07章鋅酶總結(jié)

1、第七章第七章 含鋅酶和含鋅蛋白含鋅酶和含鋅蛋白 鋅是生物體中第二豐富的過渡金屬，在生物學(xué)中的重要性僅次于鐵，在生物體內(nèi)幾2+2+乎都以Zn形式存在。Zn具有較強(qiáng)的吸引電子的能力，是強(qiáng)的Lewis酸，可廣泛地與蛋白質(zhì)中的某些氨基酸殘基的咪唑氮原子、巰基硫原子、羧基氧原子等配位生成配位數(shù)低的鍵合中心。 2+ 在生理?xiàng)l件下，Zn 不會被氧化或還原，能在生物介質(zhì)中始終保持二價離子態(tài)。與其2+他金屬離子相比，Zn的毒性非常低，并且2+生物體對Zn攝入、排出與體內(nèi)分配的調(diào)節(jié)機(jī)制非常有效，很少出現(xiàn)鋅中毒現(xiàn)象。由于鋅具有獨(dú)特的優(yōu)越性，因此廣泛地參與了蛋白質(zhì)、酶、核酸、糖類、脂類的代謝與基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控等最基本、

2、最重要的生化過程。 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 鋅肽酶 第三節(jié) 碳酸酐酶 第四節(jié) 核酸酶 第五節(jié) 鋅指蛋白 第六節(jié) 鋅與健康 第一節(jié) 概述 一、鋅的化學(xué)功能 2+ Zn 在鋅酶或鋅蛋白中主要發(fā)揮催化和結(jié)構(gòu)調(diào)控功能： 1、直接催化功能直接催化功能，這是Zn2+在鋅酶中發(fā)揮的最重要的功能，Zn2+可以催化酯鍵、肽鍵等底物的水解； 2+2、間接催化功能間接催化功能，Zn 活化與之配位的水分子去質(zhì)子，由配位的氫氧根對底物進(jìn)行親核進(jìn)攻； 3、共催化功能共催化功能，酶的每個亞基中含有兩個或三個Zn2+，其中一個發(fā)揮催化功能，而另一個發(fā)揮活性調(diào)節(jié)功能； 4、結(jié)構(gòu)功能結(jié)構(gòu)功能，最典型的例子是鋅指蛋白中的鋅離子。 二

3、、鋅的生物學(xué)功能 鋅與生物機(jī)體發(fā)育、骨骼生長、免疫機(jī)能、性發(fā)育及其功能、蛋白質(zhì)和核酸代謝、酶的活性等關(guān)系密切，并與多種疾病有關(guān)。鋅的生物學(xué)功能包括： 1、具有維持生物膜的結(jié)構(gòu)和功能維持生物膜的結(jié)構(gòu)和功能的作用。鋅可以與細(xì)胞膜上的一些功能基團(tuán)如蛋白質(zhì)的巰基、磷脂的磷酸基等發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致膜的流動性發(fā)生改變，增加膜的穩(wěn)定性； 2、參與對基因表達(dá)的調(diào)控對基因表達(dá)的調(diào)控。鋅與遺傳物質(zhì)的相互聯(lián)系是以蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)的，并從不同層面對基因表達(dá)調(diào)控起作用。鋅可以穩(wěn)定染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，鋅可以對DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控； 3、鋅對細(xì)胞凋亡具有雙重作用對細(xì)胞凋亡具有雙重作用，既可以抑制細(xì)胞凋亡，又能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。 三、

4、鋅酶 在六大類金屬酶（氧化酶、轉(zhuǎn)移酶、水解酶、裂合酶、異構(gòu)酶、合成酶）中，都包含有含鋅酶，但以水解酶為主。 第二節(jié) 鋅肽酶 蛋白質(zhì)中肽鍵的水解非常緩慢，在pH為7時其水解半衰期為101000 a。天然肽酶幾乎都含有Zn(II)。 鋅肽酶大約可分為五組，共30個成員，其中羧肽酶A和嗜熱菌蛋白酶是研究得最清楚、最廣泛的鋅蛋白，因此它們被作為鋅蛋白酶的原型代表。 一、羧肽酶A 羧肽酶A主要存在于哺乳動物胰臟中，約含300個氨基酸殘基，每個酶分子含有一2+個Zn作為輔基。羧肽酶A主要催化蛋白質(zhì)或多肽的羰基末端肽鍵的水解反應(yīng)。除了脯氨酸之外，羧肽酶A能不同程度地催化具有各種C末端氨基酸的肽鏈水解。此外，

