血清白蛋白的功能及应用_张英霞.pdf

收稿日期:2006-09-19基金项目:国家自然科学基金项目(30170195,30470380,30200044)作者简介:张英霞(1973-),女,吉林集安人,海南大学海洋学院副教授,博士.第 25卷 第 3期海 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版Vo.l 25 No.32007年 9月NATURAL SCIENCE J OURNAL OFHAINAN UNIVERSITYSep.2007文章编号:1004-1729(2007)03-0315-06血清白蛋白的功能及应用张英霞1,张 云2(1.海南大学 海洋学院,海南 海口 570228;2.中国科学院 昆明动物研究所,云南 昆明 650223)摘要:血清白蛋白是脊椎动物血浆中含量最丰富的蛋白质.人血清白蛋白是由 585个氨基酸组成的单链蛋白质,分子量为 67 kDa.成熟的人血清白蛋白是一个心形分子,由 3个结构相似的-螺旋结构域组成.不同来源的血清白蛋白的氨基酸序列及其空间结构非常保守,它具有结合和运输内源性与外源性物质,维持血液胶体渗透压,清除自由基,抑制血小板聚集和抗凝血等生理功能.最近研究发现,蟾蜍血清白蛋白可能与其皮肤呼吸有关.人血清白蛋白目前已广泛应用于临床.关键词:血清白蛋白;结构;功能;应用中图分类号:Q 512.1文献标识码:A血清白蛋白是脊椎动物血浆中含量最丰富且极易纯化的蛋白质,因此,在过去的 30年中,它以其特有的地位成为物理学家、化学家和生物学家研究的一种典型的和理想的蛋白质,它也是血浆蛋白中研究得最早和最清楚的组分.人血清白蛋白(human serum album in,HSA)1及牛血清白蛋白(bovine serum al-bu m in,BSA)2的部分氨基酸序列于 1975年即已得到,1982年得到 HSA的 cDNA全序列 3,随后,对其他多种动物的血清白蛋白的研究工作也相继展开,如爪蟾血清白蛋白,鲑鱼血清白蛋白等.1血清白蛋白的结构HSA是由 585个氨基酸组成的单链蛋白质,分子量为 67 kDa,相对于其他血浆蛋白质,其分子量较小.血清白蛋白的氨基酸全序列共含有 35个半胱氨酸,形成 17对二硫键和一个自由的半胱氨酸 3.Sugio等通过 X射线晶体衍射图谱获得了 HSA的晶体结构,它是一个 80 80 30的心形分子 4,由一系列-螺旋组成,它有 3个结构相似的-螺旋结构域-螺旋结构域(1-195氨基酸)、-螺旋结构域(196-383氨基酸)、-螺旋结构域 (384-585氨基酸),每个结构域又分别由 2个由 4 6个-螺旋组成的亚结构域 A、B组成,以高度不对称的方式装配成分子.在结构域 A和 A中,部分疏水区域与螺旋-h5和-h6形成口袋结构.A的口袋结构,即结合位点,是水杨酸盐、胆红素、磺胺药物及其他许多药物的结合位点,它所结合的配体均为大分子,所以这一口袋结构相对较大,并具有极好的弹性,可以同时结合 2个不同的配体 5;而结合色氨酸、甲状腺素及一些药物的结合位点,即 A的口袋结构 5,大小比结合位点更小、更窄,因而只结合一些小分子.该位点对所结合配体的空间结构要求严格,所以这一结构的弹性较小 6.HSA分子具有良好的弹性,在不同的环境条件或结合不同的配体后,其形状极易发生改变,但由于拥有较多的二硫键,因此分子极易回复其形状,尤其是在生理条件下 7;只有在非生理状况下,如在剧烈的温度、p H 值、离子强度的改变或化学环境下,血清白蛋白才发生变性.经序列比较发现,不同来源的血清白蛋白其半胱氨酸的位置非常保守,这决定了蛋白质空间结构中转角的脯氨酸位置也相对保守,因此,其空间结构也很保守.2血清白蛋白的生理功能血清白蛋白是血液系统的重要组分,具有结合和运输内源性及外源性物质,维持血液胶体渗透压,清除自由基,抑制血小板的功能和抗凝血以及影响动脉血管的渗透性等生理功能.2.1 结合与运输功能 血清白蛋白分子的独特结构,使其能结合许多物质,这些物质有代谢物、调节物、维生素、金属离子及药物等,故其在血液循环中可作为许多内源性和外源性物质的仓储及转运分子.