603-00-9 / 金屬硫蛋白的作用

背景及概述^[1][2]

金屬硫蛋白（metallothionein，MT)是一類(lèi)廣泛存在于生物中的低分子質(zhì)量(6 ~ 7 kD)、無(wú)芳香族氨基酸、富含金屬與半胱氨酸( Cys 20 %?30 % )的獨(dú)特生物學(xué)特性的金屬結(jié)合蛋白。1957年，美國(guó)科學(xué)家Margoshes和Vallee最早從馬腎中分離得到金屬硫蛋白，繼1975年P(guān)rinz從釀酒酵母中分離得到Cu- MT后，1977年科學(xué)家又從大豆的根中分離出富含Cd2+的類(lèi)金屬硫蛋白。

金屬硫蛋白中大量巰基賦予了其螯合重金屬離子功能及重金屬解毒作用，同時(shí)MT清除自由基的能力明顯強(qiáng)于超氧化物歧化酶和谷胱甘肽，并調(diào)節(jié)生物體內(nèi)微量元素濃度，調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝、增殖分化，在食品、醫(yī)藥、保健、環(huán)境、化妝品、生物工程等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。近年來(lái)，M T由于獨(dú)特的生物學(xué)功能，逐漸受到重視并成為研究的熱點(diǎn)。

特性^[3]

1. 組成：金屬硫蛋白有獨(dú)特的組成和性質(zhì)，先前研究發(fā)現(xiàn)MT進(jìn)化具有高度保守性，根據(jù)金屬含量及氨基酸組成的不同可將金屬硫蛋白分為MT- I、MT- II、MT- III及MT- I V 4種亞型結(jié)構(gòu)。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，不同生物體內(nèi)提取出的MT分子的形狀大小相差甚小，氨基酸序列同源性相對(duì)較高。

MT的相對(duì)分子量為6~ 7 kD，分子中含有6 1 個(gè)氨基酸，大部分MT含有20 個(gè)Cys，少數(shù)含有21 個(gè)Cys，且易與重金屬離子絡(luò)合。MT的高級(jí)結(jié)構(gòu)主要有2 個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域組成，即含4 個(gè)金屬離子結(jié)合位點(diǎn)的a 域（羧基端）和含有3 個(gè)金屬離子結(jié)合位點(diǎn)的P 域（氨基端），整個(gè)分子呈啞鈴狀，這種結(jié)構(gòu)使M T具有很好的熱穩(wěn)定性。近年來(lái)，綜合利用核磁共振（nmR) 質(zhì)譜儀（MS) 技術(shù)及X 射線衍射技術(shù)，發(fā)現(xiàn)利用C d誘導(dǎo)哺乳動(dòng)物金屬硫蛋白，a 域能夠結(jié)合Cd2 達(dá)5 個(gè)以上。

2. 等電點(diǎn)：電泳的方法可以確定蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)，金屬硫蛋白等電點(diǎn)pi —般在4 左右，低pH值下較穩(wěn)定。哺乳動(dòng)物MT的p i范圍在3. 9 ~4. 6，現(xiàn)有的水生生物M T的p i通常在3.5 ~ 6.0 范圍內(nèi)。蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)時(shí)，因?yàn)闆](méi)有相同電荷而互相排斥的影響，溶解度最小，極易沉淀析出，因此可以根據(jù)蛋白質(zhì)帶電性質(zhì)的差異、形狀大小的不同通過(guò)電泳的方法。

3. 可誘導(dǎo)性：金屬硫蛋白作為一種應(yīng)激蛋白，具有顯著的可誘導(dǎo)性，可以采用物理或者化學(xué)方法對(duì)生物體進(jìn)行誘導(dǎo)產(chǎn)生MT。最常用的方法是重金屬誘導(dǎo)，許多金屬例如Hg、Ag、Cu、Cd、Z n等都能誘導(dǎo)M T的合成。一些激素如糖皮質(zhì)激素、腎上腺激素、胰高血糖素和環(huán)磷酸腺苷( cAMP )等通過(guò)增加肝臟MT- mRNA的水平誘導(dǎo)M T的合成。日常生活中，生物體會(huì)在各種外在刺激條件下引起MT合成增加，從而防衛(wèi)保護(hù)機(jī)體。

