第五六章铁-硫蛋白和其他非血红素铁蛋白

铁传递蛋白的分类与结构
铁传递蛋白是一类金属键合蛋白，对于维持生命体
中铁的含量以及铁的新陈代谢起着重要作用。根据来源 不同可将其分为四类：血清运铁蛋白(serum transferrin), 伴清运铁蛋白 (ovotransferrin), 乳运铁蛋白 (lactoferrin), 黑素运铁蛋白(melanotransferrin)。
传递电子
载氧 催化
第一节 铁载体 (siderophores)
铁是生物体必需的微量 元素，也是人体中含量最丰 富的过渡金属元素。那么生 物体系中铁是如何被吸收， 运送和储存的呢？长期的生 物进化使不同生物拥有不同 的维持铁离子动态平衡的机 制，使生物体吸收的铁以金 属酶，金属蛋白或小分子配 合物的形式存在于生物体中。
铁蛋白为机体内一种贮存铁的可溶组织蛋白，正常人 血清中含有少量铁蛋白；肝癌患者治疗有效者血清铁蛋白 下降，而恶化和再发者升高，持续增高则予后不良，故血 清铁蛋白测定可作为疗效监测手段之一。
铁蛋白的结构特点
储铁蛋白是一个具有某种不均一性的分子，整个分子有
一个直径为13nm壳厚约为2.5nm蛋白质外壳。 它由24个亚基组装而成； 沿三，四重轴方向的通道使蛋白质壳与外部联系，其中 8个三重轴通道由亲水氨基酸残基 (Asp,Glu,His,Tyr)排列 而成，即亲水性通道；而6个四重轴通道排列有多个亲脂 性残基，即疏水性通道。 无论是储铁蛋白还是脱铁储铁蛋白，其外壳的大小和亚 基的排列方式基本不变。蛋白质壳内是一个无机物复合 体的铁核，铁就聚积在铁核内，其铁含量为~4500个Fe3+ 不等, 主要成分为 [(FeOOH)8(FeOPO3H2)]，铁的碱式磷 酸盐微晶排列而成。
在还原剂的存在下，储铁蛋白可将Fe3+以Fe2+的形式
向外释放，这一过程受介质组成，酸度等影响。介质中 螯合剂的存在，降低pH均能促使铁的释放。59Fe放射性 标记证实，储铁蛋白最先释放的铁对应于成核时最后结 合的铁，表明铁的释放过程也是高度有序的化学反应。
体内暂时不用的铁，由铁传递蛋白运送给脱铁铁蛋白， 然后经过中介体焦磷酸铁，生成上述的含铁微团，最后 与脱铁铁蛋白结合生成铁蛋白而储存起来。当肌体需要 时，在还原剂作用下使处于铁蛋白核心的微团中的Fe(III) 还原为Fe(II)释放出来。
Normal Iron Absorption and Metabolism
哺乳动物可以吸收的铁有两类：血红素铁和非血红素铁。 在肠粘膜内，血红素氧化酶使血红素以Fe2+的形式释放; 因此血
红素铁引起高生物利用率成为从食物中吸收铁的重要来源。 进入肠道的非血红素铁多为 Fe3+，肠道内的黏液可以避免 Fe3+的 水解沉淀，同时肠道内的还原剂如维生素 c 等还原酶将 Fe3+ 还原 为Fe2+, 使Fe2+进入小肠上皮细胞。 成年人的铁含量为4.5~5.5mg/kg，其中60-70%以血红蛋白的形式 存在；10%以肌红蛋白，细胞色素，含铁酶等存在；储铁蛋白的 铁为总铁量的 20~30% ；运铁蛋白形式存在的铁仅为 0.1%(3mg) 。血浆中运铁蛋白运输率 30mg/24h 。通过运铁蛋白每天有近 24mg的血浆铁(III)被运到骨骼中用以血红蛋白的合成，约5mg的 血浆铁 (III)被运到非血红素细胞组织 (如肝 )，有近 1mg 血浆铁损 失。因此，人体要保持微量元素铁的平衡，每天要吸收1mg的铁 。 尽管运铁蛋白含铁量很少但在铁的调控中他是最重要的铁源。
在铁成核的初期，铁的结合与氧化发生在蛋白壳的内