它能强烈地结合许多中等大小的疏水有机阴离子,如长链脂肪酸等;特异性地结合少量疏水的小分子物质,但结合率很低,如氨基酸等 8;与二价离子不可逆地共价结合,如 Ca2+,Hg2+,Mg2+等,但不结合单价离子 9;血清白蛋白还能作为许多本身有特异性结合蛋白的物质的二级或三级运送者,如类固醇及其衍生物.虽然对类固醇的亲合性较低,但由于血清白蛋白在血液中的高浓度,结合量仍相当大,较低的亲合性又使类固醇在靶位点极易被释放,这种特性具有重要的临床意义.血清白蛋白还能可逆地结合许多药物,影响药物的运送、代谢及清除.结合位点 和 是药物的首要结合位点.与位点结合的有二羧酸及分子中心带有负电荷的体积较大的杂环分子,如水杨酸盐、青霉素等;与位点 结合的有分子一端带有负电荷的酸性基团的芳香性羧酸,如 L-色氨酸、甲状腺素等 10.除了这两个首要的结合位点外,血清白蛋白分子上还存在几个较低的或极低的不连续的亲合位点,配体可能竞争某一个结合位点,也可能通过构象的改变来适应血清白蛋白分子的空间结构,从而改变对较远位点的亲合力.因此,与同一位点结合的药物有可能互相竞争,也可能相互替代.在血浆中与血清白蛋白高度结合于不同结合位点的药物则不会发生相互取代作用 11.血清白蛋白的结合作用可以增加配体在血浆中的溶解度,降低毒性,或保护其免于被氧化,但另一方面也影响药物的代谢.血清白蛋白能与许多化合物结合的特性可能与“构象适应”有关.“构象适应”是一种精巧的构象变化,在生理情况下,白蛋白结合部位易变,几乎能以相同能量产生不同的构象.血清白蛋白分子的螺旋内维系力量较弱,当它与某些化合物结合时,螺旋分开,肽链内残基侧链方位改变,导致分子表面活性基团适宜分布,新的结合位点随之产生,在这个过程中,由于分子被修饰或产生新的结合位点而发生构象变化和协同效应.血清白蛋白分子表面结构疏松,这对于其在血浆中起运输载体及解毒剂的作用可能具有重要意义 8.2.2 维持血液胶体渗透压及物质交换 血清白蛋白通常占血管内蛋白的一半左右,其分子量相对较小,蛋白分子数约占血浆总蛋白分子数的 3/4,可维持 75%80%的血浆胶体渗透压.同时,它所带的负电荷为血管内带正电荷的粒子提供了吸引力,也参与了渗透压维持 12.实际上,胶体渗透压的改变正是诱导血清白蛋白合成的前提.血清白蛋白还可以调控组织液的分布,在正常人体微循环中,血浆与组织液间不断进行营养物质和代谢产物的交换,临床上任何病因所引起的血浆蛋白质含量减少,或某些病人血浆总蛋白量虽属正常,但血清白蛋白浓度明显降低,致使血浆的有效胶体渗透压降低,都将导致过多水份滞留于组织间隙而产生水肿.2.3 自由基清除 在生理状态下,血清白蛋白在体内具有有效的抗氧化能力.由于血清白蛋白氨基酸序列的 34位存在一个自由的半胱氨酸残基,使它成为血管内还原性巯基的主要来源.这些巯基,即硫醇,是活性氧和氮的清除剂,尤其是对超氧化物、巯基离子及过氧化亚硝酸盐.Cu2+是促进这些自由基产生的重要离子,血清白蛋白通过结合这些自由的 Cu2+来限制自由基的产生 13.2.4 抗凝作用血清白蛋白具有肝磷脂样的活性,这可能与两种物质的空间结构的相似性有关.肝磷脂具有带负电荷的硫酸基团,能与抗凝血酶 的正电基团结合,行使其抗凝作用,而血清白蛋白也具有大量316海 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版2007年负电荷 14.Simon等认为,血清白蛋白的抗凝血作用可能是由于血清白蛋白结合了 NO-,抑制了它们的迅速失活,并相对延长了血小板的聚集 15.但有文献报道,在糖尿病患者中,糖基化的血清白蛋白对血小板的聚集却显现相反的作用 16.对血清白蛋白的抗凝作用还知之甚少,尚有待于进一步研究.2.5 酶活性 血清白蛋白同某些小分子作用时,可表现出酶活性.如对二氢睾酮具有烯醇酶活性,活性位点位于分子的氨基端 17.由于存在一个自由的 Cys34,使其具有硫酯酶活性,如可以降解戒酒硫,因而具有重要的临床意义 18.HSA结合位点 的氨基酸残基还能降解 Sulbenicillin,对 R型的降解速度比 S型的快 19;因此,HSA的酶活性和与配体结合特性一样,具有空间结构特异性.亚结构域 A,A对某些底物也有酯酶活性 8,20.这一区域氨基酸残基还能催化氰化物与硫元素形成硫氰酸盐,行使解毒功能 21.2.6 酶抑制剂活性Ogawa等 2004年向 GenBank提交了响尾蛇(Tri m eresurus flavoviridis)血清白蛋白序列(AB182482),其中,提到该蛋白具有磷脂酶 A2抑制剂的活性.