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氧化损伤是引起心血管疾病、神经退行性疾病以及癌症等重大疾病的主要因素之一。机体的氧化损伤与细胞内过高的H2O2水平和游离的Fe2+离子浓度密切相关。在细胞内,H2O2能与游离的Fe2+离子发生Fenton反应,产生强氧化活性的羟基自由基(·OH),从而造成细胞内脂质和DNA等生物大分子的氧化损伤。因此,严格控制细胞内的H2O2水平和游离Fe2+离子浓度对于调节细胞内的氧化还原平衡至关重要。细胞内多余的H2O2主要由过氧化氢酶(catalase)负责清除,而游离Fe2+离子的浓度则主要由铁蛋白(ferritin)来调控。 铁蛋白是广泛存在于动植物和微生物中的一类具有储铁功能的蛋白质,长期以来,其对机体抗氧化保护作用的机制一直被认为是,它能够将细胞内游离的Fe2+离子以一种稳定而安全的形式储存起来,从而减少了Fenton反应的发生,降低了细胞内的氧化压力。然而,本研究最新发现:铁蛋白具有过氧化氢酶的催化活性,能够直接分解H2O2,从而为其抗氧化作用提供了新的依据。 实验证据为:(1)重组人重链铁蛋白与过氧化氢酶一样,能够催化H2O2分解,产生O2。对它的酶学特性进行研究发现,其反应动力学曲线符合米氏方程,最适反应温度为70℃,最适反应pH为9.5。通过定点突变的方法,确定了重组人重链铁蛋白的过氧化氢酶催化活性中心在其蛋白壳上的亚铁氧化酶催化活性中心部位。(2)利用原核表达系统重组表达的小鼠重链铁蛋白、大肠杆菌铁蛋白和激烈火球菌铁蛋白都具有过氧化氢酶的催化活性,这说明重链铁蛋白的过氧化氢酶催化活性具有物种普遍性。不仅如此,从马的脾脏中分离得到的天然铁蛋白同样具有过氧化氢酶的催化活性,因而预示着铁蛋白在机体内可能就发挥着过氧化氢酶的催化活性。(3)重组人重链铁蛋白具有缓解氧化损伤的作用:在细胞水平,重组人重链铁蛋白预处理能够显著降低H2O2对细胞的氧化损伤;在ApoE-/-小鼠模型中,重组人重链铁蛋白对动脉粥样硬化的发生发展也起到了一定的缓解作用。在应用研究中,铁蛋白经常被进行功能化修饰和装载药物,发现,这两种方式均不会影响其过氧化氢酶的催化活性,这就使得能够将它的多种特性进行有效整合而发展一系列的多功能药物载体。 本研究的创新性及科学意义在于: (1)首次发现了铁蛋白的过氧化氢酶催化活性,为其抗氧化作用提供了新依据。不仅如此,由于铁蛋白能够直接参与H2O2的分解,因而预示着其有可能是细胞内抗氧化酶系统中的新成员。 (2)增加了铁蛋白的应用价值。铁蛋白过氧化氢酶催化活性的发现提示可以将其作为一种直接的抗氧化剂而应用于氧化损伤类疾病的预防和治疗。不仅如此,铁蛋白的稳定性以及在碱性与高温条件下的高催化活性,使得其在工业方面具有更为广阔的应用前景。