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编号:10260683
活性氧对血红蛋白损伤机理的研究
http://www.100md.com 《卫生研究》 1999年第1期
     作者:戴宇飞 常平 李桂兰 林永齐

    单位:戴宇飞 常平 李桂兰(中国预防医学科学院劳动卫生与职业病研究所,北京 100050);林永齐(吉林大学分子生物学系)

    关键词:活性氧;血红蛋白;血红素

    卫生研究990111 摘要 研究了超氧负离子和过氧化氢(H2O2)对血红蛋白(Hb)的损伤作用。结果表明二者对Hb的损伤主要集中在血红素辅基部分,但二者损伤途径不同,是通过电荷中和破坏了辅基与其周围氨基酸残基之间的静电相互作用,从而使辅基完整地脱落;而H2O2则是通过Fenton反应与血红素辅基中心的Fe2+反应产生羟自由基( .OH), .OH在短距离内定点损伤卟啉环结构,使辅基遭到不可逆转的破坏。
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    中图分类号 Q592.1 Q461

    Mechanism of injury by active oxygen radical to hemoglobin

    Dai Yufei, Chang Ping,Li Guilan,Lin Yongqi

    Institute of Occupational Medicine,Chinese Academy of Preventive Medicine,Beijing 100050, China

    The injury effects of and H2O2 on the hemoglobin were investigated.The results showed that the metal prosthetic group was injured by and H2O2,but the mechanism of and H2O2 effects was different.Through the charge neutralization destroying the static electrical interactions between prosthethic group and amino acid residues,it thereby caused prosthetic group dropped.H2O2 had Fenton reaction with Fe2+ in prosthetic group,hence produced .OH.It can destroy the porphyrin structure at fixed point in short distance,so the prosthetic group was destroyed and non-reversible.
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    Key words:active oxygen radical, hemoglobin, heme

    在生理条件下,几乎所有的需氧生物在利用氧的过程中都有活性氧的产生,活性氧在致癌、致突变、脂质过氧化、蛋白的氧化和裂解以及碳水化合物的损伤中都起作用。氧在机体的代谢中首先产生的超氧负离子,它又可通过多种酶的作用转化为过氧化氢,超氧负离子和过氧化氢作为活性氧家族中的成员,它们对生物体的损伤不容忽视。有调查表明,重体力劳动者与运动员在剧烈运动之后伴随有轻微的贫血现象,血红蛋白含量减低。由于红细胞直接暴露于较高的氧分压环境下,耗氧量的骤然增加导致血液中活性氧含量的增加,从而对红细胞起到损伤作用[1]。本文从这一现象出发,以血红蛋白作为研究对象,论述了这一现象产生的原因,并从分子水平上探讨了超氧负离子与过氧化氢对血红蛋白的损伤途径和作用机制,这些研究对于寻求预防治疗途径及抗氧化药物的研制具有重要意义。

    1 材料与方法
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    1.1 试剂与仪器

    Hb (Serva),H2O2 (国产分析纯),N,N,N′,N′-四甲基乙二胺 (Sigma),过硫酸铵(国产分析纯),Sephadex G-100 (Pharmacia);岛津UV-250分光光度计,JASCOJ 5000圆二色谱仪。

    1.2 实验步骤

    1.2.1 的产生 由过硫酸铵(AP)与四甲基乙二胺(TEMED)反应产生,反应液A、B的配制见表1,A与B按1∶4(体积比)的比例进行反应产生

    表1 AP-TEMED反应系统 贮液
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    每100ml的含量

    反应体系

    A

    1 mol/L HCl

    48.00ml

    A∶B=1∶4

    Tris

    36.60g

    TEMED

    0.23ml×n(1)

    B

    AP
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    0.2g或1.0g

    注:(1)的浓度由n来控制,称为n倍

    当n≤5时,AP取0.2g,当n>5时,AP取1.0g

    1.2.2 Fe/Pr的测定 将Hb(5mg/ml)用不同浓度与H2O2作用20min后,用双蒸水透析24h,其间换两次双蒸水,测每个样品中的铁含量与蛋白浓度,并计算Fe与珠蛋白的分子比。计算公式为:,式中63500为血红蛋白分子量。
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    1.2.3 血红蛋白二级结构的测定——圆二色谱(CD谱) CD谱中α-螺旋度计算方法:以poly Lys(pH=10)和poly Glu(pH=3.5)的α-螺旋度为100%,通过222nm处的峰高计算样品α-螺旋度:

