植物鐵蛋白結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其在納米材料制備中的應(yīng)用

趙廣華，云少君

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 航天食品聯(lián)合實驗室，北京 100083）

植物鐵蛋白結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其在納米材料制備中的應(yīng)用

趙廣華，云少君

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 航天食品聯(lián)合實驗室，北京 100083）

鐵蛋白具有儲存鐵及調(diào)節(jié)體內(nèi)鐵平衡的功能，它廣泛存在于大多數(shù)生物體中.和動物鐵蛋白相比，關(guān)于植物鐵蛋白的研究至今很少.目前已知，植物鐵蛋白主要存在于淀粉體中，而動物鐵蛋白則主要存在于細(xì)胞質(zhì)中.植物鐵蛋白和動物鐵蛋白相比，其在結(jié)構(gòu)上有兩個明顯的特征：1.植物鐵蛋白N端含有EP肽段，而動物鐵蛋白則不具有.EP位于鐵蛋白蛋白質(zhì)外殼表面，現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)它是作為鐵蛋白第二個亞鐵氧化中心，參與鐵結(jié)合、氧化及種子萌發(fā)與早期生長的鐵釋放過程;2.在植物鐵蛋白中只含有H亞基，即H-1和H-2，二者保持80%的同源性，這兩個亞基在鐵氧化沉淀中起著很好的協(xié)同作用.

由于鐵蛋白具有特殊的結(jié)構(gòu)，鐵蛋白不僅可以在蛋白質(zhì)內(nèi)部空腔裝載鐵核，而且人們更多地利用脫鐵鐵蛋白（ApoFt）的蛋白質(zhì)外殼作為載體裝載其它可供利用的金屬離子來裝備新型生物納米運載體系，因此植物鐵蛋白在材料方面的應(yīng)用也是很重要的.這篇綜述主要著眼于植物鐵蛋白的結(jié)構(gòu)、功能及其在納米材料方面的應(yīng)用.

植物鐵蛋白;EP肽段;H- 1;H- 2;納米顆粒

0 引言

鐵是生物生存所必需的礦物質(zhì)元素，它在生物代謝過程中扮演著重要的角色，例如它參與三羧酸循環(huán)、氧傳輸、DNA合成、固氮作用、電子傳輸以及光合作用［1－2］.然而，三價鐵離子在生理性p H 7.0條件下易水解形成不溶性化合物.另外，二價鐵離子則催化產(chǎn)生自由基，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)過氧化和DNA突變，并進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡［2］.

鐵蛋白廣泛存在于細(xì)菌、動物和植物體內(nèi)，基于其具有鐵儲存及調(diào)節(jié)體內(nèi)鐵平衡的功能，鐵蛋白能夠使機(jī)體內(nèi)鐵保持可溶、無毒且生物可利用的形式［3－4］.動物和植物鐵蛋白在結(jié)構(gòu)和功能上有很大的不同.動物鐵蛋白通常包括H和L亞基，而植物鐵蛋白只含有H亞基，但通常有兩種不同的H-1以及H-2亞基組成.另外，植物鐵蛋白每個亞基的N端還含有獨特的EP肽段，因此每個鐵蛋白分子24個亞基含有24個EP肽段［5－6］.大豆鐵蛋白每個 EP大約包含有30個氨基酸［7］.

另一方面，由于鐵蛋白具有的特殊的結(jié)構(gòu)，目前人們更多地利用脫鐵鐵蛋白（Apo Ft）的蛋白質(zhì)外殼作為載體裝載其它可供利用的金屬離子來制備新型生物納米運載體系［8］.將鐵蛋白內(nèi)部的鐵核在無氧條件下通過化學(xué)還原反應(yīng)后得到脫鐵的鐵蛋白，隨后用各種物理化學(xué)方法將其它礦物質(zhì)離子加入到ApoFt當(dāng)中，最后形成新型的功能性生物納米顆粒.這篇綜述主要闡明了植物鐵蛋白在結(jié)構(gòu)及功能方面的研究新進(jìn)展，其在納米材料方面的應(yīng)用以及鐵蛋白研究面臨的新的挑戰(zhàn).

