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编号:10271528
汞和铅对人胎盘碱性磷酸酶活力与构象的影响*
http://www.100md.com 《中国病理生理杂志》 1999年第8期
     作者:耿芳宋 王秀丽 刘洪明 杜卫 崔瑞耀

    单位:青岛大学医学院生物化学教研室(青岛 266021);崔瑞耀 病理生理学教研室

    关键词:汞;铅;碱性磷酸酶;胎儿

    汞和铅对人胎盘碱性磷酸酶活力与构象的影响 摘 要 目的: 研究汞和铅对人胎盘耐热性碱性磷酸酶(HPAP)的作用,以探讨汞和铅影响胎儿发育的分子机制。方法:应用分光光度法分别测定不同浓度氯化汞(HgCl2)和硝酸铅[Pb(NO3)2]存在下的HPAP活力,用荧光法检测其荧光光谱的变化;用双倒数作图法确定HgCl2和Pb(NO3)2 的抑制类型。结果:HgCl2 和Pb(NO3)2均抑制了HPAP的活力,并使其荧光强度和发射峰位发生了明显改变,但其作用机制不同。HgCl2 是HPAP的混合性抑制剂,其抑制常数为3.60 mmol/L;而Pb(NO3)2是HPAP的反竞争性抑制剂,其抑制常数为1.40 mmol/L。结论:HgCl2和Pb(NO3)2抑制HPAP的活力,并使其构象发生改变,这可能是汞和铅影响胎儿发育的重要分子机制之一。
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    The effect of mercury and lead on catalytic activity and conformation

    of human placental alkaline phosphatase

    GENG Fang-Song, WANG Xiu-Li, LIU Hong-Ming, DU Wei, CUI Rui-Yao

    Department of Biochemistry,Qingdao Medical College,Qingdao(266021)

    Abstract AIM:To study the effect of mercury chloride(HgCl2) and lead nitrate [Pb(NO3)2] on human placental alkaline phosphatase(HPAP),and the molecular mechanism of effect of Hg and Pb on development of fetus. METHODS: Spectrophotometry was used to measure the HPAP activity and fluorometry was used to observe the change of fluorescence spectra of HPAP under different concentrations of HgCl2 and Pb(NO3)2.The inhibition type of HgCl2 and Pb(NO3)2 on HPAP was determined by using the double reciprocal plot.RESULTS: The HPAP activity was inhibited and its emission maximum wavelength and fluorescence intensity were obviously changed by HgCl2 and Pb(NO3)2.HgCl2 is a mixed inhibitor of HPAP and its inhibition constant(Ki) is 3.60 mmol/L.Whereas Pb(NO3)2 is an non competitive inhibitor of HPAP and its Ki is 1.40 mmol/L. CONCLUSION: HPAP activity is inhibited and its conformation is changed by HgCl2 and Pb(NO3)2, this may be one of the important molecular mechanisms that mercury and lead affect the development of fetus.
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    MeSH Mercury; Lead; Alkaline phosphatase; Fetus

    铅和汞是有毒的重金属元素,不仅可以造成职业中毒,也是主要的环境污染因素,严重危害着人类的健康。汞和铅对健康的影响是多方面的,其中对胎儿发育的影响研究较多。汞中毒时可引起流产和胎儿畸形[1];铅作业女工的自然流产、死产、早产发生率及婴儿死亡率较高,新生儿出生体重较低[2];动物实验结果也表明,铅可引起畸胎[3]。汞和铅能够通过胎盘传递给胎儿,但对其通过胎盘的机制尚不清楚[4]。人胎盘耐热性碱性磷酸酶(human placental alkaline phosphatase, HPAP)是位于胎盘合体细胞细胞膜上的一种糖蛋白,是一个新进化的基因产物,除了具有酶的催化功能外,还是某些物质,如IgG和软骨基质蛋白等由母血进入胎儿的受体,对胎儿的生长发育有重要作用[5,6]。为了深入了解汞和铅对胎儿的毒理作用,我们探讨了HgCl2和Pb(NO3)2对纯化的HPAP活力与构象的影响,旨在为汞和铅中毒的防治提供一些有价值的资料。
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    材料和方法

    1.试剂:DEAE-纤维素为上海试剂二厂产品;DEAE-Sephadex A-50为Pharmacia公司产品;二乙醇胺为天津化学试剂四厂产品(分析纯);氯化汞和硝酸铅均为上海试剂四厂产品(分析纯);对硝基酚磷酸二钠(p-nitrophenyl phosphate,PNPP)为Merck公司产品,其他试剂均为国产分析纯,用双蒸水配制。

