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铁蛋白结构与功能 摘要：铁元素是生物体中的半微量元素，铁元素子生物体内的平衡对生物体的健康有着很重要的作用，而作为可以调节体内铁元素平衡的铁蛋白很早就出现在学者的研究中。铁蛋白不仅直接在人体内发挥作用，也通过植物食物的铁元素积累影响着人类的健康，所以通过阅读了几篇文献后，简单概括一下目前对铁蛋白的结构和功能的研究情况。关键词： 铁蛋白 结构 功能铁是生物体很重要的一种半微量元素，对生物体的健康有着极为重要的作用，铁在动物体内参与造血、运输氧气、免疫和防御等生理过程，在植物体内则参与叶绿素的形成，但是铁含量超标则会造成消化功能紊乱、生长受阻等。所以，维持生物体体内铁含量平衡至关重要。铁蛋白是生物体内的铁贮藏蛋白质，起着调节生物体铁平衡的作用。目前，在动物、植物和微生物体内都对铁蛋白进行了大量研究1，除了对其基因2、结构和功能做了大量研究之外，也在不断探索研究铁蛋白的方法3、铁蛋白的新作用4-5以及铁蛋白的作用方法等6-7。由于铁元素在生物体内的重要作用和植物性食物的铁含量很低，甚至在某些地区有缺铁现象的发生，为了提高植物食物中的铁含量，有学者已经开始了通过转基因技术，将豌豆铁蛋白基因专人水稻8-9。虽然铁蛋白对动物和植物都很重要，但是无论是存在分布、结构和功能上，动物和植物体内的铁蛋白都不同10。与动物铁蛋白相比，植物铁蛋白具有两个显著的特点：首先，植物铁蛋白在其N端具有一个独特的EP肽段；其次，植物铁蛋白只含有H型亚基，且有两种不同的H型亚基组成。1. 铁蛋白的结构 铁蛋白分子通常由24个亚基形成一个中空的球状蛋白质外壳，内径通常为78nm，外径为1213nm，厚度为22.5nm。每个球状铁蛋白分子大约有4500个三价铁原子储存在其中。每两个铁蛋白亚基反向平行形成一组，再由这十二组亚基对构成一个近似正八面体，成4-3-2重轴对称的球状分子 (图1)。每个铁蛋白亚基外形成空心的柱状(长约5nm，直径约2.5nm)，且由一个两两成反向平行的4个螺旋簇 (A、B和C、D)、C末端第五个较短螺旋(E)以及N末端的伸展肽段 (EP) 构成。B和C螺旋之间由一段含18个氨基酸的BC环连接，E螺旋位于4螺旋簇的尾端并与之成 60 夹角 (图2)。每个铁蛋白分子形成12个二重轴通道、8个三重轴通道和6个四重轴通道，这些通道被认为是铁蛋白内部与外部离子出入铁蛋白的必经之路，起着联系铁蛋白内部空腔与外部环境的作用。 图1 图2植物铁蛋白和动物铁蛋白起源是相同的，但足植物铁蛋与动物铁蛋白有以下几方面的不同之处：(1) 分布不同：植物铁蛋白主要存在于质体中(叶子的叶绿体中，种子的淀粉体巾)，而动物铁蛋白则存在于细胞质中埋；(2)表达调控水平不同：动物铁蛋白的表达严格受控于铁反应元件和铁调节蛋白的相互作用，是属于转录水平的调控；而植物铁蛋白基因的表达主要在翻译水平一；(3)通道亲疏性不同：动物铁蛋白中，3倍轴是亲水性的，4倍轴通道是疏水性的，而在植物铁蛋白中，这两种通道都是亲水性的；(4)亚基结构不同：对于哺乳动物来说，铁蛋白通常由H(重链，分子量约为2lkDa)和L(轻链，分子量约为195kDa)两种类型的亚基组成，二者氨基酸序列具有55的相似度，而且功能截然不同。H型亚基包含一个由His65、GIu27、Glu61、Glul07、Tyr34、Glu62和Glnl4l七个保守的氨基酸组成的亚铁氧化中心，主要负责亚铁离子的快速氧化，1个亚铁氧化中心可同时结合2个Fe2+离子；而L型亚基缺乏这个活性中心，但是它含有一个成核中心，负责亚铁离子的缓慢氧化以及矿化核的形成。而且两种亚基的组成比例具有组织特异性，例如：心脏和脑由于铁代谢旺盛而富含H型亚基，肝脏和脾脏由于主要用于铁的长期储藏而富含L型亚基。另外，对于牛蛙等两栖动物来说，其红细胞中铁蛋白除了具有与哺乳动物类似的H和L型亚基外，还存在一种包含一个亚铁氧化中心的M型亚基或叫做类H型亚基，三种亚基可以形成杂合体铁蛋白。对于植物铁蛋白来说，亚基结构明显不同于动物铁蛋白。组成铁蛋自的24个亚基均为H型亚基，每个亚基都含有一个亚铁氧化中心，其氨基酸组成与动物铁蛋白H型亚具有约40的相似度。到目前为止，已经从豌豆、大豆、黑豆、玉米，苜蓿以及拟南芥等植物种中分离得到了铁蛋白这些植物铁蛋白都是由26.5kDa(H-1)和28.0kDa(H-2)两种亚基组成。2. 植物铁蛋白的功能2.1铁离子解毒和储存 在体内，铁蛋白可储存机体中的过剩铁，避免产生铁中毒；另一方面，可以释放铁给需铁的细胞，用于体内合成含铁的蛋白质。