金属蛋白质和金属酶

金属蛋白质和金属酶

第一节基本概念

一、金属蛋白质

广义角度说，凡需要金属离子参与才能发挥正常生物功能的蛋白质称为金属蛋白质。

酶也是一类蛋白质，有的酶需要金属离子参与才能完成其在生物体内的催化功能。这类酶称为金属酶。

从广义定义，金属酶也属于金属蛋白质的范畴。但是从功能说，金属酶又不能等同于金属蛋白质，它是金属蛋白质中的一部分。还有一部分金属蛋白质，它们在生物体内不是起催化作用，而是承担其它方面的生物功能，它们大多数为载氧体以及金属、氨基酸、糖等营养物质的载体。这部分金属蛋白质从功能上是与金属酶有所不同的。本节所指的就是这部分蛋白质—我们称它为狭义的金属蛋白质。

二、酶、金属酶和金属激活酶

酶可分为两类，单纯蛋白酶和结合蛋白酶。单纯蛋白酶只含蛋白质，不含其它物质。后者除含有蛋白质外，还含有其它物质，结合蛋白酶要比单纯蛋白酶复杂。结合蛋白酶也称全酶，它由两部分组成：

全酶== 酶蛋白+ 辅基（或辅酶）

辅基和辅酶的概念有所不同，辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；而辅酶与酶蛋白结合松弛，用透析的方法既可使之分离。

被酶催化的物质称为底物。酶与底物结合并发挥催化作用的部分称为活性中心。每种酶的活性中心都是固定的，它由蛋白质分子中小部分肽链片段和一些氨基酸残基的功能基团组成，这些基团称为必需基团。但必需基团并不一定是活性中心，在活性中心以外的区域，也有不和底物直接作用的必需基团，这些基团可能与保持活性中心的空间构型有关。在整个酶蛋白分子中，活性中心只占其中很小的组成部分。但酶蛋白分子的大部分肽链结构并不是无用的，它们缠绕卷曲的结果起到保护活性中心的作用，为活性中心提供一个发挥催化功能的有效空间环境。

生物体内1000多种酶中，有1/4~1/3需要金属离子参与才能完成它们的催化功能。根据酶对金属亲合力的大小，可将酶划分为金属酶和金属激活酶，金属酶的酶蛋白与金属离子结合的比较牢固，已成为酶分子的一个不可分离的组成部分。即使在催化过程中，两者之间也保持一定的比例关系。金属激活酶与金属离子的结合就不如金属酶牢固，经提纯的酶不含金属，需要加入金属离子才有活性。

第二节金属、酶和底物的结合形式

一、结合的基本模式

在金属酶、金属激活酶的催化过程中，金属(M)、酶(E)和底物(S)形成中间产物的结合形式有三种.

1.形成金属桥（E-M-S）

是由金属离子将酶和底物桥连在一起，形成金属桥可能有两种途径：

EE—M E—M—S（简单金属桥配合物）（环状金属桥配合物）

（2）形成酶桥（M-E-S）

是由蛋白酶将金属离子和底物桥连在一起，形成酶桥化合物可能有两种途径：

E M—E M—E—S

E E—S

产物只有一种，称为酶桥配合物。

（3）形成底物桥(E—S—M)

E E—S E—S—M

对金属酶，在催化过程中，始终保持E-M这种结合形式，金属酶可能形成金属桥配合物和酶桥配合物，而不可能形成底物桥配合物。

对于金属激活酶来说，酶蛋白与金属离子的结合是疏散的，既可以形成金属桥和酶桥配合物，也可以形成底物桥配合物。

金属、酶和底物以金属桥形成混配配合物的情况比较普遍，其形成混配配合物可能有两种形式。当金属离子与酶蛋白结合后，便形成活性中心的组成部分，由于其配位层未充满，便留下一个或几个可与底物结合的位置，形成一个受限制的活性中心，允许那些能够满足这些结构条件的底物结合上去。就形成E-M-S 类型的中间配合物。另一种方式是处于活性中心部位的金属离子的一个配位基（或配位体）被底物基团取代，也可形成E-M-S类型中间产物。

