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时间：2015-11-25 来源：学术堂所属分类：生物化学论文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]. 二级结构测定表明，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。

4. 4 铜蓝蛋白具有抗氧化作用Cp 是一种重要的抗氧化剂，可以抑制由亚铁离子介导产生的活性氧；同时，Cp 还可以进一步利用抗氧化作用，减少体内金属毒性，避免组织损伤及机体功能障碍。

有研究发现，Cp 能抑制黄嘌呤氧化酶，具有类似于超氧化物歧化酶对阴离子自由基的清除功能；Cp 不仅能与血液及组织液中Cu2 +结合，具有显着抑制Cu2 +诱发的脂质过氧化作用，而且还可有效拮抗Cu2 +诱发的红细胞水解[19]. 当氧化应激毒物三硝基甲苯（TNT）进入小鼠体内，经还原产生的O2 -可由超氧化物歧化酶作用生成H2O2,一般情况下H2O2可与Fe2 +发生Fenton 反应（Fe2 ++ H2O2→ Fe3 ++ OH-+OH+）,但当Cp 存在时可通过其铁氧化酶活性竞争利用上述反应环境中的Fe2 +并将其氧化为Fe3 +,于是Fenton 反应被消除，抗氧化作用得以实现[20]. 此外，Cp 在体内还可诱导一氧化氮合成酶的表达，促进机体NO 的合成，通过NO 清除自由基的途径而间接发挥抗氧化的作用[21].5 铜蓝蛋白与疾病5. 1 铜蓝蛋白与遗传性铜蓝蛋白缺乏症遗传性铜蓝蛋白缺乏症（aceruloplasminemia）是一种罕见的常染色体上Cp 基因的突变引起的疾病[23]. Cp 基因的错义突变使Cp 的亚铁氧化酶的活性丧失，致使Fe2 +无法氧化成Fe3 +,进而不能与铁转运蛋白（Fpn）结合进行铁的输出[17]. 同时，也会引起神经系统中Fe2 +大量沉积和Fe3 +缺乏，从而造成神经细胞因营养缺乏和自由基累积，导致组织损伤以致最终引起神经系统退行性变性[17]. 尽管Cp 因错义突变会导致其铜结合能力缺失[4],如D58H,G631R,Q692K 和G969S 等突变[24]; 但仍有一些突变体残存部分亚铁氧化酶活性，能与Fpn 相结合，但比野生型Cp 结合Fpn 效率低（I9F,Q146E,F198S,W264S,A331D,G606E,G876A）; 在一位年轻的杂合的重度锥体外运动失调患者身上发现了Cp R701W 突变，该突变导致Cp 不能结合铜，但是当含铜的谷胱甘肽或含铜的三磷酸腺苷酶（Ccc2p,为ATP7B 的同源基因）与其一起表达时，Cp R701W 可以产生holo - Cp 并使Fpn 分子稳定，但这种稳定状态需要一定的Cp活性水平才能维持[25],说明如果参与金属结合的ATP7B 基因不受损伤，Cp 基因的活性可以恢复。

Cp R701W 也会造成大量活性氧的产生，但其具体机制仍不清楚。

治疗遗传性铜蓝蛋白缺乏症的关键是有效地进行铁清除，通过注射静脉含Cp的血浆和去铁胺，可使肝中铁的浓度下降。

5. 2 铜蓝蛋白与Wilson 疾病威尔逊氏病（WD,肝豆状核变性）归因于ATP7B（位于13 号染色体上）的突变，它编码一个ATP 依赖型的铜跨膜运输蛋白，该蛋白主要负责将铜转运到两条途径中，一条途径用来与apo- Cp 相结合形成holo - Cp; 另一条是将肝中多余的铜随胆汁排出肝脏，因而ATP7B 功能的缺陷不仅会影响Cp 的合成，还导致铜在肝脏和脑等器官中积累[10]. 研究发现，ATP7B 基因突变热点在不同人群之间有显着差别。

在西方患者中主要是3207 位的碱基C→A 的点突变导致组氨酸被谷氨酰胺所替代，而在中国主要的基因突变位点则是第八外显子上的2333 基因G→T 的点突变，使精氨酸被亮氨酸所取代[26].传统的WD 病理学认为ATP7B 突变会造成铜从细胞排出障碍，从而发生肝铜过载、肝细胞凋亡以及铜溢出到脑脊髓液中，造成中枢神经系统氧化损伤[27]. 但也有其他的病理学理论指出，在星形胶质细胞中ATP7B 障碍可能导致产生受损Cp 进而导致Fe 的流出[17],情况类似于遗传性Cp缺乏症[28]. 威尔逊氏病必须进行药物终身治疗，严重者可以进行肝移植。

5. 3 铜蓝蛋白与其他相关疾病Cp 的超氧阴离子自由基清除作用，使它具有一定的抗炎效应，因而被作为急性时相反应蛋白，在炎症反应、外科创伤或者感染时Cp 的浓度将会加倍。

许多病理条件下Cp 可以升高，如1 型和2 型糖尿病、严重不稳定型心绞痛等心血管疾病、风湿性关节炎。

而在某些病理情况下（如Wilson病中）Cp 却下降[3]. 近期研究显示，Cp 也介导房颤的炎症通路[29]. 阿尔茨海默病是由氧化应激效应对机体造成氧化损伤而产生的疾病，当Cp功能障碍或其合成紊乱时，势必引起体内铜的蓄积，因此Cp 也与阿尔茨海默病有关[30]. 另外，肿瘤生长需要血管生成，新血管的形成需要大量的铜，高浓度的Cp 是铜离子的最好来源[13]. 因此，Cp 在恶性肿瘤的形成中有重要的作用，从癌症的临床治疗研究方面也证实Cp 是一个有用的癌症治疗指标[31].临床上，铜蓝蛋白对某些肝、胆、肾等疾病的诊断也具有一定意义。