谷胱甘肽(GSH)是一种具有特殊生物学功能的氨基酸衍生物，属于含有巯基的小分子肽类物质。谷胱甘肽有清除自由基、解毒等许多重要的生理功能，对机体生化防御体系起重要作用，并含有羧基、氨基、巯基和酰胺基等多种配位基团，是研究金属与生物分子作用比较理想的模型。因此，对谷胱甘肽与金属离子的作用研究较多。本研究对近年来谷胱甘肽与金属离子作用的研究进展做一综述。

生物分子与生物体内多种金属离子的相互作用与其生理功能密切相关，研究多肽分子与金属离子的相互作用对探索体内多肽及多肽药物的生理功能有重要意义。GSH分子中有3个可解离质子和10个可参与配位的原子，是研究生物分子与金属离子作用较理想的模型。金属元素尤其是重金属元素具有强烈的亲S元素的特性，而巯基(-SH)是GSH分子结构中一个重要的官能团，它能与金属离子(M2+)结合形成无毒或低毒的配合物而排出体外，从而起到解毒的作用。同时GSH还可以与重金属离子等胁迫条件诱发产生的·OH发生氧化还原反应，从而降低氧化损伤，GSH的一个主要生理功能就是保护细胞膜中含巯基的蛋白质和酶不被氧化〔1〕。另外，GSH是防卫细胞免受损伤的一种必需成分，比如对顺铂肝细胞毒性具有重要的保护作用〔2〕。近年来对GSH的研究，尤其是对GSH与金属离子作用的研究主要体现在以下几个方面：(1) GSH与金属离子的电化学行为研究; (2) GSH对重金属离子的解毒效应以及两者在生物体内的生理效应的研究; (3) GSH与金属离子的配合物结构和及其性质的研究，其研究重点是GSH和金属离子配合物的形成以及结构性质。

近年来，有关修饰电极的研究，特别是关于含硫化合物在金属电子如金表面自组装膜(SAM)修饰电极的研究很多，硫醇自组装单分子膜上的电子传输及离子渗透过程已经成为研究的热点之一。研究表明，这种膜能有效地阻碍电极表面的电子传输和离子渗透，并且膜的末端基团及溶液的pH值均会影响膜上的电子传输。GSH是生物体内一种具有重要生理功能的含巯基肽，由于其巯基的存在，很容易与金属离子结合而自组装到金电极表面形成单分子层，使得电极表面的化学性质和物理性质得到修饰，并且这种电极具有离子闸门的作用。

1996年，江子伟等〔3〕用GSH在金电极上自组装形成单分子膜，发现该膜能阻止Fe (CN)63-离子在金电极上还原，起到离子闸门的作用，并且能影响电活性离子的渗透和电极上的反应。用循环伏安法和计时库仑法研究了La3+和Ca2+对这一离子闸门的影响。结果表明，在pH为5.6的溶液中，在改变GSH单分子膜的结构和Fe (CN)63-离子的扩散系数方面，La3+比2+具有更强的影响能力。这一实验结果表明在质子及一些金属离子作用下，GSH膜表现出离子门效应，并为生物活性膜的电子传输及离子渗透过程提供了有意义的研究结果及重要信息。2000年，王俊等〔4〕也用循环伏安法研究了GSH单分子膜的电化学行为，同样发现在阳离子表面活性剂作用下，GSH膜存在离子闸门行为。Cheng Fang等〔5〕利用GSH和金属离子形成配合物，并在金电极上自组装形成单分子膜，研究其电化学行为时发现，该膜具有离子门效应，其中一些金属离子有明显的打开膜上离子门的行为，其作用顺序为La3+ > Pb2+ > Ba2+ > 2+，然而Zn2+却起到关闭离子门的作用，随着金属离子的浓度不同和溶液pH值的改变，形成的GSH-金属离子单分子膜结构也不一样。Cheng Fang等〔6〕用伏安法和电化学石英晶体微天平法(EQCM)研究GSH自组装单分子膜时发现，该膜在Cu2+/Cu+的氧化还原过程中可以重新排列。

