催化水解反应的金属酶

催化水解反应的金属酶

§1.概述

一、水解酶

水解酶(hydrolase)是六大酶类之中研究得最多并应用最广泛的一类，其中有不少水解酶的活性与金属离子有关。下表列举了某些水解金属酶和金属离子激活酶。金属离子激活酶是指必须加入金属离子才具有

活力的酶。

水解金属酶之中很多都与Zn2+有关,其次是Ca2+、Mg2+，还有少数酶含Mn2+.由于水解过程不发生电子转移,所以金属离子的氧化态在催化过程中不变化.

水解酶的分类：根据水解键的类型分为脂酶、肽酶、糖苷酶等六个亚类。

1.肽酶

。蛋白质的水解作用要通过各种肽酶催化才能进行。肽酶催化蛋白质的肽键水解：

根据作用方式，肽酶又分为肽链端解酶(exopeptidase)和肽链内切

酶.(endopeptidase)羧肽酶和氨肽酶都是肽链端解酶，它们分别以肽链游离的羧基末端和游离的氨基末端切下氨基酸。肽链内切酶通常称为蛋白酶，切断蛋白质分子内部的肽键使之变成小分于多肽，如嗜热菌蛋白酶。

2.酯酶

酯酶催化各种酯键水解。其中，羧酸酯酶催化羧酸酯水解：

RCOO—R'+H

O →RCOOH + R'OH

2

此外,磷酸酯酶(phosphatase)则催化磷酸酯键水解.

二、水解金属酶研究中的过渡金属离子探针

由于金属酶中存在某种过渡金属离子,因此,使EPR, Mössbauer,d-d电子光谱等多种用于研究过渡金属化学的物理检测技术能在金属酶研究中广泛应用。

Zn2+，Ca2+和Mg2+等离子不具有末充满电子的d轨道，因此含有Zn2+，Ca2+和Mg2+等离子的金属酶研究就难以应用上述检测技术来获得有用的信息。为了深入研究金属酶的性质，通常采用适当的其它过渡金属离子，以取得必要的信息。一般采用Co2+代替Zn2+，用Mn2+代替Mg2+、Ca2+。某决非过渡金属也作为探针(probe)使用．例如，Tl+就作为K+的NMR探针。

为了成功地使用一个探针金属离子：

a.必须遵照同晶置换(isomorphous replacement)的原则，即探针离子在酶分子中占据原有金属离子所在的同一位置。

b.要考虑电子构型、离子半径、配位几何构型等因素。探针金属离子半径是一个必须考虑的重要条件。

c.其中很关键的问题是能否继续保持酶分子的生物活性。

d. 金属配位键的强弱对于决定反应途径也很重要。

§2.羧肽酶

羧肽酶是催化肽链的C-末端氨基酸残基水解的酶。

目前已经发现的羧肽酶有两大类:一类是金属酶,大都存在于动物的胰液中，帮助蛋白质消化,在中性或弱碱性条件下显示出极大的活性；另一类不是金属酶，它们是细胞内酶，在酸性条件下具有很大活性。

一、羧肽酶A

1.组成

羧酸酶A存在于哺乳动物胰脏中，相对分子质量34600，每个酶分子含有一个Zn2+作为辅基，酶蛋白为单一的多肽链，约有300个氨基酸残基。

目前研究比较多的是牛的羧肽酶A.

2.结构

经分辨率为0.2nm的x射线结构测定，羧肽酶分子呈椭圆球形，大小为5.0nm×4.2nm×3.8nm

羧肽酶A的活性中心部位：

3.功能

羧肽酶A 可催化蛋白质或多肽的羧基末端肽键的水解反应.当底物的C -末端氨基酸侧链R 为芳基或分枝较大的脂基(如Ph —CH 2一或者(CH 3)2CH 一)时，羧肽酶A 显示出很强的活性，对应的水解反应式：

此外,羧肽酶A 还能催化酯类水解.

二、其他羧肽酶

1.羧肽酶B

羧肽酶B存在于哺乳动物的胰脏中.X射线研究结果表明,牛羧肽酶B与羧肽酶A的结构十分相似。牛羧肽酶B分子也有1个Zn2+，肽链有308个氨基酸残基，其中49%的氨基酸顺序与羧肽酶A相同，三维结构也非常相似。 羧肽酶B与羧肽酶A的性质也相似，不同的是它对于C-末端是精氨酸和赖氨酸残基的肽键水解的催化活性特别高，羧肽酶B催化

带正电荷支链的氨基酸残基C端的水解，当然它也能切断其他疏水性氨基酸残基。

2.二肽基羧肽酶

二肽基羧肽酶存在于哺乳动物和人的组织中。二肽基羧肽酶又称为血管紧张肽转换酶、激肽酶II，肽酶P、羧基组织蛋白酶。它存在于哺乳动物和人的组织中。

二肽基羧肽酶是一种单链糖蛋白，相对分子质量155000，含有1个Zn2+。当pH＞7.5时，Zn2+被束缚较紧，在比较低的pH值下，Zn2+会自发释放出。

这种锌酶能把肽链C—末端的二肽切下来。它在生理上的功能是把血管紧张肽I的C—末端His-Leu切下来，使之变为血管紧张肽II。它还能使血管舒缓激肽失活。因此它在控制血压方面起重要作用。二肽基羧肽酶被广泛研究，它的抑制剂在临床上被用作治疗高血压病的药物。

3.精氨酸羧肽酶

精氨酸羧肽酶称羧肽酶N或澈肽酶I。它对切断肽链C—末端的精氨酸和赖氨酸残基的肽键的催化活性特别强。它还能从肽链C—末端切下二肽。它存在于肝脏和血浆中。血浆精氨酸羧肽酶是一种锌酶，相对分子质量约270 000。在生理上，精氨酸羧肽酶与血管紧张转换酶有关，也能使血管舒缓激肽失活。

§3.碳酸酐酶

一、碳酸酐酶的组成、结构和功能

1.组成人和动物血液中的碳酸酐酶相对分子质量约30000．由单一肽链组成，每个分子含一个Zn2+离子。酶蛋白约含260个氨基酸残基，其中脯氨酸含量较高，没有二硫键.

碳酸酐酶有多种同功酶,其中以人碳酸酐酶B、C和牛碳酸酐酶B研究的较多.通常所说

的是指碳酸酐酶B.

2. 分子结构

Zn2+与组(His)-93、95和117的3个咪唑基氮原子配位，第4个配位位置可能由水分子或羟基占据。当有抑制剂存在时．抑制剂将占据第4个配位位置。围绕Zn2+的配位环境是畸变的四面体结构。

碳酸酐酶脱去Zn2+后，加入Co2+，可以恢复50％的活性。大量实验表明，在钴碳酸酐酶中，Co2+占据了Zn2+原来的结合部位。因此可以通过研究Co（II）碳酸酐酶去认以天然碳酸酐酶。