第五六章鐵-硫蛋白和其他非血紅素鐵蛋白

第五章鐵-硫蛋白和其他非血紅素鐵蛋白第一節(jié)鐵載體(siderophores)第二節(jié)鐵蛋白(ferritin)第三節(jié)鐵傳遞蛋白(transferrin,Tf)第四節(jié)鐵硫蛋白(FeSprotein)血紅素蛋白(heme)和非血紅素蛋白(nonheme)非血紅素蛋白

鐵蛋白：貯存鐵鐵傳遞蛋白：輸送鐵鐵硫蛋白：傳遞電子蚯蚓血紅蛋白：載氧

NiFe氫化酶：催化甲烷單加氧酶：催化原兒茶酸根3,4-雙加氧酶：催化固氮酶：催化etc.

血紅素蛋白細胞色素：傳遞電子血紅蛋白：儲氧肌紅蛋白：儲氧細胞色素P450：催化辣根過氧化物酶:催化

etc.一些非血紅素鐵蛋白的生理功能非血紅素鐵蛋白生理功能來源鐵蛋白血清鐵傳遞蛋白卵鐵傳遞蛋白乳鐵傳遞蛋白貯存、輸送鐵動物組織血清卵清乳紅氧還蛋白鐵氧還蛋白腎上腺皮質(zhì)鐵氧還蛋白傳遞電子細菌葉綠體、細菌腎上腺皮質(zhì)蚯蚓血紅蛋白載氧星蟲、蚯蚓順烏頭酸酶鄰苯二酚雙加氧酶氫酶催化動植物細菌細菌、藻類第一節(jié)鐵載體(siderophores)

Siderophoresaresmallmolecularweight,high-affinityiron-bindingcompoundsthatcanscavengetheironawayfromthehigh-affinityiron-bindingproteins.

鐵是生物體必需的微量元素，也是人體中含量最豐富的過渡金屬元素。那么生物體系中鐵是如何被吸收，運送和儲存的呢？長期的生物進化使不同生物擁有不同的維持鐵離子動態(tài)平衡的機制，使生物體吸收的鐵以金屬酶，金屬蛋白或小分子配合物的形式存在于生物體中。鐵載體(siderophores)

植物、微生物的生存，要求環(huán)境中鐵濃度足夠高，方能滿足其DNA合成血紅素所需的鐵。為了能與氫氧根等有效地競爭鐵(III)，細菌，真菌和植物種子等會分泌一些對鐵(III)具有高度親和力的復(fù)雜有機物，使難溶的鐵活化，這些有機物可與鐵形成非常穩(wěn)定的八面體配合物。鐵載體就是分子量低，對鐵有專一螯合作用，微生物和植物用以由環(huán)境吸收鐵的復(fù)雜有機物的總稱。按照其分泌的種屬，鐵載體有微生物鐵載體(siderophore)和植物鐵載體(phytosiderophore)兩大類。鐵載體的結(jié)構(gòu)類型

鐵載體與鐵形成非常穩(wěn)定的低電荷配合物，有利于高電荷鐵(III)離子跨過親脂性膜，實現(xiàn)鐵(III)的吸收，運輸過程。氧肟酸鹽型(hydroxamatetype);鄰苯二酚型(catecholtype)氧肟酸鹽型

(hydroxamatetype)Crystalstructureofferrichrome

鐵色素

腸桿菌素,Enterobactin鄰苯二酚型

(catecholtype)Enterobactin+Fe

鐵載體的性質(zhì)根據(jù)軟硬酸堿規(guī)則，鐵載體中屬于硬堿的配位原子(氧)可與屬于硬酸的Fe3+配位，形成穩(wěn)定的配合物。研究表明,含有三個雙齒配體的鐵載體與Fe3+的結(jié)合常數(shù)大于1030。雖然鐵載體也可與Ga3+及人造錒元素結(jié)合,但是與Al3+及所有二價金屬離子的結(jié)合能力是相當(dāng)弱的，因此自然界出現(xiàn)的金屬離子中,鐵載體僅對Fe3+選擇性性結(jié)合。所結(jié)合的Fe3+處于高自旋態(tài)(HS),動力學(xué)性質(zhì)是活潑的，使鐵載體結(jié)合的Fe3+能向細胞內(nèi)其它配體或蛋白質(zhì)釋放鐵。

鐵的釋放機理關(guān)于釋放鐵的機理，目前比較普遍的看法是：在細胞內(nèi)，首先Fe3+被還原為Fe2+，之后通過質(zhì)子化作用將結(jié)合不牢固的Fe2+從載體上置換下來。第二節(jié)鐵蛋白(ferritin)