铁蛋白是非红细胞中主要的铁绑定蛋白。铁蛋白合成的增加引起了铁储存的增加，抑制了细胞对铁的释放。在胃肠粘膜中，铁蛋白在调节铁进人体内中发挥重要作朋，它通过储存不需要的铁，然后当细胞脱落时将其排出体外。铁蛋白在大多细胞中只是部分饱和，每分子少于1500个铁原子。当铁进入细胞后，其中有一部分不是马上被细胞利用，而是被储存在铁蛋白中，铁蛋白把铁由溶解状态转化成固定相。被存储的铁作为一个备用铁库，当外源的可利用的铁不足时再被细胞利用。铁储存到铁蛋白中分为4个步骤：Fe2+的进入及氧化、Fe3+的迁移、铁核形成以及铁核的增大，每个阶段在时间和空间上都是独立的。Fe2+的进入是发生在铁蛋白与细胞质接触面上的一个迅速的过程，Fe2+的氧化发生在蛋白壳中，将Fe2+绑定在位于亚基螺旋折叠内部的一个特殊位点亚铁氧化酶中心，Fe2+和分子氧反应生成了Fe(OH)3，由于Fe(OH)3溶解度很低，Fe2+和O2的反应可以不断进行，其速率是根据铁的浓度变化的二变化。Fe3+移向空腔表面，继而成核、矿化，最后形成铁核。 2.2抗氧化功能所有的铁蛋白都可以在有氧条件下与溶液中的Fe2+反应。铁离子螯合在内部的空心结构中，抑制铁氧化反应，从而保护细胞不受铁过量引起的氧化损害；而且亚铁氧化中心能利用芬顿反应的反应物阻止自由基的产生，所以认为铁蛋白具有抗氧化功能。在生物体内，铁参加很多生理生化进程，如氧的运输、电子传递和DNA复制等。然而，细胞中铁含量过高会导致蛋白、脂肪和DNA的氧化损害，从而造成细胞损伤和死。铁的毒性在体内主要表现为促进了活性氧自由基的生成，除去Fe2+的酶系统可以减少铁的毒性。铁蛋白的H链具有铁氧化酶活性，可螯合溶液中的二价铁以减少由芬顿反应引起的脂肪过氧化。铁过量时导致了肝脏损害，主要是因为铁过量增加了细胞膜脂肪的过氧化，而由此引起的保护效应，即是细胞增加了铁蛋白的合成，并以无毒的形式来沉积大量的铁。铁蛋白H亚基与L亚基相比，在吸收和释放铁方面，其作用更积极，并且在阻止由过鼍铁引起的氧化损害时起到重要的作用。线粒体中的铁蛋白，可以保护线粒体免受氧化损伤；在一些细胞中H亚基可以转移到细胞核中以阻止过量的铁损害DNA。在细胞培养中观察到铁蛋白可以抑制氧化损伤。许多与氧化应激有关的因素直接或者间接地通过调整IRP的活性来调节铁蛋白基因的表达，这表明铁蛋白在阻止氧化损伤过程巾发挥作用。2.3作为急性时相反应蛋白 铁蛋白不仅是主要的铁调节蛋白，而且是也是细胞用来抵抗应激和炎症的一种蛋。在组织损伤、炎症或感染时，体内许多血浆成分的浓度可以在数小时内出现显著的改变，这种改变总称急性时相反应。急性时相反应时，出现显著变化的血浆成分主要是一些蛋白质，称为急性时相反应蛋白，是一种循环蛋白。它们的浓度变化有重要的临床意义。在狗发生炎症的部位发现巨噬细胞含有高浓度的细胞内铁蛋白。2.4铁蛋白作为生物纳米材料 由于铁蛋白具有特殊的结构，铁蛋白不仅仅可以在蛋白质内部空腔装载铁核，而且可以利用脱铁铁蛋白的蛋白质外壳作为载体装载其它可供利用的金属离子以制备纳米材料。将铁蛋白内部的铁核在无氧条件下通过化学还原反应除去得到脱铁的铁蛋白，随后用各种物理化学方法将其它矿物质离子加入到脱铁蛋白当中，最后形成新型的功能性生物纳米颗粒。通过铁蛋白作为载体的金属纳米材料运载体系，它可以克服金属离子溶解度低、易受环境物质干扰的缺点，进而大大提高被包被材料的生物利用率。 铁蛋白除可以储存铁和其他重金属离子以外，还可以贮存一些有机小分子物质，因此完全有可能将铁蛋白进行改造，利用它作为合成生物来源的纳米材料。若能在它的蛋白壳空腔内组装药物，并使它的外蛋白壳与生物素或特定的抗体相结合，就可以实现药物的定向传递，并且可以避免产生免疫原性的问题。参考文献：1陈静,赵永亮,王丹.铁蛋白研究现状J.河南师范大学学报,2010,1(1):153-155.2李忻怡,张伟,林浴霜,等.青岛文昌鱼铁蛋白ferritin基因的序列分析同源性比较及二级结构预测.山东大学学报,2003,12(5):116-120.3曹廷明,黄河清,孔波.分析技术在铁蛋白结构与功能研究中的应用.分析仪器，2003（2）:38-41.4王群力,孔波,黄河清.铁蛋白纳米蛋白壳结构与功能研究新进展.化学进展,2004,7:517-519.5赵广华,云少君.植物铁蛋白结构性质及其在纳米材料制备中的应用.山西大学学报.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刘宝娟,张文兵.铁蛋白的结