金属离子辅因子

很大一部分酶需要金属离子才能发挥作用。锌、铁、镁、锰、铜等离子作为无机辅因子，提供有机基团无法提供的化学性质：充当路易斯酸、执行氧化还原步骤或组织活性位点。本主题概述了金属本身以及细胞如何将其供应给蛋白质。

Definition

金属离子辅因子是无机酶辅因子——单个离子或组装的金属中心，如铁硫簇——它们结合在蛋白质内部或旁边，并提供催化或稳定性所需的电子和结构化学性质。

Scope

本主题涵盖常见的金属离子辅因子、它们所起的催化作用（路易斯酸、氧化还原和结构作用）、组装的金属中心（如铁硫簇），以及细胞如何将正确的金属输送给每种蛋白质的问题。它是无机辅因子生物化学的参考概述，而非临床指导。使用这些金属的酶将在金属依赖性酶的配套主题中进行讨论。

Core questions

• 哪些金属是常见的酶辅因子，每种金属提供什么化学性质？
• 氧化还原活性金属与氧化还原惰性结构金属在作用上有什么不同？
• 细胞如何确保每种蛋白质结合正确的金属？
• 金属组的范围有多广？

Key concepts

• 金属离子的路易斯酸催化作用
• 氧化还原活性金属与氧化还原惰性金属
• 结构金属位点（例如锌指）
• 作为模块化金属中心的铁硫簇
• 金属选择性和欧文-威廉姆斯序列
• 金属伴侣和金属输送
• 金属组

Mechanisms

金属离子具有独特的化学性质。锌和镁等氧化还原惰性离子主要作为路易斯酸，使底物极化、稳定负电荷并组织活性位点几何结构（Maret, 2013; Holm et al., 1996）。铁和铜等氧化还原活性金属在不同氧化态之间循环，以介导电子转移和氧化学。铁硫簇等组装中心为电子转移、传感和催化提供模块化单元（Beinert et al., 1997）。由于许多金属以重叠的亲和力结合蛋白质，细胞不能仅仅依靠亲和力来实现正确的金属化；金属伴侣、区室化和受控的金属可用性有助于将正确的金属输送到正确的蛋白质（Waldron & Robinson, 2009）。金属组的完整范围仍在绘制中，有证据表明许多金属蛋白仍未被表征（Cvetkovic et al., 2010）。

Clinical relevance

微量金属是必需的微量营养素，正是因为酶依赖于它们，所以这种生物化学是金属营养和金属稳态研究的基础。本条目解释了金属如何作为辅因子发挥作用；它描述了作用机制，并非个体诊断、补充或治疗的依据。

History

对金属是许多酶不可或缺的组成部分的认识是随着金属蛋白的结构研究而发展的，这些研究揭示了单个离子和组装中心（如铁硫簇）如何进行催化和电子转移。后来的工作将核心问题重新定义为金属选择性和输送问题，而非简单的结合，对金属组的调查表明仍有许多未被表征（Holm et al., 1996; Beinert et al., 1997; Waldron & Robinson, 2009; Cvetkovic et al., 2010）。

Seminal works

• holm-1996
• beinert-1997
• waldron-2009
• maret-2013

Frequently asked questions

结构性金属辅因子和催化性金属辅因子有什么区别？

催化性金属直接参与反应的化学过程（例如作为路易斯酸或氧化还原中心），而结构性金属主要稳定蛋白质或其活性位点的折叠形状，而不会发生化学转化。

细胞如何确保酶获得正确的金属？

由于几种金属可以以相似的强度结合一个位点，细胞利用金属伴侣、区室化和对游离金属水平的严格控制等机制来输送正确的离子，而不是仅仅依靠结合亲和力。