銅吸收與代謝的研究進(jìn)展

宋明明，黃 凱，朱連勤

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山東 青島 266109）

銅是人和動(dòng)物機(jī)體內(nèi)必需的微量元素，在機(jī)體代謝、生長(zhǎng)發(fā)育和調(diào)節(jié)免疫功能方面發(fā)揮重要作用。其不僅通過構(gòu)成機(jī)體內(nèi)的含銅酶（如超氧化物歧化酶、金屬硫蛋白、銅藍(lán)蛋白、賴氨酰氧化酶等）參與機(jī)體代謝過程，而且參與機(jī)體造血、自由基防御等活動(dòng)，對(duì)動(dòng)物的生長(zhǎng)繁殖、骨骼發(fā)育和免疫等生理機(jī)能發(fā)揮著重要的作用[1]。銅主要經(jīng)過消化道吸收，細(xì)胞將銅攝取后，將其轉(zhuǎn)運(yùn)到亞細(xì)胞器如線粒體、微粒體、溶酶體中貯存，從而調(diào)控體內(nèi)許多蛋白質(zhì)和酶[2]。因此，銅作為動(dòng)物機(jī)體內(nèi)必需的微量元素逐漸得到深入廣泛的研究。

1 銅在動(dòng)物體內(nèi)的分布及貯存

成年動(dòng)物體內(nèi)含銅量為0.00015%～0.00025%，新生動(dòng)物體內(nèi)銅的含量與其母體內(nèi)的含銅量密切相關(guān)，除羔羊外，新生動(dòng)物因其肝銅較高而含銅較高，新生犢牛機(jī)體含銅較其他動(dòng)物都高，平均約含13～14mg，新生仔豬含銅2.5～4mg，剛出殼的仔雞僅含銅60～80μg。對(duì)于哺乳動(dòng)物而言，銅在整個(gè)胃腸道都有吸收，但絕大多數(shù)通過小腸吸收。更確切地說，銅主要在十二指腸被吸收，之后經(jīng)紋狀緣進(jìn)入腸細(xì)胞。腸道銅源以食物銅為主，此外還包括內(nèi)源性器官或細(xì)胞分泌（唾液、胃液和胰液等）的銅，這些銅可以被腸道重吸收。植物性飼料中的銅主要以穩(wěn)定的可溶性復(fù)合物（如氨基酸形式的復(fù)合物）形式吸收，而不是以離子形式吸收，動(dòng)物不能有效利用硫化銅與卟啉銅化合物中的銅。銅的吸收過程分兩步，即銅先從腸腔進(jìn)入黏膜細(xì)胞，然后從黏膜細(xì)胞進(jìn)入血液，其中，從腸腔到黏膜是自由擴(kuò)散過程，銅被腸道黏膜吸收后部分迅速進(jìn)入血液循環(huán)，并很快沉積在肝臟，另有一部分則與金屬硫蛋白結(jié)合，存儲(chǔ)于腸黏膜上皮細(xì)胞內(nèi)，吸收入血的銅主要與血漿銅藍(lán)蛋白結(jié)合，少量與白蛋白和氨基酸結(jié)合，其中前者結(jié)合較牢固，后兩者與銅結(jié)合得較松散。徐晨晨等報(bào)道，動(dòng)物體內(nèi)的銅主要分布在肝、腦、心、腎臟及毛發(fā)等器官中，在脾、肺、腸中也有少量分布[3]。銅在血液中主要以紅細(xì)胞銅藍(lán)蛋白和血漿銅藍(lán)蛋白兩種形式存在，然后經(jīng)由血液循環(huán)到達(dá)其他的器官并與其中的蛋白質(zhì)結(jié)合。李宏等報(bào)道，肝臟是動(dòng)物體內(nèi)銅貯存和銅代謝的重要器官[4]。成年哺乳動(dòng)物體內(nèi)肝臟中50%的銅分別與腸黏膜內(nèi)的超氧化物歧化酶和金屬硫蛋白（MT）相結(jié)合，二者均具有結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)銅的作用。

