金屬離子對金屬蛋白的調控

摘 要：金屬離子在機體的正常運轉中發揮重要的作用，比如參與酶催化、氧的運輸等等。金屬離子和蛋白質通過配位作用形成金屬蛋白，在生命活動中發揮重要功能。本文分別以肺炎鏈球菌表面粘附素（PsaA）、β-淀粉樣蛋白為例，闡述金屬離子對金屬蛋白的調控作用。

關鍵詞：金屬離子；金屬蛋白；肺炎鏈球菌表面粘附素；β-淀粉樣蛋白

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

一些金屬離子比如鐵離子、鋅離子和銅離子等等在生命活動中發揮著重要的作用。金屬離子通過和蛋白質的配位作用形成金屬蛋白，參與生物體中許多過程，比如氧氣的儲存和運輸，金屬離子的轉運，電子的轉運與催化反應等等。金屬離子一般通過與多肽鏈氨基酸殘基上的碳、氮、氧進行配位體現生物活性。

許多金屬蛋白都可以和多種金屬離子結合，不同的金屬離子調控金屬蛋白的生物功能。本文分別以肺炎鏈球菌表面粘附素（PsaA）、β-淀粉樣蛋白為例，闡述金屬離子對金屬蛋白的調控作用。

1 肺炎鏈球菌表面粘附素

1881年，法國微生物學家Louis Pasteur發現了肺炎鏈球菌。我們知道，金屬離子在生物體中的分布是非常有序的，具有高度專一性的轉運體系對金屬離子的準確攝入起了關鍵作用。在肺炎鏈球菌中存在一種錳轉運蛋白，即特異性的ABC轉運系統PsaABC。細菌通過這種蛋白的轉運作用從宿主獲得錳元素來抵抗氧化應激反應并維持自身的毒性。PsaABC蛋白組由肺炎鏈球菌表面粘附素PsaA、細胞質中的ATP結合蛋白PsaB以及介導離子輸入的完整跨膜蛋白PsaC組成。其中，在肺炎鏈球菌（Sp）黏附在宿主的呼吸道黏膜過程中，肺炎鏈球菌表面粘附素（PsaA）起關鍵作用，并可以結合錳離子。通過錳離子與PsaA不完美的配位作用，促進了PsaA將錳離子釋放到細菌的特定部位，從而實現PsaA特異性地轉運錳離子的功能。

研究發現，PsaA不僅可以結合錳離子，還可以結合鋅離子。PsaA通過His67和His139的氮原子，與Glu205和Asp280的氧原子與金屬離子結合。其中，His67、His139和Asp280在與金屬離子絡合的過程中基本是不動的，相對運動的Glu205對絡合強度進行調控。錳離子和PsaA結合時，采取的是八面體構型，而鋅離子采取的是四面體構型。四面體構型更穩定，將鋅離子牢牢地鎖在PsaA中，使其無法釋放。而PsaA與錳離子結合時，采取的八面體構型并非最優構型，這樣蛋白就可以和錳離子可逆地結合，從而使PsaA起到運輸錳的作用。

2 β-淀粉樣蛋白

一些金屬元素如Fe，Cu，Zn對維持身體的健康平衡有大的影響。以β-淀粉樣蛋白為例，該蛋白由β淀粉樣前體蛋白（APP）水解產生，在細胞基質沉積后有很強的神經毒性，可引發一系列疾病的產生，比如阿爾茨海默?。ˋD）。目前認為阿爾茨海默病的發病機理與β-淀粉樣蛋白（Aβ）的異常沉積有關，而金屬離子在其間扮演著重要的角色。

2012年Duce詳細地歸納了近十幾年對金屬與Aβ相互作用的研究。APP在體內代謝方式有兩種：在“無淀粉樣蛋白途徑”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謝分子；另一種是“淀粉樣蛋白途徑”，APP被β-分泌酶和γ-分泌酶先后作用，最后形成β-淀粉樣蛋白。其中，α-分泌酶和β-分泌酶作用于APP的酶切位點很近，兩者相互競爭從而對Aβ在大腦中的積聚進行調控。這兩種代謝途徑都受金屬離子的影響。首先，α-分泌酶的活性受到去整合素和金屬蛋白酶（ADAM）的影響，而ADAM是一種受鋅離子調控的金屬蛋白，可以和多個鋅離子結合。除了鋅離子之外，鐵離子也可以調控α-分泌酶的活性。在APP代謝過程中，一種叫弗林蛋白酶的轉化酶源可以產生鐵元素調節蛋白，進而調節生物體中鐵元素的穩態。當鐵元素含量較高時，弗林蛋白酶的含量會相對降低，α-分泌酶也會減小，相應的Aβ含量升高。

通過上述討論可以看出，阿爾茲海默病受到許多金屬離子的調控。對金屬蛋白的研究可以促進我們早日研發出相關的藥品，從而治愈阿爾茲海默癥。

3 總結與展望

隨著研究的深入，在生物體內發現了越來越多的金屬蛋白，金屬蛋白在機體內對生理活動進行調節，扮演著重要的作用。金屬離子的失調會改變金屬蛋白的生理活性，導致生命活動的紊亂，引發疾病并危害人體健康。研究金屬蛋白對進一步了解它們的功能有著積極的理論和現實意義。在這方面的工作已經有了很大的突破，但是仍存在一些亟待解決的問題。比如許多與金屬蛋白相關疾病的致病機理尚未闡明，一些金屬蛋白的結構也還需要解析。我相信，隨著科技的發展，在不久的未來這些問題一定可以得到解決。

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作者簡介

鐘欣穎（1995-2）女，重慶永川，本科生，漢族，北京師范大學化學學院，研究方向：化學。