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leyu乐鱼体育登录专业版:《食物科学》:我国农业大学张拓副教授等:铁蛋白纳米载体在养分与健康范畴的运用研讨开展

更新时间:2022-12-19 10:35:20   来源:leyu乐鱼体育登录在线 作者:leyu乐鱼体育登录入口   

  铁蛋白是广泛存在于生物体中的一种铁贮藏蛋白,其首要生物学功用有两种:一是将二价铁离子转化成可溶无毒且生物可运用的三价铁办法并贮存于蛋白质内部空腔,调理铁代谢平衡;二是铲除亚铁离子介导的自由基反响,维护细胞免受氧化性损害。天然的铁蛋白由蛋白质外壳和内部铁核两部分组成,外壳是由24 个相同或不同的亚基构成的具有高度对称结构的中空笼状蛋白质分子,铁核则是由很多氢氧化铁和磷酸盐组成。在无氧条件下可运用复原反响将铁核去除,然后制备得到具有内部空腔的脱铁铁蛋白外壳。铁蛋白的笼状外壳十分安稳,具有较强的酸碱耐受性(pH 2.0~12.0)以及热安稳性(蛋白质变性温度为70~80 ℃)。铁蛋白的高档结构首要是由亚基间的氢键和疏水效果保持,故可以经过物理化学的手法将其亚基解离及从头拼装,其可逆的解离重组特性为铁蛋白纳米笼作为包埋外壳以及投递载体的运用奠定了根底。

  现在为止,铁蛋白已被广泛用于包埋花青素、姜黄素、芦丁等多种食物养分素以进步其水溶性、安稳性以及细胞吸收率,运用铁蛋白装载抗癌药物、造影剂等成分可用于完成药物的靶向传递、细胞成像以及肿瘤医治等研讨。此外,因为天然蛋白质结构单一,铁蛋白也被科学家们广泛用于人工规划制作不同结构性质的新式笼形蛋白,这极大拓宽了铁蛋白作为纳米载体的运用规模。我国农业大学食物科学与养分工程学院的刘 博、张晨曦、张 拓*等对铁蛋白分子的结构特色进行系统总结,并要点介绍其作为纳米载体运用于食物科学、养分健康及医药成像等范畴的研讨开展。

  亚基结构由1 个两两成反向平行的α螺旋簇(A、B和C、D螺旋)和1 个较短α螺旋(E螺旋)组成,B和C螺旋之间由一段被称为BC-环的氨基酸链衔接,E螺旋坐落α螺旋簇的尾端并与之成60°夹角(图1A)。铁蛋白亚基的氨基端、BC-环、A螺旋和C螺旋构成铁蛋白的外外表,B螺旋和D螺旋则坐落内外表。铁蛋白内外表富含谷氨酸、天冬氨酸等酸性氨基酸残基,因而在pH值为中性的条件下,铁蛋白内外表具有较高的负电荷密度,而外外表的净电荷接近于零或略带正电荷。

  铁蛋白分子具有3 种化学性质不同的活性界面:内外表、外外表、亚基间界面(图1B),而这3 种界面均可经过化学和基因手法进行润饰来完成铁蛋白的功用调控。化学润饰指将染料分子、猝灭剂等功用性小分子与铁蛋白特定氨基酸进行化学偶联,基因润饰是定点骤变、增加或删去特定氨基酸改动铁蛋白的基因序列。铁蛋白外外表偶联润饰一些官能团可赋予其发光成像等特性,内外表首要是作为纳米反响器组成无机纳米资料或用于包埋活性养分小分子,亚基间界面则可用于调控铁蛋白分子的解离重组以及规划新式笼状蛋白。经过对这3 种活性界面的润饰和改造,可以拓宽铁蛋白分子运用空间。

  作为一种典型的笼形蛋白,铁蛋白分子经过亚基界面之间的杂乱而精确的效果力自拼装构成具有高度对称性的四级结构。参与铁蛋白笼状结构拼装的亚基间界面包含C 2 、C 3 、C 4 以及C 3 -C 4 界面,其间C 2 和C 3 -C 4 界面是保持亚基间相互效果的首要区域(图1C)。