高等植物，微生物，哺乳動物的各種細胞中都含有儲鐵蛋白。細胞類型不同儲鐵功能也有所不同。哺乳動物體內(nèi)主要儲存鐵的蛋白質(zhì)，主要分布在動物的脾臟(spleen),肝臟

(liver)和骨髓(bonemarrow)中，植物的葉綠體和某些細菌中也發(fā)現(xiàn)有鐵蛋白。鐵蛋白為機體內(nèi)一種貯存鐵的可溶組織蛋白，正常人血清中含有少量鐵蛋白；肝癌患者治療有效者血清鐵蛋白下降，而惡化和再發(fā)者升高，持續(xù)增高則予后不良，故血清鐵蛋白測定可作為療效監(jiān)測手段之一。儲鐵蛋白是一個具有某種不均一性的分子，整個分子有一個直徑為13nm殼厚約為2.5nm蛋白質(zhì)外殼。它由24個亞基組裝而成；沿三，四重軸方向的通道使蛋白質(zhì)殼與外部聯(lián)系，其中8個三重軸通道由親水氨基酸殘基(Asp,Glu,His,Tyr)排列而成，即親水性通道；而6個四重軸通道排列有多個親脂性殘基，即疏水性通道。無論是儲鐵蛋白還是脫鐵儲鐵蛋白，其外殼的大小和亞基的排列方式基本不變。蛋白質(zhì)殼內(nèi)是一個無機物復(fù)合體的鐵核，鐵就聚積在鐵核內(nèi)，其鐵含量為~4500個Fe3+不等,主要成分為[(FeOOH)8(FeOPO3H2)]，鐵的堿式磷酸鹽微晶排列而成。

鐵蛋白的結(jié)構(gòu)特點鐵蛋白的結(jié)構(gòu)

儲鐵蛋白的主要生物功能是鐵的儲存，即機體或細胞鐵過剩時可吸收鐵，而缺少時又可釋放鐵。研究表明，鐵積聚于儲鐵蛋白的初始階段包括Fe2+通過三重軸方向親水性通道進入蛋白質(zhì)內(nèi)殼，在氧的存在下，被氧化為Fe3+，F(xiàn)e3+水解形成鐵核，該氧化，成核過程隨吸收鐵的增加而變化。在低鐵(Fe/protein<50)吸收過程中，鐵(II)的氧化和成核可用下式表示

2Fe2++O2+4H2O→2FeOOHcore+H2O2+4H+

當(dāng)高鐵(Fe/protein>200)時,氧化反應(yīng)和水解反應(yīng)分兩步進行:

4Fe2++O2+4H+→4Fe3++2H2O------氧化

4Fe3++8H2O→4FeOOHcore+12H+----水解

4Fe2++O2+6H2O→4FeOOHcore+8H+------總反應(yīng)儲鐵蛋白的功能

在鐵成核的初期，鐵的結(jié)合與氧化發(fā)生在蛋白殼的內(nèi)表面。鐵核一旦形成，鐵的氧化，水解及核生長就像普通的無機反應(yīng)一樣。這一性質(zhì)使脫鐵儲鐵蛋白被用作無機納米粒子合成的反應(yīng)籠腔(nanodimensionalcavity).無機鐵核晶體生長的前提是形成Fe3+簇。何處成核與蛋白質(zhì)殼內(nèi)表面的負電荷有關(guān)，成簇的谷氨酸殘基有利于成核區(qū)的形成。在還原劑的存在下，儲鐵蛋白可將Fe3+以Fe2+的形式向外釋放，這一過程受介質(zhì)組成，酸度等影響。介質(zhì)中螯合劑的存在，降低pH均能促使鐵的釋放。59Fe放射性標記證實，儲鐵蛋白最先釋放的鐵對應(yīng)于成核時最后結(jié)合的鐵，表明鐵的釋放過程也是高度有序的化學(xué)反應(yīng)。

體內(nèi)暫時不用的鐵，由鐵傳遞蛋白運送給脫鐵鐵蛋白，然后經(jīng)過中介體焦磷酸鐵，生成上述的含鐵微團，最后與脫鐵鐵蛋白結(jié)合生成鐵蛋白而儲存起來。當(dāng)肌體需要時，在還原劑作用下使處于鐵蛋白核心的微團中的Fe(III)還原為Fe(II)釋放出來。

鐵的貯存：

Fe2+

e

Fe3+nFe3++脫鐵鐵蛋白

鐵蛋白

鐵的釋放：鐵蛋白+ne

脫鐵鐵蛋白+nFe2+

第三節(jié)鐵傳遞蛋白(transferrin,Tf)NormalIronAbsorptionandMetabolismAllbodycellsneediron.Thehumanbodycontainsanaverageof3.5gofiron.ThetypicaldailyAmericandietcontains10–20mgofiron.Onlyabout10%ofdietaryironisabsorbed(1–2mg/day).Mostabsorbedironistransportedinthebloodstreamboundtotheglycoproteintransferrin.Transferrinisacarrierproteinthatplaysaroleinregulatingthetransportofironfromthesiteofabsorptiontovirtuallyalltissues.

