金属硫蛋白体内抗氧化功能研究进展

王　颖,王欣卉，徐炳政,王　月,张桂芳,张东杰

(1.黑龙江八一农垦大学,黑龙江大庆 163319; 2.国家杂粮工程技术中心,黑龙江大庆 163319)



金属硫蛋白体内抗氧化功能研究进展

王颖1,2,王欣卉1,+，徐炳政1,王月1,张桂芳2,张东杰1

(1.黑龙江八一农垦大学,黑龙江大庆 163319; 2.国家杂粮工程技术中心,黑龙江大庆 163319)

金属硫蛋白(metallothionein,简称MT)是一类分子量较小的富含巯基和半胱氨酸的金属结合蛋白质,广泛存在于生物体内。大量研究证实其在参与重金属解毒,调节体内的微量元素的代谢,调控基因表达及防止机体氧化等方面具有显著效果。随着对金属硫蛋白研究的深入,其在体内抗氧化作用显著。本文综述了金属硫蛋白的结构、分类、体内抗氧化机制及其在抗氧化产品方面的应用,旨在为金属硫蛋白在体内抗氧化研究及相关抗氧化产品的开发提供理论参考。

金属硫蛋白,抗氧化,研究进展

随着生活节奏的加快和环境污染的加剧,人类时常处于高压力下的病理状态,另外饮食结构的改变、紫外线及电磁波的辐射和化学药物滥用等方面的作用,会对机体造成严重影响,导致机体对抵抗体内氧化反应不敏感,无法抵御超氧化物的侵袭,最终会出现炎症、衰老及新陈代谢调节机制紊乱的现象,导致基因突变和癌症的发生。对体内抗氧化的研究,以及防止机体衰老并辅以治疗由机体过氧化引起的疾病,已成为人类对健康理念的诉求。

金属硫蛋白(metallothionein,简称MT)是一类分子量较小的富含巯基和半胱氨酸的蛋白质。由于MT的特殊结构,其在体内具有显著和广谱的抗氧化作用效果。随着对MT研究不断深入,其在体内抗氧化的机制日益清晰,目前对MT体内抗氧化的研究涉及到生化工程、食品科学、医疗卫生科学及环境科学等各个领域。本文对MT的结构、分类及其在体内抗氧化方面的研究进行综述,旨在为其在体内抗氧化作用的研究与应用提供参考依据。

1　MT结构及分类

金属硫蛋白(metallothione,MT)是一类分子量较小的(6500～7000 u)富含大量巯基和半胱氨酸并广泛存在于生物体中的蛋白质。MT在结构进化中处于高度保守和同源性的状态,结构内含有61～62个氨基酸残基,其中半胱氨酸的数量约占总氨基酸残基数量的20%～30%。在MT的一级结构中因半胱氨酸的不同结合类型可以区分为下列3种:Cys-X-Cys、Cys-X-Cys-Cys和Cys-X-X-Cys[1],X代表半胱氨酸以外的氨基酸。经二维核磁谱及X-射线晶体衍射法测定发现,MT的二级结构内不含α-螺旋和β-折叠,且其三级结构呈现中心由硫醇相连接的两个大小相当的结构域,类似于哑铃形状[2]。进一步研究发现,由硫醇连接的结构域有着不同的结合金属离子的能力。MT的结构域内所含半胱氨酸的残基可以选择性地和较软的金属离子包括Cu2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+、Pb2+、Ag2+、Co2+和Fe2+等在内的20多种金属离子以金属巯基簇合物的形式配位结合,以构成MT的活性机构。MT中含有的金属离子可以在体内释放作为体内抗氧化的促进剂,同时暴露出半胱氨酸残基中的巯基可以与氧自由基发生反应,并且MT可螯合机体内部的金属离子,参与并促进体内金属离子代谢,并修复金属离子对机体的氧化损伤。

MT缺失金属离子时为硫蛋白,一般认为硫蛋白不会折叠成有序的二级结构,且天然的MT分子不含有二硫键,所含有的巯基也被空间折叠的有序结构紧密包裹,与金属离子的结合使MT分子呈现出特殊的金属硫四面体的络合结构[3]。在体内MT可与一些物质结合从而释放出金属离子,并暴露出具有还原性的游离态巯基,其还原状态的巯基可有效地清除氧自由基并可保护细胞器及一些酶类与DNA等[4]。通过巯基与一些亲电性并具有氧化性质的物质结合,可以防止机体被氧化物质所侵袭。

