基本介紹
- 中文名：α-乳白蛋白
- 外文名：α-Lactalbumin
- 功能：結合金屬離子、乳糖合成等
- 濃度：大約為1 mg/mL
- 長度：123個胺基酸
- 用途：蛋白質結構研究的通用模型
定義,一般性質,結構,一級結構,三維結構,基因結構,功能,
定義
α—乳白蛋白是牛乳清中第二大豐富的蛋白質，在乳中濃度大約為1 mg·mI-1。大約30年後，發現α—乳白蛋白不僅僅具有營養功能，而且也是乳糖合成酶(EC2.4.1.22)的重要成分，它催化乳中主要碳水化合物—乳糖的合成。牛乳α—乳白蛋白的多級結構也說明了它與來源於禽類和哺乳動物的溶菌酶的胺基酸序列和二硫鍵對很相近，說明α—乳白蛋白基因是由溶菌酶基因複製引起的，隨後通過突變產生進化趨異。因此，通過前哺乳動物基因和蛋白質產物的修飾形成了哺乳動物產生這種特異蛋白質和乳糖的特殊能力。現在已經確定了α—乳白蛋白對與乳糖合成有關的乳糖產生和乳分泌的基本作用，並測定和了解了三維結構和活性分子基礎。然而，來源於基因組計畫中的新信息表明a一乳白蛋白起源和乳糖合成可能比最初考慮的更加複雜。
α—乳白蛋白在蛋白質研究方面繼續起著重要作用。近幾年，它已經成為研究蛋白質自然摺疊成天然結構機制的通用模型，人們對此過程理解甚少，並且該過程是基因信息表達的關鍵步驟。此處用“α一乳白蛋白”表示被廣泛研究源於牛乳的α—乳白蛋白，而來源其他哺乳動物的相關蛋白質(直系同源)將用種名來鑑定。
一般性質
α—乳白蛋白的單個多肽鏈包含123個胺基酸殘基，並含有通過4個二硫鍵共價連線的8個半胱氨酸，全部分子質量為14 186Da，等離子點(pI)為4.8。α—乳白蛋白發現於3個主要哺乳動物的分支中：真哺乳亞綱動物、有袋類動物、產卵單孔類動物。與牛乳清中分布最豐富的蛋白質α—乳球蛋白相比，α—乳球蛋白發現於有限哺乳動物乳中。來源不同哺乳動物的a一乳白蛋白帶有121～123個胺基酸殘基的多肽鏈並在大小上相似，除含有17個胺基酸C端延伸和140個殘基鏈長的鼠乳α—乳白蛋白外；所有陰離子蛋白質pI為4.4～5.1。不同哺乳動物盯乳白蛋白之間胺基酸序列差異隨物種親緣性降低而增加。例如，牛乳α—乳白蛋白與羊乳蛋白質有94%一致性，與人乳有76%一致性，但是僅僅與塔馬爾沙袋鼠蛋白質有50%一致性，與單孔類動物鴨嘴獸乳蛋白有47%一致性。
大約10%的牛乳α—乳白蛋白分子是糖蛋白，載運單個、典型的N連線聚糖給Asp44。一些哺乳動物的α—乳白蛋白，如鼠有極高比例的糖基化分子，而包括母乳在內的α—乳白蛋白未被糖基化；目前證據表明，碳水化合物在結構和活性中不起作用。
結構
一級結構
從昆蟲到哺乳動物等許多物種中發現了C型溶菌酶，然而乳糖和a一乳白蛋白僅存在於哺乳動物乳中。根據這點，最初認為d乳白蛋白基因來源於與同哺乳動物來源相近的溶菌酶基因的複製。在這個模式中，一個基因拷貝的突變引發功能變化，並產生α—乳白蛋白和乳糖合成酶。α—乳白蛋白的來源是哺乳動物合成乳糖獨特能力的關鍵，因為在非哺乳動物巾發現了β一半乳糖轉移酶一1，此來源的酶能在哺乳動物的α—乳白蛋白存在下被誘導催化乳糖有效合成。然而，用現代分子系統發育學方法分析α—乳白蛋白和溶菌酶的序列說明α—乳白蛋白起源是古老的，先於存在於哺乳動物之前的魚類和四足動物的分支。由於多元溶菌酶基因片段存在，使這個序列圖變得很複雜，從人類基因組序列和cDNA序列文庫中，可以判斷與新型功能性質相關其他溶菌酶存在。因此，表明α—乳白蛋白和溶菌酶的關係是複雜的，並且在此過程巾帶有不同功能性質的蛋白質可能“環節缺失”(miss link)。
三維結構