1 植物鐵蛋白的分子結(jié)構(gòu)

1.1 鐵蛋白分子結(jié)構(gòu)的一般特性

鐵蛋白分子在各類生物體中是很保守的.典型的鐵蛋白分子通常包括24個亞基，形成一個中空的蛋白質(zhì)外殼.球狀鐵蛋白的內(nèi)徑通常為7～8 nm，外徑為12～13 nm，厚度為2～2.5 nm［2，9］.大約4 500個三價鐵原子以無機(jī)的礦物質(zhì)的形式儲存于蛋白質(zhì)中.鐵蛋白每兩個亞基反向平行形成一組，再由這十二組亞基對構(gòu)成一個近似正八面體，成4－3－2重軸對稱的球狀分子（圖1A）.鐵蛋白每個亞基外形近似圓柱體（長約5 nm，直徑約2.5 nm），且由一個兩兩成反向平行的4個α螺旋簇（A、B和C、D）、C末端第五個較短α螺旋（E）構(gòu)成，B和C螺旋之間由一段含18個氨基酸的BC－環(huán)連接，E螺旋位于4α螺旋簇的尾端并與之成60°夾角（圖1B）.每個鐵蛋白分子形成12個二重軸通道、8個三重軸通道和6個四重軸通道，這些通道被認(rèn)為是鐵蛋白內(nèi)部與外部離子出入鐵蛋白的必經(jīng)之路，起著聯(lián)系鐵蛋白內(nèi)部空腔與外部環(huán)境的作用［2，10］.

圖1 鐵蛋白的分子結(jié)構(gòu)（A，24個亞基沿四倍軸呈432點對稱;B，蛋白亞基結(jié)構(gòu)）.Fig.1 Color graphic representations of ferritin structure：A，24 subunits in 432 symmetry viewed down a fourfold axis.B，Single subunit of ferritin

1.2 植物鐵蛋白結(jié)構(gòu)的獨特性質(zhì)