  动物铁蛋白一般由功用差异很大的H型(重链,分子质量约为21 kDa)和L型(轻链,分子质量约为19.5 kDa)两种亚基组成。H型亚基包含1 个亚铁氧化中心,可将二价铁离子氧化成三价铁离子。1 个亚铁氧化中心可以一起结合2 个二价铁离子,亚铁氧化中心包含2 个铁离子结合位点,A位点由Glu27、Glu61、Glu62、His65和Glu107 5 个氨基酸残基构成,B位点由Tyr34和Gln141两个氨基酸残基构成。L型亚基不具有氧化亚铁离子的功用,但其具有1 个成核中心,担任将氧化后的三价铁离子转化为矿化核。铁蛋白H和L亚基的份额在不同器官和安排中有所区别,脑、心脏等代谢旺盛的器官中铁蛋白富含H亚基,而脾脏和肝脏等器官中铁蛋白L亚基份额较高。H和L亚基可别离专注辨认人体细胞的外表受体,一种是转铁蛋白受体(TfR)1,特异性辨认铁蛋白H型亚基;另一种是清道夫A类受体5号蛋白,担任辨认结合铁蛋白L型亚基。

  因为天然蛋白质的尺度和形状比较单一,约束了其运用规模。所以科学家们经过人工规划构建新式铁蛋白纳米笼。铁蛋白分子4 种亚基间界面临铁蛋白笼状结构的构成十分重要,其间C 3 -C 4 界面的外表积最大,其次是C 2 、C 3 和C 4 界面。Zhang Shengli等经过在C 3 -C 4 界面要害方位刺进或许删去氨基酸使24聚体铁蛋白别离转变为16聚体和48聚体笼形铁蛋白(图2A)。16聚体铁蛋白由两个类似的8聚体经过疏水效果衔接在一起,构成扁球形中空结构。48聚体铁蛋白的外径则扩大为17 nm,其内部空腔容量大约是本来的4.3 倍,但在溶液条件下48聚体不安稳,会转化为直径约为10 nm的碗状8聚体铁蛋白。之后Zang Jiachen等以上述碗状8聚体铁蛋白为模板,经过规划链内二硫键和链间二硫键为效果力,别离成功将其转化为3 种新式的笼形蛋白:笼形24聚体(外径12 nm)、椭圆16聚体(长轴10 nm、短轴8 nm)以及笼形48聚体(外径17 nm)(图2B)。而当彻底消除铁蛋白的C 3 -C 4 界面,即删去铁蛋白亚基羧基端49 个残基时,铁蛋白将转化为8聚体纳米环状结构(图2C)。该纳米环内壁仅由B螺旋组成,而其外壁由A螺旋、C螺旋和BC-环组成,其高度为5.1 nm,内外径别离为3.2 nm和7 nm。

  铁是生物体必需的微量元素之一,而缺铁性贫血(IDA)则是世界规模内最为遍及的一种养分素缺少症,严重影响着人类的养分与健康,其首要原因在于铁摄入缺少或过量耗费,因而科学家们在不断探究高效且安全的补铁制剂。现在,市场上常见的补铁剂首要是以硫酸亚铁或葡萄糖酸亚铁为代表,该类补剂虽然铁含量高、价格便宜,但性质不安稳且易遭到食物其他组分的影响,一起会对人体产生必定副效果,如腹泻、吐逆、成长缓慢等。天然植物铁蛋白特别是豆科类种子中的铁蛋白,因为其广泛来历以及丰厚的铁含量遭到了科学家的重视,被以为是一种新式天然膳食的补铁因子。得益于蛋白质外壳的维护,植物铁蛋白的铁不容易遭到膳食中螯合剂如植酸和单宁酸的影响。在豆科类种子中,90%以上的铁元素以铁蛋白的办法贮存在淀粉质体中,研讨者比较了大鼠对硫酸亚铁与别离提取的大豆铁蛋白的铁吸收效果后发现,两组之间没有显着性差异,故大豆铁蛋白中的铁能被人体很好地吸收,具有与硫酸亚铁类似的补铁成效。铁蛋白可以按捺亚铁离子自氧化生成具有毒副效果的活性氧, 具有去毒效果,蛋白可作为一种植物来历的新式补铁制剂。

