基都含有一個(gè)亞鐵氧化中心，其氨基酸組成與動(dòng)物鐵蛋白H型亞具有約40的相似度。到目前為止，已經(jīng)從豌豆、大豆、黑豆、玉米，苜蓿以及擬南芥等植物種中分離得到了鐵蛋白這些植物鐵蛋白都是由26.5kDa(H-1)和28.0kDa(H-2)兩種亞基組成。2. 植物鐵蛋白的功能2.1鐵離子解毒和儲(chǔ)存 在體內(nèi)，鐵蛋白可儲(chǔ)存機(jī)體中的過剩鐵，避免產(chǎn)生鐵中毒；另一方面，可以釋放鐵給需鐵的細(xì)胞，用于體內(nèi)合成含鐵的蛋白質(zhì)。鐵蛋白是非紅細(xì)胞中主要的鐵綁定蛋白。鐵蛋白合成的增加引起了鐵儲(chǔ)存的增加，抑制了細(xì)胞對(duì)鐵的釋放。在胃腸粘膜中，鐵蛋白在調(diào)節(jié)鐵進(jìn)人體內(nèi)中發(fā)揮重要作朋，它通過儲(chǔ)存不需要的鐵，然后當(dāng)細(xì)胞脫落時(shí)將其排出體外。鐵蛋白在大多細(xì)胞中只是部分飽和，每分子少于1500個(gè)鐵原子。當(dāng)鐵進(jìn)入細(xì)胞后，其中有一部分不是馬上被細(xì)胞利用，而是被儲(chǔ)存在鐵蛋白中，鐵蛋白把鐵由溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)化成固定相。被存儲(chǔ)的鐵作為一個(gè)備用鐵庫，當(dāng)外源的可利用的鐵不足時(shí)再被細(xì)胞利用。鐵儲(chǔ)存到鐵蛋白中分為4個(gè)步驟：Fe2+的進(jìn)入及氧化、Fe3+的遷移、鐵核形成以及鐵核的增大，每個(gè)階段在時(shí)間和空間上都是獨(dú)立的。Fe2+的進(jìn)入是發(fā)生在鐵蛋白與細(xì)胞質(zhì)接觸面上的一個(gè)迅速的過程，F(xiàn)e2+的氧化發(fā)生在蛋白殼中，將Fe2+綁定在位于亞基螺旋折疊內(nèi)部的一個(gè)特殊位點(diǎn)亞鐵氧化酶中心，F(xiàn)e2+和分子氧反應(yīng)生成了Fe(OH)3，由于Fe(OH)3溶解度很低，F(xiàn)e2+和O2的反應(yīng)可以不斷進(jìn)行，其速率是根據(jù)鐵的濃度變化的二變化。Fe3+移向空腔表面，繼而成核、礦化，最后形成鐵核。 2.2抗氧化功能所有的鐵蛋白都可以在有氧條件下與溶液中的Fe2+反應(yīng)。鐵離子螯合在內(nèi)部的空心結(jié)構(gòu)中，抑制鐵氧化反應(yīng)，從而保護(hù)細(xì)胞不受鐵過量引起的氧化損害；而且亞鐵氧化中心能利用芬頓反應(yīng)的反應(yīng)物阻止自由基的產(chǎn)生，所以認(rèn)為鐵蛋白具有抗氧化功能。在生物體內(nèi)，鐵參加很多生理生化進(jìn)程，如氧的運(yùn)輸、電子傳遞和DNA復(fù)制等。然而，細(xì)胞中鐵含量過高會(huì)導(dǎo)致蛋白、脂肪和DNA的氧化損害，從而造成細(xì)胞損傷和死。鐵的毒性在體內(nèi)主要表現(xiàn)為促進(jìn)了活性氧自由基的生成，除去Fe2+的酶系統(tǒng)可以減少鐵的毒性。鐵蛋白的H鏈具有鐵氧化酶活性，可螯合溶液中的二價(jià)鐵以減少由芬頓反應(yīng)引起的脂肪過氧化。鐵過量時(shí)導(dǎo)致了肝臟損害，主要是因?yàn)殍F過量增加了細(xì)胞膜脂肪的過氧化，而由此引起的保護(hù)效應(yīng)，即是細(xì)胞增加了鐵蛋白的合成，并以無毒的形式來沉積大量的鐵。鐵蛋白H亞基與L亞基相比，在吸收和釋放鐵方面，其作用更積極，并且在阻止由過鼉鐵引起的氧化損害時(shí)起到重要的作用。線粒體中的鐵蛋白，可以保護(hù)線粒體免受氧化損傷；在一些細(xì)胞中H亞基可以轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中以阻止過量的鐵損害DNA。在細(xì)胞培養(yǎng)中觀察到鐵蛋白可以抑制氧化損傷。