4. 穩(wěn)定性與光譜特性：在酸性條件下，MT上結(jié)合的金屬可以脫去，去金屬的硫蛋白在低pH值下較穩(wěn)定。中性條件下，硫蛋白分子間發(fā)生二硫交聯(lián)，進(jìn)而形成大分子聚合物，生理活性發(fā)生一些變化。因此，環(huán)境中p H 的高低、MT結(jié)合金屬與否，以及結(jié)合金屬的種類(lèi)直接影響MT的穩(wěn)定性和存在形式。

MT的特征吸收峰與其氨基酸組成和所結(jié)合的金屬種類(lèi)密切相關(guān)，一般蛋白質(zhì)在280 nm處有特征吸收峰，由于MT不含芳香族氨基酸且金屬通過(guò)硫酯鍵與蛋白質(zhì)結(jié)合因而具有特殊吸收光譜。MT與不同金屬結(jié)合產(chǎn)生的不同的特征吸收峰為：Zn-MT225 nm，Cd-MT2 5 0 nm，Cu- MT275 nm，Hg-MT 300 nm，因此可以根據(jù)吸收峰的不同對(duì)MT進(jìn)行分離鑒定。

生物學(xué)作用

1. 解除或降低重金屬的毒害作用

重金屬元素具有蓄積毒性，當(dāng)重金屬在機(jī)體蓄積達(dá)到一定量后，會(huì)導(dǎo)致重金屬中毒。研究表明，當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)重金屬急性中毒后，會(huì)出現(xiàn)惡心、嘔吐等癥狀。機(jī)體長(zhǎng)期處于重金屬的環(huán)境，心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)等會(huì)受到嚴(yán)重傷害。金屬硫蛋白中大量巰基賦予其螯合重金屬離子功能，進(jìn)而解除重金屬對(duì)大腦、肝、腎等重要器官的損傷。有關(guān)M T對(duì)重金屬的解毒作用的報(bào)道已經(jīng)有很多。

研究表明，鉛引起的腦組織脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)的增強(qiáng)與M T的缺失有關(guān)，并引發(fā)鉛的神經(jīng)發(fā)育毒性。MT結(jié)合金屬能力的順序?yàn)镠g2+> Ag+> Cu2+> Cd2+> Zn+，且MT與Cd2+或者Ag+螯合后，其他金屬將很難置換Cd2+和Ag+[34]。MT具有抗酶解的優(yōu)點(diǎn)，能夠被人體完整吸收。MT不但對(duì)重金屬元素有抑制和解毒的作用，在基本元素的調(diào)節(jié)中也起重要作用，是目前臨床上最理想的生物螯合解毒劑。

2. 清除自由基和抗氧化作用

機(jī)體在新陳代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些具有強(qiáng)氧化性的化合物，如羥基自由基、氧自由基等，這些自由基會(huì)損害機(jī)體的組織和細(xì)胞，進(jìn)而引發(fā)健康問(wèn)題，并出現(xiàn)衰老等生理現(xiàn)象。M T中的巰基能保護(hù)細(xì)胞器及其他重要的生化物質(zhì)，如酶類(lèi)、DNA等免受自由基的侵害。MT清除自由基能力較強(qiáng)，清除氧自由基的能力是谷胱甘肽的2 5 倍，清除羥基自由基的能力是超氧化物歧化酶的10000倍。

研究發(fā)現(xiàn)，大米和西瓜中的重組MT可以有效地清除巰基自由基。金屬硫蛋白是體內(nèi)最佳的抗氧化調(diào)節(jié)劑，抗氧化特性一直備受科學(xué)家的關(guān)注。MT可以通過(guò)結(jié)合或釋放金屬離子來(lái)調(diào)節(jié)自由基的水平，對(duì)由于金屬離子調(diào)節(jié)機(jī)制穩(wěn)態(tài)失衡對(duì)機(jī)體造成的氧化損傷起到一定預(yù)防和修復(fù)作用。MT易被多種機(jī)制誘導(dǎo)產(chǎn)生，防止細(xì)胞因氧化所造成的炎性浸潤(rùn)，顯著提高機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)能力及抗氧化能力。

