镍酶介绍

Species Desulfovibrio gigas Desulfovibrio vulgaris Miyazaki
Fe terminal ligands CO, CN¯ ,· NO, N2 or CCH¯ L1 = SO; L2, L3 = CO or CN¯
Schematic showing the reaction of hydrogen and oxygen within a hydrogenase molecule. The study of gas pathways in proteins could be important for future applications in areas such as renewable energy sources, but it is currently not well understood and requires the analysis of large numbers of proteins.
① 尿素酶; ② 氢化酶; ③一氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合
成酶; ④ 甲基辅酶M还原酶; ⑤ 镍超氧化歧化酶
第二节 尿素酶，urease
脲酶又称尿素酶，其系统命名为尿素酰胺水解酶，是由微生物
产生的一类酶蛋白。其相对分子量为12 000-13 000，广泛存在 于土壤、豆类籽实以及动物消化道内。当 pH值 6.0～ 8.0时活性 最高，失活温度为 70℃；有水存在时，脲酶能将尿素分解为氨 和二氧化碳。脲酶还能与少数几种尿素的衍生物（羟基尿素和 二羟基尿素）发生反应，专一性较强。 后者在生理pH条件下后者会自然水解生成铵离子和碳酸氢根离 子。尿素在38C时水解半衰期为 3.6a，而在尿素酶的催化下其 水解速度可以加快 1014倍。生物体利用尿素酶把尿素转化为氮 的来源，这就是植物为什麽能吸收化肥中尿素的原因。 几乎所有尿素酶的活性中心结构和催化机理都是相似的。
1931年，Stephenson和Stickland首先发现了氢化酶。它
们广泛存在于原核生物及低等真核生物体内。其催化作 用是可逆分裂和重组氢分子。 氢化酶自20世纪70年代以来就引起科学家的高度重视。 酶的模拟工作寄希望于得到燃料细胞（电池），或利用 类似的功能模型化合物通过光的作用产生氢能源。因此 对这类酶活性中心结构和催化机理方面的研究一开始就 引起广泛关注。 各种氢化酶在它们的蛋白结构和所利用的电子载体的种 类（如铁氧化还原蛋白，红素氧化蛋白和奎宁等）上有 着很大的差异。 目前发现的氢化酶有：NiFeSe，NiFe，Fe only and Metal free 其中对镍铁氢化酶研究的最为深入。
1855 年 ， Forehhammer 首 次 在 植 物 中 找 到 镍 。 1925 年
Berg、Bertrand和Macheboeuf发现动物体内含镍。
人们很早就猜测镍是动物 (包括人)所必需的微量元素，但
由于早期研究对饮食中金属量的控制技术不完善，结果不 可靠，因而未得到肯定的结论; 随着分析技术的发展，到 1974年已基本证明了镍的必需性。
镍在植物中的主要作用
镍最明确的生物功能是在脲酶中的作用。脲酶存在 于许多植物、藻类、真菌及细菌中。脲酶种类繁多，都含 有镍，但含镍的数量互相有差异。
Ni的生物功能早在1975年就引起了人们的广泛关注，因
为当时发现尿素酶的活性中心含有 Ni，自然界选择镍作 为酶的活性中心非常令人惊奇，因为 Zn 是比 Ni 更能好 的Lewis酸，而Fe和Cu的单电子氧化还原在生物学中也 极为普遍。
镍与鼻咽癌
鼻咽癌在我国南方人群中发病率较高。广东省是世界上突出 的鼻咽癌高发中心。而广东的鼻咽癌死亡率的分布有非常明显 的地区性。广东省地质矿产局研究了地质地理环境中微量元素 与鼻咽癌死亡率分布的关系，发现在鼻咽癌高发区的河水中的 镍含量比相对低发区高，镍含量与鼻咽癌死亡率呈正相关。
镍可能是白血病致病因素之一!!!