哺乳動物可以吸收的鐵有兩類：血紅素鐵和非血紅素鐵。在腸粘膜內(nèi)，血紅素氧化酶使血紅素以Fe2+的形式釋放;因此血紅素鐵引起高生物利用率成為從食物中吸收鐵的重要來源。進入腸道的非血紅素鐵多為Fe3+，腸道內(nèi)的黏液可以避免Fe3+的水解沉淀，同時腸道內(nèi)的還原劑如維生素c等還原酶將Fe3+還原為Fe2+,使Fe2+進入小腸上皮細胞。

成年人的鐵含量為4.5~5.5mg/kg，其中60-70%以血紅蛋白的形式存在；10%以肌紅蛋白，細胞色素，含鐵酶等存在；儲鐵蛋白的鐵為總鐵量的20~30%；運鐵蛋白形式存在的鐵僅為0.1%(3mg)。血漿中運鐵蛋白運輸率30mg/24h。通過運鐵蛋白每天有近24mg的血漿鐵(III)被運到骨骼中用以血紅蛋白的合成，約5mg的血漿鐵(III)被運到非血紅素細胞組織(如肝)，有近1mg血漿鐵損失。因此，人體要保持微量元素鐵的平衡，每天要吸收1mg的鐵。盡管運鐵蛋白含鐵量很少但在鐵的調(diào)控中他是最重要的鐵源。鐵傳遞蛋白是一類金屬鍵合蛋白，對于維持生命體中鐵的含量以及鐵的新陳代謝起著重要作用。根據(jù)來源不同可將其分為四類：血清運鐵蛋白(serumtransferrin),伴清運鐵蛋白(ovotransferrin),乳運鐵蛋白(lactoferrin),黑素運鐵蛋白(melanotransferrin)。運鐵蛋白為單肽鏈糖蛋白，含680~700個氨基酸殘基，可折疊成兩個結(jié)構(gòu)相似的球形葉片，分別對應(yīng)著N端葉片(N-lobe)和C端葉片(C-lobe)。兩球形葉片由一短肽相連接。每個葉片又可分為兩個大小相似的結(jié)構(gòu)域，分別由螺旋折疊交替出現(xiàn)而形成。結(jié)構(gòu)域內(nèi)有二硫鍵。兩結(jié)構(gòu)域間存在一狹縫以結(jié)合鐵(III)。鐵傳遞蛋白的分類與結(jié)構(gòu)人乳鐵蛋白分子的三維結(jié)構(gòu)FromBrJOphthalmol2005;89:684

①與不同金屬離子的結(jié)合：在生理條件下，CO32-為伴陰離子時，人血清運鐵蛋白可逆結(jié)合2個鐵離子，平衡常數(shù)為LgK1=21.4,Lgk2=20.3；研究指出，當(dāng)缺乏碳酸氫根HCO3-時，F(xiàn)eIII-Tf特征粉紅色消失，表明FeIII與Tf結(jié)合必須有陰離子存在，據(jù)此認為,對于脫鐵鐵傳遞蛋白與Fe(III)的穩(wěn)定配位，血液中CO2是不可缺少的。Fe3++H3Tf+HCO3-