另外，戴云辉等〔7〕发现GSH与铜离子在pH为4.7的NaAc-Hac缓冲液中生成了一种组成为1:1的络合物，该络合物在单扫示波极谱中产生新的吸附波，并得到了该吸附波的峰电位等一系列电化学参数，同时还利用该极谱波检测了依士安药品中GSH的含量。结果表明，该方法简便、快速，稳定性好，线性范围宽，且灵敏度也较高。许文杰等〔8〕利用谷胱甘肽的巯基(-SH)与金纳米粒子的共价结合和氨基与金纳米粒子的静电作用，使金纳米粒子自组装为有序的网状超分子结构，由此建立了以金纳米粒子为探针，简便、灵敏的测定谷胱甘肽的分析方法。

金属尤其是重金属元素是目前环境中最主要的一种污染物，所有的重金属元素都对生物体有潜在的毒性，大部分金属元素都能在生物体内聚集，到达到一定量的时候就会发生中毒现象。Magda Maracine等〔9〕研究了离体鱼细胞中金属离子的毒性，发现几种金属离子的细胞毒性大小为Hg > Cd > Zn > Cu > Pb > Ni。生物体内的金属代谢对生物组织中金属的聚集、转移和毒性有重要的影响，金属元素会导致活性自由氧加剧产生和阻止抗氧化剂的活动，如铜和镉在细胞内的活动会直接或间接地导致细胞离子水平的上升，阻止抗氧化剂的活性，损耗细胞内的GSH或者是组织GSH相关酶的反应。减少金属元素毒性的最好办法是在它们进入体内之前尽量减少其吸收或是使之结合成内源性物质。GSH作为一种富含巯基的三肽，在生物体内的解毒代谢中起着重要作用，是生物体内最广泛的抗毒分子之一。

GSH可以直接作用细胞内金属离子的螯合剂，金属元素具有强烈的亲S特征，可以和GSH分子中的巯基结合，从而起到解毒的作用。梁智万等〔10〕研究口服GSH治疗慢性铅中毒的临床疗效，选择一些住院病人中慢性铅中毒的患者，连续服用28 dGSH，然后检查尿铅。结果显示，与治疗前相比有不同程度的驱铅作用。研究者认为GSH含有巯基能与铅络合，从而起到解毒的作用。GSH对金属元素的解毒功能和巯基与金属离子的结合能力有关，而这种结合能力与金属离子的软硬性有关。Magda Maracine等〔9〕研究离体鱼细胞中GSH对金属离子细胞毒性的保护作用，发现Hg、Cu, Cd能明显地增加细胞中GSH的损耗，而Zn, Pb, Ni的作用则不明显。研究者认为金属离子能与GSH上的巯基结合，从而起到降低金属离子毒性的作用，但是这一结合能力与金属离子的软硬性有关。因此，相对软性的Hg, Cu, Cd 3种离子具有较强的络合能力，所起作用也较为明显，而相对硬性的Zn, Pb, Ni 3种离子由于较低的络合能力而作用则没有那么明显。

GSH还可以间接地保护生物体免受由金属氧化还原反应引起的氧化胁迫，诸如Hg和Cu之类的金属存在多种形式，这将会诱导一系列的氧化还原反应，从而对生物体内的细胞和组织产生氧化胁迫，而GSH氧化还原循环是一种重要的抗氧化机制，被看作是抵抗氧化胁迫的第一道防线，GSH作为细胞中的抗氧化剂，其抵抗能力和其浓度、转换率以及合成速率有关。Prashant M等〔11〕观察了在镉暴露下的茶树芽组织，发现镉暴露会产生氧化胁迫，并且发现了芽组织中GSH的生物合成因子，强γ-ECS和GSHS的转录水平上升。

除上述研究外，有学者还对同一金属离子的不同存在形式以及不同金属离子的复合协同作用进行了更进一步研究。刘慧等〔12〕在室内模拟条件下，研究锌离子及其与乙二胺四乙酸的配合物(Zn-EDTA)长期暴露(40 d)对鲫鱼肝脏GSH系统的影响。结果表明，在实验剂量范围内，0.10 mg/L的Zn2+暴露即能引起鲫鱼肝脏中锌明显累积，明显高于Zn-EDTA暴露试验中的累积量。孙琴和王超〔13-14〕研究土壤外源Cd, Pb和Zn对小麦根系植物谷胱甘肽合成的影响。实验结果表明，Cd和Pb的复合处理加重了Cd的毒性，降低了GSH的合成水平，而Cd和Zn复合处理则减缓了Cd的毒性，但Zn的减缓作用有限。

