銅離子的生物學特性及其吸收轉運調控機制研究進展

侯金麗

摘要 介紹銅離子的生物學特性，闡述銅離子吸收轉運的調控機制，包括缺銅情況下銅離子平衡的調控和銅離子自我反饋調控途徑。

關鍵詞 銅離子；生物學特性；吸收轉運；調控機制

中圖分類號 Q581 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）14-0158-01

1 銅離子的生物學特性

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

在細胞層面上，銅離子毒害主要表現為對細胞膜系統的破壞。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Ⅰ（photosystem I）和光合系統II（photosystem II）之間的電子傳遞受到一定影響，導致光合作用的效率嚴重下降。最終使植物的生長受到抑制，出現葉片逐漸枯萎的現象，最終死亡。

此外，銅離子的缺乏對于植物生長也有很大影響。由于植物體內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出缺銅癥狀，葉片褪綠，植株生長緩慢，最后枯萎死亡。

2 銅離子吸收轉運的調控機制

2.1 缺銅情況下銅離子平衡的調控

在缺銅環境下，生物有機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，當銅離子缺乏時，FeSOD取代Cu/Zn-SOD的功能，從而為質體藍素提供更多的銅離子。

最近研究表明，在缺乏銅離子環境下，擬南芥中參與銅離子缺乏脅迫反應的基因，如FeSOD、高親和力銅轉運蛋白COPT1和COPT2均由SPL7調控表達。進一步研究表明，在FeSOD、COPT1和COPT2基因啟動子區域都存在重復的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轉錄因子家族[2]。

2.2 銅離子自我反饋調控途徑

從整體上來看，細胞質內銅離子的平衡主要決定于銅離子的內向運輸（在低銅環境下COPT家族成員的運輸）和外向運輸（主要通過P-type ATPase銅離子轉運蛋白運輸到細胞外，或者區域化到細胞內特殊的細胞器中）。前已述及，在銅離子過量時，擬南芥COPT家族的幾個成員，包括COPT1和COPT2同時下調表達。銅離子不足時，它們啟動子區的共同順式作用元件GTAC在SPL7轉錄因子作用下可同時表達。不同銅離子狀態下，這種通過COPT基因表達量的下調或上調的調控模式被認為是一種自我反饋調控。在這種調控模式下，一方面可以穩定細胞質內銅離子的穩態，另一方面由于反饋信號的延遲（COPT的轉錄、翻譯和銅離子運輸過程等）可形成一個銅離子震蕩的過程。這個銅離子震蕩過程可以簡單地描述為低銅環境下誘導COPT轉運蛋白的合成，促使銅離子從內部儲藏位點進入細胞質中；一旦細胞質中的銅離子達到較高濃度，COPT轉運蛋白的合成被抑制，過量的銅離子重新被轉運回到儲藏位點，細胞質中的銅離子濃度重新回到最初的低水平狀態[3]。

雖然這種銅離子震蕩循環和自我反饋的持續維持可以用數學分析的方法來證明，但還缺乏直接、準確的試驗證據。假如銅離子震蕩確實存在，這個假設還存在另外一個問題：在銅離子震蕩過程中，銅離子在細胞內確切的儲存位置在哪里？目前認為，液泡或者細胞內吞途徑的運輸囊泡是銅離子儲存的主要場所。在這2類亞細胞結構上，外向運輸的銅轉運蛋白可以將細胞質中的銅離子泵出，而COPT家族的蛋白可以將銅離子重新釋放回細胞質中。預測COPT2和COPT1的啟動子區域存在晝夜節律調控元件。假如這些調控元件在轉錄水平上具有功能，那么銅離子震蕩周期很可能與晝夜節律具有一致性[4]。

關于銅離子與晝夜節律的關系，除擬南芥外，在其他生物體中也有少量報道。蕨類植物小立碗蘚SPL家族受到晝夜節律調控；在粗糙脈孢菌中，一個結合銅離子的金屬硫因子的表達同樣呈現出晝夜節律性；在哺乳動物中，一個松果體ATPase（銅轉運蛋白）的表達也具有明顯晝夜節律性。

3 參考文獻

[1] 姚浩群.金屬離子與金屬顆粒生物學活性實驗研究[J].南方醫科大學學報，2012，41（16）：63-68.

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

[3] 王超曼，程楠，韓詠竹，等.細胞內銅轉運系統的研究進展[J].安徽衛生職業技術學院學報，2013（6）：25-28.

[4] 石鑄，閆振文，梁秀齡.銅伴侶蛋白（Copper chaperones）研究進展[J].國外醫學：遺傳學分冊，2002（4）：204-206.endprint