2 銅在動(dòng)物體內(nèi)的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

目前關(guān)于銅離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)研究報(bào)道，細(xì)胞表面銅的轉(zhuǎn)運(yùn)和銅運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族發(fā)揮了非常重要的作用。Petris等研究發(fā)現(xiàn)，除通過游離銅和血漿銅藍(lán)蛋白這兩種途徑攝取銅外，還存在其他銅的吸收方式[5]。細(xì)胞對(duì)銅的攝取主要是通過銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和金屬硫蛋白來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)然金屬反應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子也是不可或缺的[6]。銅離子通過胃壁和小腸刷狀緣表面被吸收入腸黏膜，與腸道細(xì)胞膜上的Ctr1蛋白結(jié)合，進(jìn)入腸上皮細(xì)胞。然后通過MNK（ATP7A）介導(dǎo)，由腸上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)至門靜脈。銅進(jìn)入血液后與血漿白蛋白結(jié)合，隨后被運(yùn)輸?shù)饺砀鹘M織細(xì)胞。胞外銅可被一種或多種高度銅親和力的跨膜蛋白（如Ctr1和DMT1）轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)。銅一旦進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，就會(huì)與一組廣泛存在的蛋白質(zhì)受體-胞內(nèi)銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或銅伴侶（如Coxl7、ATOX1等）結(jié)合。Coxl7是位于細(xì)胞質(zhì)和線粒體中的分子伴侶，可將Cu+轉(zhuǎn)運(yùn)至電子鏈末端的細(xì)胞色素C氧化酶（CCO），有助于線粒體的呼吸；Cu+可經(jīng)過分子伴侶轉(zhuǎn)運(yùn)至抗氧化物酶形成銅鋅超氧化物歧化酶（CuZn-SOD）；Cu+還可結(jié)合ATOX1，ATOX1轉(zhuǎn)運(yùn)銅離子至銅依賴性ATPase，在肝臟ATPase參與膽汁中血漿銅藍(lán)蛋白合成和分泌，在腸上皮細(xì)胞ATPase將細(xì)胞內(nèi)的銅轉(zhuǎn)運(yùn)至血管經(jīng)過血液循環(huán)到達(dá)全身[7]。在銅轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，二價(jià)金屬元素（銅、鎘、鋅）可促進(jìn)腸壁組織合成MT，與腸黏膜細(xì)胞內(nèi)的銅結(jié)合形成Cu-MT，滯緩銅向血液轉(zhuǎn)運(yùn)。

3 銅轉(zhuǎn)運(yùn)基因的功能

3.1 Ctr1

銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族主要包括銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Ctr）和銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸化ATP酶（Cu-ATPase）。目前發(fā)現(xiàn)的Ctr家族有Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4和Ctr5，其中以Ctr1的功能最為強(qiáng)大。Ctr1是位于動(dòng)物細(xì)胞膜上高親合能力的銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，最早發(fā)現(xiàn)于酵母轉(zhuǎn)鐵體系缺陷型菌株中，其結(jié)構(gòu)和功能具有遺傳保守性。Ctr1在肝臟和腎臟中表達(dá)量最高，在腦和肌肉中表達(dá)量最低。Ctr1的主要作用是將銅離子從細(xì)胞外轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)[8]。Aller等研究表明，細(xì)胞外的銅離子可以在富含蛋氨酸和組氨酸的N-末端?？课稽c(diǎn)通過Ctr1寡聚體對(duì)稱的通道狀結(jié)構(gòu)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[9]。在銅轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中，Ctr1只轉(zhuǎn)運(yùn)一價(jià)銅離子，因此需要在金屬還原酶和維生素C的輔助下先把二價(jià)銅離子還原成一價(jià)銅離子來實(shí)現(xiàn)Ctr1對(duì)Cu+的轉(zhuǎn)運(yùn)。Ctr1的表達(dá)水平與細(xì)胞內(nèi)銅離子濃度有密切關(guān)系，其表達(dá)量的多少直接對(duì)機(jī)體銅代謝產(chǎn)生影響，銅缺乏時(shí)可促進(jìn)該蛋白的表達(dá)，過量則抑制其表達(dá)[10]。在卵巢腫瘤的細(xì)胞株培養(yǎng)中加入銅離子可迅速降低Ctr1表達(dá)[11]。李俐華報(bào)道，在銅離子（硫酸銅）和順鉑圓窗給藥后，大鼠耳蝸內(nèi)Ctr1mRNA表達(dá)量降低[12]。也有研究認(rèn)為，銅離子濃度對(duì)Ctr1 mRNA的表達(dá)無(wú)影響，因?yàn)镃tr1轉(zhuǎn)運(yùn)銅的時(shí)候必須要先把Cu2+變成Cu+，才能進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，Cu+進(jìn)入細(xì)胞后，由銅伴侶蛋白Atox1（antioxidant protein1）將Cu2+轉(zhuǎn)給高爾基體（TGN）中的ATP7A（ATP-dependent copper transporter 7α）、ATP7B（ATP-dependentcopper transporter 7β）；在胞外銅濃度升高時(shí)ATP7A和ATP7B從高爾基體移向質(zhì)膜邊上[13]。在小腸黏膜細(xì)胞上ATP7A將Cu2+由質(zhì)膜排入血液。另外，研究發(fā)現(xiàn)，敲除Ctr1基因的小鼠在胚胎形成早期死亡率大大增高，妊娠期自然流產(chǎn)幾率增大，表明Ctr1在動(dòng)物銅吸收中起關(guān)鍵作用。