笔者分离纯化到的大蹼铃蟾血清白蛋白也具有较强的胰蛋白酶抑制剂活性,且研究了其反应活性位点;同时还纯化了非洲爪蟾的 68kDa血清白蛋白,经序列比较发现,它具有与大蹼铃蟾血清白蛋白相似的反应活性位点,但其胰蛋白酶抑制剂的活性却非常弱,这有可能与反应活性位点附近的氨基酸序列的差异较大有关.有趣的是大蹼铃蟾血清白蛋白分子中含有血红素辅基,它们大量分布于皮肤的表皮层和真皮结缔组织层,估计与其皮肤呼吸有关 22.2.7 影响微管渗透性 在正常生理环境下,血清白蛋白能由血管内渗透到组织间隙,又通过淋巴管回到血管中.血清白蛋白通过结合细胞基质和亚内皮直接影响血管的完整性,从而改变对大分子和溶液的渗透性.通过与增加微管渗透性的花生四烯酸结合,血清白蛋白还能间接影响血管的渗透性 23.2.8 其他功能血清白蛋白带有大量的负电荷,在血浆内的丰富含量使其成为血浆中有效的缓冲液,从而维持血液酸碱平衡.血清白蛋白还能提供合成另一种蛋白质所需的比例合适的各种氨基酸,具有较高的营养价值,此外,它还具有维持微管系统的完整性等功能.3血清白蛋白的应用人血清白蛋白在现代医学中是一种重要的临床生物制品,它主要作为血浆容量扩充剂而广泛应用于大出血、休克、烧伤、癌症、红白细胞增多症、白蛋白过少症等 24.3.1 增加血容量 在许多病理状态下都存在血容量减少的现象,它是病人死亡的主要原因,血容量的恢复可以有效地避免组织缺血和随后的多器官损伤.血清白蛋白可增加血液的胶体渗透压,能阻止液流从血管内溢出到血管外,从而增加了血容量.在美国,大约有 26%的血清白蛋白被用于治疗急性血容量的减少,如外科手术中的血液损失、外伤及大出血等;12%的血清白蛋白被用于治疗其他原因的血容量减少,如感染等 25.3.2 维持胶体渗透压 Dru mmond等 1999年研究认为,血清白蛋白可调控血液的胶体渗透压 26.在重症病人中,有必要维持胶体渗透压以补充血管内容量,高浓度的血清白蛋白的渗透压可以减轻组织水肿.最近有文献报道,维持血浆的胶体渗透压可能只是血清白蛋白直接保护重症病人的许多机制之一 27.3.3 维持血清白蛋白的水平健康人正常血清白蛋白的含量为 35 50 g L-1,重症病人常伴随血清白蛋白的减少,因此,它也成为检测严重病症的一个非特异性的指标.许多研究表明,低血清白蛋白的急性病例的康复率也较低.重症病人中,如果血清白蛋白每减少 10 g L-1,病人的死亡率就升高到 37%,当血清白蛋白的水平低于 2 g L-1时,死亡率就接近 100%11.3.4作为转运分子 由于血清白蛋白具有转运功能,因此它可以作为多种药物及内源性物质的转运分子.用于重症病人的多种药物与血清白蛋白结合使用,可部分降低药物的毒性.据报道,人血清白蛋白与CD4受体的融合蛋白(HSA-CD4)可作为人免疫缺陷病毒(H I V)感染的阻断剂,而且有望成为爱滋病毒的一种拮抗药物 28.Kremer等研究发现,与血清白蛋白共价结合后,抗叶酸氨喋呤的毒性降低了一倍,并317第 3期张英霞等:血清白蛋白的功能及应用表现出更强的抗肿瘤活性 29.3.5 催化药物活性用 HSA的酯酶活性激活一些药物前体,如血清白蛋白可在很短时间内,通过水解olmesartanmedoxom il成 ol mesartan(抗高血压药物),激活其活性 30.血清白蛋白的烯醇酶活性也可用于临床,Bhat等发现,在良性和恶性人乳腺癌以及致癌物质诱导的啮齿动物乳腺癌细胞溶质中积聚有血清白蛋白 31.Dr manovic等发现肿瘤前体细胞中含有较高浓度的血清白蛋白,并拥有烯醇酶活性,能将二氢睾酮由酮式转变成烯醇式,但这一活性在恶性肿瘤细胞中则很低,这是由于血清白蛋白在恶性肿瘤细胞中含量少,并形成多聚体或与其他蛋白质结合的缘故.结合血清白蛋白在细胞内的浓度及其烯醇酶活性为诱导恶性肿瘤向良性分化提供了可能性 17.4血清白蛋白的起源及进化血清白蛋白家族的基因最初编码 190个氨基酸,在进化过程中经过基因的重组形成目前 3个相似结构域的基因 2.根据序列比较发现,-胎儿蛋白和维生素 D结合蛋白也存在重组序列,且与血清白蛋白序列同源,因此将其归为血清白蛋白家族.血清白蛋白能广泛地结合脂溶性物质,如肾上腺素和类固醇等一些脂溶性激素及与激素受体结合的某些植物化学成份.