铜蓝蛋白生理功能及其与疾病的关系

铜蓝蛋白生理功能及其与疾病的关系 　　　　1 铜蓝蛋白的研究概况 　　铜蓝蛋白（ EC 1. 16. 3. ） 又称铜氧化酶，是Holmberg 和 Laurell 于 1948 年首先从人血清 a2 -球蛋白中纯化出的一种外观呈蓝色的含铜糖蛋白，命名为铜蓝蛋白（ Ceruloplasmin,Cp）[1],随后人们陆续在其他哺乳动物和鱼类中发现了 Cp 的存在，而植物中也存在结构及功能相似的其他多铜氧化酶家族的成员[2] ,真菌中有 Cp 的同源基因 Fet3. 因此，Cp 是广泛分布于各种真核生物中的一种含铜氧化酶，具有催化多种底物如铜、铁以及其他有机底物的氧化功能。 脊椎动物中 Cp 合成于肝脏并参与生物体铁的代谢，也在胚胎以及神经系统发育中起作用； 在医学上 Cp 是各种炎症、感染及肿瘤疾病的标志性蛋白； 与人类 Wilson病、遗传性铜蓝蛋白缺乏症等有十分密切的联系。因此，长期以来一直受到人们的关注[3]. 　　2 铜蓝蛋白的结构 　　人的 Cp 基因位于 8 号染色体，基因定位3q23 - q25,基因长度为 65 kb,包含 19 个外显子。 人的 Cp 蛋白是一条单一的多肽链，由1046 个氨基酸和附着在上面的 4 个寡糖一氨基葡萄糖组成，相对分子质量约为 132 kDa[4]. 二级结构测定明，Cp 肽链中的 β - 片层和无规卷曲约各占50% ,几乎没有 α - 螺旋结构。 单一的多肽链可被蛋白酶水解为 3 组异体同形的单元，相对分子量分别为 67 KD （ 480 个氨基酸残基） 、50 KD（ 405 个氨基酸残基） 及 19 KD （ 159 个氨基酸残基） ,在完整的多肽链中，3 个单元分别由单个氨基酸残基精氨酸 R、赖氨酸 K 连接[5]. Cp 有 6 个紧凑的结构域能够结合 6 个铜原子，位于一、六域交界面上的 3 个铜原子形成一个三核铜簇，其他3 个铜原子以单核形式分别存在于二、四、六域（ 图1） . 三核铜簇不仅对于 Cp 的催化活性有着重要作用，而且有助于 Cp 结构的稳定[4]. 　　3 铜蓝蛋白的组织合成与分布 　　脊椎动物 Cp 主要是由肝脏合成的，其他如大脑、胎盘、卵黄囊、乳腺及睾丸的支持细胞也可独立合成 Cp. 在肝细胞的内质网中首先合成前铜蓝蛋白（ apo-cemloplasmin） ,进而在高尔基体中与Cu 结合形成全铜蓝蛋白（ holo-cemloplasmin） ,随后 Cp 从肝脏经胆汁转运并由其他组织器官摄取[6]. 正常生理条件下，肝铜储备的增加可引起 Cp浓度持续性的增加，当铜储备量缺乏时会引起 Cp浓度的显着降低。 脑内合成的 Cp 主要为磷酸肌醇锚定形式（ glycosylph-osphatidyIinositolanchored Cp,GPI - Cp） ,结合在星形胶质细胞膜上[7]. 研究发现雌激素可增加 Cp 的合成，怀孕期动物雌激素浓度升高时，Cp 的浓度可增加 3 ~4 倍[8].铜蓝蛋白主要在分布于血清当中，上述合成部位也有一定分布，在不同物种中这种分布可能会有差异。 　　4 铜蓝蛋白的生理功能 　　4. 