D-丝氨酸与丝氨酸消旋酶 D-Serine and Serine Racemase

doi:10.12677/HJBM.2013.32003

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Hans Journal of Biomedicine 生物医学, 2013, 3, 12-16

http://dx.doi.org/10.12677/hjbm.2013.32003 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjbm.html)

D-Serine and Serine Racemase*

Yanqiong Feng1, Hong Xiao2, Yawei Shi1#

1Key Laboratory of Chemical Biology and Molecular Engineering of Education Ministry, Institute of Biotechnology, Shanxi University, Taiyuan

2Department of Pathology, The First Hospital, Shanxi Medical University, Taiyuan

Email: fengyanqiong6112@163.com, xiaohh9999@yahoo.com.cn, #yaweishi@sxu.edu.cn

Received: Mar. 18th, 2013; revised: Mar. 25th, 2013; accepted: Apr. 20th, 2013

unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract: D-serine mainly distributed in the mammalian forebrain, hippocampus and striatum, which as neurotransmit-

ters from glial cells, target at NMDA receptors, and cause central nervous system signal transduction. A new neuro-

transmitter of D-serine is found playing an important role in synaptic plasticity, learning and memory. Serine racemase

(SR) is a pyridoxal 5'-phosphate(PLP)-dependent enzyme that catalyzes the interconversion of L- and D-serine. Serine

racemase may be a new target for the neurological and psychiatric diseases. In this review, the recent advances in

D-serine and serine racemase with the aspects of structure, function, mechanism and regulation will be discussed.

