铜吸收与代谢的研究进展

宋明明，黄 凯，朱连勤

（青岛农业大学动物科技学院，山东 青岛 266109）

铜是人和动物机体内必需的微量元素，在机体代谢、生长发育和调节免疫功能方面发挥重要作用。其不仅通过构成机体内的含铜酶（如超氧化物歧化酶、金属硫蛋白、铜蓝蛋白、赖氨酰氧化酶等）参与机体代谢过程，而且参与机体造血、自由基防御等活动，对动物的生长繁殖、骨骼发育和免疫等生理机能发挥着重要的作用[1]。铜主要经过消化道吸收，细胞将铜摄取后，将其转运到亚细胞器如线粒体、微粒体、溶酶体中贮存，从而调控体内许多蛋白质和酶[2]。因此，铜作为动物机体内必需的微量元素逐渐得到深入广泛的研究。

1 铜在动物体内的分布及贮存

成年动物体内含铜量为0.00015%～0.00025%，新生动物体内铜的含量与其母体内的含铜量密切相关，除羔羊外，新生动物因其肝铜较高而含铜较高，新生犊牛机体含铜较其他动物都高，平均约含13～14mg，新生仔猪含铜2.5～4mg，刚出壳的仔鸡仅含铜60～80μg。对于哺乳动物而言，铜在整个胃肠道都有吸收，但绝大多数通过小肠吸收。更确切地说，铜主要在十二指肠被吸收，之后经纹状缘进入肠细胞。肠道铜源以食物铜为主，此外还包括内源性器官或细胞分泌（唾液、胃液和胰液等）的铜，这些铜可以被肠道重吸收。植物性饲料中的铜主要以稳定的可溶性复合物（如氨基酸形式的复合物）形式吸收，而不是以离子形式吸收，动物不能有效利用硫化铜与卟啉铜化合物中的铜。铜的吸收过程分两步，即铜先从肠腔进入黏膜细胞，然后从黏膜细胞进入血液，其中，从肠腔到黏膜是自由扩散过程，铜被肠道黏膜吸收后部分迅速进入血液循环，并很快沉积在肝脏，另有一部分则与金属硫蛋白结合，存储于肠黏膜上皮细胞内，吸收入血的铜主要与血浆铜蓝蛋白结合，少量与白蛋白和氨基酸结合，其中前者结合较牢固，后两者与铜结合得较松散。徐晨晨等报道，动物体内的铜主要分布在肝、脑、心、肾脏及毛发等器官中，在脾、肺、肠中也有少量分布[3]。铜在血液中主要以红细胞铜蓝蛋白和血浆铜蓝蛋白两种形式存在，然后经由血液循环到达其他的器官并与其中的蛋白质结合。李宏等报道，肝脏是动物体内铜贮存和铜代谢的重要器官[4]。成年哺乳动物体内肝脏中50%的铜分别与肠黏膜内的超氧化物歧化酶和金属硫蛋白（MT）相结合，二者均具有结合和转运铜的作用。

2 铜在动物体内的吸收及转运机制

目前关于铜离子的吸收和转运机制，国内外都有相关研究报道，细胞表面铜的转运和铜运输到细胞内，铜转运蛋白家族发挥了非常重要的作用。Petris等研究发现，除通过游离铜和血浆铜蓝蛋白这两种途径摄取铜外，还存在其他铜的吸收方式[5]。细胞对铜的摄取主要是通过铜转运蛋白和金属硫蛋白来实现的，当然金属反应转录因子也是不可或缺的[6]。铜离子通过胃壁和小肠刷状缘表面被吸收入肠黏膜，与肠道细胞膜上的Ctr1蛋白结合，进入肠上皮细胞。然后通过MNK（ATP7A）介导，由肠上皮细胞转运至门静脉。铜进入血液后与血浆白蛋白结合，随后被运输到全身各组织细胞。胞外铜可被一种或多种高度铜亲和力的跨膜蛋白（如Ctr1和DMT1）转运至细胞内。铜一旦进入细胞质，就会与一组广泛存在的蛋白质受体-胞内铜转运蛋白或铜伴侣（如Coxl7、ATOX1等）结合。Coxl7是位于细胞质和线粒体中的分子伴侣，可将Cu+转运至电子链末端的细胞色素C氧化酶（CCO），有助于线粒体的呼吸；Cu+可经过分子伴侣转运至抗氧化物酶形成铜锌超氧化物歧化酶（CuZn-SOD）；Cu+还可结合ATOX1，ATOX1转运铜离子至铜依赖性ATPase，在肝脏ATPase参与胆汁中血浆铜蓝蛋白合成和分泌，在肠上皮细胞ATPase将细胞内的铜转运至血管经过血液循环到达全身[7]。在铜转运过程中，二价金属元素（铜、镉、锌）可促进肠壁组织合成MT，与肠黏膜细胞内的铜结合形成Cu-MT，滞缓铜向血液转运。

