金属依赖酶

金属依赖酶，或称金属酶，是需要活性位点上的金属离子才能发挥作用的催化剂。大约三分之一的酶被认为使用金属，金属提供的化学性质决定了酶的功能——从碳酸酐酶的锌到细胞色素P450加氧酶的铁。

Definition

金属依赖酶（金属酶）是指其催化活性需要一个或多个金属离子结合在活性位点或其附近，并且金属作为路易斯酸、氧化还原中心或底物和中间体几何结构的组织者参与反应的酶。

Scope

本主题涵盖酶如何利用结合的金属离子进行催化：作为路易斯酸的锌酶、镁依赖性磷酰基转移酶、含铁加氧酶和铁硫酶，以及铜酶和锰酶。它是金属酶化学的参考概述，而非临床指导。金属本身以及细胞如何供应它们在金属离子辅因子相关主题中进行讨论。

Core questions

• 结合的金属如何降低反应的活化能？
• 为什么锌在水解酶和基团转移酶中如此广泛使用？
• 铁中心如何实现C-H羟基化等困难的氧化反应？
• 紧密结合的金属酶与松散的金属激活酶有何区别？

Key concepts

• 锌作为活性位点路易斯酸
• 磷酰基转移中的镁（激酶、聚合酶）
• 血红素铁加氧酶（细胞色素P450）
• 非血红素铁和铁硫酶
• 氧气处理中的铜酶
• 氧化还原酶中的锰
• 催化性与结构性金属位点

Mechanisms

金属酶利用其金属所提供的化学性质。活性位点上的锌离子使结合的水分子或底物羰基极化，产生亲核试剂或稳定正在形成的负电荷，这是许多水解酶和碳酸酐酶所采用的策略（Maret, 2013; Holm et al., 1996）。镁离子协调磷酸基团，并使其在激酶和核酸聚合酶中进行直列攻击（Cowan, 2002）。血红素铁酶，如细胞色素P450，将分子氧活化为高价铁氧代物种，能够羟基化非活性C-H键（Denisov et al., 2005）。铁硫中心和非血红素铁中心进行电子转移和额外的氧化还原转化（Beinert et al., 1997）。在每种情况下，蛋白质通过其配位配体的几何结构和特性来调节金属的反应性。

Clinical relevance

金属酶执行对新陈代谢、氧气处理和外源性物质（例如细胞色素P450加氧酶）加工至关重要的反应，因此它们的生物化学为药理学和毒理学提供了信息。本条目解释了催化机制；它描述的是生物化学，而不是个体诊断或治疗的基础。

History

金属酶的研究源于早期对碳酸酐酶中锌的研究以及金属位点的结构表征，这些研究表明配位配体如何调节金属的催化行为。随后对镁依赖性磷酰基转移、血红素铁氧化和铁硫化学的机理研究，构建了一个关于结合金属如何实现原本困难的反应的普遍图景（Holm et al., 1996; Cowan, 2002; Denisov et al., 2005; Beinert et al., 1997）。

Seminal works

• holm-1996
• denisov-2005
• cowan-2002
• beinert-1997

Frequently asked questions

什么使酶成为金属酶？

它需要一个或多个金属离子结合在其活性位点或其附近才能催化其反应；去除金属后，酶会失去活性，因为金属提供了蛋白质本身无法提供的化学性质。

为什么锌是如此常见的酶金属？

锌是一种强路易斯酸，不发生氧化还原化学反应，因此它能可靠地使水和底物极化并稳定带电中间体，使其非常适合许多使用它的水解酶和基团转移酶。