根据其基因编码不同及部分氨基酸所带电荷不同,MT家族主要由MT-Ⅰ、MT-Ⅱ、MT-Ⅲ及MT-Ⅳ组成,而且MT-Ⅰ和MT-Ⅱ是具有高度同源性的MT异构体[5],并在机体的各个器官大量富集,尤以肝脏和肾脏为主,是目前对MT研究的主要形式。MT-Ⅰ和MT-Ⅱ为胞内功能性蛋白质,可与机体氧自由基反应,清除游离活性氧,并有效调节金属离子内环境稳态,在机体抗氧化、抗细胞炎症及提高机体免疫中有重要作用[6]。MT-Ⅲ主要存在于大脑的神经细胞和星形胶质细胞中,少量存在于生殖细胞、小肠和嗅觉皮质细胞[7]。MT-Ⅲ虽不易被诱导表达,但作为生长抑制因子,其在保护大脑组织细胞及神经细胞程序性凋亡的作用中发挥着重要的作用。MT-Ⅳ主要表达在鳞状上皮层细胞、上消化道、舌和皮肤等器官中[8]。MT-Ⅳ可调控细胞分化并对皮肤组织的氧化损伤起到修复作用。

2　MT体内抗氧化机制

金属硫蛋白的抗氧化特性一直备受国内外学者的关注,被公认为是体内最佳的抗氧化调节剂[9]。MT发挥体内抗氧化作用时，可有效参与活性氧的猝灭,阻断活性氧生成链,延缓衰老的速度保护机体免于超氧化物的侵袭。研究资料显示,MT的抗氧化特性优于体内抗氧化酶系中的超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)和过氧化氢酶(CAT),并且在MT发挥抗氧化作用的同时会促进抗氧化酶的活化和基因表达,使抗氧化酶解除氧自由基的抑制从而更好地发挥抗氧化作用[10]。MT参与调节金属离子稳态,可防止及修复由于金属离子调节机制稳态失衡对机体造成的氧化损伤[11]。并且MT是易被诱导表达的蛋白质,可被多种机制诱导产生,MT在体内的大量表达可防止细胞因氧化所造成的炎性浸润,并在提高机体的免疫调节能力及抗氧化能力方面起到重要的作用。

2.1氧自由基淬灭

2.2促抗氧化酶活化和基因表达

机体在正常条件下对自由基进行清除是相对平衡的,SOD、CAT和GSH-Px等一些抗氧化酶可降低体内氧自由基含量,构成了机体清除氧自由基的重要防线[14]。但在体内氧自由基过饱和的情况下,抗氧化酶的活性中心会被氧自由基破坏,从而使酶的活化与基因表达受到不同程度的抑制,使之无法正常发挥其清除氧自由基的作用。在所有已知酶中,几乎有1/3的酶表现其活性时需要有金属离子参与,例如Zn2+参与机体300多种酶和功能蛋白的组成,在动物体内主要通过酶或功能蛋白来参与一系列重要生化反应[15],并且Zn2+是SOD结构和功能的重要组成部分以及酶的激活剂[16],可以对SOD的活化和基因表达起到促进作用。

在体内,MT可作为锌的存储器[17],供给锌促进去锌蛋白及一些酶的活性和基因表达。Zn-MT携带大量的Zn2+,从而促进SOD、CAT、GSH-Px等一类酶的活化与基因表达,继而加强氧化酶系在体内抗氧化过程中的作用。其作用机制在于:激活亲电剂和亲核剂,并可同时作为这两种制剂来促进酶的活化;提供酶的中心结构物质[18],使被破坏的酶重新具有并稳定于催化调节构象,使之时刻处于酶的应激状态;激活GSH-Px从而抑制线粒体细胞色素P450酶系统产生自由基[19]。MT还可以为谷胱甘肽(GSH)提供金属离子,有效减少GSH的降解,同时促进GSH再生成,从而为GSH-Px酶促反应提供底物,清除ROOH[20]。杨沐[21]在对仔猪进行的实验中表明通过外源补充MT,仔猪肝脏的SOD和GSH-Px活性显著升高(p<0.05),MDA含量显著降低(p<0.05),并且MT对酶基因表达的诱导与作用时间和剂量有密切关系。张彬[22]在MT对奶牛血液抗氧化酶GSH-Px和CAT基因表达影响的实验中测得GSH-Px和CAT基因表达水平均显著提高(p<0.05),由此说明MT可促进酶活化和基因表达。

