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金属铯的生物化学研究进展

来源期刊：稀有金属2006年第5期

论文作者：卢靖胡满成蒋育澄李淑妮王颖松

关键词：铯; 离子通道; 分析检测; 生理效应;

摘要：金属铯对生物体有一定的激发作用, 但由于其性质与钾相似, 也常发生不利于生命活动的相互竞争. 铯跨细胞膜主要与钾离子通道有关, 铯与钾的这种竞争导致钾离子的循环不畅和由此可能引发的机能失活、中毒等复杂生理作用. 本文根据近年来生物化学和分子生物学领域对铯的研究成果, 综述了铯在生物医学中的应用, 生物体内铯的分析检测方法, 铯对动植物和人体的生理影响, 以及铯离子跨细胞膜行为与离子通道的关系.

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稀有金属 2006,(05),682-687 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.05.023

金属铯的生物化学研究进展

王颖松蒋育澄胡满成李淑妮

陕西师范大学化学与材料科学学院,陕西师范大学化学与材料科学学院,陕西师范大学化学与材料科学学院,陕西师范大学化学与材料科学学院,陕西师范大学化学与材料科学学院陕西西安710062,陕西西安710062,陕西西安710062,陕西西安710062,陕西西安710062

摘要：

金属铯对生物体有一定的激发作用, 但由于其性质与钾相似, 也常发生不利于生命活动的相互竞争。铯跨细胞膜主要与钾离子通道有关, 铯与钾的这种竞争导致钾离子的循环不畅和由此可能引发的机能失活、中毒等复杂生理作用。本文根据近年来生物化学和分子生物学领域对铯的研究成果, 综述了铯在生物医学中的应用, 生物体内铯的分析检测方法, 铯对动植物和人体的生理影响, 以及铯离子跨细胞膜行为与离子通道的关系。

关键词：

铯;离子通道;分析检测;生理效应;

中图分类号： O614.115

作者简介：蒋育澄 (E-mail: jyc@snnu.edu.cn) ;

收稿日期：2005-11-21

基金：国家自然科学基金项目 (20471035);陕西省自然科学基金 (20041317) 资助;

Progress in Biochemical Studies on Metal Cesium

Abstract：

Metal cesium can activate certain physical process in organisms, however, there occurs competition between Cs⁺ and K⁺ as the similarity of their characteristics.It is shown that cesium membrane transport is mainly mediated by various K⁺ channels.As a result of this competition, the circulation of K⁺ in vivo may be unavailable and even induce functional inactivation, toxicosis or other complicated results.Based on resent research works of cesium in biochemistry and molecular biology fields, four basic aspects were introduced in this review: (1) The application of cesium in biomedicine. (2) The analysis methods of cesium in organism. (3) The physiological effects on animals/plants and human caused by cesium. (4) Membrane transport of cesium in cells.

Keyword：

cesium;physiology;analysis methods;transmembrane process;

Received： 2005-11-21

金属铯由于其独特的金属性质已被人们广泛应用于材料制造、航空航天等领域。近年来, 铯在生物学及医药化学方面的作用又逐渐引起人们的重视, 大量宏观生理学研究证明铯与人体的健康效应存在着不容忽视的相关性。本文就近10年来铯在生物化学及分子生物学中的研究成果, 对铯在动植物及人体中的宏观生理效应、生物体内铯的分析检测方法以及铯借助细胞膜上不同离子通道的跨膜行为和作用机制进行综述。

1 铯的生物医学作用

生理学研究显示, 与钾和铷在小动物各种器官的作用相比较, 引起心脏周期性变动的干扰中, 铯有最大的效应。铯可被用来研究超极化活化现象以及许多细胞中离子通道的内在调节。例如, 铯的引入会引发大脑神经的癫痫发作, 其中的机理被推测为铯阻塞了神经胶质中的钾离子通道, 从而导致钾离子在细胞外的非正常堆积引发癫痫 ^[1] 。

铯盐在对抗癌症方面也有一定的功效。Brewer等 ^[2] 于1984年首次选用CsCl为药剂建立了“高pH内环境治癌法”, 这种方法主要是给病人注射高剂量的CsCl, 并加以维生素作辅助治疗, 通过增加细胞内的pH值来衰减癌细胞的生长周期。Centeno等在此基础上考察还发现高剂量CsCl与芦荟精华素的静脉注射法会引起癌症患者体内各组织铯分布的明显差异 ^[3] 。人类精子在4℃时可在电解质溶液中被保存数周, 但其活性却无法在37℃时被重新激活, 除非进行胞外碱性化。但Saito等 ^[4] 的研究表明, 在酸性条件下, ≥0.1 mmol·L^-1Rb⁺或≥1 mmol·L^-1 Cs+可诱导精子的重新激活。

