背景及概述[1][2]
金属硫蛋白（metallothionein，MT)是一类广泛存在于生物中的低分子质量(6 ~ 7 kD)、无芳香族氨基酸、富含金属与半胱氨酸( Cys 20 %〜30 % )的独特生物学特性的金属结合蛋白。1957年，美国科学家Margoshes和Vallee最早从马肾中分离得到金属硫蛋白，继1975年Prinz从酿酒酵母中分离得到Cu- MT后，1977年科学家又从大豆的根中分离出富含Cd2+的类金属硫蛋白。
金属硫蛋白中大量巯基赋予了其螯合重金属离子功能及重金属解毒作用，同时MT清除自由基的能力明显强于超氧化物歧化酶和谷胱甘肽，并调节生物体内微量元素浓度，调节细胞代谢、增殖分化，在食品、医药、保健、环境、化妆品、生物工程等领域中应用广泛。近年来，M T由于独特的生物学功能，逐渐受到重视并成为研究的热点。
特性[3]
1. 组成：金属硫蛋白有独特的组成和性质，先前研究发现MT进化具有高度保守性，根据金属含量及氨基酸组成的不同可将金属硫蛋白分为MT- I、MT- II、MT- III及MT- I V 4种亚型结构。近来研究发现，不同生物体内提取出的MT分子的形状大小相差甚小，氨基酸序列同源性相对较高。
MT的相对分子量为6~ 7 kD，分子中含有6 1 个氨基酸，大部分MT含有20 个Cys，少数含有21 个Cys，且易与重金属离子络合。MT的高级结构主要有2 个独立的结构域组成，即含4 个金属离子结合位点的a 域（羧基端）和含有3 个金属离子结合位点的P 域（氨基端），整个分子呈哑铃状，这种结构使M T具有很好的热稳定性。近年来，综合利用核磁共振（nmR) 质谱仪（MS) 技术及X 射线衍射技术，发现利用C d诱导哺乳动物金属硫蛋白，a 域能够结合Cd2 达5 个以上。
2. 等电点：电泳的方法可以确定蛋白质的等电点，金属硫蛋白等电点pi —般在4 左右，低pH值下较稳定。哺乳动物MT的p i范围在3. 9 ~4. 6，现有的水生生物M T的p i通常在3.5 ~ 6.0 范围内。蛋白质在等电点时，因为没有相同电荷而互相排斥的影响，溶解度最小，极易沉淀析出，因此可以根据蛋白质带电性质的差异、形状大小的不同通过电泳的方法。
3. 可诱导性：金属硫蛋白作为一种应激蛋白，具有显著的可诱导性，可以采用物理或者化学方法对生物体进行诱导产生MT。最常用的方法是重金属诱导，许多金属例如Hg、Ag、Cu、Cd、Z n等都能诱导M T的合成。一些激素如糖皮质激素、肾上腺激素、胰高血糖素和环磷酸腺苷( cAMP )等通过增加肝脏MT- mRNA的水平诱导M T的合成。日常生活中，生物体会在各种外在刺激条件下引起MT合成增加，从而防卫保护机体。
4. 稳定性与光谱特性：在酸性条件下，MT上结合的金属可以脱去，去金属的硫蛋白在低pH值下较稳定。中性条件下，硫蛋白分子间发生二硫交联，进而形成大分子聚合物，生理活性发生一些变化。因此，环境中p H 的高低、MT结合金属与否，以及结合金属的种类直接影响MT的稳定性和存在形式。
MT的特征吸收峰与其氨基酸组成和所结合的金属种类密切相关，一般蛋白质在280 nm处有特征吸收峰，由于MT不含芳香族氨基酸且金属通过硫酯键与蛋白质结合因而具有特殊吸收光谱。MT与不同金属结合产生的不同的特征吸收峰为：Zn-MT225 nm，Cd-MT2 5 0 nm，Cu- MT275 nm，Hg-MT 300 nm，因此可以根据吸收峰的不同对MT进行分离鉴定。
生物学作用
1. 解除或降低重金属的毒害作用