2.3调节金属离子稳态及修复氧化损伤

镉、汞等为代表的多种重金属元素及其化学物不断被开发并应用于工业、农业、医疗及化妆品等领域,在刺激了经济发展的同时,重金属进入环境中,带来了严重的环境污染问题。随着人类膳食结构的变化及生活节奏的加快,多种重金属以药物、水、食品及空气污染物等形式随着生物链进入人体,对人体健康造成了极大危害。随着工业革命的发展,大量矿产资源被开发,矿产中含有的重金属离子及其化合物被不断利用于工业、农业、医疗等领域,随着矿产资源被开发利用重金属离子随之进入环境中,地表水域和土壤受到重金属离子的污染,最终通过植物及水生生物富集作用进入生物链循环。金属离子可使机体产生大量自由基,以氧化性极强的·OH为主,从而引起体内调节机制稳态失衡,导致氧化损伤。MT以其易与金属离子结合的优点,可在机体内与大量金属离子结合,降低血液中金属离子水平,调节机体金属离子稳态并有效促排,防止及修复机体的氧化损伤[23]。

体内的金属离子例如Fe2+和Cu2+,可以参与Fenton反应,将H2O2催化生成氧化性质极强的·OH,而MT可以螯合金属离子,使其不参与Fenton反应,从而阻断·OH反应生成链,并有效修复金属离子及氧自由基所引起的脂质过氧化及DNA损伤,并可防止癌变和基因突变[24]。MT通过调节体内金属离子稳态,可减少细胞因非必需金属离子的特异性束缚,限制其氧化毒性,维持细胞活性状态,抵抗细胞凋亡[25]。MT可携带金属离子在体内释放,例如Zn2+,在促进有关酶的活性和基因表达的同时激发机体免疫功能和供给细胞分裂有关酶和转录因子的活性中心[26],从而提高机体抗炎及抗氧化能力。邹学敏[27]通过对铬染毒小鼠肝脏施以MT制剂进行修复,测定出的肝脏损伤系数远远小于对照组,实验现象说明了MT可对金属离子对肝肾的损伤起到修复作用。张伟等[28]在醋酸铅和镉对大鼠肝脏和肾脏的氧化损伤的实验中得到结论,MT可明显降低组织中丙二醛水平,并可有效修复醋酸铅和镉对肝脏和肾脏造成的氧化损伤。杨慧琴[29]在对醋酸铅染毒小鼠利用MT进行干预的实验中得到结论:MT解毒组小鼠血清中过氧化脂质代谢产物(MDA)含量、血铅及股骨铅含量和肝脏损伤程度明显低于铅毒组,其差异具有统计学意义。实验结论说明MT在结合金属离子、调节体内金属离子稳态、有效促排并防止及修复氧化损伤的过程中发挥着重要作用。

2.4高表达诱导机制

MT属于机体内可被诱导的蛋白质,研究表明MT可以被许多机制诱导产生,如金属离子、内源性糖皮质激素、细胞因子、炎症及氧化胁迫(包括紫外线辐射)[30-31]。MT可与金属离子结合并且对不同的金属离子有不同的结合能力[32],并且可被金属离子诱导合成,其金属离子对于MT的诱导能力顺序为:Cd2+>Zn2+>Cu2+>Hg2+。机体环境内金属离子增多会对机体造成氧化损伤,MT可被金属离子诱导合成,进而螯合金属离子以防止机体被氧自由基侵袭。虽然Cd2+对MT的诱导能力大于其他金属离子,但是考虑到镉作为重金属元素会对机体造成损伤,所以其在诱导MT方面的应用甚少。

机体的氧化胁迫亦是诱导MT高表达的重要机制,MT的基因表达受转录子MTF-1(metal response element-binding transcription factor 1)的调控,MT中含有Zn2+,而MTF-1是一种锌指转录因子[33],氧自由基通过和MT结合从而释放Zn2+,激活转录子MTF-1,从而调控MT的表达,产生更多的MT以清除氧自由基和防止机体氧化损伤。

李彩娟[34]研究的镉胁迫对泥鳅MT基因表达影响的结果表明,随着胁迫时间的延长,泥鳅肝脏中MT的基因表达量不断增多,MT被大量诱导合成。任泂[35]在大鼠急性贫铀中毒的实验中用MT进行干预,通过向大鼠体内注射ZnSO4来诱导体内MT合成，从而对大鼠进行金属离子解毒的效果明显。根据MT可被金属离子诱导的特性来看,体内抗氧化可以通过向体内导入外源性MT的诱导机制,如Zn2+,使诱导机体产生更多的MT来提高机体的抗氧化损伤能力[36]。