α—乳白蛋白的第一晶體結構測定的事狒狒蛋白質，現已掌握了牛、羊、豚鼠和水牛的蛋白質結構，並在細菌細胞中產生了牛蛋白質重組形式。所有的α—乳白蛋白都帶有一個包含α—單環、和310螺旋較大亞結構域的雙片結構；其形成自多肽鏈N端和C端區域。較小的亞結構域包含一個小三股反向平行的β摺疊，多肽鏈中心區域形成的結構不規則。兩個葉被一個接近末端的裂口分開，而鈣結合“彎管”定位在它的連線處。
對結構很重要的鈣離子通過Asp82、Asp87、Asp88側鏈上羧基和Lys79、Asp84肽羰基進行配位。Ca2+的二錐體配位由兩個水分子完成。測定了人α—乳白蛋白的無Ca2+形式載體蛋白結構，其結構通過高離子強度在同有狀態下保持穩定。這在空的金屬結合位點顯示出微小結構變化，但是蛋白質的相反面巨大變化導致在兩個葉間和蛋白質基團與水分子額外反應之間相互作用減少。這說明了在中間產物摺疊過程鈣對葉間相互作用的促進作用。
其他的結構研究已經顯示，通過兩個不同旺乳白蛋白分子相互作用，Zn2+在裂口處結合，連線著與二聚體結合的鋅。在高濃度鈣離子條件下，第二個鈣離子結合在最初鈣位點附近區域。
α—乳白蛋白的105~110殘基在高pH條件下，產生的蛋白質結晶以螺旋構象存在。在低pH，晶體以環構象存在。這反映了溶液中此區域構象變化的能力，這是對His108離解作用的回響。結構中這個區域和鄰近區域的柔性對α—乳白蛋白活性很重要，使其進行結合β—半乳糖轉移酶一1的結構調整。
基因結構
人的α—乳白蛋白和溶菌酶的基因定位在染色體12上。兩個基因都含有被3個非編碼區域(內含子)所分開的4個編碼區域(外顯子)；它們與各自蛋白質的胺基酸序列有關，內含子定位在活性a乳白蛋白分子的序列是在Trp26、Lys79、Trp105密碼子中等效位置。已測定出來源於其他哺乳動物的α—乳白蛋白基因的結構，包括牛和山羊。比較不同物種和其他乳蛋白質的a哥L白蛋白基因5‘端非編碼區域已經發現一個在泌乳過程中對它們可調錶達似乎很重要的保守序列(milk box)。
功能
結合金屬離子
所有已知的d乳白蛋白含有一個緊密結合的Ca2+，強烈地影響著穩定性和結構，但是在乳糖生物合成中α—乳白蛋白活性不需要Ca2+。除去Ca2+需要通過螯合劑長時間處理或低pH條件破壞結構，導致蛋白質穩定性較大程度地降低。在室溫和低離子強度下，載體蛋白(無鈣)經歷了從三維結構到“熔球”狀態的變化。作為一個熔球，蛋白質保持大多數原來的二級結構，但沒有固定的三級結構；因此，溶球狀態在遠紫外光區域(190～240nm)有典型的圓二光譜，這個區域強烈地被二級結構含量所影響，這與其他天然蛋白質很相似。然而，近紫外光圓二光譜(250～320nm)在消失或強度方面極大程度降低，該光譜區與天然蛋白質中芳香胺基酸側鏈固定結構環境相關聯。熔球狀態與原有狀態相比也有略微延伸的分子半徑，能結合疏水分子，包括一些染料和磷脂。其他蛋白質在不穩定的條件下形成熔球，但是a哥L白蛋白這種結構形式被廣泛地研究，因為在鹽酸胍或尿素誘導變性之後的再捲曲過程中它與早期過度中間產物顯現同一性。因為a一乳白蛋白熔球狀態在限定條件下是穩定並平衡的，可以根據光譜方法詳細的鑑定，包括核磁共振技術。
除Ca2+之外，其他的金屬離子，如Zn2+、Mn2+、H92+、Pb2+，和鑭系元素也結合α—乳白蛋白，鈣和鋅鍵的位點和第二個較弱的結合Ca2+位點可通過X衍射結晶學描述這兩個位點的結構。第一個鈣結合位點在胺基酸序列中涉及一個高度特異的天冬氨酸殘基簇。儘管僅測定了很少的幾種哺乳動物的α—乳白蛋白結構，但是所有知道的α—乳白蛋白高度特異序列基序的存在說明了其都有高度親和鈣結合活性。儘管Ca2+對α—乳白蛋白活性沒有直接作用，但是發現其對蛋白質變性，還原斷開二硫鍵，摺疊其形成天然結構和在8個半胱氨酸之問形成正確的二硫鍵交聯是必要的。對有效摺疊來說，Ca2+的需要表現為與將鈣結合到摺疊途徑中的限速中間產物有關，還可能存在一些調控作用。沒有證據證明其他金屬離子與α—乳白蛋白的結合有任何生物學作用。