3 铜转运基因的功能

3.1 Ctr1

铜离子转运蛋白家族主要包括铜离子转运蛋白（Ctr）和铜离子转运磷酸化ATP酶（Cu-ATPase）。目前发现的Ctr家族有Ctr1、Ctr2、Ctr3、Ctr4和Ctr5，其中以Ctr1的功能最为强大。Ctr1是位于动物细胞膜上高亲合能力的铜转运蛋白，最早发现于酵母转铁体系缺陷型菌株中，其结构和功能具有遗传保守性。Ctr1在肝脏和肾脏中表达量最高，在脑和肌肉中表达量最低。Ctr1的主要作用是将铜离子从细胞外转运到细胞内[8]。Aller等研究表明，细胞外的铜离子可以在富含蛋氨酸和组氨酸的N-末端停靠位点通过Ctr1寡聚体对称的通道状结构进入细胞内[9]。在铜转运的过程中，Ctr1只转运一价铜离子，因此需要在金属还原酶和维生素C的辅助下先把二价铜离子还原成一价铜离子来实现Ctr1对Cu+的转运。Ctr1的表达水平与细胞内铜离子浓度有密切关系，其表达量的多少直接对机体铜代谢产生影响，铜缺乏时可促进该蛋白的表达，过量则抑制其表达[10]。在卵巢肿瘤的细胞株培养中加入铜离子可迅速降低Ctr1表达[11]。李俐华报道，在铜离子（硫酸铜）和顺铂圆窗给药后，大鼠耳蜗内Ctr1mRNA表达量降低[12]。也有研究认为，铜离子浓度对Ctr1 mRNA的表达无影响，因为Ctr1转运铜的时候必须要先把Cu2+变成Cu+，才能进行转运，Cu+进入细胞后，由铜伴侣蛋白Atox1（antioxidant protein1）将Cu2+转给高尔基体（TGN）中的ATP7A（ATP-dependent copper transporter 7α）、ATP7B（ATP-dependentcopper transporter 7β）；在胞外铜浓度升高时ATP7A和ATP7B从高尔基体移向质膜边上[13]。在小肠黏膜细胞上ATP7A将Cu2+由质膜排入血液。另外，研究发现，敲除Ctr1基因的小鼠在胚胎形成早期死亡率大大增高，妊娠期自然流产几率增大，表明Ctr1在动物铜吸收中起关键作用。

3.2 Ctr2

Ctr2是酵母cDNA文库中与Ctr1具有高度同源性（含有3个跨膜结构域）的蛋白，因其N端组氨酸和甲硫氨酸的含量比较低而不能结合大量的Cu+，所以被称为低亲合力转运蛋白。Ctr2主要位于内涵体和溶酶体中，研究表明，细胞内铜代谢与Ctr2将铜转运至溶酶体内有密切关系。Rees等研究表明，在金属还原酶的存在下Ctr2可代替Ctr1进行铜的跨膜转运，说明两者对铜的转运机制相同[14]。

3.3 ATP7A和ATP7B

研究证明，在铜伴侣蛋白的协同下Ctr1能与ATP7A、ATP7B蛋白共同维持细胞铜离子的平衡。ATP7A与ATP7B蛋白是两种同源的Cu-ATP酶，两者的同源性为54%～65%。ATP7A是糖基化的膜蛋白，而ATP7B是非糖基化的膜蛋白，两种蛋白都包含8个跨膜结构域，胞质中的N-末端区域有6个富含半胱氨酸的铜离子结合位点（MXCXXC）。ATP7A蛋白分布于全身各组织器官中，其主要作用是将转运出细胞的铜离子释放至血液中，并重新分配转运至其他组织内；而ATP7B主要存在肝脏中，少量在脑、肾脏和胎盘等组织表达，其主要作用是在高尔基体内接受铜伴侣蛋白传递铜，与铜蓝蛋白前体结合成铜蓝蛋白，或者可在高铜环境下重新定位，促进铜离子从胆道排出[15]。这两种转运体都是通过ATP酶水解将铜转运至细胞膜内的小囊泡中，与细胞膜融合之后通过胞吐作用将铜转出细胞外[16]。研究表明，钙离子通道的开放可以刺激囊泡与胞膜融合，通过胞吐作用将铜排出细胞外[17]。研究证实，ATP7A和ATP7B的表达受铜离子浓度的调节。ATP7A和ATP7B在体内铜离子浓度处于平衡状态时，均分布于细胞内的高尔基体；在铜离子浓度发生改变时也将重新分布。研究显示，高铜使ATP7A从肠上皮细胞内的高尔基体转移至基底膜外侧的小囊泡，进而将铜离子转运至血液中。而低铜使ATP7B从高尔基体中转运至细胞的顶膜，将存在于肝脏中的部分铜离子分泌至胆道排出体外[18]。这与金黄色的色斑鱼机制类似，给色斑鱼饲喂高铜离子的膳食，上调了肝脏和小肠内ATP7BmRNA和ATP7AmRNA表达，说明二者主要通过胆汁分泌和肠道排泄排出多余的铜离子来自我保护[19]。ATP7A缺乏将减少胎盘和小肠黏膜上皮细胞铜的转运，导致全身性铜缺乏。ATP7B的突变会引起铜蓝蛋白合成下降导致胆汁铜排泄障碍，使过量的游离铜蓄积在肝脏中，加剧Wilson病。