3. 抗腫瘤功能

癌癥是人體的頭號(hào)殺手，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)迫切需求新型有效的抗癌藥物，M T抗腫瘤的生物功能已經(jīng)引起人們的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)MT參與腫瘤細(xì)胞的分化、增生及凋亡，同時(shí)MT的重金屬解毒，抗自由基作用可保護(hù)細(xì)胞抵御致癌物質(zhì)的作用。

在一些腫瘤組織中，可檢測(cè)到MT的過(guò)度表達(dá)，研究發(fā)現(xiàn)，MT在機(jī)體中表達(dá)與腫瘤組織的分化有一定聯(lián)系，MT的表達(dá)與腫瘤組織的分化成反比，進(jìn)而說(shuō)明M T的抗腫瘤作用。MT參與腫瘤細(xì)胞的分化和增生，降低癌癥發(fā)生的概率，并能有效減輕抗腫瘤藥物毒副作用。細(xì)胞受致癌物刺激后會(huì)產(chǎn)生一系列的保護(hù)機(jī)制來(lái)清除致癌物，MT作為一種細(xì)胞凋亡抑制劑，其水平增高可能是這些保護(hù)機(jī)制之一。

4. 抗輻射

金屬硫蛋白組分具有一定的抗電離輻射的能力，各種電離輻射作用下大量的自由基會(huì)在機(jī)體產(chǎn)生，生物體功能將直接或間接受到損傷。研究發(fā)現(xiàn)，小鼠經(jīng)過(guò)一次性強(qiáng)額度電離輻射后，可誘導(dǎo)小鼠肝臟MT- mRNA的轉(zhuǎn)錄，從而顯著延長(zhǎng)小鼠存活時(shí)間。此外，進(jìn)人生物體內(nèi)的半胱氨酸能被MT大量吸收，作為二硫鍵修復(fù)原料，修復(fù)生物體內(nèi)受損的細(xì)胞。

應(yīng)用^[5]

1. 金屬硫蛋白在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

金屬硫蛋白的抗病作用已經(jīng)被多次證明，在治療癌癥、血管疾病、重金屬中毒及營(yíng)養(yǎng)缺乏癥等方面功效顯著。金屬硫蛋白參與癌癥細(xì)胞的增殖、分化、凋亡等過(guò)程，在腫瘤預(yù)防和治療中，M T的重金屬解毒、清除自由功能可抵御重金屬和烷化劑對(duì)細(xì)胞的致癌、致突變作用。

MT與某些癌癥細(xì)胞的增殖活性密切相關(guān)，因此可作為腫瘤治療的潛在靶標(biāo)，并且能有效減輕放射療法的副作用，保護(hù)正常細(xì)胞在放療過(guò)程中免受侵害。金屬硫蛋白不僅在腫瘤細(xì)胞中表達(dá)異常，而且能抑制其他重大疾病的發(fā)生與發(fā)展。研究表明，金屬硫蛋白具有抑制胃潰瘍的形成、阻止脂質(zhì)過(guò)氧化、增強(qiáng)吞噬細(xì)胞、抵抗輻射和光損傷、提高免疫力、促進(jìn)細(xì)胞新陳代謝等功能特性。

2. 金屬硫蛋白在化妝美容品中的應(yīng)用

MT可作為化妝品的添加劑，安全性能好，具有抗衰老、清除色素、減輕皺紋、防治皮炎的作用，消除化學(xué)型化妝品對(duì)人體的毒副作用。MT與SOD相比具有分子量小、易被機(jī)體吸收、清除羥自由基能力強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高、半衰期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且MT還可以拮抗紫外線、輻射等。由于M T為生物制劑，且為人體所固有，因此可用于美容護(hù)膚。

3. 金屬硫蛋白對(duì)重金屬中毒的檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)

由于MT廣泛存在動(dòng)物、植物、微生物中，且可與重金屬結(jié)合的性質(zhì)，不僅可以用于監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境重金屬污染狀況，也可作為衡量環(huán)境重金屬污染狀況的一個(gè)生物指標(biāo)，除此之外，還可用于重金屬的回收和清除環(huán)境中的重金屬污染等方面。