1 铜蓝蛋白具有氧化酶功能 　　铜蓝蛋白本身属于多铜氧化酶家族，具有氧化酶的功能，可在其单铜离子中心接受底物电子，并将之转移到多铜离子中心，以便分子氧结合并将其还原成水[9]. 在此过程中，金属离子如铜和铁离子都可以作为其底物，铜蓝蛋白可以将 Fe2 +和 Cu1 +分别氧化为 Fe3 +和 Cu2 +[10],从而使其在体内可以进行转运与代谢（ 图 2） . 在体内，铜蓝蛋白的胺氧化酶作用可将分子氧氧化生成水或者过氧化氢，对机体内的其他有机底物如苯二胺有胺氧化酶作用[11],对邻苯二酚及其类似物如多巴胺、肾上腺素、去甲肾上腺素、5 - 羟色胺及色氨酸等具有邻苯二酚氧化酶的作用。 　　4. 2 铜蓝蛋白调节铜的代谢 　　铜是机体必需的微量元素，Cp 在铜的代谢过程中发挥重要的作用。 铜在十二指肠被吸收后，由铜转运蛋白相关蛋白（ 铜蓝蛋白、白蛋白、铜转运蛋白、某些铜复合物及组氨酸等低分子量蛋白）转运到肠上皮细胞，经过血液循环迅速进入肝、肾中。 铜的分子伴侣 ATOX1 （ ATPases-ATP7A andB） 将铜原子传递给肝肾细胞合成的 Cp[13]. 结合铜的 Cp 是血清中铜的主要载体，当铜蓝蛋白到达靶细胞表面时，会与其相应的受体相互作用释放铜，这些铜被靶细胞吸收和利用。 通过铜蓝蛋白对铜离子的结合和释放，实现了铜在机体内的分布。 除此以外，铜对机体 Cp 的合成和代谢也有调节作用，例如，加铜螯合剂培养的 C6 神经胶质细胞阻碍了 GPI - Cp 的表达并导致细胞中 Cp 的减少，说明铜能调节 Cp 的合成。 Gitlin D 等发现 Cp的半衰期为 5. 5 d[14],机体内未结合铜的 apo -Cp 其半衰期为 5 小时[7],表明铜能调控 Cp 的代谢。 更进一步地研究发现，无铜结合的 Cp 是一种变构蛋白，与铜结合时会导致其沉降率及电泳动度特性发生改变，但二级结构不变； 这种变构活性不仅可以使其从肝细胞内质网中释放，而且还可使其不受到胆汁所造成的酸性环境的破坏，在后续过程中，该结构仍可与铜相结合，说明脱铜铜蓝蛋白的结构也会影响铜的代谢[15]. 　　4. 3 铜蓝蛋白参与铁的代谢 　　Cp - 转铁蛋白系统（ ceruloplasmin-ferroportinsystem,Cp - Fpn ） 是细胞内铁的主要输出途径[16]. 铁在体内的跨膜运输需要特定的蛋白质载体即铁转运蛋白（ Ferroportin,Fpn） . 虽然有许多蛋白参与细胞铁的吸收，但目前被确认的细胞铁输出系统只有 Cp - Fpn 系统。 哺乳动物体内由小肠吸收 Fe2 +,然后以 Fe3 +的形式贮藏； 之后 Fe3 +再次被铁释放蛋白还原为 Fe2 +进入血液循环； 血浆中的 Cp 利用其亚铁氧化酶活性将 Fe2 +氧化成能与 Fpn 结合的 Fe3 +,Fe3 +结合 Fpn 后被转运至靶细胞，经内吞后进行代谢或贮存。 研究表明，在星形胶质细胞中表达的以 GPI 锚定形式的 Cp 能促进铁从神经细胞中输出。 而在 Cp 基因缺失的小鼠，在网状内皮细胞和肝细胞中铁输出过程发生障碍，中枢神经系统出现铁的沉积。 另外，具有Cp 缺陷基因和患有遗传性 Cp 缺乏症的个体铜水平正常，但铁代谢严重失调[17 -18]. 这些都说明 Cp在铁转运过程中不可或缺的作用。