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发布时间:钟欣颖
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摘 要:金属离子在机体的正常运转中发挥重要的作用,比如参与酶催化、氧的运输等等。金属离子和蛋白质通过配位作用形成金属蛋白,在生命活动中发挥重要功能。本文分别以肺炎链球菌表面粘附素(PsaA)、β-淀粉样蛋白为例,阐述金属离子对金属蛋白的调控作用。

关键词:金属离子;金属蛋白;肺炎链球菌表面粘附素;β-淀粉样蛋白

Abstract: Metal ions play an important role in the normal functioning of the body, such as enzymes involved in catalysis, oxygen transport, and so on. Metal ions and proteins form protein by metal coordination role, plays an important function in life activities. In this paper pneumococcal surface adhesin (PsaA), β- amyloid protein, for example, describes the regulation of the metal ion to metal protein.

Key words: metal ions; metal protein; pneumococcal surface adhesin; β- amyloid

一些金属离子比如铁离子、锌离子和铜离子等等在生命活动中发挥着重要的作用。金属离子通过和蛋白质的配位作用形成金属蛋白,参与生物体中许多过程,比如氧气的储存和运输,金属离子的转运,电子的转运与催化反应等等。金属离子一般通过与多肽链氨基酸残基上的碳、氮、氧进行配位体现生物活性。

许多金属蛋白都可以和多种金属离子结合,不同的金属离子调控金属蛋白的生物功能。本文分别以肺炎链球菌表面粘附素(PsaA)、β-淀粉样蛋白为例,阐述金属离子对金属蛋白的调控作用。

1 肺炎链球菌表面粘附素

1881年,法国微生物学家Louis Pasteur发现了肺炎链球菌。我们知道,金属离子在生物体中的分布是非常有序的,具有高度专一性的转运体系对金属离子的准确摄入起了关键作用。在肺炎链球菌中存在一种锰转运蛋白,即特异性的ABC转运系统PsaABC。细菌通过这种蛋白的转运作用从宿主获得锰元素来抵抗氧化应激反应并维持自身的毒性。PsaABC蛋白组由肺炎链球菌表面粘附素PsaA、细胞质中的ATP结合蛋白PsaB以及介导离子输入的完整跨膜蛋白PsaC组成。其中,在肺炎链球菌(Sp)黏附在宿主的呼吸道黏膜过程中,肺炎链球菌表面粘附素(PsaA)起关键作用,并可以结合锰离子。通过锰离子与PsaA不完美的配位作用,促进了PsaA将锰离子释放到细菌的特定部位,从而实现PsaA特异性地转运锰离子的功能。

研究发现,PsaA不仅可以结合锰离子,还可以结合锌离子。PsaA通过His67和His139的氮原子,与Glu205和Asp280的氧原子与金属离子结合。其中,His67、His139和Asp280在与金属离子络合的过程中基本是不动的,相对运动的Glu205对络合强度进行调控。锰离子和PsaA结合时,采取的是八面体构型,而锌离子采取的是四面体构型。四面体构型更稳定,将锌离子牢牢地锁在PsaA中,使其无法释放。而PsaA与锰离子结合时,采取的八面体构型并非最优构型,这样蛋白就可以和锰离子可逆地结合,从而使PsaA起到运输锰的作用。

2 β-淀粉样蛋白

一些金属元素如Fe,Cu,Zn对维持身体的健康平衡有大的影响。以β-淀粉样蛋白为例,该蛋白由β淀粉样前体蛋白(APP)水解产生,在细胞基质沉积后有很强的神经毒性,可引发一系列疾病的产生,比如阿尔茨海默病(AD)。目前认为阿尔茨海默病的发病机理与β-淀粉样蛋白(Aβ)的异常沉积有关,而金属离子在其间扮演着重要的角色。

2012年Duce详细地归纳了近十几年对金属与Aβ相互作用的研究。APP在体内代谢方式有两种:在“无淀粉样蛋白途径”中,APP首先被α-分泌酶切割,然后再被γ-分泌酶降解成更小的可代谢分子;另一种是“淀粉样蛋白途径”,APP被β-分泌酶和γ-分泌酶先后作用,最后形成β-淀粉样蛋白。其中,α-分泌酶和β-分泌酶作用于APP的酶切位点很近,,两者相互竞争从而对Aβ在大脑中的积聚进行调控。这两种代谢途径都受金属离子的影响。首先,α-分泌酶的活性受到去整合素和金属蛋白酶(ADAM)的影响,而ADAM是一种受锌离子调控的金属蛋白,可以和多个锌离子结合。除了锌离子之外,铁离子也可以调控α-分泌酶的活性。在APP代谢过程中,一种叫弗林蛋白酶的转化酶源可以产生铁元素调节蛋白,进而调节生物体中铁元素的稳态。当铁元素含量较高时,弗林蛋白酶的含量会相对降低,α-分泌酶也会减小,相应的Aβ含量升高。

通过上述讨论可以看出,阿尔兹海默病受到许多金属离子的调控。对金属蛋白的研究可以促进我们早日研发出相关的药品,从而治愈阿尔兹海默症。

3 总结与展望

随着研究的深入,在生物体内发现了越来越多的金属蛋白,金属蛋白在机体内对生理活动进行调节,扮演着重要的作用。金属离子的失调会改变金属蛋白的生理活性,导致生命活动的紊乱,引发疾病并危害人体健康。研究金属蛋白对进一步了解它们的功能有着积极的理论和现实意义。在这方面的工作已经有了很大的突破,但是仍存在一些亟待解决的问题。比如许多与金属蛋白相关疾病的致病机理尚未阐明,一些金属蛋白的结构也还需要解析。我相信,随着科技的发展,在不久的未来这些问题一定可以得到解决。

参考文献

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