虽然血清白蛋白对这类物质的亲合力很低,但由于其在血浆中的浓度较高,因而成为这些物质的主要运载者和它们与受体相互作用的调控者 5.血清白蛋白起源于脊索动物或早于脊椎动物,而肾上腺及性腺固醇类受体起源于寒武纪时期的脊椎动物 32,正是在这一时期血清白蛋白基因发生重组,导致了具有 3个结构域的现代血清白蛋白的产生.在无脊椎动物中没有发现与血清白蛋白序列相似的蛋白质.血清白蛋白作为固醇类激素与其受体相互作用的调控者,保护动物体中的这些受体免受植物、真菌、细菌及地球化学反应所释放出的化学物质的侵占 33.类黄酮等一些动物毒素是由植物合成,是动植物共同进化的例子 34.植物合成对动物具有毒性的物质,动物则演化出一种抵御物,而植物则又合成一种新的化合物来阻碍动物对它们的采食,动物又通过降解或使这些有毒的植物化学成份失活来保护自身.据推测,寒武纪时期的动物由于体型巨大,它们大量食用植物及体型小的动物以维持身体的需要,这就要求它们能有效控制食物来源的毒素.血清白蛋白在动物体的解毒过程中扮演了重要角色,它通过阻止这些植物化学成份和一些异型生物质与激素受体、激素载运蛋白、酶等结合来保护它们免受内分泌紊乱之苦 35.虽然血清白蛋白已广泛地应用于许多重大疾病的治疗中,但伴随而来的副作用也越来越多地受到人们的关注,因此如何在临床中正确使用血清白蛋白也是目前急需解决的问题.参考文献:1 BEHRENS P Q,SPIEKER MAN AM,CRABTREEG R,eta.l Structure ofhuman serum album in J.Fed Proc,1975,34:591.2 BROWN JR.Structure ofbovine serum album in J.Fed Proc,1975,34:591.3 DUGAICZYK A,LAW SW,DENNISON O E.Nucleotide sequence and the encoded amino acids of human serum album inmRNA J.Proc NatlA cad SciUSA,1982,79:71-75.4 SUG I O S,KASHI MA A,MOCHI ZUKI S,et a.l Crystal structure of human serum album in at2.5 resolution J.ProteinEng,1999,12:439-446.5 KRAGH-HANSEN U,CHUANG V T G,OTAG IRIM.Practical aspects of the ligand-binding and enzymatic properties of hu-man serum albumin J.BiolPhar m Bull,2002,25:695-704.6 DOCKALM,CARTER D C,RUKER F.The three reco mbinant domains ofhuman serum album 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sequences of am ino acids and struc-tures of different species are si m ilar.Album in serves as a transport and depot protein for numerous endogenousand exogenous compounds in the circulation system,maintain the osmotic pressure of plasma,scavenge oxygenfree radicals,and so on.Toad album in maybe plays an i mportant role in skin respiration in recent research.HSA haswidely used in clinical applications.Key words:Album in;structure;function;application320海 南 大 学 学 报 自 然 科 学 版2007年