    2.HPAP的提纯及其纯度鉴定:按文献[7]的方法进行。人胎盘组织经匀浆后,正丁醇抽提,冷丙酮沉淀,热处理,DEAE-纤维素和DEAE-Sephadex A-50进行柱层析。纯化酶经SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)鉴定为单一区带;反相高效液相层析(HPLC)分析为单一对称峰。纯化酶的比活力为6.54 mmol.min-1.mg-1
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    3.纯化酶的处理:在含不同浓度HgCl2或Pb(NO3)2的二乙醇胺缓冲液(pH 9.9)中,加入纯化酶液,使酶的终浓度为31.56 mg/L,混匀,20℃保温30 min,使酶达到稳定。供酶构象与活力的检测。

    4.酶构象的检测:酶的荧光发射光谱用LS-50型荧光光度仪检测,激发波长为280 nm,激发和发射狭缝均为5 nm,测定温度为20℃,扫描波长范围为300~410 nm。

    5.酶活力的测定:参考文献[8]的方法进行。测活体系中含5 mmol/L PNPP,1mol/L二乙醇胺,2 mmol/L硝酸镁,pH 9.9及指定浓度的HgCl2或Pb(NO3)2于25℃,用岛津UV-260型分光光度计测定,比色皿光径为1cm,测定波长为405 nm。酶的终浓度为0.105 mg/L。测定时,测活体系于25℃预保温5 min,加入处理的酶液后,混匀,检测其吸光度的变化,按其吸光度的变化值计算酶活力。
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    6.酶抑制类型的测定:固定HgCl2或Pb(NO3)2的浓度,分别测定不同底物浓度(PNPP终浓度分别为0.10,0.15,0.20,0.30,0.40,0.50 mmol/L)下的酶促反应初速度,以吸光度变化值(ΔA)表示。以ΔA-1对底物浓度的倒数([S]-1)作双倒数图,确定HgCl2或Pb(NO3)2对HPAP的抑制类型。

    结 果

    1. HgCl2和Pb(NO3)2对HPAP活力的影响:结果如图1所示。由图1可见,当HgCl2浓度为0.25 mmol/L之间时,酶活力突降至86%,HgCl2浓度为0.25~1.00 mmol/L时,酶活力变化相对稳定,呈现一平台区;继续提高HgCl2浓度,酶活力又逐渐下降;当HgCl2浓度增至10.00 mmol/L时,酶活力降为16%。低浓度的Pb(NO3)2(<0.50 mmol/L)对酶活力无明显影响;当Pb(NO3)2浓度大于0.50 mmol/L时,酶活力迅速降低;Pb(NO3)2浓度为10.00 mmol/L时,酶活力丧失。提示HgCl2和Pb(NO3)2对HPAP活力均有不同程度的抑制作用。1901.gif (3242 bytes)
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    Fig 1 The activity changes of HPAP in HgCl2 and Pb(NO3)2 respectively solutions of different concentrations

    ① denotes relative activity of HPAP in HgCl2 solutions of different concentrations

    ②denotes relative activity of HPAP in Pb(NO3)2 solutions of different concentrations

    图1 不同浓度HgCl2和Pb(NO3)2溶液中HPAP活力的变化
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    2.HgCl2和Pb(NO3)2对HPAP抑制类型:图2是1 mmol/L HgCl2或Pb(NO3)2存在下HPAP的双倒数图。由图2可见,HgCl2对HPAP呈现混合性抑制作用,其抑制常数为3.60 mmol/L;而Pb(NO3)2对HPAP呈现反竞争性抑制作用,其抑制常数为1.40 mmol/L。 1902.gif (2828 bytes)

    Fig 2 The inhibition types of HPAP by HgCl2 and Pb(NO3)2
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    ① denotes the absence of inhibitor

    ② denotes the presence of 1.0 mmol/L Pb(NO3)2

    ③ denotes the presence of 1.0 mmol/L HgCl2

    图2 HgCl2和Pb(NO3)2对HPAP的抑制类型

    3. HgCl2和Pb(NO3)2对HPAP构象的影响:HgCl2和Pb(NO3)2对HPAP荧光强度和发射峰位的影响如图3所示。由图3可见,当HgCl2浓度为0.25 mmol/L时,酶的荧光强度迅速下降,发射峰位由346 nm兰移至340 nm;HgCl2浓度为0.25~1.00 mmol/L时,其荧光强度与发射峰位均无显著变化;HgCl2浓度大于1.00 mmol/L时,其荧光强度逐渐下降,但峰位不变,仍为340 nm;HgCl2浓度高达10.00 mmol/L时,其荧光强度降至10.4%。低浓度的Pb(NO3)2 (<0.5 mmol/L)可使酶的荧光强度略有增加,发射峰位由346 nm兰移至340 nm;当Pb(NO3)2浓度为0.75 mmol/L时,其荧光强度迅速下降,发射峰位由340 nm红移至343 nm;当Pb(NO3)2浓度大于0.75 mmol/L时,随其浓度的增加,酶的荧光强度逐渐降低,但峰位不变,仍为343 nm;当Pb(NO3)2浓度为10.00 mmol/L时,荧光熄灭。1903.gif (4753 bytes)
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    Fig 3 The intrinsic fluorescence changes of HPAP in HgCl2和Pb(NO3)2 respectively solutions of different concentrations

