銅離子的生物學(xué)特性及其吸收轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

侯金麗

摘要 介紹銅離子的生物學(xué)特性，闡述銅離子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控機(jī)制，包括缺銅情況下銅離子平衡的調(diào)控和銅離子自我反饋調(diào)控途徑。

關(guān)鍵詞 銅離子；生物學(xué)特性；吸收轉(zhuǎn)運(yùn)；調(diào)控機(jī)制

中圖分類號(hào) Q581 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2015）14-0158-01

1 銅離子的生物學(xué)特性

銅是生物體正常生長(zhǎng)不可缺少的重要微量元素之一。在生物體內(nèi)，銅離子以還原態(tài)的Cu+[Cu（I）]和氧化態(tài)的Cu2+[Cu（II）]2種形式存在。Cu+的生化反應(yīng)活性極高，只有在極度酸性的環(huán)境下或與其他分子結(jié)合的狀態(tài)下才能存在。相反，Cu2+在酸性及中性的水溶液中均可穩(wěn)定存在。通過Cu+和Cu2+之間的相互轉(zhuǎn)變，銅離子在生物體內(nèi)參與光合作用、氧化磷酸化以及活性氧的消除等重要生物學(xué)過程。由于在生物體內(nèi)參與眾多的生理生化反應(yīng)，銅離子在過量的情況下，會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生毒害。銅離子的毒性在很大程度上是由于在Cu（I）和Cu（II）比較容易地相互轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致的。此外，銅離子產(chǎn)生的毒性還很可能產(chǎn)生于Cu（I）和Cu（II）與生物大分子上的半胱氨酸、蛋氨酸和組氨酸側(cè)鏈的非正確結(jié)合。這種錯(cuò)誤結(jié)合導(dǎo)致正常的金屬離子無法結(jié)合到正確的位點(diǎn)，這種非正常結(jié)合也可能導(dǎo)致蛋白的錯(cuò)誤折疊，最終使蛋白等生物大分子失去活性[1]。

在細(xì)胞層面上，銅離子毒害主要表現(xiàn)為對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的破壞。在葉綠體中，過氧離子含量增加，可破壞類囊體膜，使光合系統(tǒng)Ⅰ（photosystem I）和光合系統(tǒng)II（photosystem II）之間的電子傳遞受到一定影響，導(dǎo)致光合作用的效率嚴(yán)重下降。最終使植物的生長(zhǎng)受到抑制，出現(xiàn)葉片逐漸枯萎的現(xiàn)象，最終死亡。

此外，銅離子的缺乏對(duì)于植物生長(zhǎng)也有很大影響。由于植物體內(nèi)約一半的銅離子存在于葉綠體中，因此在銅離子缺乏情況下，幼嫩的葉片和生殖器官最先表現(xiàn)出缺銅癥狀，葉片褪綠，植株生長(zhǎng)緩慢，最后枯萎死亡。

2 銅離子吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控機(jī)制

2.1 缺銅情況下銅離子平衡的調(diào)控

在缺銅環(huán)境下，生物有機(jī)體首先保證生物代謝不可缺少的銅蛋白獲取銅離子，而其他一些不必需的銅蛋白被其他金屬離子的同工蛋白代替。這些可替代銅蛋白的同工蛋白多數(shù)都屬于以鐵離子作為輔因子的蛋白。最明顯的例子是在葉綠體中，當(dāng)銅離子缺乏時(shí)，F(xiàn)eSOD取代Cu/Zn-SOD的功能，從而為質(zhì)體藍(lán)素提供更多的銅離子。

最近研究表明，在缺乏銅離子環(huán)境下，擬南芥中參與銅離子缺乏脅迫反應(yīng)的基因，如FeSOD、高親和力銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白COPT1和COPT2均由SPL7調(diào)控表達(dá)。進(jìn)一步研究表明，在FeSOD、COPT1和COPT2基因啟動(dòng)子區(qū)域都存在重復(fù)的GTAC順式作用元件。與GTAC相互作用的反式作用因子（trans factor）隸屬于SBP轉(zhuǎn)錄因子家族[2]。

