金属硫蛋白应用于重金属吸附的研究进展

注： a 为细胞质； b 为细胞周质； c 为细胞表面； d 为叶绿体。
于人的金属硫蛋白基因 hMT －IA 的 3 个重复序列与 谷胱甘肽 S 转移酶融合表达在大肠杆菌 BL21 DE3
2+ 细胞内， 基因重组菌株对 Cd 的吸附率可以达到
56. 6 nmol / mg 细胞干重， 是对照菌株的近 10. 6 倍。
［5 ］
。金属硫蛋白是一类低分子质量的高半
胱氨酸含量、 无芳香族氨基酸组成及热稳定性较好 的非酶蛋白质， 值得注意的是， 其对金属离子具有较
2+ Zn2 + 、 Cd2 + 高亲合力， 可被某些重金属离子 （ Cu 、
等） 或 在 特 定 环 境 压 力 下 诱 导 表 达 。 更 为 重 要 的 是， 金属硫蛋白在清除自由基、 脱毒、 提高动物免疫 力、 参与微量元素储存和转运、 重金属吸附等方面有 着广泛的研究及应用
2+ 金属硫蛋白表达位置及其来源对 Cd 吸附存
Kao 等 在比较大的影响，
［11 ］
分别在大肠杆菌 DH5 α
仅对 Cd
2+
（ E. coli DH5 α） 的细胞质和细胞周质内表达哺乳动 物和鱼类的金属硫蛋白， 以期进一步提高吸附剂对 Cu2 + 、 Cd2 + 和 Zn2 + 的吸附效率。 研究结果表 Pb2 + 、 明， 金属硫蛋白的表达可以不同程度地提高大肠杆
［3 ］
基酸序列相似， 但是不同来源金属硫蛋白的氨基酸 的组成和分子质量存在一定的差异， 哺乳动物金属 硫蛋白一般包含 61 ～ 62 个氨基酸残基， 分子质量介 于 6 000 ～ 7 000 Da； 真核微生物的金属硫蛋白一般 包含 60 个左右氨基酸残基， 分子质量达到 2 000 ～ 10 000 Da； 而植物金属硫蛋白一般由 2 条或者多条 长 度 不 等 的 多 肽 链 构 成 的 低 聚 物， 分子质量为 10 000 ～ 13 800 Da。 金属硫蛋白的结构及金属硫蛋白中的半胱氨酸 含量对其结合某些金属离子有重要的影响 ， 以哺乳 动物为例， 哺乳动物金属硫蛋白的三级结构是由 α 和 β 2 个结构域组成， 蛋白质分子的氨基末端的 30 个氨基酸残基为 β 结构域， 羧基端 30 ～ 61 位的氨基 酸序列为 α 结构域， α 和 β 结构域通过赖氨酸残基 相连构成哑铃型
源于鱼的金属硫蛋白重组菌株、 来源于人的金属硫
· 34·
现代化工
第 34 卷第 6 期
蛋白重组菌株、 来源于鼠的金属硫蛋白重组菌株 ， 这 说明不同来源的金属硫蛋白的金属离子结合域和活 性中心的构象在金属离子结合中起着重要作用 。由 于哺乳动物的金属硫蛋白上的 11 个半胱氨酸残基 2+ He Cu2 + 、 Pb2 + 等二价金属离子， 可以结合 4 个 Cd 、 把猴子的金属硫蛋白基因的 4 个重复序列分 别表达在恶臭假单胞菌细胞内和细胞表面 ， 前者对 等 Cd2 + 的吸附率是对照菌株的 2. 30 倍， 后者是对照菌 株的 3. 82 倍。 另一方面， 金属硫蛋白在细胞表面展示可以使 其与金属离子直接接触， 而有效解决了金属离子穿 过细胞壁或胞膜的屏障问题， 从而有效提高了菌体 2+ Kuroda 等［13］ 将酵 细胞对 Cd 的吸附速率和效率， 母金属硫蛋白通过 α 凝集素细胞表面展示系统表 2+ 达在酿酒酵母的细胞表面， 随后 Cd 的吸附率提高 至 27. 1 nmol / mg 细胞干重， 是空载对照的 12. 0 倍； Vida Tafakori 等通过 Lpp －OmpA 细胞表面展示系统 将 蓝 藻 金 属 硫 蛋 白 SmtA （ 来 源 于 细 长 聚 球 藻 PCC3601 ） 和 MtnA（ 来源于聚球藻属蓝藻） 表达在大 SmtA 重组菌株和 MtnA 肠杆菌 BL21 DE3 细胞表面， 2+ 重组菌株对 Cd 的吸附率分别是 20. 4 nmol / mg 和 26. 4 nmol / mg ， 其中金属硫蛋白 MtnA 含有 10 个半 胱氨酸残基和 6 个组氨酸残基， 而金属硫蛋白 SmtA 含有 9 个半胱氨酸残基和 3 个组氨酸残基 2. 2 Cu2 +
2+ 菌对 Cd 的 吸 附 效 率， 最大吸附率可以提高