二、金属、酶和底物结合形式的判断

对于金属酶或金属激活酶，在判断它们是属于那一种结合形式时，最常用的方法是“结合实验”。该方法是在除去金属离子的情况下，观察酶与底物的结合情况，并与上述各种结合形式对比。对于E-M-S类型，若没有M存在E就不能与S结合；对于环状金属桥配合物类型，若没有M时，则E和S的结合就不如有M存在时那样牢固；而对于M-E-S类型，由于M和S都是各自与E直接连接，所以即使没有M，E-S结合的强度也不会有太大的变化；在E-S-M类型中，若去掉S，M就不与E结合，若去掉E，S仍然能于M结合。因此通过实验求得生成常数或解离常数，并结合如上分析，就可以推断酶的结合形式。

三、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。

第三节酶的作用机理简介

一、锁钥学说—刚性模板模式

琐钥学说最早是由提出的。这种学说把酶和底物的结合的专一性理解为锁和钥匙关系，认为酶分子像一把锁，底物像一把钥匙。当酶和底物的空间构象正好能相互完全弥合时，它们便有效地结合，并发生催化作用。这种作用过程，就像一把钥匙开一把锁一样，只有钥匙的形状和锁簧正好互相弥合时，钥匙才能将锁打开。

琐钥学说能很好地解释一些酶对底物催化作用的高度选择性。

二、诱导契合学说—挠性模式

实验证明，许多酶在催化底物反应的过程中，在与底物结合前和结合后，其空间构象会发生变化。一些学者提出了其它模式。其中比较有用的是诱导契合学说。

该学说认为。酶的空间构象（主要是活性中心部位的空间构象）和底物的空间构象，特别是结合基团所处的空间位置，在它们结合以前并不是互相弥合得很好。但它们以一个结合点结合后，会引起其它结合点的空间位置发生变化，使它们能与底物的对应部分充分结合。也就是说，酶的结合部位的构象只是与底物

结合部位的构象大体相符，在结合的过程中经过调整酶的空间构象使之与底物完全弥合。既经过诱导—空间的构象改变—契合这样一个连续过程。

锁钥学说与诱导契合学说的本质区别在于，前者认为酶的构象是始终不变的，既活性中心被假设为预先定形的，像锁一样具有刚性；后者认为酶的活性中心是挠性的，具有可变性，刚中有柔。

第四节酶促反应的动力学性质

生物体内的酶除了具有在催化功能上的高度专一性和选择性等特点外，在催化动力学方面也表现出显著的特点。

一、酶浓度对酶促反应速度的影响

假定底物浓度为饱和，而影响酶促反应的反应速度的其它因素为一定值时，研

究表明，酶的反应速度与其浓度成正比。

二、底物浓度对对酶促反应速度的影响

大量的研究结果表明，当酶的浓度不变，而底物的浓度很小时，随底物浓度的增加，反应速度急剧增加；随后，随底物浓度的增加，反应速度的增加逐渐减缓；当底物浓度达到一定程度后，反应速度几乎不受底物浓度的影响，而逐步趋于恒定。

上述的变化可用酶的活性中心学说作出解释。当底物浓度低时，酶的活性中心没有全部与底物结合，反应速度随底物浓度的增加而加快。当底物浓度增加到能全部占据酶的活性中心位置时，反应速度应为最大值。此后由于酶的活性中心已全部为底物所完全占据，既是继续增加底物的浓度，反应速度也不可能进一步提高。

三、温度对酶促反应速度的影响

温度是影响化学反应速度的一个重要因素，对于一般化学反应来说，温度变化对其反应速度影响规律是：温度升高，化学反应速度加快；温度降低，化学反应速度减慢。酶催化的化学反应在一定程度上也遵循这个规律。但由于酶是蛋白质，随温度的升高蛋白质的变性速度加快，致使反应速度减慢或最终使酶完全失去活性。实验证明，在酶促反应中，提高温度可同时引起完全相反的两种后果，

