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举个栗子:人体内的铁资源争夺战

日报 举个栗子 2年前 (2017-11-16) 267次浏览 0个评论 扫描二维码

举个栗子:人体内的铁资源争夺战

导语:病原菌在宿主内必须获得铁才能繁殖。机体可以通过控制自由铁离子的含量来抑制病原菌,维持机体健康。 

同我们人类一样,细菌也是需要铁元素才能生长的。在自然环境中虽然有很多铁,但是多数是不溶于水的矿物质,细菌必须进化出获得铁的能力。很多细菌可以分泌一类称为携铁分子(siderophore)的小分子物质,它们可以结合高铁离子,并把高铁离子通过表面受体转运至细菌细胞内。很多细菌还可以分泌高铁还原酶或者具有还原性质的小分子把高铁离子转化成亚铁离子,亚铁离子可以通过细胞膜上的亚铁转运蛋白(FeoB)转入细胞内。

在宿主和病原菌的铁资源争夺战中,宿主通过结合铁的蛋白,如储铁蛋白和运铁蛋白,严格控制体内自由铁离子的水平。这样除了可以避免氧自由基的伤害,还可以抵御病原菌的侵袭。

另外一种和抑制细菌有关的重要蛋白质是乳铁蛋白(lactotransferrin)。乳铁蛋白是一种特殊的糖基化的运铁蛋白,广泛存在于乳汁、唾液、眼泪、鼻涕等分泌物中,也存在于中性粒细胞(neutrophil)中。人类乳汁中乳铁蛋白浓度约为 1.0-3.2mg/ml,占普通母乳总蛋白的 20%。牛奶中乳铁蛋白含量相对较低,只有 0.02-0.35mg/ml。目前已经通过转基因技术培育成功了分泌人乳铁蛋白的转基因奶牛。乳铁蛋白具有比运铁蛋白更高的结合高铁离子的能力,特别是在酸性环境下。乳铁蛋白是人类天然免疫系统的重要组成部分。它不仅可以给病原菌造成缺乏铁的环境,还可以结合在细菌表面,利用携带的高铁离子产生氧自由基破坏细胞膜而杀死细菌。因为乳汁中乳铁蛋白的存在可以抑制细菌繁殖,所以乳汁可以在常温下保存一段时间而不会变质。上班族的新妈妈完全可以在工作的间隙把乳汁泵好,带回家给宝宝吃。

宿主体内严重缺乏铁的环境促使病原菌进化出了更多的方式获得铁营养。一些病原菌可以利用自己的蛋白酶破坏宿主的运铁蛋白来释放上面的高铁离子为自己所用;一些病原菌可以利用可溶性分子还原并释放储铁蛋白中的铁。有些病原菌甚至能够直接利用含铁的血红素。因为宿主细胞内含有相对较多的铁,一些病原菌可以通过细胞的吞噬作用或者主动侵入到细胞内,寄生在细胞内获得包括铁在内的营养物质。

在病原菌中,目前只发现引起莱姆病的螺旋菌含有的铁特别少,每个细胞内只有几个铁原子。对于其他生物来说这么少的铁是不足以维持其生命的,似乎表明莱姆螺旋菌不需要铁就能生存。但是作为寄生菌,它需要从宿主获得营养,宿主是依赖铁的,因此它还是间接需要铁的。

同动物一样,细菌里面铁的含量也是严格调控的。很多细菌使用铁吸收调控因子(Ferric uptake regulator,Fur)来调节和铁吸收有关的基因的表达。该调控因子需要亚铁离子作为辅因子,当细胞内含有较多亚铁离子时,它结合在 DNA 的特殊序列上,抑制基因的表达;当细胞内含有的铁较少时,它失去了亚铁离子,就会脱离 DNA 从而启动铁吸收相关基因的表达,使细菌获得更多的铁。

还有些生物通过特殊的形式利用铁。生物有氧呼吸的本质是把电子最终传递到氧分子上,从中获得生命活动必须的能量。在氧气匮乏的极端环境里,一些细菌拥有特殊的呼吸方式。比如在缺少氧气的密闭矿坑中,一些细菌通过分泌可溶性小分子或者细胞表面的导电分子,把电子最终传递给含有铁离子的矿物质,从而维持生命活动。

综上所述,不论是直接的还是间接的,铁是所有生命形式必须的营养元素。动物必须严格控制体内自由铁的含量,从而避免氧自由基的伤害并防止病原菌的入侵。在宿主体内,铁是稀缺的营养元素,病原菌和宿主的铁资源争夺战将永远进行下去。

(作者:棱子)


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