植物鐵蛋白和動物鐵蛋白起源是相同的，但是植物鐵蛋白顯示了其獨特的性質(zhì).具體來講有以下幾方面的不同之處：（1）植物鐵蛋白主要存在于質(zhì)體中（葉子的葉綠體中，種子的淀粉體中），而動物鐵蛋白則存在于細(xì)胞質(zhì)中［2，11］;（2）動物鐵蛋白的表達(dá)嚴(yán)格受控于鐵反應(yīng)元件和鐵調(diào)節(jié)蛋白的相互作用，是屬于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控;而植物鐵蛋白基因的表達(dá)主要在翻譯水平［7，12］;（3）動物鐵蛋白中，3倍軸是親水性的，4倍軸通道是疏水性的，而在植物鐵蛋白中，這兩種通道都是親水性的［6，13－14］;（4）對于哺乳動物來說，鐵蛋白通常由 H（重鏈，分子量約為21 k Da）和L（輕鏈，分子量約為19.5 k Da）兩種類型的亞基組成，二者氨基酸序列具有55%的相似度［15－16］，而且功能截然不同，這與它們的結(jié)構(gòu)密切相關(guān).H型亞基包含一個由 His65、Glu27、Glu61、Glu107、Tyr34、Glu62和Gln141七個保守的氨基酸組成的亞鐵氧化中心（ferroxidase site），主要負(fù)責(zé)亞鐵離子的快速氧化，1個亞鐵氧化中心可同時結(jié)合2個Fe2＋離子［17－18］;而L型亞基缺乏這個活性中心，但是它含有一個成核中心（nucleation site），負(fù)責(zé)亞鐵離子的緩慢氧化以及礦化核的形成.而且兩種亞基的組成比例具有組織特異性，例如：心臟和腦由于鐵代謝旺盛而富含H型亞基，肝臟和脾臟由于主要用于鐵的長期儲藏而富含L型亞基［10，19－20］.另外，對于牛蛙等兩棲動物來說，其紅細(xì)胞中鐵蛋白除了具有與哺乳動物類似的H和L型亞基外，還存在一種包含一個亞鐵氧化中心的M（medium）型亞基或叫做類H型亞基，三種亞基可以形成雜合體鐵蛋白［21］.對于植物鐵蛋白來說，亞基結(jié)構(gòu)明顯不同于動物鐵蛋白.組成鐵蛋白的24個亞基均為H型亞基，每個亞基都含有一個亞鐵氧化中心，其氨基酸組成與動物鐵蛋白H型亞基具有約40%的相似度［7，22］.到目前為止，已經(jīng)從豌豆、大豆、黑豆、玉米、苜蓿以及擬南芥等植物種子中分離得到了鐵蛋白，這些植物鐵蛋白都是由26.5 k Da（H-1）和28.0 k Da（H-2）兩種亞基組成［23］.前人的研究認(rèn)為 H-1亞基是由H-2亞基通過羥基自由基降解而來的［24］;而最近通過分別比較大豆和豌豆鐵蛋白這兩種亞基的肽指紋圖譜（Peptide mass fingerprint，PMF）發(fā)現(xiàn)，H-1和 H-2的PMF圖譜明顯不同［7，25］.同時也克隆得到了大豆鐵蛋白H-1和H-2亞基的編碼基因分別為SferH-1和SferH-2［7］，充分證實植物鐵蛋白是多基因編碼的.（5）與動物鐵蛋白相比，EP是植物鐵蛋白亞基N端特有的重要組成部分，研究表明，H-1和H-2亞基來源于不同的前體蛋白（分子量約32 k Da，氨基酸組成具有約80%的相似度），它的N端包含兩個植物鐵蛋白所特有的結(jié)構(gòu)域-TP（transit peptide）和EP（extension peptide）.TP由40－50個氨基酸組成，主要負(fù)責(zé)將前體蛋白轉(zhuǎn)運到質(zhì)體中，一旦前體蛋白進(jìn)入質(zhì)體，TP就會被切除掉，然后亞基在質(zhì)體中組裝成成熟的鐵蛋白［26］.早期的研究認(rèn)為EP與鐵蛋白的穩(wěn)定性有關(guān)，最新的研究表明，EP肽段是植物鐵蛋白的第二個亞鐵氧化中心，負(fù)責(zé)表面Fe2＋的氧化（＞48 iron／protein）［25］;另外，EP具有絲氨酸蛋白酶活性能夠調(diào)控鐵蛋白的自降解，同時也與鐵離子的還原釋放有關(guān)［27］，它在植物種子生長發(fā)育過程中的生理作用也被進(jìn)一步闡明［28］.

2 植物鐵蛋白的鐵氧化沉淀途徑

2.1 三條鐵蛋白鐵氧化沉淀反應(yīng)途徑

目前，主要通過對馬脾鐵蛋白（HoSF）、人重組H－型鐵蛋白以及牛蛙重組M－或H－型鐵蛋白的研究，發(fā)現(xiàn)了以下三種鐵氧化沉淀途徑［10，18，29］：

1）當(dāng)添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度低時（＜48 Fe2＋／protein），鐵蛋白的亞鐵氧化中心催化O2氧化Fe2＋的反應(yīng)，且1分子O2可以氧化2分子Fe2＋，同時產(chǎn)生1分子H2O2和4個H＋，反應(yīng)方程式如（1）所示：

其中P代表未結(jié)合Fe2＋的亞鐵氧化中心，F(xiàn)S代表Fe2＋的結(jié)合位點，首先，F(xiàn)e2＋在亞鐵氧化中心被氧化形成過氧橋連的三價雙鐵中間體（μ-1，2-peroxodiiron（III）intermediate），用P-［Fe2O2表示，該物質(zhì)不穩(wěn)定，可迅速分解為氧橋連的三價雙鐵配合物（μ-1，2-oxodiiron（III）complex），用P-［Fe2O（OH）2表示，然后分解為單核的Fe3＋化合物，從亞鐵氧化中心轉(zhuǎn)移至鐵蛋白內(nèi)部空腔，最終形成礦化核［30－32］.