    ① and ④ denotes respectively the fluorescence indensity and emission maximum wavelength of HPAP in Pb(NO3)2 solutions of different concentrations

    ②and ③ denotes respectively the fluorescence indensity and emissioin maximum wavelength of HPAP in HgCl2 solutions of different concentrations
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    图3 不同浓度HgCl2和Pb(NO3)2溶液中HPAP内源荧光的变化

    讨 论

    观测HgCl2和Pb(NO3)2存在下的酶构象改变与活力变化,有助于其毒理作用的阐明。结果显示,不同浓度的HgCl2和Pb(NO3)2均使HPAP构象与活力发生明显地改变,其改变大致可分为两个阶段。其一,低浓度的HgCl2(<0.25 mmol/L)使酶活力及其荧光强度迅速下降,峰位兰移;低浓度的Pb(NO3)2(<0.50 mmol/L)使其荧光强度略有增加,峰位兰移,但酶活力不变。由于酶活性中心具有柔性[9],故第一阶段的变化可能是微扰了酶活性中心的构象所致。其二,继续提高HgCl2浓度,酶活力、荧光强度及峰位先经历一个平台区,然后酶活力和荧光强度逐渐下降,但峰位不变;当HgCl2浓度高达10.00 mmol/L时,酶仍保留16%的活力,其荧光强度为10.4%。此种变化可能是由于Hg2+与酶分子中的半胱氨酸巯基形成螯合物,使酶分子紧缩所致;由于酶分子的紧缩也影响到了酶活性中心的构象,故HgCl2对HPAP呈现混合性抑制。继续提高Pb(NO3)2浓度,随其浓度的增加,酶活力及其荧光强度下降,但峰位兰移减少;当其浓度为10.00 mmol/L时,酶活力丧失,荧光熄灭。Pb(NO3)2是HPAP的反竞争性抑制剂,其机制可能是Pb2+与酶分子上的巯基螯合和与酶活性中心的羧基结合二者共同作用的结果。由此可见,Hg2+和Pb2+虽然都是重金属离子,但对HPAP的作用并非完全相同,这个问题尚有待于进一步探讨。
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    HPAP为人胎盘合体细胞细胞膜上的一个组分,与由母血主动转运某些物质进入胎儿体内有关[6],其构象的改变对胎儿发育必然产生不良后果。一方面可使某些专一性物质(如IgG,补体因子B,软骨基质蛋白等)不能由母血进入胎儿,从而影响胎儿的正常发育;另一方面某些非专一性小分子物质(如毒物,异物等)可由母血进入胎儿,这可能是胎盘对汞和铅无屏障作用的原因。这些物质进入胎儿体内后,可导致胎儿发育异常。由此可见,汞和铅对HPAP的作用,可能是影响胎儿发育的重要分子机制之一。

    * 山东省卫生厅科研基金资助(95036)

    参考文献

    1 陆培廉.环境因素与健康的关系.见:陆培廉主编.预防医学.第2版.北京:人民卫生出版社,1995. 10~17.

    2 张帆,保毓书,赵树芬.应用全胚胎培养方法监测铅的胚胎毒性.中华劳动卫生职业病杂志,1992,10:273.
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    3 张国禾.铅对胚胎的毒性作用.国外医学卫生学分册,1984,11:133.

    4 Tsuchiya H,Mitani K,Kodama K. Placental transfer of heavy metals in normal pregnant Japanese women. Arch Environ Health,1984,39:11.

    5 Fishman WH. Alkaline phosphatase isozymes:recent progress. Clin Biochem,1990, 23:99.

    6 Makiya R,Stigbrand T. Placental alkaline phosphatase as the placental IgG receptor. Clin Chem,1992,38:2543.

    7 耿芳宋,王秀丽,张金玉,等. 人类胎盘碱性磷酸酶的分离纯化.青岛医学院学报,1998, 34:84.

    8 耿芳宋,王秀丽,童家明,等. 盐酸胍对人类胎盘碱性磷酸酶构象与活力的影响.生物物理学报,1998,14:385.

    9 Tsou CL. Conformational flexibility of enzyme activity sites. Science, 1993,262:380.

    (1998年11月30日收稿,1999年4月14日修回), 百拇医药