此外, 铯同位素放射线可被用于治疗恶性肿瘤。它能促使组织细胞中DNA的变化, 染色体畸变或断裂, 液体电离产生自由基, 最终引起细胞或其子代失去活力达到破裂或抑制肿瘤生长的作用 ^[5] 。

2 生物体中Cs+的分析检测方法

铯以痕量存在于生物体中, 其存在形式和分布状况复杂, 并不为人们所能完全了解, 所以对铯在生物体中的的检测需要灵敏、准确。下面介绍目前研究所用的主要方法。

2.1 原子吸收光谱法

原子吸收光谱法是一种经典的测定痕量和超痕量元素含量的检测法, 它包括火焰原子吸收和石墨炉原子吸收。生物样品中金属含量的测定越来越多地应用石墨炉法。因为石墨炉法除了存在与火焰法共有的优点外, 还具有检出限低、精密度高用样量小的独特优势 ^[6,7]

2.2 双聚焦等离子发射-质谱联用 (ICP-MS) 检测法

双聚焦等离子发射-质谱联用检测法可快速地检测机体组织及体液中营养物质及毒物的含量。这种方法的适用面广, 检测对象种类多, 且仪器检测限很低, 达到pg·ml^-1以下, 故此法有较宽的动力学讨论范围 ^[8,9,10] 。Rodushkin等 ^[11] 用此法分别检测了12位健康者的全血、血清、尿样中60种元素的含量, 检测结果表明:体液中Na⁺, K⁺, Cs⁺等大多数的物质含量与已报道数据相符, 但Zr, Ti, Nb及稀土元素的检测值偏低。

2.3 中子活化分析法

中子活化分析的检出限是1×10^-6～1×10^-14g, 相对标准偏差<10%。这种方法可测定检测难度较大的镧系、锕系元素。用此法测人头发中20种微量元素 (含铯) , 选用美国国家标准局推荐的标准物质 (NBS-SRN) 进行对照, 取得满意的结果 ^[12] 。中子活化分析还被用于人体组织中多种微量元素含量的测定, 张佩群等 ^[13] 的检测结果显示:中子活化分析法所测人肝脏中铯元素含量与已报道的正常值相符。

2.4 膜片钳法

1981年德国人Neher和Sakmann在著名的Hodgkin-Huxley方程的基础上, 共同研制出膜片钳技术。其原理是用一种直径0.001 mm含特殊溶解盐的玻璃管作为电极管, 使管口紧紧的同细胞膜表层相吻合, 让带电离子进入管内交换, 以计测离子的运动;一个放大系统与玻璃计量管内壁相连。这样, 每一个电脉冲便能显示出离子通道的动态, 利用这种技术, 能够记录下通过单个离子通道相当于一万亿分之一安培的极微小电流。这种技术能记录一个单一的通道分子怎样改变形状, 并且以怎样的方式在几百万分之一秒的时间内控制电流。

Hansen等 ^[14] 用膜片钳法研究了兔心肌细胞胞质中Na⁺, K⁺, Cs⁺对电压依赖型的Na⁺-K⁺泵的影响。首先用浇注液消除Na⁺-K⁺泵位于细胞膜外侧部分对电压的依赖作用, 然后在膜片钳电位从-100～+60 mV的变化范围中, 测量兔心肌细胞膜Na⁺-K⁺泵上的微电流。发现当与细胞膜紧密接触的微吸管中Na⁺浓度为80 mmol·L^-1时, 微吸管中溶液的⁺会对电位依赖性的膜上电流产生抑制作用, 并诱导电流-电位负依赖关系。当把微吸管中的K⁺换为Cs⁺时所产生的现象相同。

电位钳法还被用于研究铯引导的大鼠视上核子神经元的电离基础 ^[15] , 实验发现3～5 mmol·L^-1的Cs⁺就能激发可逆的细胞膜去极化过程。应用全细胞膜片钳记录法可以讨论由氧化反应诱导的人红细胞膜的变化, 及Cl^--依赖性的阳离子电流活动, 其选择性规律如下:Cs⁺>K⁺>Na⁺=Li⁺>>NMDG^+[16]。

2.5 粒子诱发X射线发射显微成像系统 (micro-PIXE)

Micro-PIXE是通过能量色散谱仪协助的扫描电子显微技术。这种方法可通过观察60 nm处的光学强度来衡量铯的生理效应。当向酵母培养基中加入1 mmol·L^-1的Cs⁺, 通过micro-PIXE可看出Cs⁺在细胞内正常平均分布, 铯的光学密度增加, 而细胞内其他一些元素如P, K, Fe的光学强度同时降低, 但Cs⁺的加入并未对酵母生长产生明显的影响 ^[17] 。实践证明micro-PIXE是一种有效的检测微生物中低浓度有害物的仪器, 而且它还同时可检测微生物生长过程的变化。