（ TMCd1 ） 含有 156 个氨基酸， 其中 47 个是半胱氨酸 2+ Suleman 等［9］ 将 残基， 可以结合 16 个 Cd ， 因 此， TMCd1 基因与谷胱甘肽 S 转移酶基因融合表达在 大肠杆菌 BL21 DE3 细胞内， 结果显示， 重组菌株对 Cd 的吸附量提高至 7. 90 μmol / mg 细胞干重， 与 19 ； ， 对照菌株相比吸附量提高了近 倍 研究表明 来 源于人的金属硫蛋白含有 2 个结构域， α 结构域和 β 1个 结构域， 它们分别含有 9 个和 11 个半胱氨酸， 金属硫蛋白的 α 结构域可以结合 3 个 Cd ， β 结构 2 +［14 ］ ［10 ］ 。基于此， Ma 等 将来源 域可以结合 4 个 Cd
2+ 2+
10. 0% ～ 45. 0% ， 其中， 不同来源的金属硫蛋白在细
2+ 胞质表达的重组菌株对 Cd 的吸附率由大到小的
来源于鱼 顺序为来源于人的金属硫蛋白重组菌株 、 的金属硫蛋白重组菌株、 来源于鼠的金属硫蛋白重 组菌株， 而不同来源的金属硫蛋白在细胞周质表达
2+ 的重组菌株对 Cd 的吸附率由大到小的顺序为来
Cu
2+
大肠杆菌［11］ 恶臭假单胞杆菌 酿酒酵母 大肠杆菌
［13 ］ ［12 ］
ac c c
大肠杆菌［13］
［14 ］
， 拟南芥［14］
a， a ab a c ab a， a ab ab ac a
大肠杆菌［15］ 大肠杆菌［8］ 恶臭假单胞杆菌［16］ 大肠杆菌
［11 ］
Cd 是一种生物体非必需的金属元素 ， 能够与 O、 Cl、 S 等元素形成无机化合物而分布于自然界中 ， 其具有一定生理毒性。 Cd 对人体的器官会产生 2+ 危害， 急性的 Cd 中毒可以引起肺水肿、 急 脑出血、 性肝炎、 睾丸损伤等症状； 而 Cd 的长期累积可以 引起肾中毒、 骨坏死、 免疫毒性； 国际癌症研究机构 （ IAＲC ） 将其归为一种致癌物， 其可引起肺癌、 前列 腺癌、 注射部位及其他组织的癌症； 美国毒物管理委 员会（ ATSDＲ） 将其列为第 8 位危及人体健康的有 Cd 对微生物如酵母细胞的生长代 毒物质。此外， ［4 ， 7 ］ 。不同来源的金属硫蛋白被广泛 谢有抑制作用 应用于 Cd 的吸附研究如表 1 所示， 研究结果显 2+ 示， 金属硫蛋白的来源、 表达形式以及位置对 Cd 的吸附都存在影响。 由于金属硫蛋白易被原核生物中的蛋白水解酶 降解， 因此以融合蛋白的形式表达可以保持结构的 完整性和增加功能的稳定性， 进而提高金属硫蛋白 对 Cd 的吸附率和耐性。Chaturvedi 等 通过将来 源于极端嗜盐植物的金属硫蛋白基因 SbMT －2 融合 在谷胱甘 肽 S 转 移 酶 的 羧 基 端， 表达在大肠杆菌 BL21 DE3 细胞内， 与对照菌株比， 基因重组菌株不
［4 ］
。 金属硫蛋白的空间结构研究
。 针对金属硫蛋白可强力
表明， 在这 2 个结构域内， 主要通过半胱氨酸的巯基 结合金属离子， α 结构域含有的 11 个半胱氨酸残基
2+ 2+ 或者结合 5 ～ 6 个 可以 结 合 4 个 Zn 或 Cd ，
本文中综述了金属硫蛋 结合某些金属离子的优势，
收稿日期： 2014 － 01 － 02 ； 修回日期： 2014 － 04 － 05 基金项目： 辽宁省科学技术计划项目（ 2012229008 ）
金属硫蛋白 表达位点 a a a， ab ab
2
金属硫蛋白在重金属吸附中的研究进展
，
金属硫蛋白凭借其结合重金属离子特 近年来， 性， 且此过程具有吸附效率高、 成本低、 重金属离子 可回收等优点， 而被广泛应用于重金属吸附领域的 研究， 并 显 现 出 良 好 的 应 用 前 景。 以 下 分 类 介 绍 Cd2 + 、 Cu2 + 、 Hg2 + 等 的 毒 性， 并总结金属硫蛋白对 2+ 2+ 2+ Cd 、 Cu 、 Hg 等吸附的研究进展。 2. 1 Cd2 +
表1
金属 离子 Cd
2+
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Cu2 + ； β 结构域含有的 9 个半胱氨酸残基可以结合 3 2+ 2+ 2 +［6 ］ 。 个 Zn 或 Cd ， 或结合 5 ～ 6 个 Cu
金属硫蛋白在重金属吸附中的研究
表达宿主 大肠杆菌 大肠杆菌 大肠杆菌
［8 ］ ［9 ］ ［10 － 11 ］
金属硫蛋 白来源 海蓬子 四膜虫 人 鼠， 鱼 猴 酿酒酵母 聚球藻 木豆 羊
Ｒesearch progress of biosorption of heavy metals by metallothioneins