2）當(dāng)添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度大于48 Fe2＋／protein但小于200 Fe2＋／protein時，亞鐵氧化中心產(chǎn)生的H2O2與過量的Fe2＋發(fā)生去毒反應(yīng)［29］，反應(yīng)方程式如（2）所示：

當(dāng)加入的Fe2＋為48 Fe2＋／protein，在O2的量一定的條件下，對于人H鏈鐵蛋白（Human H-chain ferritin，Hu HF）來說，反應(yīng)1和反應(yīng)2的反應(yīng)速率相同，而對于細(xì)菌E.coil鐵蛋白（Escherichia coli bacterioferritin，EcBFR）來說反應(yīng)2的速率大于反應(yīng)1［33］，因此 Hu HF中Fe2＋／O2的計量比約為2∶1，而EcBFR中Fe2＋／O2的計量比約為4∶1［34］，這說明Hu HF反應(yīng)1中產(chǎn)生的少量H2O2競爭不過溶液中大量的O2，導(dǎo)致反應(yīng)2幾乎不發(fā)生，而對于EcBFR來說反應(yīng)1產(chǎn)生的H2O2幾乎完全用于參加反應(yīng)2.反應(yīng)2很好地證明了鐵蛋白不僅能夠去除Fe2＋毒性，而且也可以將H2O2轉(zhuǎn)化成水，避免產(chǎn)生極具毒性的羥基自由基.已報道，鐵蛋白可以通過消除自由基來保護(hù)DNA免受氧化損傷［35］.

3）當(dāng)添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度大于200 Fe2＋／protein時，F(xiàn)e2＋主要是在剛形成的鐵核表面被氧化，而亞鐵氧化中心不參加此反應(yīng)，因此把此時鐵離子的氧化反應(yīng)稱為礦化反應(yīng)，與鐵離子的自氧化很相似，此時Fe2＋／O2的計量比為4∶1，氧氣被徹底還原成水［30，36］，反應(yīng)如（3）所示：

2.2 植物鐵蛋白中存在一條新的鐵氧化沉淀途徑——表面氧化途徑

最新的研究表明，在植物鐵蛋白中存在一條新的鐵氧化沉淀途徑——表面氧化途徑［25］.植物與動物鐵蛋白在結(jié)構(gòu)上最大的區(qū)別在于前者亞基的N端存在EP肽段，它位于植物鐵蛋白的表面，而后者不具有這個肽段［2，7］.研究表明當(dāng)添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度大于48 Fe2＋／protein時，EP參與植物鐵蛋白Fe2＋的氧化沉淀，它被認(rèn)為是植物鐵蛋白的第二個亞鐵氧化中心，具體步驟如圖2（P288）所示：其中，第一步是Fe2＋（＞48 Fe2＋／protein）與植物鐵蛋白表面的EP肽段結(jié)合;第二步是在鐵蛋白表面EP催化Fe2＋被O2氧化成Fe3＋的反應(yīng)，;第三步是Fe3＋誘導(dǎo)鐵蛋白發(fā)生聚合;第四步是在Fe3＋轉(zhuǎn)移到鐵蛋白內(nèi)部的同時鐵蛋白發(fā)生解聚.此途徑明顯不同于動物鐵蛋白的反應(yīng)（3），添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度高時，F(xiàn)e2＋的氧化沉淀發(fā)生在鐵核表面，而植物鐵蛋白卻發(fā)生在蛋白表面的EP肽段上，這被認(rèn)為是植物鐵蛋白特有的第四條鐵氧化沉淀途徑.

2.3 H-1以及H-2亞基在鐵蛋白鐵氧化沉淀中的作用

圖2 植物鐵蛋白中一條新的鐵氧化沉淀途徑（Li etal.，2009）Fig.2 A new pathway of iron oxidative deposition in phytoferritin through protein association at high Fe2＋flux（more than 48 Fe2＋／shell）into ferritin

