生物无机化学11第十章 镍酶

距离为0.35 nm。
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。
镍铁氢化酶为异二聚酶，分子质量约为 100 kDa，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，
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。
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60 kDa，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
Байду номын сангаас
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。
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。
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0.29 nm，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
第十章
镍酶
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。
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