第九章
第一节 第二节 第三节 第四节
概述
镍酶
尿素酶及其模拟
氢化酶及其模拟
一氧化碳脱氢酶和
乙酰辅酶A合成酶
第五节 超氧化物岐化酶 第六节 甲基辅酶M还原酶
第一节 镍及其镍酶的概述
镍 Nickel 原子序数：28，位于过渡系的中央，主要稳定氧化 数+2, 能和许多生物学上感兴趣的物质相结合、螯合或键合形 成配位数为4 、5 、6 的配合物 。地壳中的丰度为0.018%,排在 21位。土壤中含量约在40mg/kg，海水中含量3纳克/L。
Active site of urease
Ni2 : Ni-Ni(3.5Ả); Ni1: 2His, 1Lys(bridge); Ni2: 2His, 1Lys(bridge), 1 Asp;
1995，Unclear
1999，right
Structure，1999, 7: 205–216
为什么使用脲酶抑制剂？
第一，添加尿素可代替部分价格较贵的饼粕类蛋白质饲料，节 约了蛋白质饲料，降低饲料成本。脲酶抑制剂的使用可提高尿 素的利用率。 第二，即使日粮中不含尿素，使用脲酶抑制剂，同样具有增加 微生物蛋白质合成量，节约蛋白质饲料的效果。这是因为约80 ％的蛋白质在瘤胃内降解成氨，同样也受脲酶催化，而瘤胃微 生物利用氨的速度相对较慢，导致两种速度不协调而使大量氨 不能被微生物利用造成氮源浪费。 第三，在农业生产中，脲酶抑制剂的使用同样可Baidu Nhomakorabea高植物对尿 素的利用率。
在大气中O2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 NiS更可溶，这 也许是自然界选择镍作为酶的活性中心的原因之一。
1926年就结晶分离出尿素酶，但50年之后人们才通过分
光技术测得酶活性中心二价Ni的存在。此后又有一系列 含镍的酶被发现，下面仅简要介绍几种常见的镍酶：
脲酶抑制剂的种类及其抑制机理
1.1 氧肟酸类化合物 1.2 二胺、三胺类化合物 1.3 重金属类 1.4 丝兰提取物 1.5 醌类化合物 1.6 异位酸类化合物 1.7 多聚甲醛
大体分为两个途径： 一是使脲酶结构发 生变化，而使脲酶 变性失活，此类抑 制剂包括重金属盐 类和多聚甲醛； 二是与脲酶的活性 中心相结合，使之 失活，从而达到控 制氨气释放的作用。
吸烟与肺癌
在香烟中含有 49种微量元素，其中含量较高，危险最大的 是镍和镉。烟中的镍能与烟雾中的一氧化碳结合成为强致癌性 的羰基镍。同时，烟中镍及其氧化物对肺和呼吸道有刺激和损 害作用，它们显然与肺癌，喉癌、舌癌和鼻咽癌等有密切的关 系。许多国家的肺癌死亡率正在迅速上升。根据近 20 个国家的 资料证明，吸烟是明显引起肺癌的一个重要原因。
尿酶的模拟
尿素酶的模型化合物已有不少报道，虽然从羧酸根桥连双
核镍结构特征来看与活性中心的结构相似，但在生物催化 功能方面仍有很大差距，这方面的工作仍有很大空间。
两个尿素酶模拟物的结构：
[Ni2(OAc)2(tmen)2](OTf) [Ni2(Hshi)(H2shi)(Py4)(OAc)]
第三节 氢化酶 (hydrogenase)
Hydrolysis mechanism of urea
乙酰氧肟 酸
乙酰氧肟 酸
脲酶抑制剂
脲酶抑制剂是指能够直接或间接抑制脲酶活性的一类物质，大
体上可分为天然和人工合成两大类，目前使用较多的属人工合 成的有机化合物。 常用的有乙酰氧肟酸（Acetohydroxamic acid AHA）和辛酰氧 肟酸 （Caprylohydroxamic acid CHA），其中AHA是目前认为 最有效的一种脲酶抑制剂，国内外已有工业化合成 AHA 的成熟 技术，我国已批准AHA作为饲料添加剂使用。 在目前家畜的营养中，蛋白质是最短缺的营养物质。由于反刍 动物能利用非蛋白氮（ NPN）合成微生物蛋白（ MCP）供机体 利用，因此尿素可用作反刍动物的蛋白质资源。但尿素在瘤胃 内的分解速度很快，极大地限制了反刍动物对其的利用，为提 高尿素等 NPN 的利用率，国内外学者做了大量工作。通过使用 脲酶抑制剂，延缓尿素的释放，提高其利用率以充分利用氮源。