  钙是人体含量最为丰厚的无机元素,参与体内多种生理进程,对人体的成长发育、养分健康起着重要效果。现在我国缺钙现象依然遍及,市场上补钙制剂首要分为无机钙、生物活性钙、有机钙以及氨基酸螯合钙等,这些钙制剂均存在必定的运用缺点,随后以多肽或蛋白质为首要配体的钙制剂迅速开展,研讨发现钙或其他矿藏元素可以经过肽转运机制或蛋白质的特异性受体被小肠细胞所吸收。虽然乳制品是生物可运用钙的杰出来历,但不适合于素食主义者等人群,因而开发植物来历蛋白质为载体的补钙制剂尤为重要。为处理上述问题,研讨人员将钙离子装载进植物铁蛋白空腔中,制备得到铁蛋白钙复合物。细胞吸收试验发现,植物铁蛋白可以维护钙离子不受膳食按捺因子如草酸、单宁酸的搅扰。此外,与已知的二价金属离子转运蛋白1(DMT1)介导的二价金属离子吸收途径不同,细胞可经过新的TfR1参与途径吸收铁蛋白-钙复合物,故铁蛋白包裹的钙离子不会搅扰其他二价金属离子的吸收。随后,锌、铜、硒等多种矿藏元素被装载到铁蛋白空腔已得到试验验证,其特别的中空结构和笼形的蛋白质外壳可以战胜金属离子溶解度低以及易受外界环境搅扰的缺点,显着进步矿质元素的生物运用率。综上所述,铁蛋白作为矿质养分元素载体具有宽广的运用远景。

  食物中存在着许多高生物活性小分子,如β-胡萝卜素、姜黄素、芦丁、花青素、叶黄素、原花青素等,这些物质被以为具有抗氧化、抗癌和抗炎症等生物活性,关于人体健康具有较大促进功用。但是这些化合物大多关于环境条件十分灵敏,如水不溶性或光、热不安稳性等,这极大约束了其在养分和人类健康范畴的运用,因而战胜这些约束要素显得至关重要。近年来,动植物铁蛋白在食物科学和养分健康范畴遭到广泛重视,科学家们运用铁蛋白受pH值操控的可逆解离拼装特性来包埋各种水溶性或脂溶性活性养分素。这一办法简单易行且环境友好,一起研讨发现包埋后养分小分子的水溶性、光热安稳性和细胞吸取活性显着优于游离状况,铁蛋白分子一起还能避免包埋物质遭到食物中其他成分的搅扰。

  汞是一种剧毒重金属,其可经过食物链进行生物累积然后严重威胁着人体健康。汞化合物可以分为无机汞和有机汞。无机汞首要以二价汞离子(Hg2+)办法存在于环境中,摄入或吸入会对人神经、胃肠道系统以及内脏器官等产生严重危害,因而树立能快速精确检测汞离子的办法关于食物安全、人类健康以及环境检测等方面具有重要含义。现在,原子吸收光谱、原子产生光谱、电感耦合等离子体质谱、电化学法等仪器办法可用于检测Hg2+等重金属离子,但这些传统办法存在本钱高、处理进程繁琐等运用缺点。近年来,荧光探针检测技能因为其灵敏度高、选择性好、运用便利等优势逐步遭到了研讨人员的广泛重视。Wang Yingjie等经过在HFn纳米笼外外表衔接一段MBP,成功制备了一种对Hg2+具有高结合才干的蛋白纳米笼(HFn-MBP)。用异硫氰酸荧光素(FITC)符号的HFn-MBP的荧光可以被GO猝灭,而在上述系统中参与Hg2+可以以剂量依靠的办法康复被猝灭的荧光(图4B)。该传感器由FITC符号的HFn-MBP和GO组成,对Hg2+具有较高的灵敏度和选择性,检测限可达1.0 nmol/L。此研讨为铁蛋白纳米笼在重金属离子检测中的运用拓荒了新的途径。

  持续增长的癌症死亡率提示着肿瘤医治仍存在着巨大的应战,除了各种抗癌药物的研制,关于纳米药物载体的研讨相同引起了广泛的重视。因为人重链铁蛋白可以特异辨认TfR1,经过冷冻电子显微镜技能对TfR1与人重链铁蛋白的复合物结构解析发现,H型亚基A螺旋的氨基端、BC-环和C螺旋的羧基端是铁蛋白与TfR1结合的相应区域。TfR1在肿瘤细胞中过表达,运用其固有的肿瘤靶向性,人重链铁蛋白已被广泛用于装载顺铂、卡铂、奥沙利铂等铂类化合物、Dox、金基化合物(Au2phen和Auoxo4)、钌络合物(DiRu-1)等多种抗癌药物。研讨发现铁蛋白作为药物载体可以穿越血脑屏障,完成对原位恶性脑胶质瘤的靶向医治(图4C)。血脑屏障是保持中枢神经系统稳态和维护脑安排免受代谢物损害的天然屏障,简直一切大分子药物和大部分小分子药物无法穿越血脑屏障抵达脑安排,故中枢神经系统疾病如恶性脑瘤无法得到有用医治。因为TfR1在脑内皮细胞和恶性肿瘤细胞中均能高表达,试验结果标明铁蛋白可经过脑内皮细胞的转胞吞效果穿过血脑屏障且不会阻断在溶酶体,又可以经过TfR1介导特异性富集到恶性脑瘤细胞的溶酶体中降解。铁蛋白包埋并靶向开释药物Dox然后靶向杀伤癌细胞。铁蛋白与TfR1特异性的靶向结合及抱负的纳米尺度效应是其既可以穿越血脑屏障又具有肿瘤安排高选择性的重要原因。

