生物无机化学8第七章 锌酶

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。
第四节
核酸酶
双链DNA中的磷酸二酯键极其稳定，
约含300个氨基酸残基，每个酶分子含有一
个Zn2+作为辅基。羧肽酶A主要催化蛋白质
或多肽的羰基末端肽键的水解反应。除了 脯氨酸之外，羧肽酶A能不同程度地催化具 有各种C末端氨基酸的肽链水解。此外，羧 肽酶A还能催化酯类水解。
X射线结构分析表明，羧肽酶分子呈椭
圆球形，在酶分子中部有一条狭长的空腔，
这是底物结合的位置。底物的C末端沿着这
第三节
碳酸酐酶
在没有催化剂的情况下，CO2和HCO3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CO2转换为HCO3-，即 CO2 + H2O == HCO3- + H+
C为Cys 半胱氨酸 H为His 组氨酸
不同种属中典型锌指的数目和相邻锌
指间连接的长度有很大不同。锌指不仅可 结合于DNA和RNA，还能与DNA－RNA 杂交体和其他锌指蛋白结合，控制生物体 中蛋白的转录和翻译过程。
在锌指蛋白中，锌的地位是不可替代的， 只有锌指蛋白才具有选择结合核酸的能力， 脱锌或用铁、铜、锰、钴、镍等金属离子置 换锌离子都将可能丧失其功能。由于锌提供 的链间交联以及锌结合位点侧面保守的疏水 核使得锌指蛋白能够维持稳定的折叠成螺旋 结构体系。锌离子缺乏会导致锌指结构及其 生理活性丧失。
第五节
锌指蛋白
锌指蛋白是最重要的一类DNA结合蛋
白。一般锌指蛋白含有多个结构域，每个
结构域由30～50个氨基酸组成，并具有多
个半胱氨酸和多个组氨酸残基，它们与锌 离子配位形成类似于手指状结构，称为 “锌指”结构，含有锌指结构的蛋白称为 锌指蛋白。
近20年来，已发现10多种不同种类的
锌指结构，约占人类基因产物的1％。锌 指蛋白存在于动物、植物和真菌中。锌指 结构由多个半胱氨酸和（或）多个组氨酸 组成，通过锌离子形成四面体结构。
核酸酶P1是一种含有三个锌离子的糖
蛋白，其分子质量约为36000 Da，其中碳 水化合物含量大约占17％，酶蛋白部分由
270个氨基酸残基组成，富含疏水氨基酸。
核酸酶P1的活性中心存在一个三锌结构，
其中两个Zn(II)通过一个天冬氨酸和一个水
分子桥联在一起，形成一个双核中心（Zn1、
Zn3）。Zn1－Zn3大约相距0.32 nm，而Zn2 －Zn1相距0.58 nm，Zn2－Zn3相距0.47 nm。 两个水分子（W2和W3）与Zn2配位，一个 水分子（W1）桥联Zn1和Zn3。
所有三个Zn(II)在酶中均呈变形的三
角双锥五配位构型，其中单核Zn(II)部位
（Zn2）为酶的催化活性中心，而双核
Zn(II)部位（Zn1、Zn3）为酶的辅助催化 中心，起维持结构功能的作用。水分子 W2在催化过程中可能起亲核试剂的作用。
三锌活性中心处于核酸酶P1中一个
口袋形结构的附近，该结构只允许单链 的RNA或DNA进入，所以核酸酶P1只能 催化单链的核酸，对碱基没有特异性。
在25 ℃、pH为7.0的水溶液中，其半衰期
长达1011 a，因此磷酸二酯键的高度稳定
性被认为是核酸作为遗传物质的重要原因 之一。天然核酸酶能使磷酸二酯键水解速 度加快1012～1017倍： ROPO(OH)OR’ + H2O == ROPO(OH)2 + R’OH
一、碱性磷酸酯酶
碱性磷酸酯酶因为它在pH为8时活性
以通过设计锌指蛋白中的DNA结合区域来识
别特定的DNA序列，如特定基因的启动子序 列。设计的大部分锌指转录因子主要是C2H2 型，因为C2H2型锌指的序列适用于识别很大 范围的特异的DNA序列。
椭球形，分子中部有一个袋形空腔，深约
1.5 nm，腔口宽约2.0 nm，Zn2+就结合在这
个空腔底部。
在碳酸酐酶的活性中心，Zn(II)由三个 组氨酸残基的咪唑氮原子和一个水分子或氢 氧根离子配位，形成一个畸变的四面体结构。 在配位原子附近的一个苏氨酸和一个谷氨酸 组成一个氢键网络稳定His3Zn－OH结构，由 两个缬氨酸、色氨酸和亮氨酸构成一个疏水 口袋，其功能被认为是将CO2固定在该疏水 空腔内，使His3Zn－OH对CO2直接进行亲核 进攻。