5、羧肽酶A還能催化酯類水解。 X射線結(jié)構(gòu)分析表明，羧肽酶分子呈橢圓球形，在酶分子中部有一條狹長的空腔，這是底物結(jié)合的位置。底物的C末端沿著這2+條溝槽伸入到酶分子內(nèi)的活性部位。Zn就處于這條空腔的內(nèi)表面，它是維持羧肽酶A活性所必須的組分。 2+ 活性中心的Zn 與兩個組氨酸的咪唑氮原子和一個谷氨酸的羧基氧原子配位，第四個配位位置與一個水分子結(jié)合。但這個水分子結(jié)合力很弱，當(dāng)有其他雙齒配體時，便會被取代。此外，蛋白質(zhì)的一些側(cè)鏈基團(tuán)也參與與底物的結(jié)合，并對酶的催化活性至關(guān)重要。 除了羧肽酶A外，還有羧肽酶B、羧肽酶T、精氨酸羧肽酶等，它們的性質(zhì)與羧肽酶A很相似，分別可以切斷帶有疏水性氨基酸殘基的肽鍵、

6、不帶疏水側(cè)基的肽鍵，以及C末端帶精氨酸和賴氨酸殘基的肽鍵等。 二、嗜熱菌蛋白酶 嗜熱菌蛋白酶是從耐熱微生物的培養(yǎng)基中分離出來的細(xì)胞外中性蛋白酶。它的功能也是切斷蛋白質(zhì)分子中的肽鏈切斷蛋白質(zhì)分子中的肽鏈，使之變成小分子多肽。嗜熱菌蛋白酶的肽鏈上有316個氨基酸殘基，含有一個Zn2+和四個Ca2+。分2+子中部有一條口袋形空腔，Zn就位于這個空腔內(nèi)。 2+ 晶體結(jié)構(gòu)表明，Zn 處于四配位狀態(tài)，與兩個組氨酸的咪唑氮原子、一個谷氨酸的羧基氧原子及一個水分子配位，這與羧肽酶2+2+A中Zn 的配位狀態(tài)十分相似。四個Ca中有兩個相距0.38 nm，另外兩個則距離較遠(yuǎn)。嗜熱菌蛋白酶的熱穩(wěn)定性非常好，在80

7、加熱2+一小時仍然保持一半活性，Ca是嗜熱菌蛋白酶具有較高熱穩(wěn)定性的因素之一。 第三節(jié) 碳酸酐酶 在沒有催化劑的情況下，CO2和HCO3-的轉(zhuǎn)換非常慢，而碳酸酐酶的存在可以使二氧化碳水合和脫水反應(yīng)的速度分別加快13000倍和25000倍。碳酸酐酶是已知金屬酶中催化轉(zhuǎn)換數(shù)最高的酶之一，它可以在2 ms內(nèi)使95%的CO2轉(zhuǎn)換為HCO3 CO2 + H2O = HCO3-，即 - + H+ 碳酸酐酶廣泛分布在動物的上皮細(xì)胞、胃黏膜、胰腺、紅細(xì)胞和中樞神經(jīng)等組織中，在植物、微生物體內(nèi)也存在，是最早發(fā)現(xiàn)的鋅酶。碳酸酐酶在紅細(xì)胞中的含量僅次于血紅蛋白。在哺乳動物的碳酸酐酶中，以人碳酸酐酶II、III和牛碳

8、酸酐酶II研究較多。 碳酸酐酶最重要的生理功能是催化二氧催化二氧化碳的水合作用化碳的水合作用。在人和動物體內(nèi)，由碳酸-酐酶催化CO2水合生成HCO3，當(dāng)HCO3隨血液循環(huán)到肺泡后，又由碳酸酐酶催化使之解離為CO2排出體外。此外，碳酸酐酶也可催化磷酸酯、羧酸酯、醛類等分子的水解。 碳酸酐酶的結(jié)構(gòu) 碳酸酐酶的分子質(zhì)量約為30 kDa，由單一肽鏈組成，包含約260個氨基酸殘基，每個酶分子含一個Zn(II)離子。人碳酸酐酶呈橢球形，分子中部有一個袋形空腔，深約2+1.5 nm，腔口寬約2.0 nm，Zn 就結(jié)合在這個空腔底部。 在碳酸酐酶的活性中心，Zn(II)由三個組氨酸殘基的咪唑氮原子和一個水分子