  铁蛋白空腔的生物矿化才干以及外表易于润饰的特性使得铁蛋白成为了杰出的生物成像设备,其在核磁共振成像(MRI)和PAI中得到了广泛的运用。MRI是一种强壮的确诊技能,因为其高灵敏度和精确性,被广泛用于肿瘤成像。但是,现在运用的钆基造影剂缺少对癌细胞的特异性导致假阳性呈现,一起MRI因为空间分辨率不行或许无法检测到藏匿的肿瘤微堆积。Cao Changqian等经过在铁蛋白纳米笼内组成磁铁矿核作为MRI造影剂用于癌症的体内检测,其具有极高的造影功能和TfR1依靠的MRI信号。

  因为铁蛋白具有单分散性、高溶解性、高生物安全性和高安稳性等长处,运用铁蛋白纳米笼状结构、解离自拼装以及易于润饰的特性将活性物质或抗癌药物进行包埋和靶向投递具有重要的含义。经过铁蛋白包埋后,活性养分物质的水溶性、热安稳性、光安稳性和细胞吸取率均得到显着进步,药物分子可以精准地靶向杀伤肿瘤细胞,且可以穿越血脑屏障抵达脑安排。许多研讨标明铁蛋白可作为一种新的包埋生物活性物质的纳米载体。此外,在食物重金属检测以及活体成像确诊等方面,铁蛋白纳米载体也具有十分宽广的运用远景。虽然针对铁蛋白包埋物质的制备办法和运用现已取得了很大的开展,但仍存在一些问题需求处理。首要,铁蛋白的包埋功率以及装载才干仍需进步,经过人工规划更多不同形状和性质的新式铁蛋白纳米笼或制备蛋白拼装体运用拼装空隙的空间是或许的处理方案,但详细的运用系统需深化探究。其次,现在研讨大多会集在铁蛋白包埋物质的制备办法和医药运用,铁蛋白纳米载体在食物养分与检测方面的运用应遭到更多重视。最终,铁蛋白在胃中的安稳性以及客体分子的细胞吸取功率有待进一步进步,这样才干确保铁蛋白运载系统对人体养分与健康的奉献进入实践临床运用。

  张拓,我国农业大学食物科学与养分工程学院副教授,特聘研讨员。结业于我国农业大学,获工学学士、博士学位,美国密歇根州立大学博士后。首要研讨方向为蛋白质化学与养分,包含矿藏元素养分与健康,微量元素受体及跨膜转运蛋白活性机理等。相关范畴宣布论文30余篇,代表性论文宣布于Science Advances, Nature Communications, Science, Chemical Society Review, Critical Review in Food Science and Nutrition等范畴内闻名期刊。

  本文《铁蛋白纳米载体在养分与健康范畴的运用研讨开展》来历于《食物科学》2022年43卷15期302-311页,作者:刘博,张晨曦,臧佳辰,吕晨艳,张拓,赵广华。DOI:10.7506/spkx0730-359。点击下方阅览原文即可检查文章相关信息。

  为进一步促进动物源食物科学的开展,带动工业的技能创新,更好的保证人类身体健康和进步生活品质,北京食物科学研讨院和我国食物杂志社在宁波和西宁成功举行前两届“动物源食物科学与人类健康世界研讨会”的根底上,将与郑州轻工业大学、河南农业大学、河南工业大学、河南科技学院、许昌学院于 2022年12月3-4日 在河南郑州一起举行“2022年动物源食物科学与人类健康世界研讨会”。欢迎相关专家、学者、企业家参与此次世界研讨会。


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