Fe-Tf-HCO3-+3H+

鐵傳遞蛋白的功能特點應(yīng)該指出，除鐵外，運鐵蛋白還可與大量的其它金屬離子結(jié)合，包括過渡金屬，鑭系，錒系以及第三主族離子等。由于血液中人血清運鐵蛋白僅有30%的金屬離子結(jié)合部位由鐵(III)占據(jù)，其余金屬離子與運鐵蛋白的結(jié)合同樣具有重要的生物學(xué)意義。如運鐵蛋白是Mn在血液中的主要運載體;血液透析病人血漿中Al的主要結(jié)合蛋白；在Zn的運輸中，運鐵蛋白具有較白蛋白更積極的作用；Ga與運鐵蛋白的穩(wěn)定結(jié)合可實現(xiàn)腫瘤定向化療提供新的途徑；鐵蛋白作為La系離子進入生物體的有效載體，對稀土生物效應(yīng)的發(fā)揮起著重要作用。另外，鑭系離子特有的發(fā)光效應(yīng)使其可作為針對運鐵蛋白進行光譜研究。脫鐵鐵傳遞蛋白雖能結(jié)合一系列二價和三價金屬離子，但穩(wěn)定性遠不如與Fe3+的結(jié)合。脫鐵鐵傳遞蛋白不能結(jié)合Fe2+或結(jié)合很弱。因此在血液里脫鐵鐵傳遞蛋白與Fe3+的結(jié)合最有效。②與陰離子結(jié)合：陰離子可與運鐵蛋白結(jié)合并發(fā)揮重要作用。根據(jù)其結(jié)合特性可分為伴陰離子和非伴陰離子。伴陰離子在專一結(jié)合位點發(fā)揮調(diào)節(jié)作用以促進運鐵蛋白金屬結(jié)合及釋放的特性是區(qū)別于普通陰離子所在。

運鐵蛋白是唯一需要伴陰離子參與的金屬蛋白,生理條件下。伴陰離子應(yīng)滿足以下條件：1.一端為羧基，另一端為給電子基團；2.適宜的立體結(jié)構(gòu)。一些陰離子雖然不能作伴陰離子，但能與運鐵蛋白特異性結(jié)合，從而影響兩個金屬鍵合位點的相對穩(wěn)定性，并對金屬離子的釋放產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。一些無機陰離子與運鐵蛋白的結(jié)合強度序列為：PO43->SO32->HCO3->NO3->Cl-。

③鐵傳遞蛋白構(gòu)象變化

構(gòu)象變化是運鐵蛋白與金屬結(jié)合與釋放過程伴隨的重要特征之一。金屬結(jié)合，運鐵蛋白金屬鍵合狹縫有開放到關(guān)閉變化；相反金屬釋放，有關(guān)閉到開放變化。誘發(fā)蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的因素較多，其中pH,鹽橋以及第二配位層等因素比較重要。當(dāng)pH

7時，釋放Fe3+；pH

4時，鐵傳遞蛋白釋放出全部的Fe3+，變?yōu)槊撹F鐵傳遞蛋白。

Lactoferrin,withFeBound

withoutFeBound

Lactoferrin,withFeBoundLactoferrinwithoutFe

鐵的生物調(diào)控

對于哺乳動物，鐵(III)被食物中的還原劑及腸絨毛細胞上的鐵(III)還原酶還原為鐵(II)，經(jīng)二價金屬離子轉(zhuǎn)運蛋白的轉(zhuǎn)運使鐵(II)進入小腸上皮細胞，再有多銅氧化酶將其氧化為鐵(III)后，與血液中的脫鐵運鐵蛋白結(jié)和形成穩(wěn)定的金屬蛋白配合物，血液循環(huán)使雙鐵(III)運鐵蛋白在運鐵蛋白受體介導(dǎo)下經(jīng)細胞內(nèi)吞過程將鐵（III）定向地輸運到需鐵組織細胞，有盈余時以儲鐵蛋白的形式儲存下來。顯然，脫鐵運鐵蛋白，運鐵蛋白受體，儲鐵蛋白的量對鐵的吸收與利用有非常大的影響。

Reference

錢忠明，2000年，鐵代謝---基礎(chǔ)與臨床楊頻，高飛，2002年，生物無機化學(xué)原理

RaymondKN.PNAS,100(7),3584,2003。第四節(jié)鐵硫蛋白，ironsulphurprotein鐵硫蛋白是一類含有FenSm

簇核的非血紅素鐵蛋白。所有鐵硫蛋白中的鐵都可變價，其主要功能是作為電子傳遞體參與生物體內(nèi)多種氧化還原反應(yīng)，特別是在生物氧化，固氮作用和光合作用中具有重要意義。它們都具有較低的氧化還原電位，鐵的變價是它們傳遞電子的基礎(chǔ)。根據(jù)氧化還原中心的組成和結(jié)構(gòu)，通常鐵硫蛋白分為三大類:

Fe(Cys)4Fe2S2(Cys)4Fe4S4(Cys)4

其它類型鐵硫蛋白Fe2S2(Cys)4(His)2Fe4S4(Cys)3(His)Fe4S4(Cys)3(Asp)Fe3S3(Cys)3Fe8S6(Cys)6Fe(Cys)4:紅氧還蛋白(rubredoxin,Rd)