镍酶

金属酶——镍酶学院：化学与化工学院班级：分析10姓名：彭菲学号：1080310014023早期，人们认识与生命有关的化学是有机化学，比如氨基酸、多肽、蛋白质、以及核算、多糖、脂类等。生命过程中的金属离子起着非常重要的作用。20世纪70年代，交叉学科BioinorganicChemistry诞生。痕量分析技术用无机化学（主要是配位化学）的理论和方法研究生物体系中无机元素（主要是金属离子）及其化合物与生物体分子的作用和机理，从而揭示生命过程奥秘的学科。1酶和金属酶的概念2金属对酶的作用3典型金属酶——镍酶４SOD本节内容Q1：什么是酶？？酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂(biocatalysts）绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应（Enzymaticreaction）。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物（substrate）。Q2.什么是金属酶？？金属酶(metalloenzyme)有金属离子才有活性的酶。与金属离子结合紧密，提取过程中不易丢失。生物催化剂（1/3的酶需要金属离子才能显示活性）金属离子对酶功能的影响•（1）在酶促反应中，金属离子、酶和底物若以酶桥连接起来，金属离子所起的作用是使酶的活性中心位置发生变化，或是增加酶的活性，使其便于与底物结合。•（2）当金属离子、酶和底物通过金属桥结合时，金属离子起桥梁作用。它使酶和底物相互接近，把反应基团引导到正确位置上，以利于底物与酶的活性中心的某些基团结合。•（3）金属离子可促使酶和底物形成具有互相匹配的空间构象，以利于它们结合成中间产物。•（4）金属离子的正电荷还可以屏蔽、中和底物的某些部位的负电荷，或改变酶蛋白的电荷分布，以利于酶和底物的结合，使酶促反应顺利进行。•（5）金属离子可以起到传递电子的作用，使酶促反应有控制的分步进行。早在1975年，由于发现尿素酶的活性中心含有镍，即引起了对镍的生物功能的广泛关注。镍作为Lewis酸不如锌，作为单电子氧化还原中心不如铁和铜。但在大气中氧气变得丰富以前，许多过渡金属都以硫化物的形式存在，而在这些过渡金属硫化物中硫化镍更可溶，这或许是自然界选择镍作为酶的活性中心的原因之一。比较常见的镍酶有尿素酶、氢化酶、一氧化碳脱氢酶、甲基辅酶M还原酶以及含镍的超氧化歧化酶。第一节尿素酶第二节氢化酶第三节超氧化歧化酶第一节尿素酶尿素酶主要存在于细菌、真菌和植物中，它能将尿素催化水解为铵离子和氨基甲酸根离子：氨基甲酸根离子在生理条件下会水解生成铵离子和碳酸氢根离子。在尿素酶的催化下，尿素的水解速度可以加快1014倍。生物体利用尿素酶把尿素转换为氮的来源，这是植物能吸收化肥中尿素的原因。由于尿素酶与细菌发病机理、尿结石的形成等密切相关，有关尿素酶的研究也引起了医药界的关注。所有尿素酶的活性中心结构和催化机理都是相似的，尿素酶的每一个α亚基包含一个双核镍活性中心，两个镍离子之间的距离为0.35nm。尿素酶活性中心中，一个镍离子（Ni1）与两个组氨酸的咪唑氮原子配位，另一个镍离子（Ni2）与两个组氨酸的咪唑氮原子和一个天冬氨酸的羧基氧原子配位。一个赖氨酸的氨基甲酸羧基桥联两个镍离子，形成一个羧基桥联的双核镍活性中心。此外，活性中心还含有三个水分子，一个水分子桥联两个镍离子。尿素酶催化尿素水解的机理为：尿素首先与一个镍离子配位，然后与另一个镍离子的配位水通过碱的去质子化而活化，羟基作为亲核试剂进攻尿素的羰基形成一个四面体的过渡态，产生氨和氨基甲酸。整个循环过程中，镍离子始终保持二价态。第二节氢化酶氢化酶是存在于厌氧微生物中的一类酶，其催化作用是可逆分裂、重组氢分子：H2=2H++2e有关氢化酶的模拟研究寄希望于得到燃料细胞，或利用模拟化合物通过光合作用产生氢能源。目前发现的氢化酶包含Fe、NiFe、NiFeSe和不含金属的氢化酶四种，其中镍铁氢化酶研究的最深入。镍铁氢化酶为异二聚酶，分子质量约为100kDa，两个亚基紧密相连形成一个球状分子。镍铁氢化酶的氨基酸序列由亚基基团结构上的基因顺序所决定。两个亚基中较大的亚基含有半胱氨酸配体与活性中心的金属离子成键，较小的亚基是铁蛋白类物质，含有几种适合构成铁硫簇的半胱氨酸残基的序列。小亚基含有三个不同类型的铁硫簇，可以提供一条电子进入或离开酶的通道。Ni－Fe活性中心位于大亚基上，镍铁离子相距约0.29nm，两个半胱氨酸通过硫桥联两个金属离子，H2O或O2提供的氧原子作为桥联配体的可能性也存在。第三节超氧化歧化酶自然界中的含镍超氧化物歧化酶Ni－SOD的催化反应与铜锌超氧化物歧化酶相同，可以催化分解超氧负离子。Ni－SOD主要从各种细菌中分离得到，呈四聚体结构，每个亚基分子质量约为60kDa，由9个氨基酸构成的结构域是酶结合金属镍并催化超氧化物歧化反应的活性中心。Ni－SOD的活性中心含有金属镍离子，还原态的Ni(II)中心为平面正方形配位构型，配位原子为两个半胱氨酸的硫原子和组氨酸及半胱氨酸的氮原子，而氧化态的Ni(III)中心则为四方锥配位构型，轴向配体为组氨酸氮原子。在Ni－SOD催化超氧化物歧化的反应机理中，镍为单电子氧化还原中心，Ni(II)直接与O2-结合，通过氢键稳定中间体，然后释放H2O2，并生成Ni(III)，Ni(III)再与O2-结合，然后还原产生O2。通过科学家对尿素酶、氢化酶、甲基辅酶M还原酶以及Ni－SOD酶的晶体结构解析，大大提高了对含镍酶活性中心的结构及其催化机理的认识程度，进一步了解了自然界对金属镍选择的精巧和细致。SOD是机体内天然存在的超氧自由基清除因子，它通过上述反应可以把有害的超氧自由基转化为过氧化氢。临床试用SOD治疗和预防下列疾病：•（1）可抑制心脑血管疾病。•（2）抗衰老作用。•（3）自身免疫性疾病。•（4）肺气肿。•（5）辐射病及辐射防护。•（6）老年性白内障。常用的一些含SOD的产品