配位化學：第三章 生命體系配位化學（3）水解酶與離子探針

1、 第三章 生命體系配位化學(3) 水解酶 生命體系配位化學(3) 水解酶 生物體對重金屬毒素的防護機制 ds 區(qū)元素的基本性質(zhì) ds 區(qū)元素的硫化物性質(zhì)酶概述 分類 根據(jù)酶催化反應(yīng)的類型分為六類 1.氧化還原酶 氧化還原2.轉(zhuǎn)移酶 功能基團轉(zhuǎn)移3.裂解酶 從底物移去一個基團4.異構(gòu)酶 異構(gòu)體互相轉(zhuǎn)變5.合成酶 合成新物質(zhì)同時使ATP分解6.水解酶 水解反應(yīng)水解酶 水解酶有多種為金屬酶,表8-1列若干水解金屬酶和金屬離子激活酶 金屬離子激活酶是指必須加入金屬離子才具有活性的酶。 水解酶根據(jù)水解鍵的類型不同分為六個亞類。水解酶酶 作用的化學鍵酯酶 酯鍵水解糖苷酶 糖苷鍵水解醚酶 醚鍵水解肽酶 肽鍵

2、水解C-N酶 C-N鍵斷裂酸酐酶 酸酐水解水解金屬酶 水解金屬酶中很多含有Zn2+（少數(shù)含Ca2+、Mg2+及Mn2+）。由于水解過程不發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，故金屬離子的氧化態(tài)在催化過程中不變化。水解酶和金屬離子激活酶碳酸酐酶的組成結(jié)構(gòu)和功能 人和動物碳酸酐酶相對分子量是30000，單一肽鏈組成，含一個Zn2+離子，酶蛋白含約260個氨基酸殘基。 橢圓球形，Zn2+是活性中心，與肽鏈組氨酸（93、95和117）3個咪唑氮原子配位，第四個可能為水，成為畸變四面體。碳酸酐酶的組成結(jié)構(gòu)和功能 碳酸酐酶對于人和動物的呼吸作用極 為重要。在人與動物體內(nèi)，由碳酸酐酶催化CO2和H2O合成HCO3-,當HCO3-隨

3、血液循環(huán)到肺泡后，又由碳酸酐酶催化使它解離為CO2排出體外。 CO2 + H2O = HCO3- + H+碳酸酐酶中鋅離子配位環(huán)境羧肽酶A的組成結(jié)構(gòu)和功能 存在哺乳動物胰臟中，相對分子質(zhì)量34600，約300個氨基酸殘基肽鏈，Zn2+為輔基。 羧肽酶原A在胰蛋白酶作用下，一個肽鍵斷裂，釋放出大約60個氨基酸殘基的N-末端裂解物。在不同條件下，可以產(chǎn)生4種不同羧肽酶A：307 ; 305 ; 300 ;300 羧肽酶分子呈橢圓球形羧肽酶A的組成結(jié)構(gòu)和功能（續(xù)） Zn2與多肽鏈的兩個組氨酸（69,196）的咪唑基氮原子，以及谷氨酸（72）的羧基氧原子以配位鍵結(jié)合，第配位為水。 Zn2+處于畸變四面

4、體配位狀態(tài)中 羧肽酶A催化蛋白質(zhì)或多肽的羧基末端肽鍵水解。酸肽酶A結(jié)構(gòu)及活性部位從小牛胰腺中提取的酸肽酶A的結(jié)構(gòu)及活性部位酸肽酶A活性部位酸肽酶A活性部位及Zn2+的畸變四面體配位環(huán)境酸肽酶A及其抑制劑的鍵合酸肽酶A和抑制劑甘氨酰-L-酪氨酸在活性部位的配位鍵合嗜熱菌蛋白酶中鋅離子配位環(huán)境嗜熱菌蛋白酶中鋅離子配位環(huán)境碳酸酐酶催化的鋅羥基機理碳酸酐酶催化的鋅羥基機理碳酸酐酶的催化機理酸肽酶A催化水解的機理酸肽酶A催化水解的機理堿性磷酸酶水解機理堿性磷酸酶水解機理水解酶與探針離子某些金屬酶的探針離子水解酶與探針離子Zn(II)配合物與類似的二價陽離子配合物的幾何構(gòu)型探針離子的基本要求探針離子的基本

5、要求:(1)價態(tài)(電荷)相同(2)半徑相似(3)電荷分布相似生物體對重金屬毒素的防護機制 在生物進化過程中，生物體除了形成一系列必需元素的平衡機制之外，對包括有毒金屬在內(nèi)的天然有害環(huán)境也形成一些保護機制。 金屬硫蛋白的解毒作用(detoxication) 元素間的拮抗作用(antagonism)金屬硫蛋白對重金屬的解毒作用金屬硫蛋白(metallothionein，MT)是一種由金屬離子誘導合成，富含半胱氨酸殘基，能結(jié)合多種重金屬的低分子量蛋白質(zhì)。GSanai等用大鼠試驗，第一組腹注Pb(NO3)2 10 mgkg體重，48小時后再注射50mgkg體重；第二組一次注射50mgkg體重。結(jié)果第一

