γ-羧基谷氨酸的研究概述

2020-01-09梁佩芳

云南化工 2019年12期

梁佩芳

（开封大学医学部，河南开封 475001）

蛋白质作为所有生物体的功能体现者，在生命体系中扮演着极其重要的角色。蛋白质大致由20 种氨基酸组成，这些氨基酸包含多种功能基团，如氨基，羧基，巯基，烷基链，芳香环等。然而，这些基团数量和功能有限，不足以完成生物体内所有的生物学功能。为了能让蛋白质完成更加精确、多样的生物学功能，生物体会进行一些翻译后的修饰，如：羧基化，甲基化，乙酰化，羟基化等。通过这些修饰，可改变蛋白质的构象，实现蛋白质的新功能。

1 γ-羧基谷氨酸的形成机制

在生物体内，维生素K（Vitamin K）在谷氨酸羧化酶的作用下将L-谷氨酸（Glu）进一步羧基化获得Gla。Vitamin K 首先被还原为具有生物活性的对苯二酚结构—氢醌型维生素K（Vitamin KH2）。在羧化过程中，Glu 羧化成为Gla，而Vitamin KH2转化为Vitamin K[1]。Gla 可以与钙离子等二价金属离子螯合，形成蛋白质的功能构象，发挥生理作用。如图1。

图1 Vitamin K 羧化Glu 为Gla

2 γ-羧基谷氨酸的分布与作用机制

γ-羧基谷氨酸（Gla）是羧基化修饰的一种非蛋白氨基酸，它比谷氨酸多一个羧基，Gla 最早于1974 年由Stenflo, Nelsestuen, Magnusson 分别独立发现。Gla 主要存在于凝血因子，一些哺乳动物的骨组织蛋白和芋螺毒素中。

2.1 凝血因子

有四种凝血因子（II, VII, IX, X）含有Gla 残基，凝血因子序列中包含和羧化酶相互作用的序列，称为γ-羧化识别序列(γ-CRS)。γ-CRS 通过酶进行翻译后的加工，将特定位点的Glu 羧化成为Gla。Gla 可以作为结合位点与钙离子结合，在依赖钙离子和活化磷脂的止血法中，这种结合起了至关重要的作用。如果这些特定位点的Glu未被羧基化为Gla，凝血因子与钙离子的结合能力将会减弱，从而不能形成功能构象，影响凝血。在现实生活中，影响凝血的因素很多，比如体内缺乏Vitamin K，使用香豆素类药物华法林（Warfarin，一种Vitamin K 抑制剂）等。

2.2 骨钙素（OC）

又称骨γ-羧基谷氨酸蛋白，是一种体内含量最多的非胶原骨基质蛋白，由骨中的非增殖期成骨细胞特异合成并分泌。在1975 年和1976 年，科学家首次从动物体内的骨骼中分离鉴定出OC蛋白。通过对不同种类动物的研究，发现各种动物体内OC 具有很高的保守性，其序列一般由49-51 个氨基酸构成，第21、24、27 位为Gla 羧化位点。OC 蛋白的羧化是在翻译后修饰的，首先将OC 基因翻译成OC 原，OC 原去除前肽信号，此时肽链中的α-羧基谷氨酸经过羧化酶催化，转化为有活性的Gla，此过程涉及Vitamin K和Vitamin KH2的转换。当这些位点羧化为Gla后，Gla 可以与钙离子结合，结合后OC 第16～25位氨基酸残基将会形成紧密的α-螺旋，可使其中3 个Gla 残基突向同一方向排列，从而促进其与羟磷灰石（HA）结合，阻碍HA 结晶[2]。因为HA 结晶的形成反映生长软骨矿化的速度，故OC可抑制软骨矿化。因此血清中OC 含量可以反映骨细胞活性和骨转换的程度。骨更新率越快，OC值越高，反之越低。

羧化的OC 可以影响骨的形成与转化。最近的研究表明，未羧化的OC 也可以调节生理功能。1997 年，Ferron 研究发现，未经羧化的OC 对II型糖尿病的临床治疗具有一定效果，它可促进胰岛细胞增殖，增加胰岛素的分泌，增加胰岛素的敏感性。2005 年，Cantatore 等以鸡胚绒毛尿囊膜为实验材料，证实了未羧化的OC 可以促进血管生成。2011 年，Oury 等研究表明，未羧化的OC也能影响雄性生殖能力，骨骼释放的OC 可控制睾酮水平，进而对雄性生殖能力造成影响。

2.3 芋螺毒素

一些芋螺毒素（conotoxins）中也含有Gla，芋螺毒素存在于芋螺毒液中。芋螺毒液是最古老的海洋物种之一—芋螺捕食或防御时分泌的毒液。芋螺毒素是很多单一肽组成的混合毒素，主要成分是一些多肽化合物。芋螺毒素对不同离子通道及神经受体具有很强的专一性。按其结构序列特征及二硫键骨架的不同，芋螺毒素可分为26 个超家族，每个超家族的成员都具有一些相同的特点：它们具有共同的保守的二硫键连接方式，以及相同的高度保守的信号肽序列。根据每个超家族成员保守的半胱氨酸骨架及其药理学作用靶点，进一步可分为α、μ、ω、κ、δ、ψ、σ、ρ、γ、加压素、惊厥剂、睡眠肽等家族[3]。它们作用于不同的受体和离子通道，起着多种药理学作用。

芋螺睡眠肽（conantokin, con）是一类较特殊的芋螺毒素，芋螺睡眠肽序列中均富含Gla。芋螺睡眠肽具有镇痛催眠作用，实验证明，在实验鼠颅内注射芋螺睡眠肽后，实验鼠会呈现一种睡眠样状态。芋螺睡眠肽是选择性的NMDA 受体抑制剂，是目前唯一已知的抑制NMDA 受体的天然多肽，并对NMDA 受体的亚基具有很高的选择性。NMDA 受体（N-methyl-D-aspartic acid receptor），全称N-甲基-D-天冬氨酸受体，是离子型谷氨酸受体的一个亚型，是中枢神经系统内一类重要的兴奋性氨基酸受体。NMDA 受体参与一系列的神经系统病理过程，如癫痫，中风等。相比作用于阿片受体的镇痛药物，作用于NMDA 受体的芋螺睡眠肽具有更大的开发价值。芋螺睡眠肽对受体的选择性较强，成瘾性低，副作用小。