9、或氫氧根離子配位，形成一個畸變的四面體結(jié)構(gòu)。在配位原子附近的一個蘇氨酸和一個谷氨酸組成一個氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定His3ZnOH結(jié)構(gòu)，由兩個纈氨酸、色氨酸和亮氨酸構(gòu)成一個疏水口袋，其功能被認(rèn)為是將CO2固定在該疏水空腔內(nèi)，使His3ZnOH對CO2直接進(jìn)行親核進(jìn)攻。 碳酸酐酶中配位水分子的pKa值大約為6.8，對催化功能至關(guān)重要，如果將水分子從第四配位點(diǎn)取代，碳酸酐酶的催化活性會受到抑制。常見的碳酸酐酶抑制劑包括鹵素離子、羧酸根、酚、醇、咪唑、羧酸酰胺、硫酰胺、硫氰酸根等，這些分子或離子能不同程度地抑制碳酸酐酶的催化活性。 第四節(jié) 核酸酶 雙鏈DNA中的磷酸二酯鍵極其穩(wěn)定， 在25 、pH為7.0的水溶

10、液中，其半衰期 11長達(dá)10 a，因此磷酸二酯鍵的高度穩(wěn)定 性被認(rèn)為是核酸作為遺傳物質(zhì)的重要原因 之一。天然核酸酶能使磷酸二酯鍵水解速 1217度加快1010倍： ROPO(OH)OR + H2O = ROPO(OH)2 + ROH 一、堿性磷酸酯酶 堿性磷酸酯酶因?yàn)樗趐H為8時活性最大而得名，是結(jié)構(gòu)已表征的含鋅水解金屬酶之一，對它的研究非常多。堿性磷酸酯酶只催化磷酸酯的水解反應(yīng)： ROPO32- + H2O = ROH + HPO42- 而對磷酸二酯無催化作用。 2+ 堿性磷酸酯酶分子中含有一對Zn （相2+隔4 ?）和一個Mg（與雙核鋅相距57 ?）。兩個鋅離子中，一個鋅離子與兩個組氨酸

11、和一個天冬氨酸配位，而另一個鋅離子與一個組氨酸和兩個天冬氨酸配位。 雙核鋅單元構(gòu)成了堿性磷酸酯酶的催化活性位點(diǎn)，直接與底物的末端磷酸根基團(tuán)結(jié)合。堿性磷酸酯酶的底物通常是一個單酯，如硝基苯基磷酸酯。鎂離子與三個氨基酸殘基和三個水分子配位，它似乎不直接參與催化作用，而只是起到穩(wěn)定酶結(jié)構(gòu)的作用。 二、核酸酶P1 核酸酶P1是一種含有三個鋅離子的糖蛋白，其分子質(zhì)量約為36000 Da，其中碳水化合物含量大約占17，酶蛋白部分由270個氨基酸殘基組成，富含疏水氨基酸。 核酸酶P1的活性中心存在一個三鋅結(jié)構(gòu)，其中兩個Zn(II)通過一個天冬氨酸和一個水分子橋聯(lián)在一起，形成一個雙核中心（Zn1、Zn3）。Z

12、n1Zn3大約相距0.32 nm，而Zn2Zn1相距0.58 nm，Zn2Zn3相距0.47 nm。兩個水分子（W2和W3）與Zn2配位，一個水分子（W1）橋聯(lián)Zn1和Zn3。 所有三個Zn(II)在酶中均呈變形的三角雙錐五配位構(gòu)型，其中單核Zn(II)部位（Zn2）為酶的催化活性中心，而雙核Zn(II)部位（Zn1、Zn3）為酶的輔助催化中心，起維持結(jié)構(gòu)功能的作用。水分子W2在催化過程中可能起親核試劑的作用。 三鋅活性中心處于核酸酶P1中一個口袋形結(jié)構(gòu)的附近，該結(jié)構(gòu)只允許單鏈的RNA或DNA進(jìn)入，所以核酸酶P1只能催化單鏈的核酸，對堿基沒有特異性。 核酸酶P1具有兩種酶的活性： 一是磷酸二酯