6、組沒有變化，第二組動物體重下降，肝腎重量增加，這說明預(yù)先注射低劑量Pb()在體內(nèi)誘導合成了Pb-MT，解除了鉛的毒害。KSSquibb等使大鼠口服Cd()20mgkg體重，24小時后就能抵抗Cd()100mgkg體重的毒害作用。如果先給小劑量Hg()、Zn()或Cu()，也能解除Cd的毒害。動物試驗顯示，Cd經(jīng)注射進入血液后30分鐘即消失95。在大鼠體內(nèi)，初時約有70Cd存留在肝臟，只有(14)在腎臟。肝臟Cd含量逐漸減少，腎臟Cd含量逐漸增加。DBHomer等用實驗證實，初時Cd與血漿中的蛋白質(zhì)結(jié)合之后主要轉(zhuǎn)移到肝臟。這種Cd蛋白質(zhì)復(fù)合物的穩(wěn)定常數(shù)比CdMT的穩(wěn)定常數(shù)小，隨著CdMT合成，C

7、d逐漸從肝臟轉(zhuǎn)移到腎臟。因此，MT起了轉(zhuǎn)移Cd的作用。轉(zhuǎn)移快慢直接與MT合成速度有關(guān)。Cd-MT形式的Cd在腎臟不能被吸收，只能隨尿排出，因而發(fā)揮了保護機體的作用。元素間的拮抗作用某些金屬或類金屬之間的相互作用會減輕甚至解除金屬對生物體的毒害，這種現(xiàn)象稱為拮抗作用(antagonism)。金槍魚含汞量很高，然而金槍魚未表現(xiàn)出任何汞毒害的癥狀，因此它必定有某種消除汞毒害的機制。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)金槍魚含硒量異常高，而且隨汞含量升高而增加。如果以金槍魚作食物，將會減輕動物所受的汞毒害。這顯然說明硒化合物在細胞和組織里能消除汞的毒性。硒還對砷、鎘等多種無機元素毒害有拮抗作用。近年還發(fā)現(xiàn)硒對多環(huán)芳烴和偶氮化合物

8、等致癌有機物也有抑制作用。因此硒生物無機化學日益成為一個相當活躍的研究領(lǐng)域。鋅對鎘、汞等也有拮抗作用。NSugawara在動物試驗中觀察到，給Cd的大鼠肝臟和腎臟的Zn濃度顯著增加，而且肝臟內(nèi)的Cd和Zn含量有明顯相關(guān)性。這提示可能是Zn誘發(fā)MT合成，因而抑制了Cd的毒性。金屬硫蛋白 1957年M.Margoshes和B.L.Vallee從馬的腎臟皮質(zhì)中首次分離出一種含鎘量高的富硫蛋白質(zhì)。以后又在人和哺乳動物的肝腎等器官、植物、藍綠藻和微生物中，分離出類似的富含金屬和硫的蛋白質(zhì)。這類蛋白質(zhì)的相對分子質(zhì)量低，一般為600010000，半胱氨酸含量高達2535，與Zn、Cd、Cu、Pb、Hg或Ag

9、等重金屬結(jié)合，因此稱為金屬硫蛋白(metallothionein，MT)。 它是一類誘導性蛋白質(zhì)，能由重金屬離子誘導合成。在生物體內(nèi)它主要具有解除重金屬毒害作用和調(diào)節(jié)細胞內(nèi)必需過渡金屬(Zn、Cu)濃度的緩沖作用。金屬硫蛋白的生物合成與生理功能 金屬硫蛋白在生物體內(nèi)由金屬離子誘導合成。如果食物中含Zn2+、Cu2+和Cd2+量增加，動物的肝、腎和腸內(nèi)合成的MT也相應(yīng)增加。誘導合成一般要410小時。當動物預(yù)先注射放線菌素D(dactinomycin)或放線菌酮(actidione)之后，ZnMT和CdMT合成顯著受阻，但機制至今仍不清楚。只是發(fā)現(xiàn)注入Cd2+和Zn2+之后，動物肝細胞內(nèi)mRNA的

10、含量增加24倍，而放線菌素D可抑制mRNA的合成，致使MT合成受阻。 在幼鼠生長發(fā)育的階段，可以觀察到在肝臟、腸道和睪丸內(nèi)Zn、Cu和MT含量相當高。在長成大鼠的過程中，Zn、Cu和MT含量逐步下降。如幼鼠肝臟的Zn和Cu有一半結(jié)合在MT分子里，出生后26天的幼鼠肝臟MT中的Zn含量為30g/g肝重，長成的大鼠降為0.5g/g肝重，肝臟MT也相應(yīng)減少。這說明幼鼠生長發(fā)育過程中需要大量Zn和Cu，而MT有貯存Zn和Cu的功能。 金屬硫蛋白的生物功能迄今為止仍未完全清楚，除了重金屬解毒作用、微量元素、貯存、運輸、代謝作用外，還可能與其抗電離輻射、清除自由基及機體生長、發(fā)育、生殖、衰老、腫瘤發(fā)生、免疫、應(yīng)激反應(yīng)等有關(guān)。 金屬硫蛋白的結(jié)構(gòu)金屬硫蛋白只有一條多肽鏈。哺乳動物的MT都含61個氨基酸殘基，它們的氨基酸順序具有高度的同源性除個別例外，哺乳動物MT的氨基末端都是乙酰蛋氨酸，羧基末端都是丙氨酸。整條多肽鏈有20個半胱氨酸(Cys)殘基，其相對位置不變。它們在多肽鏈中形成5個CysXCys單位、1個CysCysXCysCys單位和1個CysXCysCys單位，其中，X表示除