急性和慢性白血病患者血清镍含量均明显高于健康人。 急性白血病初期便有血清镍明显升高，随着病情进展而持 续增高，当病情缓解时则明显降低。血清镍含量与慢性白 血病的病情变化始终呈正相关。急性白血病血清镍升高比 慢性白血病更明显，且血清镍含量过高的患者生存时间较 短，提示镍可能是急性白血病的促发因素。血清镍测定可 作为急性白血病病因诊断辅助指标并可作为病情严重程度 及预后判断指标。
镍在动物体内的主要作用
镍的生物功能主要是参与代谢及细胞膜的结构。镍 具有刺激生血机能的作用，能促进红细胞的再生，也发现 镍对凝血过程中易变因子的稳定性也有一定的作用。已经 发现，镍大量存在于 DNA 和 RNA 中，其作用可能是通过 与 DNA 中的磷酸酯结合，使 DNA 结构处于稳定状态，影 响DAN的合成，RNA的复制及其它蛋白质的合成。
镍与疾病
植物中的镍含量较高，动物与人一般不会缺镍。健康 人每天从饮食中摄入 0.3～ 0.5mg，身体总留存量约为 10mg。 由于人体对镍的需求量与可供应量相比较少，目前尚未发 现正常饮食导致饮食型缺镍。相反，镍摄入过多，会导致 中毒和各种疾病。 1933年发现镍的致癌作用，1952年开始用动物实验研 究镍的致癌作用。 目前，实验已证明镍单质及其不溶性化 合物的致癌性较强，Ni3S2是最强的金属致癌物之一。动物 注射镍粉或镍化合物易诱发出恶性肿瘤。国际癌症研究机 构 (IARC)1982年确定了镍开采和镍精炼作业对人有致癌危 害。
镍铁氢化酶
四类氢化酶中 NiFe氢化酶的研究最为广泛和 深入。迄今为止其活性中心结构已基本弄清楚， 对其催化机理也提出很多合理方案，但还有待进 一步确证。在化学模拟方面，虽做了大量研究， 也取得了很多成果，但要达到利用类似结构的功 能模拟配合物通过光作用产生氢能源 H2的目的， 还有很长的路要走。这一节将主要介绍国际上对 NiFe 氢化酶的活性中心结构、催化机理及化学模 拟研究的一些成果。
一些植物中的镍含量
物种 mg/g(干重） 物种 mg/g(干重）
莴苣
合叶子草 洋白菜
3.5±2.9
1.9 ±1.3 1.2 ±0.8
欧芹
玉米 甜菜类
2.7 ±1.7
1.1 ±0.5 1.5 ±0.6
Ni的概述
在化学化工领域，镍具有独特的催化氧化还原作用，在生
物体内，镍存在于多种氢化酶中，催化氢的氧化还原反应， 另一方面，镍是多种酶的激活源，参与多种酶蛋白的合成。
Nickel-iron hydrogenase structure
[Fe4S4]dist = bottom, [Fe3S4] = middle, [Fe4S4]prox = top, Ni-Fe centre = top right
X = S or O; Y = O or N
Ni terminal ligands S (Cys65, Cys530) S (Cys81, Cys546) Ni-Fe bridging ligands S (Cys68, Cys533); O; (H¯ ) S (Cys84, Cys549); S or O; (H¯ )
Bacillus pasteurii urease is a trimer of trimers
1. 尿素首先结合到双核Ni 中；2. 羟基亲核进攻羰基碳，形成四面体过渡态； 3. 从质子化碱中转移质子或质子化一个酸根，产生氨和氨基甲酸。Ni 始终 保持两价。除尿素外，甲酰胺，乙酰胺以及氨基尿液是尿素酶的底物。
Coordination Chemistry Reviews 249 (2005) 1609
镍铁氢化酶为异二聚酶，两个亚基紧密相连形成一个近乎
球星的分子。 较大的亚基含有两个Cys-X-X-Cys氨基酸序列，一个在N端 附近，另一个在C端附近, 都含有Cys并与活性中心成键; 而较小的亚基是铁蛋白类物质，含有几种在排列上非常适 合构成Fe/S簇的半胱氨酸残基序列。 小亚基有三个不同的类型的Fe/S簇，它们呈线性排列，相 距 1.2 nm ，远端为 Fe4S4 簇，中间为 Fe3S4 簇，近端为 Fe4S4 簇，距镍中心1.3 nm 。 Fe/S簇和活性中心的位置显示在活性中心和小亚基表面有 一个易于电子运输的通道。 NiFe 活性中心在大亚基上，也含有铁离子簇。 Ni-Fe 相距 0.29 nm, 两个Cys通过硫桥连两个金属。另外，O2 或H2O 所提供的氧原子作为桥连配体的可能性也是存在的。