TANG Xiaoyan，CHEN Lijie * ，YUAN Wenjie
（ School of Life Science and Biotechnology，Dalian University of Technology，Dalian 116024 ，China） Abstract： Metallothioneins， as a family of metalbinding proteins and derived from organisms， have attracted more and more attention recently due to its capacity of efficiently binding heavy metals． The molecular structure of metallothioneins is introduced． The latest research progress of biosorption of heavy metals by metallothioneins is reviewed． Challenges and prospects are also discussed． Key words： metallothioneins； heavy metals； biosorption
重金属被广泛应用于各种制造及加工工业， 包 、 、 、 、 、 括镀铬工业 冶金业 制革业 电镀业 木材防腐 采 矿业等
［1 ］
白的分子结构及其在重金属吸附方面的国内外研究 进展。
。重金属离子不能通过化学或者生物方
法处理而被降解， 其不仅可以永久存在于生态环境 中， 而且可以在食物链中积累， 因此重金属污染已经 成为当今世界严峻的环境问题之一
June 2014 · 32·
现代化工 Modern Chemical Industry
第 34 卷第 6 期 2014 年 6 月
金属硫蛋白应用于重金属吸附的研究进展
* 汤晓燕， 袁文杰 陈丽杰 ， ( 大连理工大学生命科学与技术学院， 辽宁 大连 116024 )
摘要： 金属硫蛋白是一类广泛存在于生物体的金属结合蛋白， 因其具有独特的螯合某些金属离子的功能， 近年来关于金属 硫蛋白在重金属吸附方面的研究日益受到关注 。综述了金属硫蛋白的分子结构及其在重金属吸附方面的国内外研究进展， 分 析了金属硫蛋白在重金属吸附研究中存在的问题， 并对未来金属硫蛋白在重金属吸附领域的应用进行了展望。 关键词： 金属硫蛋白； 重金属； 生物吸附 中图分类号： X17 文献标志码： A 文章编号： 0253 － 4320 （ 2014 ） 06 － 0032 － 05
0411 － 84706308 ， ljchen 副教授， 从事资源环境生物技术研究， 通讯联系人， 女， 硕士生； 陈丽杰（ 1965 － ） ， 女， 硕士， 作者简介： 汤晓燕（ 1988 － ） ， @ dlut． edu． cn。
2014 年 6 月
பைடு நூலகம்
汤晓燕等： 金属硫蛋白应用于重金属吸附的研究进展
2+ 的耐受能力明显提高， 而且对 Cd 的吸 附能力也有提高； 相关研究表明， 四膜虫金属硫蛋白 2+ ［8 ］ 2+ 2+ 2+ 2+
海蓬子 蓝藻 人， 鼠， 鱼 木豆 羊
大肠杆菌［14］ ， 拟南芥［14］ 大肠杆菌［15］ 大肠杆菌
［15 ］
Hg
2+
羊 鱼 鼠 豌豆
大肠杆菌［17］ 大肠杆菌［18］ 大肠杆菌
［ 19 － 20 ］
， 沼泽红假单胞菌
［ 21 ］
a， a a a， a ab ab a a
Zn2 + 海蓬子 As3 + 人 羊 Pb
2+
大肠杆菌［8］
22 ］ 大肠杆菌［9 ，
大肠杆菌［15］ 大肠杆菌 TB1 酿酒酵母［23］ 大肠杆菌
［24 － 25 ］ ［15 ］
羊 人类
Ni2 + 豌豆
［2 ］
1
金属硫蛋白吸附重金属的结构基础
虽然不同来源金属硫蛋白的氨 前期研究表明，
。 重金属生
物吸附法是目前有效解决重金属污染的方法之一 ， 国内外对生物吸附法在重金属吸附领域的应用做了 大量的研究工作， 其中， 金属硫蛋白在重金属吸附中 的应用已经成为研究的热点之一 。 金属硫蛋白是由 Margoshes 和 Valee 在 1957 年 研究马肾脏中镉积累的过程中首次发现并分离得到 的一类可结合金属离子的蛋白， 随后人们在脊椎动 物、 无脊椎动物、 软体动物等中均发现并分离得到该 类蛋白