表面。铁核一旦形成，铁的氧化，水解及核生长就像普 通的无机反应一样。这一性质使脱铁储铁蛋白被用作无 机纳米粒子合成的反应笼腔(nanodimensional cavity). 无机铁核晶体生长的前提是形成Fe3+簇。何处成核与 蛋白质壳内表面的负电荷有关，成簇的谷氨酸残基有利 于成核区的形成。
铁的释放机理
关于释放铁的机理，目前比较普遍的看法是：在细胞 内，首先 Fe3+被还原为Fe2+，之后通过质子化作用将结合 不牢固的Fe2+从载体上置换下来。
第二节 铁蛋白(ferritin)
高等植物，微生物，哺乳动物的各种细胞中都含有储铁 蛋白。细胞类型不同储铁功能也有所不同。哺乳动物体内 主要储存铁的蛋白质，主要分布在动物的脾脏(spleen),肝 脏 (liver)和骨髓(bone marrow)中，植物的叶绿体和某些 细菌中也发现有铁蛋白。
脱铁铁传递蛋白虽能结合一系列二价和三价金属离子，但
稳定性远不如与 Fe3+ 的结合。脱铁铁传递蛋白不能结合 Fe2+ 或结合很弱。因此在血液里脱铁铁传递蛋白与 Fe3+的结合最 有效。
第五章 铁-硫蛋白和其他非血 红素铁蛋白
第一节 铁载体 (siderophores) 第二节 铁蛋白 (ferritin) 第三节 铁传递蛋白 (transferrin,Tf) 第四节 铁硫蛋白 ( FeS protein)
血红素蛋白(heme)和非血红素蛋白(nonheme)
血红素蛋白 细胞色素：传递电子 血红蛋白：储氧 肌红蛋白：储氧 细胞色素P450：催化 辣根过氧化物酶: 催化
铁蛋白的结构
储铁蛋白的功能

储铁蛋白的主要生物功能是铁的储存，即机体或细胞铁过剩 时可吸收铁，而缺少时又可释放铁。 研究表明，铁积聚于储铁蛋白的初始阶段包括 Fe2+通过三重 轴方向亲水性通道进入蛋白质内壳，在氧的存在下，被氧化为 Fe3+，Fe3+水解形成铁核，该氧化，成核过程随吸收铁的增加而 变化。 在低铁 (Fe/protein<50) 吸收过程中，铁 (II) 的氧化和成核可用 下式表示 2Fe2+ + O2 + 4H2O → 2FeOOHcore + H2O2 + 4H+ 当高铁(Fe/protein>200)时,氧化反应和水解反应分两步进行: 4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ + 2H2O ------氧化 4Fe3+ + 8H2O → 4FeOOHcore + 12H+----水解 4Fe2+ + O2 + 6H2O → 4FeOOHcore + 8H+ ------总反应
average of 3.5 g of iron. The typical daily American diet contains 10–20 mg of iron. Only about 10% of dietary iron is absorbed (1–2 mg/day). Most absorbed iroBaidu Nhomakorabea is transported in the bloodstream bound to the glycoprotein transferrin. Transferrin is a carrier protein that plays a role in regulating the transport of iron from the site of absorption to virtually all tissues.