    X(poly Lys)=90207.0

    X(poly Glu)=93429.25

    X平均=91818.18

    θ=-h×S×D÷100

    [θ]222=θ×M÷10÷L÷C

    α%=-100×[θ]222÷X平均

, 百拇医药     式中,M:氨基酸残基分子量;C:样品浓度(g/ml);S:灵敏度;D:衰减倍数。

    1.2.4 血红素的抽提检测 将5mg/ml Hb用不同浓度与H2O2作用20min以后,加入等体积正丁醇进行抽提,充分搅拌,4000r/min离心15min,取上清液测405nm(血红素的特征吸收波长)处的光吸收度(A405),以标准Hb(不加活性氧处理)经同样处理所得上清液作为参比。

    1.2.5 柱层析 标准Hb与、H2O2处理后的Hb进行Sephadex G-100柱层析。柱的规格57×1.8cm,用0.9%NaCl溶液洗脱,280nm紫外监测。
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    1.3 指标测定方法

    1.3.1 蛋白质浓度测定 采用Folin-酚法[2]。蛋白溶液与Folin酚试剂混合,于25℃保温30min,以蒸馏水为空白,测其640nm处的光吸收,并在标准曲线上查出相应的蛋白浓度。

    1.3.2 蛋白质中铁含量测定 采用Doeg KA的方法[3]。1ml样品中加入1ml 20%三氯乙酸,100℃水浴1h,冷却后加入2ml蒸馏水和1.5ml0.1%邻菲咯啉,放置5min,加入0.5ml 0.06mol/L维生素C和0.5ml饱和乙酸铵,补加蒸馏水0.4ml显色30min,在512nm处测光吸收度,于标准曲线中查出相对应的[Fe](μg/ml)。

    2 实验结果

    2.1 与H2O2作用后Hb铁含量的变化
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    标准血红蛋白分子中铁与珠蛋白的分子比(Fe/Pr)为4。活性氧作用后的Hb铁含量测定结果见表2、表3。

    表2 作用后的Hb铁含量变化 [](倍)

    Pr

    (μg/ml)

    Fe

    (μg/ml)

    Fe/Pr

    下降率(%)

    0
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    800

    2.93

    4.16

    0

    1

    2450

    6.96

    3.22

    22.6

    5

    2125

    5.18

    2.77
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    33.4

    15

    2420

    3.93

    1.84

    55.8

    30

    2140

    2.94

    1.56

    62.5

    注:(1)同表1

    表3 H2O2作后的Hb铁含量变化 H2O2(mmol/L)
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    Pr

    (μg/ml)

    Fe

    (μg/ml)

    Fe/Pr

    下降率

    (%)

    0

    800

    2.93

    4.16

    0

    20
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    950

    2.20

    2.62

    37.0

    40

    916

    1.91

    2.37

    43.0

    70

    924

    1.65

    2.03
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    51.2

    100

    850

    1.43

    1.91

    54.1与H2O2作用于Hb以后,铁含量明显下降,且活性氧浓度越高,铁丧失越显著。当与H2O2的浓度分别达到30倍和100mmol/L时,Hb中的铁含量分别下降了62.5%和54.1%。

    2.2 与H2O2作用后的Hb构象变化
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    Hb的α-螺旋度很高,理论值达75%,将、H2O2作用后的Hb测其圆二色谱,并计算其α-螺旋度(表4,图1)。

    表4 血红蛋白α-螺旋度 样品

    Pr/(g .L-1)

    h222nm(cm)

    α(%)

    Hb

    0.148

    9.6
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    65

    Hb+(30倍)(1)

    0.182

    10.0

    55

    Hb+H2O2(100mmol/L)

    0.161

    9.0

    56.1

    注:(1)同表1
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    图1 血红蛋白圆二色谱图

    A.Hb B.Hb+30倍 C.Hb+5mmol/L H2O2 计算结果可以看出,H2O2作用后的Hb α-螺旋度下降,说明Hb二级结构受到影响,原来紧密的结构变得松散,由于血红素辅基在维持血红蛋白构象上起关键作用,因此推测H2O2与O导致了血红素辅基的丢失或破坏。

    2.3 用正丁醇抽提血红素辅基,结果见表5。

    表5 正丁醇抽提液 A405 [](倍)(1)
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    [H2O2](m mol/L)

    1

    5

    15

    30

    20

    40

    70

    100

    0.758

    0.827

    0.896

    0.934
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    -0.02

    -0.032

    -0.041

    -0.044

    注:(1) 同表1

    由于405nm是血红素的特征吸收峰,由表5可以看出随浓度的增加,正丁醇抽提液在405nm处的光吸收随之增加,这说明使Hb的血红素辅基完整地脱落下来并溶解到正丁醇中。而H2O2处理的Hb正丁醇抽提液中不含血红素,光吸收出现负值的原因是参比Hb溶液中含有微量脱落的血红素,加入H2O2以后,这部分血红素也被破坏掉,所以出现负值。可见H2O2的作用能够使Hb的血红素辅基结构遭到破坏。
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    2.4 柱层析