除以上主要方法外, 文献涉及的分析检测方法还包括:放射性同位素示踪剂法 ^[18,19] 、荧光共振能量转换技术 (FRET) ^[20] 、核磁共振波谱法 (NMR) ^[21,22] 、X射线荧光光谱分析 (XRF) ^[23] 、原子荧光光谱法 (AFS) ^[24] 等。

3 铯在动植物体内的生理作用

铯对于生物的营养学目前还不十分清楚, 但大量实验已证实微量的铯有维持生物体内电解质平衡的作用, 而过量的摄取铯是有毒的。这种双面影响导致了铯作用的复杂性。近期有关铯对动植物体生理过程影响的研究主要有:

Ivshina研究组 ^[25] 发现:杜鹃花种属可以通过主动运输和细胞表面结构的非特异性吸附作用来累积铯。当介质含有醋酸铵, 温度28℃, pH7.8～8.6时, Cs的迁移率达到最大97%。这种植物作用的累积有益于生物界的离子平衡, 可用来治理工业废水中含放射性的铯。

在Ca²⁺耗竭的光合体系细胞膜PSII中加入碱金属离子, 讨论其对产生O₂的复杂系统生化和波谱性质的影响 ^[26] 。研究发现Ca²⁺依赖的氧气生成系统被K⁺, Rb⁺, Cs⁺竞争性地抑制, 而Li⁺, Na⁺的抑制作用很小。这是因为前3种离子的半径大于Ca²⁺半径, 而后两种的恰恰相反。对细胞膜做电子顺磁共振谱 (EPR) , 发现未加碱金属的细胞膜EPR信号正常;加入Li⁺, Na⁺的信号较小, 加入K⁺, Rb⁺, Cs⁺的细胞膜不产生EPR信号。这说明了原子半径在碱金属对植物产生O₂系统中的影响很大。

Peters研究组 ^[27] 建立两间隔区实验模型研究了鲶鱼血管摄入Rb, Cs后的药代动力学。比较鱼体中心和外围两部分的分布情况, 以及20和27.5℃下中心区和全身两种金属离子的消散过程。Rb在两个温度下消散的半衰期均为15～16 d, Cs在20℃下的半衰期为101 d, 27.5℃下为85 d (大约是Rb的5～7倍) 。Rb的消散程度是Cs的6～7倍。两种元素在鱼体外围区的分布都比中心区的多, 且随着温度的升高而减少, 减少的程度基本相同。比较特殊的现象是:Cs在鲶鱼白肌中组织与血液分布比值非常大, 有高达85%的Cs分布在组织中。结果表明应用药代动力学模型技术可以提高对放射性核素动力学的研究, 进而帮助人们确定控制摄入和消除速率的过程。

CsCl是一种超极化活化的阳离子电流 (Ih) 的阻塞剂, 能对兔海马趾上CA1区的胞外电流产生抑制作用 ^[28] 。通过CsCl对于戊巴比妥麻醉的兔海马趾细胞外的影响实验, 可以观察到海马趾CA1区被注射CsCl到树枝状顶端脂层后, 会削弱其ω波的振幅。CsCl不影响波的频率和顶端与底端树状层之间的逆相位。结果说明在锥体状神经元的电流Ih对体内电流ω波有贡献。

4 Cs+作用于细胞膜及其跨膜行为的研究

虽然铯的存在与生物体的生理机能有着密切的联系, 但相关的细胞和分子水平的研究还很薄弱, 细胞摄入铯的途径及铯对蛋白质、核酸的作用机理至今还不清楚。目前的研究还处于初始阶段, 主要集中在铯的跨膜方式、生物体内分布情况与宏观生理学现象的联系和推测。由于铯与钾有很多相似性 ^[29] 所以被广泛的应用于细胞膜上钾离子通道的研究, 铯的跨膜及作用也围绕这些讨论一步步地展开。

4.1 Cs+跨膜与钾离子通道的关系

早期的生物物理学认为K⁺, Cs⁺被摄取的过程是一个相互竞争的过程, 这两种离子的跨膜方式是相同的, 并且铯作为一种K⁺通道的抑制剂已被用于科研实验中 ^[30,31] 。然而, 细胞对金属离子的摄取是非常复杂的, 近期人们对Cs⁺跨膜与钾离子通道的关系也有了新的发现。