植物鐵蛋白與動物鐵蛋白另一個比較明顯的結(jié)構(gòu)上的區(qū)別是植物鐵蛋白是由 H-1和H-2組成的［7，37－38］.這兩個亞基的比例取決于它們的植物來源［23］.H-1和 H-2與動物鐵蛋白的 H 以及L亞基一樣在鐵氧化沉淀過程中具有協(xié)同作用［2］.最近的研究認(rèn)為植物鐵蛋白是類似H／L雜合的蛋白［38］，在大豆鐵蛋白鐵氧化沉淀中H-1以及H-2亞基起著不同的作用［39］.在當(dāng)添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度低時（≤48 Fe2＋／protein），H-1與H-2都是通過之前報道的鐵氧化機(jī)制即通過鐵蛋白內(nèi)部亞鐵氧化中心催化鐵的氧化［36］;當(dāng)添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度介于48－200 Fe2＋／protein時，由于H-1比H-2具有更強(qiáng)的將Fe3＋從蛋白表面轉(zhuǎn)移到內(nèi)部空腔的能力，因此上面提到的亞鐵氧化中心氧化機(jī)制仍起到重要作用.而對于H-2的鐵氧化沉淀，這一機(jī)制逐漸被EP-2（H-2亞基的EP肽段）參與的表面氧化機(jī)制所代替;當(dāng)添加到脫鐵蛋白的鐵離子濃度高于200 Fe2＋／protein時，EP-1（H-1亞基的EP肽段）也參與鐵的氧化，但是它催化鐵氧化及轉(zhuǎn)移鐵到內(nèi)部空腔的能力明顯低于EP-2.另外，當(dāng)＞48 Fe2＋／protein時，大豆鐵蛋白的H-1和H-2具有很好的協(xié)同性，導(dǎo)致野生的大豆鐵蛋白和重組的雜合鐵蛋白（r H-1 H-2）的催化活性要比單個亞基高很多.因此，異聚的鐵蛋白要比相同亞基組成的鐵蛋白使植物細(xì)胞更易從土壤中吸收鐵.

相對于鐵蛋白鐵氧化沉淀，貯藏于鐵蛋白內(nèi)部空腔的Fe3＋如何被還原成Fe2＋并轉(zhuǎn)移到鐵蛋白外部的過程被稱之為鐵的還原釋放.由于研究手段以及鐵蛋白鐵的釋放的復(fù)雜性等原因，對這一過程的研究報道非常少.但是，鐵蛋白鐵的還原釋放卻非常有意義，因為這一過程與動植物細(xì)胞的生長、發(fā)育有著密切的關(guān)系.然而，植物鐵蛋白如何調(diào)節(jié)鐵釋放滿足生理需要卻仍然未知.最近的研究表明大豆鐵蛋白的EP具有絲氨酸蛋白酶活性，因此可以導(dǎo)致自降解［6］.與自降解相伴的是降解過程中快速的鐵釋放來滿足種子發(fā)育的需要，這代表了一種新的EP參與的鐵釋放的途徑.

3 鐵蛋白作為生物納米材料載體的新進(jìn)展

由于鐵蛋白具有特殊的結(jié)構(gòu)，鐵蛋白不僅僅可以在蛋白質(zhì)內(nèi)部空腔裝載鐵核，而且可以利用脫鐵鐵蛋白的蛋白質(zhì)外殼作為載體裝載其它可供利用的金屬離子以制備納米材料.將鐵蛋白內(nèi)部的鐵核在無氧條件下通過化學(xué)還原反應(yīng)除去得到脫鐵的鐵蛋白（ApoFt），隨后用各種物理化學(xué)方法將其它礦物質(zhì)離子加入到Apo Ft當(dāng)中，最后形成新型的功能性生物納米顆粒，如圖3（P289）所示［8］.通過鐵蛋白作為載體的金屬納米材料運載體系，它可以克服金屬離子溶解度低、易受環(huán)境物質(zhì)干擾的缺點，進(jìn)而大大提高被包被材料的生物利用率.

3.1 鐵蛋白的金屬離子結(jié)合位點

鐵蛋白的通道及空腔內(nèi)部有著許多帶負(fù)電的酸性氨基酸殘基（Glu和Asp），在正常生理p H條件下，這些殘基都可以結(jié)合金屬離子，如人體鐵蛋白H鏈中組成通道親水區(qū)域的Glu 27、Glu 61、Glu 62、Glu 107和Gln 141;馬脾鐵蛋白的L鏈中指向內(nèi)部空腔的Glu 60、Glu 61;豌豆鐵蛋白中構(gòu)成空腔內(nèi)表面的保守氨基酸Glu 61、Glu 64以及Glu 67以及Glu 57和Glu 60［13］等.據(jù)報道鐵蛋白空腔表面高濃度的羧基基團(tuán)可更有助于金屬離子在鐵蛋白內(nèi)部成核［15，40－41］.除此之外，Asp也可以和金屬離子通過靜電作用的方式結(jié)合.鐵蛋白通道中負(fù)電氨基酸殘基可構(gòu)成電勢梯度，金屬離子可順著電勢到達(dá)鐵蛋白內(nèi)部空腔［42］.