Keywords: Serine Racemase; D-Serine; Structure; Function; Mechanism; Regulation

D-丝氨酸与丝氨酸消旋酶*

冯延琼 1，肖虹2，石亚伟 1#

1山西大学生物技术研究所，教育部化学生物学与分子工程重点实验室，太原

2山西医科大学第一医院病理科，太原

Email: fengyanqiong6112@163.com, xiaohh9999@yahoo.com.cn, #yaweishi@sxu.edu.cn

收稿日期：2013 年3月18 日；修回日期：2013年3月25日；录用日期：2013 年4月20 日

摘要：D-丝氨酸主要存在于哺乳动物的前脑，海马区和纹状体，作为胶质细胞释放的神经递质，作用于NMDA

(N-methyl-D-aspartate receptor)受体，引起中枢神经系统中信号的传导。在突触可塑性，学习和记忆等方面起重

要作用。丝氨酸消旋酶是一种磷酸吡多醛依赖酶，在AT P和Mg2+的辅助下，通过消旋作用将 L型丝氨酸转变

为D型丝氨酸。对于神经及精神性疾病，丝氨酸消旋酶可能是一个新的治疗靶点。本文从 D-丝氨酸和丝氨酸消

旋酶的结构性质，作用机理，功能，调控等方面进行了阐述。

关键词：丝氨酸消旋酶；D-丝氨酸；结构；机理；功能；调控

1. 引言

D-丝氨酸首先在真核生物被发现，包括蚯蚓，蚕

以及其他鳞翅目昆虫中。随着气相色谱和质谱分析应

用于手性氨基酸检测和分离，人们发现在哺乳动物神

经系统中也存在区域性的高浓度内源性的 D-丝氨酸

[1]。D-丝氨酸主要存在于哺乳动物脑内灰质区中的Ⅱ

型星形胶质细胞内，这种胶质细胞多位于突触旁边

[2,3]。在脑部 D-丝氨酸主要分布在前脑区，如海马区，

纹状体和前额叶皮层，而在其余外围组织分布得很少

[4]。D-丝氨酸不同于其它神经元来源的神经递质，作

为一种新的神经胶质细胞递质，在神经胶质和神经元

*基金项目：国家自然基金(30400065)。

#通讯作者。

D-丝氨酸与丝氨酸消旋酶

传递过程中起着关键的作用[5,6]。

2. 丝氨酸消旋酶的结构及性质

在哺乳动物体内富含D-丝氨酸的中枢神经系统

中同时发现了丝氨酸消旋酶(Serine Racemase) (EC

5.1.1.18)，该酶的发现为内源性D-丝氨酸的产生提供

了很好的解释。丝氨酸消旋酶属于Ⅱ型 5'-磷酸吡哆醛

酶系，结构类似于细菌的丝/苏氨酸水解酶，在ATP

和Mg2+的辅助下，通过外消旋作用将L-丝氨酸转变

为D-丝氨酸，同时产生硫，氨和丙酮酸盐[7]。Wolosker

等通过数据库分析克隆了人的丝氨酸消旋酶，其

cDNA 全长 1020 个核苷，编码340 个氨基酸，通过与

老鼠丝氨酸消旋酶的序列分析，同源性高达 88% 。

Northern-blot 分析表明丝氨酸消旋酶主要分布在前

脑，在海马区和纹状体处表达量很高，这与D-丝氨酸

以及 NMDA 受体的分布相一致。染色体定位揭示，

丝氨酸消旋酶位于 17 号染色体长臂的 13.3 处，包含

7个外显子[8]。随后从鼠脑中分离纯化了丝氨酸消旋

酶，分子量为37KD。丝氨酸消旋酶是一种保守酶，

活性较低，对底物 L-丝氨酸有高度选择性。酶的最适

pH 值为 8~9，最适温度为 37℃。丝氨酸消旋酶保持

酶活需要 5'-磷酸吡哆醛(PLP)，如果去除了 PLP，酶

活丧失，若添加PLP 又会恢复酶活[9]。

以丝氨酸消旋酶晶体结构为依据，建立了它的二

聚体模型。同时研究表明它存在一些活性部位：PLP

结合位点，二价阳离子结合位点，核苷结合位点及蛋

白相互作用位点等[10,11](图1)。

3. 丝氨酸消旋酶的催化机理

丝氨酸消旋酶是二聚体，单体的丝氨酸消旋酶有

两个结构域，一个大的结构域和一个小的结构域，大

的结构域包含可与 PLP 结合的区域和参与形成二聚

体区域[12]。当丝氨酸消旋酶结合ATP 和Mg2+，催化

L-丝氨酸转变为D-丝氨酸时，酶的构象发生改变，从

松弛状态到紧缩状态。这种结构域的变化使得大小两

个结构域重新定位，因此小的结构域可能重新定位为

催化位点，因而使得关键位点 Ser84更有利与底物的

结合[13]。

丝氨酸消旋酶的催化反应包括消旋作用和底物

氨基酸 α,β位点的脱氢过程，然后产生对应底物构型

正好相反的氨基酸，反应中产生稳定带负电荷的中间

物。消旋反应在L-丝氨酸和PLP 之间形成了一个醛亚

胺中间物(反应 1)，接着Lys56 提取了 α位点的质子(反

应2)形成了一个稳定的碳负离子中间物[14]。在消旋反

应中，在碳负离子中间物的对面质子化作用形成 D-

丝氨酸(反应 3和4)。目前的结构研究证明了这种模

式，质子的提取和再质子化是由Lys56和Ser84来完

成的，丝氨酸消旋酶催化反应类似于丙氨酸消旋酶

[12,13,15,16]。在去质子的反应中，α,β位点的去质子过程

是由底物的 β-羟基去质子来完成的(反应 5)，然后脱

水(反应 6)接着形成了一种不稳定的氨酰中间物，接着

酰自发的水解形成丙酮酸盐和 NH4+(反应 7)(图2)。氨

Figure 1. 3D Model of the dimeric serine racemase. The relative position of the PLP (red sticks), Ca2+ (magenta spheres) and AMP p c p (or-

ange sticks) are shown. The N- and C-terminal ends of hSR are indicated a s N and C, respectively