2.2 銅離子自我反饋調(diào)控途徑

從整體上來看，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)銅離子的平衡主要決定于銅離子的內(nèi)向運(yùn)輸（在低銅環(huán)境下COPT家族成員的運(yùn)輸）和外向運(yùn)輸（主要通過P-type ATPase銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外，或者區(qū)域化到細(xì)胞內(nèi)特殊的細(xì)胞器中）。前已述及，在銅離子過量時(shí)，擬南芥COPT家族的幾個(gè)成員，包括COPT1和COPT2同時(shí)下調(diào)表達(dá)。銅離子不足時(shí)，它們啟動(dòng)子區(qū)的共同順式作用元件GTAC在SPL7轉(zhuǎn)錄因子作用下可同時(shí)表達(dá)。不同銅離子狀態(tài)下，這種通過COPT基因表達(dá)量的下調(diào)或上調(diào)的調(diào)控模式被認(rèn)為是一種自我反饋調(diào)控。在這種調(diào)控模式下，一方面可以穩(wěn)定細(xì)胞質(zhì)內(nèi)銅離子的穩(wěn)態(tài)，另一方面由于反饋信號(hào)的延遲（COPT的轉(zhuǎn)錄、翻譯和銅離子運(yùn)輸過程等）可形成一個(gè)銅離子震蕩的過程。這個(gè)銅離子震蕩過程可以簡(jiǎn)單地描述為低銅環(huán)境下誘導(dǎo)COPT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的合成，促使銅離子從內(nèi)部?jī)?chǔ)藏位點(diǎn)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中；一旦細(xì)胞質(zhì)中的銅離子達(dá)到較高濃度，COPT轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的合成被抑制，過量的銅離子重新被轉(zhuǎn)運(yùn)回到儲(chǔ)藏位點(diǎn)，細(xì)胞質(zhì)中的銅離子濃度重新回到最初的低水平狀態(tài)[3]。

雖然這種銅離子震蕩循環(huán)和自我反饋的持續(xù)維持可以用數(shù)學(xué)分析的方法來證明，但還缺乏直接、準(zhǔn)確的試驗(yàn)證據(jù)。假如銅離子震蕩確實(shí)存在，這個(gè)假設(shè)還存在另外一個(gè)問題：在銅離子震蕩過程中，銅離子在細(xì)胞內(nèi)確切的儲(chǔ)存位置在哪里？目前認(rèn)為，液泡或者細(xì)胞內(nèi)吞途徑的運(yùn)輸囊泡是銅離子儲(chǔ)存的主要場(chǎng)所。在這2類亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)上，外向運(yùn)輸?shù)你~轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以將細(xì)胞質(zhì)中的銅離子泵出，而COPT家族的蛋白可以將銅離子重新釋放回細(xì)胞質(zhì)中。預(yù)測(cè)COPT2和COPT1的啟動(dòng)子區(qū)域存在晝夜節(jié)律調(diào)控元件。假如這些調(diào)控元件在轉(zhuǎn)錄水平上具有功能，那么銅離子震蕩周期很可能與晝夜節(jié)律具有一致性[4]。

關(guān)于銅離子與晝夜節(jié)律的關(guān)系，除擬南芥外，在其他生物體中也有少量報(bào)道。蕨類植物小立碗蘚SPL家族受到晝夜節(jié)律調(diào)控；在粗糙脈孢菌中，一個(gè)結(jié)合銅離子的金屬硫因子的表達(dá)同樣呈現(xiàn)出晝夜節(jié)律性；在哺乳動(dòng)物中，一個(gè)松果體ATPase（銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）的表達(dá)也具有明顯晝夜節(jié)律性。

3 參考文獻(xiàn)

[1] 姚浩群.金屬離子與金屬顆粒生物學(xué)活性實(shí)驗(yàn)研究[J].南方醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（16）：63-68.

[2] 宋明明，黃凱，朱連勤.銅吸收與代謝的研究進(jìn)展[J].飼料博覽，2014，19（9）：81-83.

[3] 王超曼，程楠，韓詠竹，等.細(xì)胞內(nèi)銅轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].安徽衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（6）：25-28.

[4] 石鑄，閆振文，梁秀齡.銅伴侶蛋白（Copper chaperones）研究進(jìn)展[J].國(guó)外醫(yī)學(xué)：遺傳學(xué)分冊(cè)，2002（4）：204-206.endprint