重金属元素具有蓄积毒性，当重金属在机体蓄积达到一定量后，会导致重金属中毒。研究表明，当机体出现重金属急性中毒后，会出现恶心、呕吐等症状。机体长期处于重金属的环境，心血管系统、神经系统和免疫系统等会受到严重伤害。金属硫蛋白中大量巯基赋予其螯合重金属离子功能，进而解除重金属对大脑、肝、肾等重要器官的损伤。有关M T对重金属的解毒作用的报道已经有很多。
研究表明，铅引起的脑组织脂质过氧化反应的增强与M T的缺失有关，并引发铅的神经发育毒性。MT结合金属能力的顺序为Hg2+> Ag+> Cu2+> Cd2+> Zn+，且MT与Cd2+或者Ag+螯合后，其他金属将很难置换Cd2+和Ag+[34]。MT具有抗酶解的优点，能够被人体完整吸收。MT不但对重金属元素有抑制和解毒的作用，在基本元素的调节中也起重要作用，是目前临床上最理想的生物螯合解毒剂。
2. 清除自由基和抗氧化作用
机体在新陈代谢过程中会产生一些具有强氧化性的化合物，如羟基自由基、氧自由基等，这些自由基会损害机体的组织和细胞，进而引发健康问题，并出现衰老等生理现象。M T中的巯基能保护细胞器及其他重要的生化物质，如酶类、DNA等免受自由基的侵害。MT清除自由基能力较强，清除氧自由基的能力是谷胱甘肽的2 5 倍，清除羟基自由基的能力是超氧化物歧化酶的10000倍。
研究发现，大米和西瓜中的重组MT可以有效地清除巯基自由基。金属硫蛋白是体内的抗氧化调节剂，抗氧化特性一直备受科学家的关注。MT可以通过结合或释放金属离子来调节自由基的水平，对由于金属离子调节机制稳态失衡对机体造成的氧化损伤起到一定预防和修复作用。MT易被多种机制诱导产生，防止细胞因氧化所造成的炎性浸润，显著提高机体的免疫调节能力及抗氧化能力。
3. 抗肿瘤功能
癌症是人体的头号杀手，现代医学迫切需求新型有效的抗癌药物，M T抗肿瘤的生物功能已经引起人们的关注。研究发现MT参与肿瘤细胞的分化、增生及凋亡，同时MT的重金属解毒，抗自由基作用可保护细胞抵御致癌物质的作用。
在一些肿瘤组织中，可检测到MT的过度表达，研究发现，MT在机体中表达与肿瘤组织的分化有一定联系，MT的表达与肿瘤组织的分化成反比，进而说明M T的抗肿瘤作用。MT参与肿瘤细胞的分化和增生，降低癌症发生的概率，并能有效减轻抗肿瘤药物毒副作用。细胞受致癌物刺激后会产生一系列的保护机制来清除致癌物，MT作为一种细胞凋亡抑制剂，其水平增高可能是这些保护机制之一。
4. 抗辐射
金属硫蛋白组分具有一定的抗电离辐射的能力，各种电离辐射作用下大量的自由基会在机体产生，生物体功能将直接或间接受到损伤。研究发现，小鼠经过一次性强额度电离辐射后，可诱导小鼠肝脏MT- mRNA的转录，从而显著延长小鼠存活时间。此外，进人生物体内的半胱氨酸能被MT大量吸收，作为二硫键修复原料，修复生物体内受损的细胞。
应用[5]
1. 金属硫蛋白在医学上的应用
金属硫蛋白的抗病作用已经被多次证明，在治疗癌症、血管疾病、重金属中毒及营养缺乏症等方面功效显著。金属硫蛋白参与癌症细胞的增殖、分化、凋亡等过程，在肿瘤预防和治疗中，M T的重金属解毒、清除自由功能可抵御重金属和烷化剂对细胞的致癌、致突变作用。
MT与某些癌症细胞的增殖活性密切相关，因此可作为肿瘤治疗的潜在靶标，并且能有效减轻放射疗法的副作用，保护正常细胞在放疗过程中免受侵害。金属硫蛋白不仅在肿瘤细胞中表达异常，而且能抑制其他重大疾病的发生与发展。研究表明，金属硫蛋白具有抑制胃溃瘍的形成、阻止脂质过氧化、增强吞噬细胞、抵抗辐射和光损伤、提高免疫力、促进细胞新陈代谢等功能特性。