3.4 金属硫蛋白

金属硫蛋白（MT）是一类广泛存在于生物细胞内的低相对分子质量低、金属含量高、无芳香氨基酸、富含半胱氨酸的金属结合蛋白，通过调节细胞质内Cu+浓度（＜10-18mol·L-1）维持细胞代谢的平衡。MT含“Cys-X-Cys”三肽序列。与重金属结合顺序由强到弱依次为：Hg（Ⅱ）＞Ag（Ⅰ）＞Cu（Ⅰ）＞Cd（Ⅱ）＞Zn（Ⅱ）。MT参与微量元素的储存及转运代谢，颉颃电离辐射，清除羟基自由基，重金属解毒，对机体发育过程的调节和免疫应激方面具有重要生理作用。MT参与铜、镉、锌等微量元素的代谢调节，可以和肝细胞中的铜结合形成Cu-MT来降低细胞内铜的毒性。过量的铜可诱导肠黏膜上皮细胞合成MT，部分铜与MT形成Cu-MT多聚体，随上皮细胞的死亡和脱落排出体外。肝脏中的MT与铜浓度成正比，MT表达水平随肝细胞中铜浓度升高而上调。

3.5 DMT1

DMT1又称为天然抗性相关巨噬细胞蛋白2（NRAMP2）或二价阳离子转运体（DCT1），能够转运Cu2+、Zn2+、Fe2+和Mn2+等二价金属阳离子。在肠、肝、肾、脑等处有特征分布，主要存在于小肠绒毛的纹状缘内，在其他组织细胞中定位于细胞膜或胞浆内内吞小体和溶酶体的膜上。DMT1摄取和转运二价金属离子时，优先摄取铁，铜能与铁竞争DMT1进行转运。Arredondo等研究表明，高铜能降低DMT1mRNA的表达，导致DMT1转运活性降低，由于铜加速DMT1的降解[20]。Marzullo等报道，铜缺乏时小鼠十二指肠的DMT1（+IRE）显著提高[21]。Han等研究表明，CaCo-2细胞经过1μmol CuCl2处理1周后，提高DMT1的表达[22]。Tennant等报道，细胞内添加CuCl21μmol 24 h后反而降低DMT1的表达[23]。Knopfel等认为，DMT1是一种能量依赖型的铜转运蛋白，并且这一形式是DMT1转运铜的主要机制[24]。用DMT1反义寡核苷酸处理的肠黏膜Caco-2细胞，分别导致80%和48%的肠黏膜Caco-2细胞对铁和铜吸收抑制。DMT1转运一价铜离子的速度是二价铜离子的1 000%。Tennant发现对Caco-2和TC7细胞添加铜100μM后导致DMT1（+IRE）mRNA的表达量显著下降，而对DMT1（-IRE）mRNA的表达量无影响[25]。

4 铜的排泄

成年动物对铜的表观吸收率很低，铜的排泄是主动过程，饲料中铜的80%随胆汁进入消化道，与氨基酸结合后经粪便排出体外。正常胆汁排泄铜的机制仍然不十分清楚，铜由体内转运至胆道可能通过以下途径：通过存在于肝细胞膜小管区的ATP依赖的铜转运系统；通过包括溶酶体在内的囊泡转运，铜和溶酶体酶一起释放入胆道中；谷胱甘肽-铜，通过小管特异性有机阴离子转运体转运，其中第一条通路最为重要。少量经肾和肠壁排出，排出量约占5%和10%。粪和尿内的铜均是以氨基酸、多肽、烟酸及其他小分子化合物的形式排出。组织中的铜由铜蓝蛋白介导转运回肝脏代谢或从胆道排出，有极小部分的铜是由汗腺排出。

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