近年来，生物分子与金属离子络合及其交换作用的研究较多，GSH与金属离子的络合作用研究也有报道。GSH分子具有多个可参与配位的原子，它与金属离子的络合情况较为复杂，所以对GSH与金属离子的络合位置、络合能力以及生成配合物的构象成了研究的重点。张树功等〔15〕对稀土谷胱甘肽配合物进行红外和Raman光谱研究发现，稀土谷胱甘肽配合物每式量含2~6分子水，稀土与氮的摩尔比接近1:9，表明该配合物的配位比为1:3。用X射线光电子能谱(XPS)方法对稀土与氧化型谷胱甘肽配合物进行研究表明，配体中各氧原子与稀土离子配位，配体的构象在配合物中基本不变。

任吉民等〔16〕利用顺磁稀土离子的诱导化学位移变化的性质，发现在水溶液中GSH通过分子两端的羧基负离子与稀土形成遥爪配位结构，并说明GSH与Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm3+和Yb3+等离子形成同构的配合物，分子两端羧基均可能以双齿形式与稀土离子配位。这一结果证实稀土离子和GSH的配合位置和他人〔17〕的研究相近，但是得到的配合物结构却与之前的研究有所区别。

金属离子除了在GSH 2个末端羧基位置进行络合外，也有一些金属离子能与GSH中的巯基进行络合形成配合物。Vicky Mah等〔18〕用扩展X射线吸收精细结构谱(EXAFS)和199Hg核磁共振研究在一系列的溶液中(pH=10.5)汞与GSH配合物的形成和结构。结果显示，汞与GSH反应主要形成的配合物是[Hg (Gs)2]4-和[Hg (Gs)3]7-，测得对角和三角Hg-S键的键长分别为2.32 Å和2.42 Å，并用EXAFS模型线性组合得到了Hg2+-GSH配合物的比例模型。

因为GSH分子中潜在的可配位基团较多，导致了GSH与金属离子的配合情况较为复杂。研究发现，GSH与一些金属离子的作用过程中不是简单的形成一种配合物，还有形成中间态配合物的可能。Levina L等〔19〕确证了在Cr (Ⅵ)与GSH的作用过程中会形成一种中间态配合物[CrvO (LH2)2]3-，并联用电喷雾质谱(DSMS)，X射线谱(XAS)，电磁顺磁共振谱(EPR)等方法研究了该中间态配合物的结构。同时用多重散射X射线吸收精细结构能谱(XAFS)检测出配合物的键长。该配合物会导致DNA构象变化，在Cr (Ⅵ)致癌过程中起主要作用。杨培慧等〔20〕采用电化学方法对GSH与重铬酸钾的相互作用及其中间态配合物的形成过程也进行了研究。结果表明，在pH=5.6的HAc-NaHc缓冲溶液中，GSH浓度为Cr (Ⅵ)浓度5倍以上时，Cr (Ⅵ)与GSH作用完全并形成一新的中间态配合物。

近年来，国内外对谷胱甘肽及其与金属离子作用广泛的研究，在两者的电化学行为、配合物构象以及生理效应方面研究较多。但是，从分子或原子水平上对该配合物质结构和形貌特性研究报道较少。而对谷胱甘肽与金属离子形成的配合物的三维结构和动态结构变化信息的研究，有助于从分子及分子集合体水平上进一步了解谷胱甘肽生物体内的生理功能，对谷胱甘肽在生物体内与金属离子的相互作用机制的进一步研究提供有用的信息。原子力显微镜(AFM)在生物科学方面的应用，使得在分子水平上对谷胱甘肽与金属离子作用的研究成为可能。本课题组利用AFM对谷胱甘肽在近生理条件下的表面形貌特性进行了研究，得到了谷胱甘肽在分子水平上汞表面上的形貌特性，对探讨谷胱甘肽的生理功能及生命现象提供了信息〔21〕。由于生物细胞是在异相条件下进行的系列有序生理生化过程，进一步研究谷胱甘肽以及其金属离子配合物在分子水平上表面的形貌特性，对分子水平上研究谷胱甘肽及其与金属离子的生理行为研究有参考价值。