    洗脱图谱见图2。由洗脱曲线可以看出,A、B、C在132ml处有一相同的单峰,相似的洗脱体积代表A、B、C三种物质具有相似的分子量。这说明活性氧的作用没有使Hb蛋白发生变化,四聚体没有解聚。另外,作用后的Hb在183ml处有一矮峰,正好处于内水体积,这是脱落下来的血红素的洗脱峰;H2O2处理的Hb在183ml附近的洗脱曲线偏离基线,推测是由于H2O2小分子在紫外区有吸收所引起。

    图2 Sephadex G-100柱层析洗脱图谱

    A.Hb(5mg/ml) B.Hb+30倍 C.Hb+100m mol/L H2O2
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    3 讨论

    通过铁含量的测定和圆二色谱的描述可知H2O2的作用使Hb铁含量降低,这种降低可能是由于整个金属辅基的丢失,但是金属辅基的丢失有两种途径:一是辅基脱落并被透析除去;另一是辅基结构遭到破坏。用正丁醇进行处理,结果分析表明与H2O2分别属于这两种途径。柱层析结果表明这两种活性氧对Hb珠蛋白部分的影响较小,一级结构保持完好,没有发生肽链断裂的现象,同时四聚体没有解聚。但是与H2O2何以会产生这种作用,它们对Hb的损伤途径如何,要解释这一点必须从Hb分子结构入手来进行说明。
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    血红素位于Hb的肽链靠近表面的一个疏水核内,称为血红素口袋,它主要依靠Fe2+与F8His的咪唑氮配位而挂在Pr链上,但是它之所以能固定在蛋白质的固定位置上而且取向一定,主要是因为还有大约21个残基逼近血红素,距离在4A°之内,这些残基中有60多处与血红素比较靠近,可以发生极性与非极性的相互作用,足以保持血红素在Hb中的位置。血红素的极性部分丙酸基侧链伸向亲水的表面,在生理pH下解离成负离子,在α链中,有一个丙酸基与CD3His相连;在β链中,血红素的两个丙酸基分别与CD3Ser和E10Lys相连。当Hb溶液pH降至3.5时,血红素与肽链间的结合就很微弱了,用有机溶剂可以把血红素抽提出来,可见血红素与肽链之间的静电引力对于维持血红素在Hb中的位置有很大作用[4]。根据文献报道及本文实验结果可以推测对Hb的损伤机理如下:是一种亲脂性小分子[5],可以进入疏水核内,它所带的负电荷中和了肽链上His、Lys所带的正电荷,使它们不再与血红素丙酸基侧链保持静电吸引,从而使血红素脱落,而对其他结构没有影响。H2O2对于Hb的损伤是由于H2O2进入血红素穴,与血红素中心的Fe2+通过Fenton反应产生 .OH, .OH具有极高的氧化还原势,反应力极强,几乎可以和生物细胞内所有类型的分子以109~1011mol-1 .s-1的反应速率作用,但它寿命短暂[6]。因而最靠近 .OH的部位受到攻击的可到性也最大,同Fe2+络合的卟啉环由于在空间位置上的优势,首先受到 .OH的攻击,共价键断裂,其结构遭到不可逆转的破坏, .OH是一瞬即逝的自由基,由于珠蛋白在空间位置上的劣势,使 .OH难以接近,因而珠蛋白在一级结构上保持完好,构象相对稳定。
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    作者简介:戴宇飞,女,硕士,实习研究员

    参考文献

    1 郭世炳,句海松.运动与氧自由基损伤.中国运动医学杂志,1990,(3):161—166

    2 李建武,余瑞元,袁明秀,等.生物化学实验原理与方法.北京:北京大学出版社,1994.168—170

    3 Doeg KA,Ziegler DM.Simplified methods for the estimation of iron in mitochondria and submitochondrial fractions.Arch Biochem Biophys,1962,(97):37—40

    4 林钧材,王明运,赵宝昌,等.血液生物化学.北京:人民卫生出版社,1988.231

    5 方允中,李文杰.自由基与酶.北京:科学出版社,1998.140

    6 张建中,孙存普,段绍瑾,等.自由基生物学导论.北京:中国科学技术大学研究生院出版社,1991.23

    1998-05-22收稿, 百拇医药