MT也將有望通過(guò)基因工程技術(shù)來(lái)治理重金屬污染，如通過(guò)植物自身M T的表達(dá)或外源基因?qū)藖?lái)實(shí)現(xiàn)治理土壤的重金屬污染，另一方面通過(guò)水生生物富集作用減少水體中的重金屬含量，從而維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定通過(guò)監(jiān)測(cè)牡鰓中M T含量衡量海域中重金屬的污染狀況；將酵母M r基因插人煙草基因序列中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因煙草吸收污染土壤中Cu2 的能力得到顯著提高。研究認(rèn)為，貽貝體內(nèi)的M T水平與環(huán)境中釩的含量有顯著相關(guān)性，因此MT可作為海洋中釩污染的生物監(jiān)測(cè)標(biāo)志物。

4. 金屬硫蛋白在水產(chǎn)養(yǎng)殖、加工中的應(yīng)用

MT能作為飼料添加劑用于水產(chǎn)養(yǎng)殖中，不僅可以增強(qiáng)水生生物的免疫力和去除重金屬，還能用作生長(zhǎng)激素促進(jìn)水生生物的生長(zhǎng)繁殖。在水產(chǎn)品加工過(guò)程中，根據(jù)M T與重金屬的螯合功能有望將MT制成微型顆粒用于水產(chǎn)品中重金屬的去除。

制備^[2]

1. 金屬硫蛋白的提取技術(shù)

關(guān)于M T的結(jié)構(gòu)與功能的研究是當(dāng)今化學(xué)、生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要課題之一，隨著研究工作的不斷深人，對(duì)M T的用量和純度的要求越來(lái)越高。勻漿離心法是提取海洋生物中MT最常采用的方法，提取劑選擇性質(zhì)穩(wěn)定且與生理體液相容性好的Tris- HCl(三羥甲基氨基甲烷，簡(jiǎn)稱(chēng)Tris)緩沖溶液。不同濃度、p H 的提取液，以及樣本與緩沖液的質(zhì)量體積比、勻漿液離心轉(zhuǎn)速大小，時(shí)間長(zhǎng)短，都會(huì)對(duì)MT的提取率產(chǎn)生影響。因此，不同的方法，提取的MT含量和純度等也不盡相同。

2. 金屬硫蛋白的分離純化技術(shù)

為深人研究金屬硫蛋白結(jié)構(gòu)和功能特性及其相關(guān)性，需要對(duì)金屬硫蛋白提取液進(jìn)行濃縮處理。在蛋白的純化過(guò)程中，一次性處理較多樣品時(shí)，可以采用超濾法進(jìn)行脫鹽濃縮，不但耗時(shí)短，濃縮的效率高，而且可降低蛋白質(zhì)的損失率。目前，金屬硫蛋白分離純化技術(shù)主要有：膜分離技術(shù)、高效液相色譜、凝膠過(guò)濾色譜、離子交換色譜、毛細(xì)管電泳法等。

最常用的方法是凝膠過(guò)濾和離子交換技術(shù)相結(jié)合方法。凝膠過(guò)濾法的缺點(diǎn)是不能將MT的亞型分開(kāi)，所以一般采用高效液相色譜法（HPLC)對(duì)MT進(jìn)行微量分離。高效液相色譜具有分離效果顯著、精密度與靈敏度佳、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜成分的分離鑒定更有應(yīng)用價(jià)值。

ICPMS技術(shù)干擾較少，精密度高，分析速度快，檢出限較低，動(dòng)態(tài)線性范圍寬，并且可提供準(zhǔn)確的同位素信息。高效液相色譜法（HPLC )與質(zhì)譜儀(ICP-MS )聯(lián)用，不僅可以將微量MT分離，還能將MT亞型較好地分離，從而獲得較高純度的金屬硫蛋白。

主要參考資料

[1] 環(huán)境科學(xué)大辭典

[2] 王文君, 呂娜, 尹銳, 等. 金屬硫蛋白研究進(jìn)展[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 44(1): 13-16.

[3] 李停停,宗婧婧,高學(xué)慧,陳雪昌，孟春英, 張小軍, 李樂(lè). 金屬硫蛋白的研究進(jìn)展. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，J.Anhui Agric.Sci. 2018,46(25) :15-18