圖3 ApoFt和含有金屬核的鐵蛋白示意圖（Yamashita etal.，2010）Fig.3 A schematic drawing of ApoFt and ferritin with a matallic core in the cavity

3.2 鐵蛋白裝載礦物元素研究進(jìn)展

鐵蛋白的鐵核可利用ApoFt在體外合成，且大小分布均一，為（7.3±1.4）nm，與天然鐵核相似.相似地，目前研究者已經(jīng)利用 ApoFt為載體，合成了多種金屬納米顆粒體系，如ZnSe［43］，Mn（O）OH 和Mn3O4

［44］，Co（O）OH 和 Co3O4［45］，Cr（OH）3、Ni（OH）3

［46］，Eu（O）OH、In2O3、TiO2

［47］，F(xiàn)eS、CdS［48］，CdSe［49］等.鐵蛋白的礦化成核的方式作用不具有專一性，可能原因是金屬陽離子進(jìn)入蛋白空腔內(nèi)部的主要作用是靜電作用.

鐵蛋白的3重軸和4重軸是負(fù)責(zé)蛋白空腔與外部物質(zhì)交換的通道，直徑為0.3～0.4 nm，金屬離子可通過通道擴(kuò)散進(jìn)入到ApoFt內(nèi)部，并與空腔內(nèi)部的酸性氨基酸的羧基結(jié)合，然后通過一些物理化學(xué)手段，使金屬離子形成大小直徑約8 nm的晶核，沉淀在ApoFt空腔內(nèi)部.這些鐵蛋白金屬納米顆粒的礦物核心的形成機(jī)理主要有兩種.一是金屬離子在ApoFt內(nèi)部沉淀成核［47］，即在無氧條件下，在ApoFt溶液中加入金屬陽離子，充分反應(yīng)后金屬陽離子會結(jié)合在蛋白質(zhì)內(nèi)部的羧基上，后加入可以和金屬離子形成沉淀的陰離子，充分反應(yīng)，使結(jié)合在蛋白空腔內(nèi)部的金屬形成沉淀并留在空腔，重復(fù)此過程，使金屬沉淀在空腔中逐漸變大從而形成金屬納米顆粒.另外一種成核方法首先同樣在無氧條件下，向ApoFt溶液中加入金屬陽離子，充分反應(yīng)后經(jīng)過分子篩層析方法將游離的金屬陽離子和蛋白復(fù)合物分開，然后向蛋白溶液中加入還原劑NaBH4，可將結(jié)合在蛋白內(nèi)表面的金屬離子還原為金屬單質(zhì)從而保留在蛋白空腔內(nèi)部.裝載過程中實驗條件的控制，如溫度，p H，金屬離子與蛋白之間的比例以及反應(yīng)時間等，都對裝載量有著不同程度的影響［49－51］.

鐵蛋白裝載礦物元素研究方法目前主要有分子排阻層析、紫外分光光度法與原子吸收分光光度法聯(lián)用.透射電鏡（TEM）是利用鐵蛋白合成納米顆粒最主要的表征手段，將裝載有金屬離子的鐵蛋白溶液滴于鍍有碳膜的銅網(wǎng)或金網(wǎng)上，用醋酸鈾酰染色，即可觀察礦化核及負(fù)染色后的蛋白外殼［8，49］.對于粒徑分布均勻的類球形鐵蛋白，使用TEM可直接測量顆粒的真實粒徑［52］.