2. 金属硫蛋白在化妆美容品中的应用
MT可作为化妆品的添加剂，安全性能好，具有抗衰老、清除色素、减轻皱纹、防治皮炎的作用，消除化学型化妆品对人体的毒副作用。MT与SOD相比具有分子量小、易被机体吸收、清除羟自由基能力强、热稳定性高、半衰期长等优点，且MT还可以拮抗紫外线、辐射等。由于M T为生物制剂，且为人体所固有，因此可用于美容护肤。
3. 金属硫蛋白对重金属中毒的检测和环境监测
由于MT广泛存在动物、植物、微生物中，且可与重金属结合的性质，不仅可以用于监测海洋环境重金属污染状况，也可作为衡量环境重金属污染状况的一个生物指标，除此之外，还可用于重金属的回收和清除环境中的重金属污染等方面。
MT也将有望通过基因工程技术来治理重金属污染，如通过植物自身M T的表达或外源基因导人来实现治理土壤的重金属污染，另一方面通过水生生物富集作用减少水体中的重金属含量，从而维持生态系统稳定通过监测牡鳃中M T含量衡量海域中重金属的污染状况；将酵母M r基因插人烟草基因序列中，发现转基因烟草吸收污染土壤中Cu2 的能力得到显著提高。研究认为，贻贝体内的M T水平与环境中钒的含量有显著相关性，因此MT可作为海洋中钒污染的生物监测标志物。
4. 金属硫蛋白在水产养殖、加工中的应用
MT能作为饲料添加剂用于水产养殖中，不仅可以增强水生生物的免疫力和去除重金属，还能用作生长激素促进水生生物的生长繁殖。在水产品加工过程中，根据M T与重金属的螯合功能有望将MT制成微型颗粒用于水产品中重金属的去除。
制备[2]
1. 金属硫蛋白的提取技术
关于M T的结构与功能的研究是当今化学、生物学和临床医学等领域的重要课题之一，随着研究工作的不断深人，对M T的用量和纯度的要求越来越高。匀浆离心法是提取海洋生物中MT最常采用的方法，提取剂选择性质稳定且与生理体液相容性好的Tris- HCl(三羟甲基氨基甲烷，简称Tris)缓冲溶液。不同浓度、p H 的提取液，以及样本与缓冲液的质量体积比、匀浆液离心转速大小，时间长短，都会对MT的提取率产生影响。因此，不同的方法，提取的MT含量和纯度等也不尽相同。
2. 金属硫蛋白的分离纯化技术
为深人研究金属硫蛋白结构和功能特性及其相关性，需要对金属硫蛋白提取液进行浓缩处理。在蛋白的纯化过程中，一次性处理较多样品时，可以采用超滤法进行脱盐浓缩，不但耗时短，浓缩的效率高，而且可降低蛋白质的损失率。目前，金属硫蛋白分离纯化技术主要有：膜分离技术、高效液相色谱、凝胶过滤色谱、离子交换色谱、毛细管电泳法等。
最常用的方法是凝胶过滤和离子交换技术相结合方法。凝胶过滤法的缺点是不能将MT的亚型分开，所以一般采用高效液相色谱法（HPLC)对MT进行微量分离。高效液相色谱具有分离效果显著、精密度与灵敏度佳、重现性好等优点，对于复杂成分的分离鉴定更有应用价值。
ICPMS技术干扰较少，精密度高，分析速度快，检出限较低，动态线性范围宽，并且可提供准确的同位素信息。高效液相色谱法（HPLC )与质谱仪(ICP-MS )联用，不仅可以将微量MT分离，还能将MT亚型较好地分离，从而获得较高纯度的金属硫蛋白。
主要参考资料
[1] 环境科学大辞典
[2] 王文君, 吕娜, 尹锐, 等. 金属硫蛋白研究进展[J]. 江苏农业科学, 2016, 44(1): 13-16.
[3] 李停停,宗婧婧,高学慧,陈雪昌，孟春英, 张小军, 李乐. 金属硫蛋白的研究进展. 安徽农业科学，J.Anhui Agric.Sci. 2018,46(25) :15-18