运铁蛋白为单肽链糖蛋白，含680~700个氨基酸残基，
可折叠成两个结构相似的球形叶片，分别对应着 N端叶 片 (N-lobe) 和 C 端叶片 (C-lobe) 。两球形叶片由一短肽相 连接。每个叶片又可分为两个大小相似的结构域，分别 由螺旋折叠交替出现而形成。结构域内有二硫键。两结 构域间存在一狭缝以结合铁(III)。
铁载体 (siderophores)
植物、微生物的生存，要求环境中铁浓度足够高，方能满
足其DNA合成血红素所需的铁。 为了能与氢氧根等有效地竞争铁(III)，细菌，真菌和植物 种子等会分泌一些对铁(III)具有高度亲和力的复杂有机物， 使难溶的铁活化，这些有机物可与铁形成非常稳定的八面 体配合物。 铁载体就是分子量低，对铁有专一螯合作用，微生物和植 物用以由环境吸收铁的复杂有机物的总称。 按照其分泌的种属，铁载体有微生物铁载体(siderophore) 和植物铁载体(phytosiderophore)两大类。
邻苯二酚型 (catechol type)
肠杆菌素, Enterobactin
Enterobactin + Fe
铁载体的性质
根据软硬酸碱规则，铁载体中属于硬碱的配位原子(氧) 可与属于硬酸的Fe3+配位，形成稳定的配合物。研究表明, 含有三个双齿配体的铁载体与 Fe3+ 的结合常数大于 1030 。 虽然铁载体也可与Ga3+及人造錒元素结合,但是与Al3+及所 有二价金属离子的结合能力是相当弱的，因此自然界出现 的金属离子中, 铁载体仅对Fe3+选择性性结合。 所结合的 Fe3+处于高自旋态 (HS), 动力学性质是活泼的，使铁载体 结合的Fe3+能向细胞内其它配体或蛋白质释放铁。
铁载体的结构类型
铁载体与铁形成非常稳定的低电荷配合物，有利于高电荷 铁(III)离子跨过亲脂性膜，实现铁(III)的吸收，运输过程。
氧肟酸盐型 (hydroxamate type); 邻苯二酚型(catechol type)
氧肟酸盐型 (hydroxamate type)
铁色素
Crystal structure of ferrichrome
人乳铁蛋白分子的三维结构
From Br J Ophthalmol 2005;89:684
铁传递蛋白的功能特点
① 与不同金属离子的结合：在 生理 条 件 下 ， CO32- 为伴阴离 子时，人血清运铁蛋白可逆结 合2个铁离子，平衡常数为 LgK1=21.4, Lgk2=20.3； 研究指出，当缺乏碳酸氢根 HCO3- 时， FeIII-Tf 特征粉红色 消失，表明 FeIII 与 Tf 结合必须 有阴离子存在，据此认为 , 对 于脱铁铁传递蛋白与 Fe(III) 的 稳定配位，血液中 CO2 是不可 缺少的。 Fe3+ + H3Tf+ HCO3- Fe -Tf -HCO3- + 3H+
etc.
非血红素蛋白 铁蛋白：贮存铁 铁传递蛋白：输送铁 铁硫蛋白：传递电子 蚯蚓血红蛋白：载氧 NiFe氢化酶：催化 甲烷单加氧酶：催化 原儿茶酸根3,4-双加氧酶：催化 固氮酶：催化 etc.
一些非血红素铁蛋白的生理功能
非血红素铁蛋白 铁蛋白 血清铁传递蛋白 卵铁传递蛋白 乳铁传递蛋白 红氧还蛋白 铁氧还蛋白 肾上腺皮质铁氧还蛋白 蚯蚓血红蛋白 顺乌头酸酶 邻苯二酚双加氧酶 氢酶 生理功能 贮存、输送铁 来源 动物组织 血清 卵清 乳 细菌 叶绿体、细菌 肾上腺皮质 星虫、蚯蚓 动植物 细菌 细菌、藻类
应该指出，除铁外，运铁蛋白还可与大量的其它金属离子
结合，包括过渡金属，镧系，錒系以及第三主族离子等。由 于血液中人血清运铁蛋白仅有30%的金属离子结合部位由铁 (III)占据，其余金属离子与运铁蛋白的结合同样具有重要的 生物学意义。 如运铁蛋白是Mn在血液中的主要运载体 ; 血液透析病人血 浆中Al的主要结合蛋白；在Zn的运输中，运铁蛋白具有较白 蛋白更积极的作用；Ga与运铁蛋白的稳定结合可实现肿瘤定 向化疗提供新的途径；铁蛋白作为La系离子进入生物体的有 效载体，对稀土生物效应的发挥起着重要作用。另外，镧系 离子特有的发光效应使其可作为针对运铁蛋白进行光谱研究 。
Siderophores are small molecular weight, high-affinity iron-binding compounds that can scavenge the iron away from the high-affinity iron-binding proteins.
铁的贮存：
Fe2+ e Fe3+
nFe3+ + 脱铁铁蛋白 铁蛋白 铁的释放： 铁蛋白 + ne 脱铁铁蛋白 + nFe2+
第三节 铁传递蛋白(transferrin,Tf)
All body cells need iron. The human body contains an