在植物细胞中, 对K⁺跨膜载体的分子认定和电子物理学特征研究证明:内向K⁺整流/外向K⁺整流 (KIR/KOR) 、非电位敏感型阳离子通道 (VIC) 、高结合力的K⁺/H⁺同向协同载体 (KUP) 3种钾离子通道对Cs⁺都有渗透作用。在阳离子与植物根细胞反应模型中, 30%～90%的Cs⁺通过VIC, 剩下的部分主要由KUP输运。KIR则不发挥作用, 这可能是因为胞外Cs⁺阻塞了KIR型离子通道 ^[32] 。另外, 大量研究也证实了现已确定的几种植物K⁺输运系统对Cs⁺都是通透的。这些已知的渗透模型说明, 在典型土壤离子环境中, 植物根部的铯离子摄入主要借助于质膜上的VIC, 而负责植物K⁺营养机构内部的KIR则不起作用 ^[33] 。

Thompson研究组 ^[34] 对一种典型的K⁺通道模型 (KIR2.1) 的结构和功能作了较深层次的探讨。这种模型上的Ser165和Thr141之间的多肽链存在氢键, 由此形成了通道孔洞中的P区, 氢键可以使P区更加稳定。而当Thr141和Ser165发生突变时, 这种由残基之间的氢键维持稳定性的离子通道很有可能失活。而且这两种残基所处的位置超出了羰基氢通道, 被认为形成了一种可供选择的被阳离子阻断的通道。电压依赖状态下的KIR2.1钾离子通道可以被Rb⁺, Cs⁺所抑制, 这是很多内向整流K⁺通道的特性。主要负责跨膜的M2至Leu (S165L) 氨基酸链段上Ser165的突变可消除Rb⁺、减弱Cs⁺的阻碍作用。人们推断Thr141和Ser165都可能提供离子的结合位点使一价阳离子对原生态的通道产生阻碍作用。

另一种人体内与醚类相关的K⁺通道 (HERG) 也被应用于与Cs⁺作用的讨论。研究发现HERG与大多数K⁺通道不同, 它对于Cs⁺具有强大的渗透作用其对⁺与对⁺的渗透性之比

0.36±0.03。增加胞外的Cs⁺浓度, 在不影响离子通道功能的情况下, 会显著的减小HERG的失活。而且, 胞外Cs⁺浓度的增加还可以调节门控型离子通道失活的电压敏感性。数据分析推测, 外部的Cs⁺结合在受跨膜电位区影响的孔洞位点上, 所以在膜的强去极化区这种Cs⁺减弱HERG失活现象并不明显。实验还发现K⁺与Cs⁺的作用非常相似且具有可加性。这证明了Cs⁺与K⁺借助HERG型离子通道的跨膜输运机制相同 ^[35] 。

4.2 Cs+跨膜与非选择性阳离子通道的关系

很多细胞的质膜上都存在着非选择性阳离子通道。Llanos研究小组 ^[36] 用电生理学方法讨论了人胎盘的顶端细胞膜上非选择性阳离子通道的特性。实验发现人胎盘顶膜上的阳离子通道对铯的渗透性较好, 对钠和钾的渗透性相似, 所讨论的阳离子渗透性排序为:NH₄⁺>Cs⁺>Rb⁺>Na⁺～K⁺>Li⁺。这种非选择性通道对二价的Ca²⁺和Ba²⁺也是通透的。

Shen等 ^[37] 讨论了人子宫癌细胞上的非选择性离子通道对细胞渗透性及癌细胞体积大小的影响。高渗溶液引起的细胞收缩, 同时引起了7倍增长的内电流, 细胞膜上离子通道的活性与细胞大小的变化存在良好的相关性。当把胞外液中的Na⁺换为K⁺, Cs⁺, Li⁺, Rb⁺时都不影响内向电流被刺激增长的情况。但当换为Ca²⁺, Ba²⁺或无渗透性的阳离子时, 这种内向电流可以消除。这一现象说明细胞收缩引起的电流在一价阳离子的影响下无明显变化。

5 结语

现有的文献提示铯可能是生命活动过程中的一个重要调节因子, 但同时又具有一定的毒性, 它与许多疾病密切相关 ^[38] 。铯在生物体内的累积和生理效应是一个引人关注的研究课题, 因为其在生物地球化学循环中起着重要的作用, 同时也与水域和陆地生态系统中的食物链关系密切 ^[39,40] 。一般认为, 铯对生物产生毒性作用的主要机制是Cs⁺取代了细胞内K⁺, 使细胞内代谢过程需要K⁺起关键作用的组分失去活性。增加细胞内K⁺的停留或抑制促进⁺积累的转移系统可以改善生物在Cs⁺存在时的生长情况。但也有研究显示:Cs⁺仅在较高浓度时, 对K⁺吸收产生竞争性抑制。当Cs⁺浓度较低时, Cs⁺只会改变转移系统对K⁺的亲和力 ^[41,42,43] 。