图1. 丝氨酸消旋酶的二聚体结构。红色是 PLP 结合位点，洋红色是 Ca2+结合位点，橘红色是 AMP 结合位点

D-丝氨酸与丝氨酸消旋酶

Figure 2. Proposed catalytic cycle of serine racemase

图2. 丝氨酸消旋酶的催化机理

4. D-丝氨酸的生物学功能

4.1. D-丝氨酸激活 NMDA受体的

甘氨酸结合位点

NMDA受体是哺乳动物中枢神经系统内一类重

要的兴奋性氨基酸受体。它在突触可塑性，学习和记

忆等生理过程,以及癫痫、精神病等病理过程中发挥着

重要的作用。该受体上存在 Gly和Glu 结合位点，它

的活化需要 Gly和Glu 位点的共激活[17]。多个研究小

组已经证明由丝氨酸消旋酶产生的D-丝氨酸可作用

于NMDA受体上的 Gly结合位点，通过与 Gly 位点

的高亲和力结合对 NMDA 受体的功能进行调控，从

而影响其生理或病理过程[2,18-20]。生理过程主要体现

在NMDA 的传导，突触的可塑性以及脑细胞发育过

程中的细胞转移等；病理过程主要表现在当D-丝氨酸

不能对 NMDA受体起到充分的调节作用时，就会引

起NMDA 受体功能紊乱，引发一些病理过程，如神

经精神疾病，衰老，神经恶化性疾病等[21,22]。

4.2. D-丝氨酸参与学习和记忆

神经元突触的活动修饰而产生的可塑性被认为

是产生学习和记忆的细胞机制。由于海马的长时程增

强(LTP)是依赖于 NMDA 受体的激活，而D-丝氨酸是

NMDA 受体的内源性配体，表明星形胶质细胞释放的

D-丝氨酸与 CA1 区锥体细胞的 LTP 的诱导有关。有

报道表明丝氨酸消旋酶对 NMDA 受体应答和 LTP 是

必须的，研究中使用缺失丝氨酸消旋酶的小鼠表现为

NMDA受体活性降低而引起的行为性损伤和一定空

间的学习性缺乏[23]，给予 D-丝氨酸表现出了改善学习

记忆功能的作用。另外，D-丝氨酸改善 D-氨基酸氧化

酶对 LTP 的抑制作用[24]。

4.3. D-丝氨酸在神经及精神性疾病治疗中

的作用

D-丝氨酸不仅对神经递质的传统观念提出了挑

战，而且作为 NMDA 受体的内源性配体，为NMDA

受体过度兴奋或者功能抑制所导致的神经系统疾病

提供了新的研究方向。目前的观点认为，直接补充

D-丝氨酸可以改善 NMDA受体功能低下所致的神经

递质传递紊乱，而对于那些NMDA 受体过度兴奋引

发兴奋性神经毒性反应的疾病，丝氨酸消旋酶可能是

一个新的治疗靶点[25]。

5. 丝氨酸消旋酶的调控

5.1. 丝氨酸消旋酶被钙、镁等二价阳离子

和ATP 激活

钙、镁、锰等二价阳离子和ATP 均可独立地激活

丝氨酸消旋酶[26]。二价阳离子是通过保持丝氨酸消旋

酶的稳定性来提高酶的催化效率的。丝氨酸消旋酶

中，参与钙结合的残基涉及到 Glu210、Asp216 和

Ala214，这三个残基在植物和酵母丝氨酸消旋酶中都

是保守的。但是二价阳离子对酶的激活作用是有限

的，当有 EDTA 存在时会降低酶的催化活性，而 ATP

D-丝氨酸与丝氨酸消旋酶

仍能增大酶的催化性能，但不会参与酶构象的改变和

动力学反应。当有 100 µM ATP时，酶的最大反应速

率会增大 2.2倍，但是米氏常数不变。另外，ATP 在

催化过程中不会被水解，细胞内ATP 的含量远高于活

化丝氨酸消旋酶所需要的量，因此推断ATP 可能在体

内起其他的作用[27]。

5.2. D-丝氨酸消旋酶被谷氨酸受体相互作用

蛋白(GRIP)的PDZ 结构域激活

GRIP包含 4个PDZ 结构域，PDZ6 与丝氨酸消

旋酶 C末端结构特异结合，PDZ4 和PDZ5 与AMPA

通道结合[28]。还有两个未知功能的 GAP结构域。

但是丝氨酸消旋酶仅与 GRIP 的PDZ6结构域结

合并不能被活化，全长的 GRIP 或者含有 PDZ4-

PDZ5-PDZ6-GAP2-PDZ7 的结构域才能增加酶活。丝

氨酸消旋酶与GRIP 结合后，酶的最大反应速率和米

氏常数都会发生改变。因此推断GRIP 的结合引起了

丝氨酸消旋酶构象改变从而被激活[12]。另外，与GRIP

结合的丝氨酸消旋酶对钙离子的应答曲线不变，这表

明，GRIP的结合与钙离子的调节是两条相对独立的

路径。丝氨酸消旋酶，GRIP 和AMPA 的GluR2 亚基

形成的三元复合物可能使得丝氨酸消旋酶与钙离子

通道接近。PICK1 含有一个 PDZ结构域，它与 PKC

以及丝氨酸消旋酶的相互作用有关[29,30]。但是还没有

研究说明 PICK1 结合后对于丝氨酸消旋酶活性的影

响，目前只是推测 PICK1 与PKC 的相互作用导致瞬

时引起了丝氨酸消旋酶的磷酸化[31]。

5.3. D-丝氨酸消旋酶活性的反馈调节

在胶质细胞中丝氨酸消旋酶催化产生 D-丝氨酸，

作用于 NMDA受体，引起钙通道的激活而使钙离子

进入突触后神经元，接着 NO合成酶激活而释放 NO，

丝氨酸消旋酶随之被亚硝基化而受到抑制[32]。

另外，NMDA受体激活后可以使丝氨酸消旋酶从

细胞质中转移到细胞膜上，细胞膜上的 PIP2 通过竞

争性的结合 ATP 来抑制丝氨酸消旋酶的活性，减少

D-丝氨酸的生成。这是一种反馈抑制机理，从而防止

NMDA 受体过度活化[33]。

6. 展望

丝氨酸消旋酶存在于哺乳动物中枢神经系统中，

转化 L-丝氨酸为 D-丝氨酸。D-丝氨酸与甘氨酸共同

作用于 NMDA受体，引起中枢神经系统中信号的传

导。科学家在丝氨酸消旋酶的结构及作用机制研究的

基础上，进一步对其抑制剂展开研究。目前，最有好

的丝氨酸消旋酶抑制剂是L-erythro-3-hydroxyaspar-

tate，类似于底物 L-丝氨酸[34]。总之，D-丝氨酸消旋

酶可为临床上治疗 NMDA 受体过度活化引起的神经

及精神疾病提供了一种新的作用靶点，为人类的健康

带来福音。

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