现代化学研究进展

常州大学

现代化学研究进展结业报告

题目：金属酶—锌酶的研究进展

姓名：唐李志鹏

专业：有机化学

生物体系中含有许多种金属离子，如Fe3+、Cu2+、Zn2+、Mn2+、Ca2+、Na+等。不同的金属离子在生物体系中的存在方式是不同的，其中有些金属离子与某

些特定的生物分子有固定或相对固定的结合，只有结合在一起才能发挥特定的功能，如金属酶和金属蛋白中的金属离子就是如此。金属酶就是必需有金属离子参与才有活性的酶，也就是有金属离子的酶，它们在各种重要的生化过程中完成者专一的生化功能，金属酶实际上是一种生物催化剂，它们使得生物体内一系列复杂的化学反应能够在常温常压中性介质条件下顺利地完成。金属酶的种类很多，以含锌、铁、铜的酶最多。

在生物体内锌离子的含量仅次于铁，在微量元素中位居第二。锌离子具有如下的特性：良好的Lewis酸性；本身没有氧化还原活性（d10电子结构）；良好的溶解性；毒性低等。因此，锌在生物体内的分布和活动范围都很广，目前已经知道的氧化还原酶、转移酶、水解酶、异构化酶、裂解酶和连接酶中均发现含锌的酶存在。在这些金属酶中，锌一般都位于其活性中心，但是有的直接参与酶的催化反应，有的则不直接参与，而是起到稳定结构等其他作用。在生理条件下，Zn2+不会被氧化或还原，能在生物介质中始终保持二价离子态。与其他金属离子相比，Zn2+的毒性非常低，并且生物体对Zn2+摄入、排出与体内分配的调节机制非常有效，很少出现锌中毒现象。由于锌具有独特的优越性，因此广泛地参与了蛋白质、酶、核酸、糖类、脂类的代谢与基因转录的调控等最基本、最重要的生化过程。如下图是常见的几种锌酶，其中研究最多的是碳酸酐酶，羧肽酶，碱性磷酸酯酶等。

碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase CA）：碳酸酐酶是一类分布广泛的含锌

金属酶, 它能可逆性地催化CO

2

的水合反应, 产生参与人体多种生理功能的

HCO

3

-及H+。自从1933 年首次从牛红细胞中纯化得到第一个碳酸酐酶以来, 到目前为止, 除了真菌外, 其他生物体中都已发现了该类酶的存在。碳酸酐酶最重要的生理功能是催化二氧化碳的水合作用。在人和动物体内，由碳酸酐酶催化

CO

2水合生成HCO

3

-，当HCO

3

-随血液循环到肺泡后，又由碳酸酐酶催化使之解离为

CO

2排出体外。在没有催化剂的情况下，CO

2

和HCO

3

-的转换非常慢，而碳酸酐酶的

存在可以使二氧化碳水合和脱水反应的速度分别加快13000倍和25000倍。碳酸

酐酶是已知金属酶中催化转换数最高的酶之一，它可以在2 ms内使95%的CO

2

转换为HCO

3

-，即：

根据碳酸酐酶氨基酸序列的不同, 人们主要将其分为α、β、γ、δ、ε五种不同类型的酶。其中α-CAs 存在于脊椎动物、细菌、藻类及绿色植物的胞浆中; β-CAs 存在于高等植物及藻类叶绿体中, 对植物光合作用过程中CO2 的获取及CO2 浓度的维持有着必不可少的作用; γ-CAs 则主要存在于太古细菌及一些细菌中; δ-CAs 主要存在于海洋硅藻中; ε-CAs 是近年来才确定的类型, 主要存在于蓝细菌及一些化能自养型细菌中（*）。

下图是碳酸酐酶晶体结构，整个蛋白链折合成椭球状，其二级结构中主要为β折叠片，但也有部分的α螺旋。

下图是活性中心锌离子周围的结构。其中活性中心中含有一个锌离子，与来自蛋白链中3个组氨酸的咪唑氮原子配位，另外还有一个配位水分子，形成的四面体结构

碳酸酐酶中配位水分子的pKa值大约为6.8，对催化功能至关重要，如果将水分子从第四配位点取代，碳酸酐酶的催化活性会受到抑制。常见的碳酸酐酶抑制剂包括卤素离子、羧酸根、酚、醇、咪唑、羧酸酰胺、硫酰胺、硫氰酸根等，这些分子或离子能不同程度地抑制碳酸酐酶的催化活性。

碳酸酐酶的应用有三点如下：

1.青光眼 CAⅡ抑制剂，作为治疗青光眼的药物，按其发展过程和药理作用分为三代：第一代口服型如乙酰唑胺，第二代局部用型如多佐胺及布林唑胺，第三代长效无刺激局部用型。

2.骨质疏松症骨吸收所必需的酸性微环境, 就是通过破骨细胞中所含有的CAⅡ形成的，所以抑制该酶活性可以降低破骨细胞的骨吸收作用。

3.癌症 CAⅨ主要存在于癌细胞中, 而在正常细胞中却没有发现其存在，于是寻找它的抑制剂或探寻其抑制剂与癌症治疗之间的关系也成为有关碳酸酐酶研究的热点。

羧肽酶（Carboxypeptidase CP）在生物体系中催化水解蛋白链的酶主要分为两种：催化水解蛋白链C末端氨基酸残基的羧肽酶和断裂蛋白链N末端肽键的氨肽酶。其中研究较多的是羧肽酶（CP）。其催化的反应表示如下：

其中如果R中含有芳香基团，则称之为羧肽酶A（CP-A）；如果R为碱性基团，则称之为羧肽酶B（CP-B）。

羧肽酶A（CP-A）是目前研究最多，了解最清楚的羧肽酶。它首先于1937年分离得到，是第1个被发现的金属蛋白酶及第2个被发现的Zn2+ 依赖蛋白酶。在反刍动物中，CP-A易于与胰凝乳蛋白酶原及蛋白酶原E形成三元复合体，在非反刍动物中，CP-A以单体形式存在或与蛋白酶原E形成二元复合体；而CP-B 仅以单体状态存在。羧肽酶B(CP-B)最先在自溶的牛和猪胰腺中发现。

牛胰腺羧肽酶A中，蛋白链由307个氨基酸残基组成，并含有一个单核锌的活性中心，其中锌离子为5配体，2个氮原子来源于蛋白链中组氨酸残基，另外谷氨酸残基侧链上的羧酸根以双齿形式与锌离子配位，除此之外还有一个配位水分子。但这个水分子结合力很弱，当有其他双齿配体时，便会被取代。

下图分别是活性中心锌离子周围的结构和牛胰腺羧肽酶A的晶体结构。

羧肽酶的应用有两点如下：

1.甲氨蝶呤(methotrexate，MTX)是常用的抗肿瘤药物之一，但它对骨髓及胃肠道的强毒性影响了其治疗效果。为此有人提出了新的抗体导向酶一前药疗法。此疗法利用抗体作为载体携带前药的专一活化酶，选择性的结合于肿瘤部位，使无毒性的前药区域性地在肿瘤组织内转化为具有活性的药物分子。CP-A即被用为识别前药的专一活化酶，它特异性地切割前药的特定残基，使其在肿瘤组织活化，这样既增加了药物的特异性，减少了它对正常组织的毒副作用，还可产生旁观者效应。