3.2 Ctr2

Ctr2是酵母cDNA文庫(kù)中與Ctr1具有高度同源性（含有3個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域）的蛋白，因其N端組氨酸和甲硫氨酸的含量比較低而不能結(jié)合大量的Cu+，所以被稱為低親合力轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。Ctr2主要位于內(nèi)涵體和溶酶體中，研究表明，細(xì)胞內(nèi)銅代謝與Ctr2將銅轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體內(nèi)有密切關(guān)系。Rees等研究表明，在金屬還原酶的存在下Ctr2可代替Ctr1進(jìn)行銅的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)，說明兩者對(duì)銅的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制相同[14]。

3.3 ATP7A和ATP7B

研究證明，在銅伴侶蛋白的協(xié)同下Ctr1能與ATP7A、ATP7B蛋白共同維持細(xì)胞銅離子的平衡。ATP7A與ATP7B蛋白是兩種同源的Cu-ATP酶，兩者的同源性為54%～65%。ATP7A是糖基化的膜蛋白，而ATP7B是非糖基化的膜蛋白，兩種蛋白都包含8個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域，胞質(zhì)中的N-末端區(qū)域有6個(gè)富含半胱氨酸的銅離子結(jié)合位點(diǎn)（MXCXXC）。ATP7A蛋白分布于全身各組織器官中，其主要作用是將轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞的銅離子釋放至血液中，并重新分配轉(zhuǎn)運(yùn)至其他組織內(nèi)；而ATP7B主要存在肝臟中，少量在腦、腎臟和胎盤等組織表達(dá)，其主要作用是在高爾基體內(nèi)接受銅伴侶蛋白傳遞銅，與銅藍(lán)蛋白前體結(jié)合成銅藍(lán)蛋白，或者可在高銅環(huán)境下重新定位，促進(jìn)銅離子從膽道排出[15]。這兩種轉(zhuǎn)運(yùn)體都是通過ATP酶水解將銅轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞膜內(nèi)的小囊泡中，與細(xì)胞膜融合之后通過胞吐作用將銅轉(zhuǎn)出細(xì)胞外[16]。研究表明，鈣離子通道的開放可以刺激囊泡與胞膜融合，通過胞吐作用將銅排出細(xì)胞外[17]。研究證實(shí)，ATP7A和ATP7B的表達(dá)受銅離子濃度的調(diào)節(jié)。ATP7A和ATP7B在體內(nèi)銅離子濃度處于平衡狀態(tài)時(shí)，均分布于細(xì)胞內(nèi)的高爾基體；在銅離子濃度發(fā)生改變時(shí)也將重新分布。研究顯示，高銅使ATP7A從腸上皮細(xì)胞內(nèi)的高爾基體轉(zhuǎn)移至基底膜外側(cè)的小囊泡，進(jìn)而將銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)至血液中。而低銅使ATP7B從高爾基體中轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞的頂膜，將存在于肝臟中的部分銅離子分泌至膽道排出體外[18]。這與金黃色的色斑魚機(jī)制類似，給色斑魚飼喂高銅離子的膳食，上調(diào)了肝臟和小腸內(nèi)ATP7BmRNA和ATP7AmRNA表達(dá)，說明二者主要通過膽汁分泌和腸道排泄排出多余的銅離子來自我保護(hù)[19]。ATP7A缺乏將減少胎盤和小腸黏膜上皮細(xì)胞銅的轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致全身性銅缺乏。ATP7B的突變會(huì)引起銅藍(lán)蛋白合成下降導(dǎo)致膽汁銅排泄障礙，使過量的游離銅蓄積在肝臟中，加劇Wilson病。