13、酶活性，作用于RNA或DNA單鏈中的3,5 -磷酸二酯鍵，生成5,2 -核苷酸； 二是3,2 -磷酸單酯酶活性，分解單核苷酸或寡聚核苷酸中的3,2 -磷酸單酯鍵。 影響核酸酶P1催化活性的因素很多，主要有溫度、pH、金屬離子和一些有機(jī)試劑?？偟膩碚f，核酸酶P1的穩(wěn)定適用范圍比較廣，是一種熱穩(wěn)定酶，在4575都有催化活性。核酸酶P1的最適合pH因底物而異，一般在pH 58都有較強(qiáng)的活性，而且與溶液中的離子種類和離子強(qiáng)度有關(guān)。 第五節(jié) 鋅指蛋白 鋅指蛋白是最重要的一類DNA結(jié)合蛋結(jié)合蛋白白。一般鋅指蛋白含有多個結(jié)構(gòu)域，每個結(jié)構(gòu)域由3050個氨基酸組成，并具有多個半胱氨酸和多個組氨酸殘基，它們與鋅離

14、子配位形成類似于手指狀結(jié)構(gòu)，稱為“鋅指”結(jié)構(gòu)，含有鋅指結(jié)構(gòu)的蛋白稱為鋅指蛋白。 近20年來，已發(fā)現(xiàn)10多種不同種類的鋅指結(jié)構(gòu)，約占人類基因產(chǎn)物的1。鋅指蛋白存在于動物、植物和真菌中。鋅指結(jié)構(gòu)由多個半胱氨酸和（或）多個組氨酸組成，通過鋅離子形成四面體結(jié)構(gòu)。 C為Cys 半胱氨酸 H為His 組氨酸 不同種屬中典型鋅指的數(shù)目和相鄰鋅指間連接的長度有很大不同。鋅指不僅可結(jié)合于DNA和RNA，還能與DNARNA雜交體和其他鋅指蛋白結(jié)合，控制生物體中蛋白的轉(zhuǎn)錄和翻譯過程。 在鋅指蛋白中，鋅的地位是不可替代的，只有鋅指蛋白才具有選擇結(jié)合核酸的能力，脫鋅或用鐵、銅、錳、鈷、鎳等金屬離子置換鋅離子都將可能喪失

15、其功能。由于鋅提供的鏈間交聯(lián)以及鋅結(jié)合位點(diǎn)側(cè)面保守的疏水核使得鋅指蛋白能夠維持穩(wěn)定的折疊成螺旋結(jié)構(gòu)體系。鋅離子缺乏會導(dǎo)致鋅指結(jié)構(gòu)及其生理活性喪失。 一、鋅指蛋白的分類與結(jié)構(gòu)特征 根據(jù)鋅指結(jié)構(gòu)序列和功能的不同可以分為9大類。C2H2型鋅指是目前研究最多的鋅指結(jié)構(gòu)。 鋅指蛋白有不同的分類方法，下圖顯示的是根據(jù)鋅指的空間結(jié)構(gòu)不同所分成的8組不同的折疊群。每一個鋅指蛋白都應(yīng)該能夠從中找到相應(yīng)的歸類，其中前三個組群包含了大多數(shù)的鋅指。 二、與DNA、RNA的結(jié)合 鋅指能識別DNA主要是由于它的三維結(jié)構(gòu)，鋅指的DNA結(jié)合區(qū)域有著與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)互補(bǔ)的特殊的表面結(jié)構(gòu)，通常包含一個螺旋，能夠與DNA的主要溝

16、槽相吻合。 一個具有代表性的例子是鋅指蛋白Zif268與DNA雙螺旋的結(jié)合。Zif268蛋白含有3個鋅指結(jié)構(gòu)單元，每一個鋅指形成兩個折疊和一個螺旋，鋅指之間由接頭連接，折疊和螺旋以及接頭內(nèi)的氨基酸具有保守性。3個鋅指在蛋白內(nèi)串聯(lián)排列，并且具有相同的跨度與間隔。 Zif268蛋白的3個鋅指均結(jié)合到DNA雙螺旋的“大溝”內(nèi)，通過氫鍵與核苷酸的磷酸骨架結(jié)合包繞在DNA外圍，而DNA的構(gòu)象介于B型與A型之間，大溝依舊較寬并變深。由于一次螺旋運(yùn)動可使一個鋅指挪動3個堿基，使得相鄰鋅指以此形式疊加，從而導(dǎo)致相鄰鋅指間相隔3個堿基對的距離。 TFIIIA是第一個被發(fā)現(xiàn)的不僅能與DNA結(jié)合，而且還能與RNA結(jié)