許多與氧化應(yīng)激有關(guān)的因素直接或者間接地通過調(diào)整IRP的活性來調(diào)節(jié)鐵蛋白基因的表達(dá)，這表明鐵蛋白在阻止氧化損傷過程巾發(fā)揮作用。2.3作為急性時(shí)相反應(yīng)蛋白 鐵蛋白不僅是主要的鐵調(diào)節(jié)蛋白，而且是也是細(xì)胞用來抵抗應(yīng)激和炎癥的一種蛋。在組織損傷、炎癥或感染時(shí)，體內(nèi)許多血漿成分的濃度可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)出現(xiàn)顯著的改變，這種改變總稱急性時(shí)相反應(yīng)。急性時(shí)相反應(yīng)時(shí)，出現(xiàn)顯著變化的血漿成分主要是一些蛋白質(zhì)，稱為急性時(shí)相反應(yīng)蛋白，是一種循環(huán)蛋白。它們的濃度變化有重要的臨床意義。在狗發(fā)生炎癥的部位發(fā)現(xiàn)巨噬細(xì)胞含有高濃度的細(xì)胞內(nèi)鐵蛋白。2.4鐵蛋白作為生物納米材料 由于鐵蛋白具有特殊的結(jié)構(gòu)，鐵蛋白不僅僅可以在蛋白質(zhì)內(nèi)部空腔裝載鐵核，而且可以利用脫鐵鐵蛋白的蛋白質(zhì)外殼作為載體裝載其它可供利用的金屬離子以制備納米材料。將鐵蛋白內(nèi)部的鐵核在無氧條件下通過化學(xué)還原反應(yīng)除去得到脫鐵的鐵蛋白，隨后用各種物理化學(xué)方法將其它礦物質(zhì)離子加入到脫鐵蛋白當(dāng)中，最后形成新型的功能性生物納米顆粒。通過鐵蛋白作為載體的金屬納米材料運(yùn)載體系，它可以克服金屬離子溶解度低、易受環(huán)境物質(zhì)干擾的缺點(diǎn)，進(jìn)而大大提高被包被材料的生物利用率。 鐵蛋白除可以儲(chǔ)存鐵和其他重金屬離子以外，還可以貯存一些有機(jī)小分子物質(zhì)，因此完全有可能將鐵蛋白進(jìn)行改造，利用它作為合成生物來源的納米材料。若能在它的蛋白殼空腔內(nèi)組裝藥物，并使它的外蛋白殼與生物素或特定的抗體相結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)藥物的定向傳遞，并且可以避免產(chǎn)生免疫原性的問題。參考文獻(xiàn)：1陳靜,趙永亮,王丹.鐵蛋白研究現(xiàn)狀J.河南師范大學(xué)學(xué)報(bào),2010,1(1):153-155.2李忻怡,張偉,林浴霜,等.青島文昌魚鐵蛋白ferritin基因的序列分析同源性比較及二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè).山東大學(xué)學(xué)報(bào),2003,12(5):116-120.3曹廷明,黃河清,孔波.分析技術(shù)在鐵蛋白結(jié)構(gòu)與功能研究中的應(yīng)用.分析儀器，2003（2）:38-41.4王群力,孔波,黃河清.鐵蛋白納米蛋白殼結(jié)構(gòu)與功能研究新進(jìn)展.化學(xué)進(jìn)展,2004,7:517-519.5趙廣華,云少君.植物鐵蛋白結(jié)構(gòu)性質(zhì)及其在納米材料制備中的應(yīng)用.山西大學(xué)學(xué)報(bào).2012,35(2):285-292.6Hiroshi Saito, Hisao Hayashi, Akihiro Tomita,etc.INCREASING AND DECREASING PHASES OF FERRITIN AND HEMOSIDERIN IRON DETERMINED BY SERUM FERRITIN KINETICS.Hiroshi Saito et al,2013:213-223.7劉寶娟,張文兵.鐵蛋白的結(jié)構(gòu)、功能及表達(dá)調(diào)控.飼料工業(yè),2009(4):42-47.8李梅，周屹峰，應(yīng)武，等.不同生態(tài)環(huán)境下