γ-羧基谷氨酸的研究概述

梁佩芳

（開封大學醫(yī)學部，河南 開封 475001）

蛋白質作為所有生物體的功能體現(xiàn)者，在生命體系中扮演著極其重要的角色。蛋白質大致由20 種氨基酸組成，這些氨基酸包含多種功能基團，如氨基，羧基，巰基，烷基鏈，芳香環(huán)等。然而，這些基團數量和功能有限，不足以完成生物體內所有的生物學功能。為了能讓蛋白質完成更加精確、多樣的生物學功能，生物體會進行一些翻譯后的修飾，如：羧基化，甲基化，乙?；u基化等。通過這些修飾，可改變蛋白質的構象，實現(xiàn)蛋白質的新功能。

1 γ-羧基谷氨酸的形成機制

在生物體內，維生素K（Vitamin K）在谷氨酸羧化酶的作用下將L-谷氨酸（Glu）進一步羧基化獲得Gla。Vitamin K 首先被還原為具有生物活性的對苯二酚結構—氫醌型維生素K（Vitamin KH2）。在羧化過程中，Glu 羧化成為Gla，而Vitamin KH2轉化為Vitamin K[1]。Gla 可以與鈣離子等二價金屬離子螯合，形成蛋白質的功能構象，發(fā)揮生理作用。如圖1。

圖1 Vitamin K 羧化Glu 為Gla

2 γ-羧基谷氨酸的分布與作用機制

γ-羧基谷氨酸（Gla）是羧基化修飾的一種非蛋白氨基酸，它比谷氨酸多一個羧基，Gla 最早于1974 年由Stenflo, Nelsestuen, Magnusson 分別獨立發(fā)現(xiàn)。Gla 主要存在于凝血因子，一些哺乳動物的骨組織蛋白和芋螺毒素中。

2.1 凝血因子

有四種凝血因子（II, VII, IX, X）含有Gla 殘基，凝血因子序列中包含和羧化酶相互作用的序列，稱為γ-羧化識別序列(γ-CRS)。γ-CRS 通過酶進行翻譯后的加工，將特定位點的Glu 羧化成為Gla。Gla 可以作為結合位點與鈣離子結合，在依賴鈣離子和活化磷脂的止血法中，這種結合起了至關重要的作用。如果這些特定位點的Glu未被羧基化為Gla，凝血因子與鈣離子的結合能力將會減弱，從而不能形成功能構象，影響凝血。在現(xiàn)實生活中，影響凝血的因素很多，比如體內缺乏Vitamin K，使用香豆素類藥物華法林（Warfarin，一種Vitamin K 抑制劑）等。

2.2 骨鈣素（OC）

又稱骨γ-羧基谷氨酸蛋白，是一種體內含量最多的非膠原骨基質蛋白，由骨中的非增殖期成骨細胞特異合成并分泌。在1975 年和1976 年，科學家首次從動物體內的骨骼中分離鑒定出OC蛋白。通過對不同種類動物的研究，發(fā)現(xiàn)各種動物體內OC 具有很高的保守性，其序列一般由49-51 個氨基酸構成，第21、24、27 位為Gla 羧化位點。OC 蛋白的羧化是在翻譯后修飾的，首先將OC 基因翻譯成OC 原，OC 原去除前肽信號，此時肽鏈中的α-羧基谷氨酸經過羧化酶催化，轉化為有活性的Gla，此過程涉及Vitamin K和Vitamin KH2的轉換。當這些位點羧化為Gla后，Gla 可以與鈣離子結合，結合后OC 第16～25位氨基酸殘基將會形成緊密的α-螺旋，可使其中3 個Gla 殘基突向同一方向排列，從而促進其與羥磷灰石（HA）結合，阻礙HA 結晶[2]。因為HA 結晶的形成反映生長軟骨礦化的速度，故OC可抑制軟骨礦化。因此血清中OC 含量可以反映骨細胞活性和骨轉換的程度。骨更新率越快，OC值越高，反之越低。

羧化的OC 可以影響骨的形成與轉化。最近的研究表明，未羧化的OC 也可以調節(jié)生理功能。1997 年，F(xiàn)erron 研究發(fā)現(xiàn)，未經羧化的OC 對II型糖尿病的臨床治療具有一定效果，它可促進胰島細胞增殖，增加胰島素的分泌，增加胰島素的敏感性。2005 年，Cantatore 等以雞胚絨毛尿囊膜為實驗材料，證實了未羧化的OC 可以促進血管生成。2011 年，Oury 等研究表明，未羧化的OC也能影響雄性生殖能力，骨骼釋放的OC 可控制睪酮水平，進而對雄性生殖能力造成影響。

2.3 芋螺毒素

一些芋螺毒素（conotoxins）中也含有Gla，芋螺毒素存在于芋螺毒液中。芋螺毒液是最古老的海洋物種之一—芋螺捕食或防御時分泌的毒液。芋螺毒素是很多單一肽組成的混合毒素，主要成分是一些多肽化合物。芋螺毒素對不同離子通道及神經受體具有很強的專一性。按其結構序列特征及二硫鍵骨架的不同，芋螺毒素可分為26 個超家族，每個超家族的成員都具有一些相同的特點：它們具有共同的保守的二硫鍵連接方式，以及相同的高度保守的信號肽序列。根據每個超家族成員保守的半胱氨酸骨架及其藥理學作用靶點，進一步可分為α、μ、ω、κ、δ、ψ、σ、ρ、γ、加壓素、驚厥劑、睡眠肽等家族[3]。它們作用于不同的受體和離子通道，起著多種藥理學作用。

芋螺睡眠肽（conantokin, con）是一類較特殊的芋螺毒素，芋螺睡眠肽序列中均富含Gla。芋螺睡眠肽具有鎮(zhèn)痛催眠作用，實驗證明，在實驗鼠顱內注射芋螺睡眠肽后，實驗鼠會呈現(xiàn)一種睡眠樣狀態(tài)。芋螺睡眠肽是選擇性的NMDA 受體抑制劑，是目前唯一已知的抑制NMDA 受體的天然多肽，并對NMDA 受體的亞基具有很高的選擇性。NMDA 受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor），全稱N-甲基-D-天冬氨酸受體，是離子型谷氨酸受體的一個亞型，是中樞神經系統(tǒng)內一類重要的興奮性氨基酸受體。NMDA 受體參與一系列的神經系統(tǒng)病理過程，如癲癇，中風等。相比作用于阿片受體的鎮(zhèn)痛藥物，作用于NMDA 受體的芋螺睡眠肽具有更大的開發(fā)價值。芋螺睡眠肽對受體的選擇性較強，成癮性低，副作用小。

3 結語

綜上所述，非蛋白氨基酸Gla 雖然在生物體內含量很少，但在凝血因子，骨鈣素，芋螺毒素中存在，并對形成這些蛋白質的功能構象起著至關重要的作用，在生物體內必不可少。