17、合的鋅指蛋白。它含有9個串聯(lián)排列的鋅指，通過鋅指13與DNA結(jié)合，結(jié)合方式與Zif268類似。與其他鋅指蛋白不同，TFIIIA中的鋅指46不與DNA結(jié)合，而是形成一個開放延展的結(jié)構(gòu)，與RNA的核心區(qū)域結(jié)合。 近年來，用鋅指蛋白作為工具來調(diào)控哺乳動物特定基因的表達(dá)有較大發(fā)展。人們可以通過設(shè)計(jì)鋅指蛋白中的DNA結(jié)合區(qū)域來識別特定的DNA序列，如特定基因的啟動子序列。設(shè)計(jì)的大部分鋅指轉(zhuǎn)錄因子主要是C2H2型，因?yàn)镃2H2型鋅指的序列適用于識別很大范圍的特異的DNA序列。 第六節(jié) 鋅與健康 鋅與生物機(jī)體發(fā)育、骨骼生長、免疫機(jī)能、性發(fā)育及其功能、蛋白質(zhì)和核酸代謝、酶的活性等關(guān)系密切，并與多種疾病有關(guān)。

18、一、鋅對健康的重要作用 鋅是微量元素的一種,在人體內(nèi)的含量以及每天所需攝入量都很少,但對機(jī)體的性發(fā)育、性功能、生殖細(xì)胞的生成卻能起到舉足輕重的作用,故有“生命的火花”與“婚姻和諧素”之稱。 絕大部分組織中都有極微量的鋅分布,其中肝臟、肌肉和骨骼中含量較高。鋅是體內(nèi)數(shù)十種酶的主要成分，鋅還與大腦發(fā)育和智力有關(guān)。鋅有促進(jìn)淋巴細(xì)胞增殖和活動能力的作用,對維持上皮和粘膜組織正常、防御細(xì)菌、病毒侵入、促進(jìn)傷口愈合、減少痤瘡等皮膚病變,及校正味覺失靈等均有妙用。 此外，鋅與蛋白質(zhì)的合成，以及DNA和RNA的代謝有關(guān)。血細(xì)胞中二氧化碳的輸送，骨骼的正常鈣化，創(chuàng)傷及燒傷的愈合，胰島素的正常功能與體質(zhì)敏銳的味覺

19、等都需要鋅。 二、缺鋅的危害 鋅是種微量元素，對小兒而言，鋅間接地通過它對代謝起調(diào)節(jié)作用對代謝起調(diào)節(jié)作用，尤其是對蛋白質(zhì)的合成、生長因子的產(chǎn)生和分泌等環(huán)節(jié)發(fā)揮它對生長的影響。因此鋅缺乏時，生長所需要的這些環(huán)節(jié)便受到阻滯。黏膜和皮膚是代謝、更新極快的組織，缺鋅時可發(fā)生皮炎，皮膚損傷，且不易愈合，對黏膜影響表現(xiàn)為對味覺遲鈍、影響食欲甚至厭食，并有消化吸收異常，這些都會加重生長障礙。 鋅缺乏時全身各系統(tǒng)都會受到不良影響。其對青春期性腺成熟的影響更為直接。動物實(shí)驗(yàn)證實(shí),缺鋅的動物大腦發(fā)育不良。眼球的某些組織缺鋅,就會影響光化學(xué)過程,使視力變得不正常。 鋅又是胰島素的成分,胰腺里的鋅降為正常含量的一半時

20、,就有糖尿病的可能。嬰幼兒缺鋅，就會使含鋅酶活力下降，造成生長發(fā)育遲緩、食欲不振，甚至拒食。 男性缺鋅的危害更大： 正常人體中的鋅主要分布于人體的皮膚、肌肉、肝臟、頭發(fā)、唾液、指甲、前列腺、骨骼、紅細(xì)胞、和眼球（視網(wǎng)膜）等器官中，其中尤以肌肉、骨骼、皮膚的儲量最高。別看鋅在人體的含量還不足萬萬分之一，但它卻對人體健康和生殖生理功能密不可分，至關(guān)重要，特別是男子漢，更是絲毫也不允許有一點(diǎn)點(diǎn)或缺。 三、缺鋅的主要癥狀 1. 厭食：缺鋅時味蕾功能減退，味覺功能降低，食欲不振，進(jìn)食減少，消化能力也減弱； 2. 生長發(fā)育落后：缺鋅妨礙蛋白質(zhì)合成并造成進(jìn)食減少，影響小兒生長發(fā)育，嚴(yán)重者可有侏儒癥。缺鋅嚴(yán)重的小兒智能發(fā)育可能受到影響，甚至有精神障礙； 3. 青春期性發(fā)育遲緩； “ 青春痘”反復(fù)發(fā)作