在乳糖合成中功能
在泌乳中乳糖的合成涉及乳糖合成酶系的活性，此酶系可催化半乳糖從它的活性衍生的尿核二磷酸(UDP)一半乳糖轉移到葡萄糖吡哺糖環4號位。
乳糖合成酶的催化組分是UDP一半乳糖β一N一乙醯氨基葡萄糖苷β一1，4半乳糖轉移酶一1(β一半乳糖轉移酶一1；EC2.4.1.38)，是哺乳動物中7個相關半乳糖基轉移酶的成員之一，在半乳糖和不同的受體之間催化形成β—1，4鍵。β一半乳糖苷轉移酶一1發現於哺乳動物中的許多不同組織中，並且它在糖蛋白糖鏈中催化半乳糖β一1，4一N一乙醯氨基葡萄糖苷鍵形成。
與大多數糖基轉移酶催化真核生物中配糖體過程的步驟一樣，β一半乳糖苷基轉移酶一1是2型膜蛋白，這種命名說明它有一個小的N端區域定位在細胞質中，一個與非極性側鏈相連含有20個胺基酸的膜錨定區域、一個主幹區和C端催化域。β一半乳糖苷基轉移酶一1能單獨催化乳糖合成，但是效力極差，因其結合葡萄糖能力弱，這反映在其Km(Michaelis常數)為l～2mol·L-1，常數值太高而不能被準確測定。隨後，葡萄糖濃度(毫摩爾)在生理學範圍內，β一半乳糖苷基轉移酶一1以極弱的速率催化乳糖的產生。α—乳白蛋白與β一半乳糖苷基轉移酶一1催化域之間的相互作用提高了葡萄糖的結合力，因此，Km減少1000倍左右，在泌乳時乳糖合成酶系(β一半乳糖苷基轉移酶一1和α—乳白蛋白)能催化乳中合成所需大量的乳糖。
β一半乳糖苷基轉移酶一1拓撲學和定位說明乳糖合成發生在泌乳乳腺上皮細胞反高爾基膜囊膜內腔中(與細胞質分離的內部區域)。α—乳白蛋白是分泌性蛋白，最初在泌乳的乳腺細胞中合成，是一個帶N端分泌信號序列(該序列蛋白異位到內質網內腔後蛋白水解消失)的前體蛋白質。像其他分泌的蛋白質一樣，α—乳白蛋白從內質網轉遞到高爾基體的內腔中，在此處遇到與膜連在一起的β一半乳糖苷基轉移酶一1的催化域。α—乳白蛋白和盱半乳糖苷基轉移酶1相互反應是高度可逆的，僅在配位體存在條件下發生，UDP一半乳糖和單糖顯著提高。乳腺細胞中的乳糖被包裹進分泌泡中隨α—乳白蛋白一起分泌到乳中，分泌泡形成白高爾基體膜，並通過胞吐作用在細胞表面釋放內容物。這種排列有重要的含義。乳糖是許多乳中主要的滲透壓分子，高爾基膜中存在的乳糖產生水的滲流進入到細胞這層中，產生乳大部分水相。其次，β一半乳糖苷基轉移酶一1/α—乳白蛋白相互反應的短暫性質和α—乳白蛋白分泌確保了乳蛋白的連續表達和乳糖合成之間的聯繫，說明α—乳白蛋白合成對乳的有效分泌很重要。最近的研究證明母鼠α—乳白蛋白乳白蛋白基因被敲除，乳汁分泌被嚴重地干擾。不能合成含α—乳白蛋白的動物僅能產生少量缺α—乳糖的黏稠乳；因為沒有充足的營養，它們的胎仔死亡。
其他的功能性質
一些研究描述了未被其結合的β一半乳糖轉移酶一1所介導的α—乳白蛋白的活性。首先在泌乳動物乳腺中和池塘蝸牛中，檢測發現酶催化GlcNAc從UDP-GIcNAc轉移到GlcNAc活性被α—乳白蛋白所影響，以及葡萄糖作為受體底物產生一個新的二糖——GlcNAc β—1，4葡萄糖。這說明α—乳白蛋白或相關蛋白對葡萄糖轉移酶專一性調節可能有更廣泛的作用。
其次發現人結合脂肪酸的αpo—α—乳白蛋白對一些腫瘤細胞具有選擇性的細胞凋亡作用。此結論提出乳對哺乳後代的可能保護作用。這些活性生物作用仍不清楚，因為小鼠α—乳白蛋白基因的斷裂說明了它唯一的生物學作用可能是在乳糖合成中。然而，在其他哺乳動物中存在其他功能作用的可能性不能被排除。