總之，鐵蛋白除可以儲存鐵和其他重金屬離子以外，還可以貯存一些有機(jī)小分子物質(zhì)［53－54］，因此完全有可能將鐵蛋白進(jìn)行改造，利用它作為合成生物來源的納米材料.若能在它的蛋白殼空腔內(nèi)組裝藥物，并使它的外蛋白殼與生物素或特定的抗體相結(jié)合，就可以實現(xiàn)藥物的定向傳遞，并且可以避免產(chǎn)生免疫原性的問題.

4 結(jié)論及研究前景

植物鐵蛋白與動物鐵蛋白和細(xì)菌鐵蛋白在結(jié)構(gòu)上有很大的不同.例如，植物鐵蛋白包含兩個亞基H－1和H-2，且它們的N端含有EP片段，而動物鐵蛋白沒有.這些結(jié)構(gòu)上的差別賦予了植物鐵蛋白獨特的功能.實際上，植物鐵蛋白的一條新的氧化沉淀途徑已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，在鐵濃度高時，EP可以作為第二個鐵氧化中心催化鐵的氧化和轉(zhuǎn)運.蛋白質(zhì)鐵礦化中H-1和H-2起著不同的作用，并且在天然的植物鐵蛋白中具有協(xié)同作用.另外，植物鐵蛋白的EP起著絲氨酸蛋白酶的活性，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的降解，使蛋白質(zhì)在儲存過程中變得可溶，最終導(dǎo)致快速的鐵釋放.然而，盡管在植物鐵蛋白研究上已有很大突破，目前仍存在一些問題需要解決：（1）天然的植物鐵蛋白的晶體結(jié)構(gòu)還未報道，它對理解植物鐵蛋白兩種不同亞基的界面相互作用將非常有幫助;（2）植物鐵蛋白存在于質(zhì)體中，那么質(zhì)體中其他成分是否也影響鐵的氧化沉淀與釋放呢？（3）利用鐵蛋白制備納米材料仍有很多空間，目前主要利用鐵蛋白載體來搭載藥物，但利用鐵蛋白分子搭載礦物元素以開辟新的礦物元素吸收的新途徑還處于空白.這些將是未來植物鐵蛋白新的發(fā)展方向.這些問題的闡明，將有助于我們更好的理解植物鐵蛋白的結(jié)構(gòu)與功能.

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Structure，F(xiàn)unction of Phytoferritin and its Application in Nano Material Science

ZHAO Guang-hua，YUN Shao-jun
（CAU＆ACCJoint-LaboratoryofSpaceFood，CollegeofFoodScience andNutritionalEngineering，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China）

Ferritins are a broad superfamily of iron storage proteins，present in all living organisms and play important roles in controlling cellar iron homeostasis.To date，relatively little information is available on structure and function of phytoferritin compared to animal ferritin.Phytoferritin is observed in amyloplast whereas animal ferritins are largely found in the cytoplasm of cell.In contrast to animal ferritin，phytoferritins exhibit two major distinctive features in structure：（1）phytoferritin contains a specific extension peptide（EP）at the N-terminal while animal ferritin lacks.The EP is located on the exterior surface of protein，which recently has been found to act as a second ferroxidase center for iron-binding and oxidation，and regulate iron release during the germination and early growth of seedlings.（2）only H-type subunit has been identified in phytoferritin which is usually a heteropolymer consisting of two different subunits，H-1 and H-2，sharing～80%amino acid sequence identity.These two subunits in phytoferritin play a positively cooperative role in iron oxidative deposition in protein.

The obtained ferritin has attracted great interest among researchers in the field of nanodevices due to its specific structure.Biomineralization of ferritin core has been extended to the artificial synthesis of homogeneousmetal complex nanoparticles and semiconductor nanoparticles.The inner cavity of apophytoferritin is an ideal spatially restricted chemical reaction chamber for nanoparticles synthesis.This review focuses on recent progresses in structure，function of phytoferritin and its application in nano material science.

phytoferritin;EP domain;H-1 and H-2 subunits;nanoparticles

Q512

A

0253-2395（2012）02-0285-08＊

2011-10- 20;

2011-10-26

國家自然科學(xué)基金（30972045）

趙廣華（1969－），男，博士，教授，主要研究領(lǐng)域為食品生物化學(xué)與營養(yǎng).E-mail：gzhao1000＠yahoo.com