3.4 金屬硫蛋白

金屬硫蛋白（MT）是一類廣泛存在于生物細(xì)胞內(nèi)的低相對(duì)分子質(zhì)量低、金屬含量高、無(wú)芳香氨基酸、富含半胱氨酸的金屬結(jié)合蛋白，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Cu+濃度（＜10-18mol·L-1）維持細(xì)胞代謝的平衡。MT含“Cys-X-Cys”三肽序列。與重金屬結(jié)合順序由強(qiáng)到弱依次為：Hg（Ⅱ）＞Ag（Ⅰ）＞Cu（Ⅰ）＞Cd（Ⅱ）＞Zn（Ⅱ）。MT參與微量元素的儲(chǔ)存及轉(zhuǎn)運(yùn)代謝，頡頏電離輻射，清除羥基自由基，重金屬解毒，對(duì)機(jī)體發(fā)育過程的調(diào)節(jié)和免疫應(yīng)激方面具有重要生理作用。MT參與銅、鎘、鋅等微量元素的代謝調(diào)節(jié)，可以和肝細(xì)胞中的銅結(jié)合形成Cu-MT來降低細(xì)胞內(nèi)銅的毒性。過量的銅可誘導(dǎo)腸黏膜上皮細(xì)胞合成MT，部分銅與MT形成Cu-MT多聚體，隨上皮細(xì)胞的死亡和脫落排出體外。肝臟中的MT與銅濃度成正比，MT表達(dá)水平隨肝細(xì)胞中銅濃度升高而上調(diào)。

3.5 DMT1

DMT1又稱為天然抗性相關(guān)巨噬細(xì)胞蛋白2（NRAMP2）或二價(jià)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（DCT1），能夠轉(zhuǎn)運(yùn)Cu2+、Zn2+、Fe2+和Mn2+等二價(jià)金屬陽(yáng)離子。在腸、肝、腎、腦等處有特征分布，主要存在于小腸絨毛的紋狀緣內(nèi)，在其他組織細(xì)胞中定位于細(xì)胞膜或胞漿內(nèi)內(nèi)吞小體和溶酶體的膜上。DMT1攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)二價(jià)金屬離子時(shí)，優(yōu)先攝取鐵，銅能與鐵競(jìng)爭(zhēng)DMT1進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。Arredondo等研究表明，高銅能降低DMT1mRNA的表達(dá)，導(dǎo)致DMT1轉(zhuǎn)運(yùn)活性降低，由于銅加速DMT1的降解[20]。Marzullo等報(bào)道，銅缺乏時(shí)小鼠十二指腸的DMT1（+IRE）顯著提高[21]。Han等研究表明，CaCo-2細(xì)胞經(jīng)過1μmol CuCl2處理1周后，提高DMT1的表達(dá)[22]。Tennant等報(bào)道，細(xì)胞內(nèi)添加CuCl21μmol 24 h后反而降低DMT1的表達(dá)[23]。Knopfel等認(rèn)為，DMT1是一種能量依賴型的銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，并且這一形式是DMT1轉(zhuǎn)運(yùn)銅的主要機(jī)制[24]。用DMT1反義寡核苷酸處理的腸黏膜Caco-2細(xì)胞，分別導(dǎo)致80%和48%的腸黏膜Caco-2細(xì)胞對(duì)鐵和銅吸收抑制。DMT1轉(zhuǎn)運(yùn)一價(jià)銅離子的速度是二價(jià)銅離子的1 000%。Tennant發(fā)現(xiàn)對(duì)Caco-2和TC7細(xì)胞添加銅100μM后導(dǎo)致DMT1（+IRE）mRNA的表達(dá)量顯著下降，而對(duì)DMT1（-IRE）mRNA的表達(dá)量無(wú)影響[25]。

4 銅的排泄

成年動(dòng)物對(duì)銅的表觀吸收率很低，銅的排泄是主動(dòng)過程，飼料中銅的80%隨膽汁進(jìn)入消化道，與氨基酸結(jié)合后經(jīng)糞便排出體外。正常膽汁排泄銅的機(jī)制仍然不十分清楚，銅由體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)至膽道可能通過以下途徑：通過存在于肝細(xì)胞膜小管區(qū)的ATP依賴的銅轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)；通過包括溶酶體在內(nèi)的囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)，銅和溶酶體酶一起釋放入膽道中；谷胱甘肽-銅，通過小管特異性有機(jī)陰離子轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)，其中第一條通路最為重要。少量經(jīng)腎和腸壁排出，排出量約占5%和10%。糞和尿內(nèi)的銅均是以氨基酸、多肽、煙酸及其他小分子化合物的形式排出。組織中的銅由銅藍(lán)蛋白介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)回肝臟代謝或從膽道排出，有極小部分的銅是由汗腺排出。

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