2.5促维生素吸收

研究调查显示,通过长期服用MT,可以提高机体对维生素的吸收率,减少机体过氧化疾病的发生[37]。维生素一般具有强还原性,极易被氧化,有一定的清除自由基及抗氧化作用,作为H+传递体,维生素可被体内超氧物质所氧化,失去其活性。MT作为体内强抗氧化性蛋白质,可以有效清除超氧物质,以保护维生素不被超氧物质氧化,且MT携带的金属离子可作为体内一些酶类和维生素前体物质的活性中心,在保护维生素不被超氧物质所氧化的同时促进维生素的代谢吸收。

3　MT在抗氧化产品方面的应用

随着对MT研究的深入,其在抗氧化功能方面的作用受到了国内外学者极高的重视,并且MT在食品工业、日用品行业及医疗卫生行业有着广阔的应用前景。因MT是体内优良的抗氧化蛋白质,易于被人体吸收,在食品保健品当中添加MT可以作为清除体内自由基的营养剂。并且MT内含金属离子,可以作为补充体内微量元素的制剂。研究表明,MT可促进人体对维生素的吸收,可以使MT与维生素类药物或保健类食品配合使用,在起到体内抗氧化作用的同时促进维生素和其他营养物质的吸收。

MT具有分子量小,半衰期长的优点,且其抗氧化作用较SOD强,可以将MT添加到化妆品中作为体表抗氧化的防护屏障,延缓衰老的速度。在医药卫生方面,MT能与大量重金属离子高效结合,可以应用MT开发成促排重金属的工伤保健类药物,以对重金属解毒和修复重金属对机体造成的氧化损伤。且MT可阻止自由基连锁反应和氧化脂质的形成,可有效防止癌变和基因突变的发生,如在早期或晚期放化疗癌症患者的药物中添加MT,可以降低放化疗对其他无关细胞的辐射损伤,并促进免疫细胞再生,提高机体免疫调节机制活力[38]。另外研究表明,MT还可以防止神经系统疾病的发生[25],保护脑组织免于氧化损伤[39]。MT还具有减轻钙超载和稳定溶酶体膜等作用,为临床心脏氧化损伤的防护提供新途径[40]。

4　结论

虽然MT的抗氧化功能已被越来越多的学者们所认识和开发,但是对于MT的研究仍有许多限制和不足。MT纯品在市场上的价格仍旧居高不下,其原因在于未能找到一种合理高效的提纯技术,虽然从哺乳类动物中提纯MT技术日渐完善,可是提纯量少且纯度不高的缺点仍旧制约着MT的工业化发展。目前有学者研究从酵母源微生物当中分离纯化MT,但仍处于进一步优化阶段。相信通过学者们的不懈努力和对MT深入研究,MT必将在生物、医学等领域中发挥更大的作用并拥有更广阔的市场前景。

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Research progress of metallothionein functioninvivoantioxidant

WANG Ying1,2,WANG Xin-hui1,+,XU Bing-zheng1,WANG Yue1,ZHANG Gui-fang2,ZHANG Dong-jie1

(1. Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China; 2. National Coarse Cereals Engineering Research Center,Daqing 163319,China)

Metallothionein(MT)is a metal-binding,cysteine-rich protein,low molecular weight,which is widely distributed throughout the body. Numerous studies confirms that MT has significant effects on participation in heavy metal detoxification,regulating the body’s metabolism of trace elements,gene expression and preventing oxidative. MT has a prominent roleinvivoantioxidant with in-depth studying. The structure,classification,antioxidant mechanism of MT and its application in terms of antioxidant products were reviewed in this paper. To provide a theoretical reference for MTinvivoantioxidant and the development of related research antioxidant products.

metallothionein;antioxidation;research advance

2014-11-13+并列第一作者

王颖(1979-)，女，博士，副教授，研究方向：农产品加工与贮藏工程及食品质量安全，E-mail：Wychen156@163.com。

王欣卉(1992-)，女，在读硕士研究生，研究方向：食品科学，E-mail：w604466213@163.com。

省博士后资助项目(LBH-Z13169)；省自然科学基金(C201445)；省教育厅新世纪人才项目(2014-2016)。

TS201.2+1

A

1002-0306(2016)10-0377-05

10.13386/j.issn1002-0306.2016.10.070