其一是加快反应速度；其二是使酶逐渐失去活性。温度较低时，前者的影响占主导地位，其总体作用表现为反应速度随温度升高而加快；随温度逐渐升高，酶蛋白的变性作用逐渐加强，并逐渐上升为重要矛盾，其后果是随酶的有效浓度的减小，反应速度也相应减慢。这两种相反作用的必然结果是，在一定的温度范围内，有一个最大的酶促反应速度，这一温度范围称为酶促反应的最适温度。

酶的活性虽然受温度降低的影响，但低温并不会使酶受到破坏，当温度升至适宜范围酶的活性又会恢复到正常状态。

四、pH值对酶促反应速度的影响

酶的蛋白链上存在许多酸性基团（如羧基）和碱性基团（如氨基）。这些游离基团的状态受到溶液酸碱性的影响，从而影响酶在催化反应过程中与底物结合的性质和能力。只有在一定的pH值范围内，酶才表现出良好的催化活性，这个范围称为最适pH值。

几乎所有的酶所要求的范围都是比较狭窄的。体系中的值高于或低于这个范围，酶的活性都要受到影响而降低，甚至完全失活。

五、抑制剂对酶促反应速度的影响

许多物质可以降低酶的活性，有的甚至能使酶完全失活，这些物质就是酶的抑制剂。如强酸、强碱、重金属、药物、有毒物质等。

1.不可逆抑制

这种抑制具有永久性，它是由抑制剂与酶的活性中心的活性基团形成牢固结合，从而使酶的活性中心的功能遭到破坏而引起的。

2.可逆抑制

（1）竞争性抑制

竞争抑制的特点是可以通过增加作用物的浓度而减小甚至消除抑制作用。

（2）非竞争性抑制

非竞争性抑制是不能通过增加作用物浓度而减小抑制的。这类抑制剂作用的部位不是酶的活性中心，通常与活性中心以外的巯基或其它基团结合。这些基团虽然并不处于活性中心位置，当它们对维持酶分子的空间构型起重要作用，可为底物与酶的活性中心充分结合提供一个有利的空间环境。非竞争性抑制剂由于

影响了酶分子空间构型而使酶的活性受到抑制。在这个过程中，抑制剂并没有同底物发生竟争活性中心的作用。

六、酶活剂对酶促反应速度的影响

有些酶在细胞内合成或初分泌时，无催化活性。这种无活性的酶称为酶元。酶元在一定的条件下能被激活成具有催化活性的酶，能使酶元激活的物质有多种，无机离子往往是一种重要的酶的激活剂。

金属离子对酶的激活作用是由于金属离子与酶结合形成E–M的形式，在催化过程中易与底物形成金属桥复合物E–M–S，因此更有利于底物与酶活性中心的催化基团及结合基团相结合，从而提高了酶的活性。

第五节常见的金属蛋白质和金属酶

随着研究工作的深入，在生物体内发现的金属蛋白质和金属酶的种类越来越多。它们在生物体内承担重要的生物功能。目前发现的金属蛋白质和金属酶主要集中于Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Co等元素。这里先简单介绍Cu、Mn、Mo、Co等几种元素的金属蛋白质和金属酶，与Fe、Zn有关的金属蛋白质和金属酶将在后面有关章节中介绍。

一、铜蛋白及酶

在生物体内的微量金属元素中铜的含量较高，仅次于铁和锌。生物体内的铜大多数与蛋白质和酶结合在一起，主要参与以下生命过程：

（1）氧的运输（2）电子传递（3）氧化还原（4）加氧反应

二、钼蛋白及酶

钼是必需元素中唯一属于第二长周期的过渡金属元素。已知的的钼酶广泛的分布于微生物直到高等动物中，它们大部分是氧化还原酶，在生物体内的氧化还原系统中起着重要作用。

含钼酶中，研究得最多、也是最有意义的是固氮酶。

三、锰蛋白及酶

生物体内含锰较少。但金属激活酶中，锰离子形成活化因子的例子很多，特别是激活酶和异构酶。

四、钴蛋白和酶