铜离子的生物学特性及其吸收转运调控机制研究进展

侯金丽

摘要 介绍铜离子的生物学特性，阐述铜离子吸收转运的调控机制，包括缺铜情况下铜离子平衡的调控和铜离子自我反馈调控途径。

关键词 铜离子；生物学特性；吸收转运；调控机制

中图分类号 Q581 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）14-0158-01

1 铜离子的生物学特性

铜是生物体正常生长不可缺少的重要微量元素之一。在生物体内，铜离子以还原态的Cu+[Cu（I）]和氧化态的Cu2+[Cu（II）]2种形式存在。Cu+的生化反应活性极高，只有在极度酸性的环境下或与其他分子结合的状态下才能存在。相反，Cu2+在酸性及中性的水溶液中均可稳定存在。通过Cu+和Cu2+之间的相互转变，铜离子在生物体内参与光合作用、氧化磷酸化以及活性氧的消除等重要生物学过程。由于在生物体内参与众多的生理生化反应，铜离子在过量的情况下，会对生物体产生毒害。铜离子的毒性在很大程度上是由于在Cu（I）和Cu（II）比较容易地相互转变而导致的。此外，铜离子产生的毒性还很可能产生于Cu（I）和Cu（II）与生物大分子上的半胱氨酸、蛋氨酸和组氨酸侧链的非正确结合。这种错误结合导致正常的金属离子无法结合到正确的位点，这种非正常结合也可能导致蛋白的错误折叠，最终使蛋白等生物大分子失去活性[1]。

在细胞层面上，铜离子毒害主要表现为对细胞膜系统的破坏。在叶绿体中，过氧离子含量增加，可破坏类囊体膜，使光合系统Ⅰ（photosystem I）和光合系统II（photosystem II）之间的电子传递受到一定影响，导致光合作用的效率严重下降。最终使植物的生长受到抑制，出现叶片逐渐枯萎的现象，最终死亡。

此外，铜离子的缺乏对于植物生长也有很大影响。由于植物体内约一半的铜离子存在于叶绿体中，因此在铜离子缺乏情况下，幼嫩的叶片和生殖器官最先表现出缺铜症状，叶片褪绿，植株生长缓慢，最后枯萎死亡。

2 铜离子吸收转运的调控机制

2.1 缺铜情况下铜离子平衡的调控

在缺铜环境下，生物有机体首先保证生物代谢不可缺少的铜蛋白获取铜离子，而其他一些不必需的铜蛋白被其他金属离子的同工蛋白代替。这些可替代铜蛋白的同工蛋白多数都属于以铁离子作为辅因子的蛋白。最明显的例子是在叶绿体中，当铜离子缺乏时，FeSOD取代Cu/Zn-SOD的功能，从而为质体蓝素提供更多的铜离子。

最近研究表明，在缺乏铜离子环境下，拟南芥中参与铜离子缺乏胁迫反应的基因，如FeSOD、高亲和力铜转运蛋白COPT1和COPT2均由SPL7调控表达。进一步研究表明，在FeSOD、COPT1和COPT2基因启动子区域都存在重复的GTAC顺式作用元件。与GTAC相互作用的反式作用因子（trans factor）隶属于SBP转录因子家族[2]。

2.2 铜离子自我反馈调控途径

从整体上来看，细胞质内铜离子的平衡主要决定于铜离子的内向运输（在低铜环境下COPT家族成员的运输）和外向运输（主要通过P-type ATPase铜离子转运蛋白运输到细胞外，或者区域化到细胞内特殊的细胞器中）。前已述及，在铜离子过量时，拟南芥COPT家族的几个成员，包括COPT1和COPT2同时下调表达。铜离子不足时，它们启动子区的共同顺式作用元件GTAC在SPL7转录因子作用下可同时表达。不同铜离子状态下，这种通过COPT基因表达量的下调或上调的调控模式被认为是一种自我反馈调控。在这种调控模式下，一方面可以稳定细胞质内铜离子的稳态，另一方面由于反馈信号的延迟（COPT的转录、翻译和铜离子运输过程等）可形成一个铜离子震荡的过程。这个铜离子震荡过程可以简单地描述为低铜环境下诱导COPT转运蛋白的合成，促使铜离子从内部储藏位点进入细胞质中；一旦细胞质中的铜离子达到较高浓度，COPT转运蛋白的合成被抑制，过量的铜离子重新被转运回到储藏位点，细胞质中的铜离子浓度重新回到最初的低水平状态[3]。

虽然这种铜离子震荡循环和自我反馈的持续维持可以用数学分析的方法来证明，但还缺乏直接、准确的试验证据。假如铜离子震荡确实存在，这个假设还存在另外一个问题：在铜离子震荡过程中，铜离子在细胞内确切的储存位置在哪里？目前认为，液泡或者细胞内吞途径的运输囊泡是铜离子储存的主要场所。在这2类亚细胞结构上，外向运输的铜转运蛋白可以将细胞质中的铜离子泵出，而COPT家族的蛋白可以将铜离子重新释放回细胞质中。预测COPT2和COPT1的启动子区域存在昼夜节律调控元件。假如这些调控元件在转录水平上具有功能，那么铜离子震荡周期很可能与昼夜节律具有一致性[4]。

关于铜离子与昼夜节律的关系，除拟南芥外，在其他生物体中也有少量报道。蕨类植物小立碗藓SPL家族受到昼夜节律调控；在粗糙脉孢菌中，一个结合铜离子的金属硫因子的表达同样呈现出昼夜节律性；在哺乳动物中，一个松果体ATPase（铜转运蛋白）的表达也具有明显昼夜节律性。

3 参考文献

[1] 姚浩群.金属离子与金属颗粒生物学活性实验研究[J].南方医科大学学报，2012，41（16）：63-68.

[2] 宋明明，黄凯，朱连勤.铜吸收与代谢的研究进展[J].饲料博览，2014，19（9）：81-83.

[3] 王超曼，程楠，韩咏竹，等.细胞内铜转运系统的研究进展[J].安徽卫生职业技术学院学报，2013（6）：25-28.

[4] 石铸，闫振文，梁秀龄.铜伴侣蛋白（Copper chaperones）研究进展[J].国外医学：遗传学分册，2002（4）：204-206.endprint