金属蛋白和金属酶
金属蛋白利用结合的金属离子来实现结构、运输和催化功能，而蛋白质环境则调节每个金属中心以适应其特定的生物学作用。
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Definition
金属蛋白是含有一个或多个对其功能至关重要的金属离子的蛋白质，而金属酶是其中的催化子集，金属直接参与底物的化学转化。
Scope
本主题涵盖含金属蛋白质和酶的结构与功能：蛋白质如何选择和结合金属离子，常见活性位点（如锌、铁和铜中心）的几何结构和配体，金属酶的催化策略（路易斯酸活化、氧化还原循环、双氧处理），以及蛋白质基质调节金属反应性的原理。它普遍处理催化和结构性金属位点，而将氧载体和电子传递蛋白留给各自的主题。
Core questions
- 蛋白质如何选择和结合特定的金属离子？
- 哪些配体和几何结构定义了常见的活性位点？
- 金属酶通过何种策略催化反应？
- 蛋白质环境如何调节金属的反应性？
Key concepts
- 金属活性位点
- 蛋白质配体和配位几何
- 路易斯酸催化
- 氧化还原活性金属中心
- 张力态
- 结构性金属与催化性金属
Key theories
- 蛋白质对金属位点性质的控制
- 蛋白质配体的种类和排列、氢键以及周围基质调节金属中心的几何结构、氧化还原电位和路易斯酸性，有时会施加一种应变的张力态，从而增强反应性。
- 金属酶的催化策略
- 金属离子通过充当路易斯酸来极化底物和水，通过在氧化态之间循环来介导氧化还原化学，以及通过结合和激活小分子（如双氧）来催化生物反应。
- 锌作为多功能辅因子
- 氧化还原非活性的锌在很大一部分酶中作为强路易斯酸和结构交联剂，这说明了单一金属如何支持催化和结构功能。
Mechanisms
金属酶活性位点的催化通常始于底物结合和金属路易斯酸的极化或双氧的配位，随后是化学步骤——水解、氧化或基团转移——同时蛋白质定位残基以稳定过渡态。
Clinical relevance
金属酶执行从二氧化碳水合到解毒等基本过程，其功能障碍或抑制是疾病的基础，也是药物设计的靶点；这属于参考资料，而非临床指导。
History
随着蛋白质晶体学揭示了明确的金属位点，金属是许多酶不可或缺的组成部分的认识在20世纪逐渐深入。Vallee对锌酶的研究以及Lippard、Gray等人的更广泛结构工作确立了蛋白质利用金属进行催化的一般原理。
Key figures
- Bert Vallee
- Stephen Lippard
- Harry Gray
Related topics
Seminal works
- lippard1994
- bertini2007
- vallee1990
Frequently asked questions
- 为什么生物学在如此多的酶中使用金属？
- 金属离子提供了有机侧链难以提供的化学性质，包括强路易斯酸性、可及的氧化还原态以及结合和激活小分子（如氧气）的能力，这使它们成为催化的理想辅因子。
- 什么是张力态？
- 张力态是一种应变的、能量上处于准备状态的配位几何结构，蛋白质将其施加于金属中心，介于其氧化形式和还原形式所偏好的几何结构之间，这降低了反应障碍并增强了反应性。