2、参与对基因表达的调控。锌与遗传物质
的相互联系是以蛋白质为基础的，并从不同 层面对基因表达调控起作用。锌可以稳定染 色质的结构，锌可以对DNA的复制、转录进 行调控；
3、锌对细胞凋亡具有双重作用，既可以抑
制细胞凋亡，又能够诱导细胞凋亡。
三、锌酶
在六大类金属酶（氧化酶、转移酶、 水解酶、裂合酶、异构酶、合成酶）中， 都包含有含锌酶，但以水解酶为主。
碳酸酐酶广泛分布在动物的上皮细胞、
胃黏膜、胰腺、红细胞和中枢神经等组织中，
在植物、微生物体内也存在，是最早发现的
锌酶。碳酸酐酶在红细胞中的含量仅次于血
红蛋白。在哺乳动物的碳酸酐酶中，以人碳
酸酐酶II、III和牛碳酸酐酶II研究较多。
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
分子多肽。嗜热菌蛋白酶的肽链上有316个 氨基酸残基，含有一个Zn2+和四个Ca2+。分 子中部有一条口袋形空腔，Zn2+就位于这个 空腔内。
晶体结构表明，Zn2+处于四配位状态， 与两个组氨酸的咪唑氮原子、一个谷氨酸的 羧基氧原子及一个水分子配位，这与羧肽酶 A中Zn2+的配位状态十分相似。四个Ca2+中有 两个相距0.38 nm，另外两个则距离较远。嗜 热菌蛋白酶的热稳定性非常好，在80 ℃加热 一小时仍然保持一半活性，Ca2+是嗜热菌蛋 白酶具有较高热稳定性的因素之一。
锌指能识别DNA主要是由于它的三维
结构，锌指的DNA结合区域有着与DNA双 螺旋结构互补的特殊的表面结构，通常包 含一个α螺旋，能够与DNA的主要沟槽相 吻合。
一个具有代表性的例子是锌指蛋白
Zif268与DNA双螺旋的结合。Zif268蛋白含
有3个锌指结构单元，每一个锌指形成两个
β折叠和一个α螺旋，锌指之间由接头连接， β折叠和α螺旋以及接头内的氨基酸具有保 守性。3个锌指在蛋白内串联排列，并且具 有相同的跨度与间隔。
第一节 第二节
概述 锌肽酶
第三节
第四节
碳酸酐酶
核酸酶
第五节
第六节
锌指蛋白
锌与健康
第一节
一、锌的化学功能
概述
Zn2+在锌酶或锌蛋白中主要发挥催化和
结构调控功能：
1、直接催化功能，这是Zn2+在锌酶中发挥 的最重要的功能，Zn2+可以催化酯键、肽键 等底物的水解；
2、间接催化功能，Zn2+活化与之配位的水 分子去质子，由配位的氢氧根对底物进行亲 核进攻； 3、共催化功能，酶的每个亚基中含有两个 或三个Zn2+，其中一个发挥催化功能，而另 一个发挥活性调节功能；
核酸酶P1具有两种酶的活性：
一是磷酸二酯酶活性，作用于RNA或DNA
单链中的3’,5’-磷酸二酯键，生成5’,2-核苷
酸； 二是3’,2-磷酸单酯酶活性，分解单核苷酸 或寡聚核苷酸中的3’,2-磷酸单酯键。
影响核酸酶P1催化活性的因素很多，
主要有温度、pH、金属离子和一些有机试 剂。总的来说，核酸酶P1的稳定适用范围 比较广，是一种热稳定酶，在45～75℃都 有催化活性。核酸酶P1的最适合pH因底物 而异，一般在pH 5～8都有较强的活性，而 且与溶液中的离子种类和离子强度有关。
一、锌指蛋白的分类与结构特征
根据锌指结构序列和功能的不同
可以分为9大类。C2H2型锌指是目前研
究最多的锌指结构。
锌指蛋白有不同的分类方法，下图显
示的是根据锌指的空间结构不同所分成的 8组不同的折叠群。每一个锌指蛋白都应 该能够从中找到相应的归类，其中前三个 组群包含了大多数的锌指。
二、与DNA、RNA的结合
Zif268蛋白的3个锌指均结合到DNA双
螺旋的“大沟”内，通过氢键与核苷酸的
磷酸骨架结合包绕在DNA外围，而DNA的
构象介于B型与A型之间，大沟依旧较宽并 变深。由于一次螺旋运动可使一个锌指挪 动3个碱基，使得相邻锌指以此形式叠加， 从而导致相邻锌指间相隔3个碱基对的距离。
TF－IIIA是第一个被发现的不仅能与
第七章
含锌酶和含锌蛋白
锌是生物体中第二丰富的过渡金属，在
生物学中的重要性仅次于铁，在生物体内几
乎都以Zn2+形式存在。Zn2+具有较强的吸引
电子的能力，是强的Lewis酸，可广泛地与 蛋白质中的某些氨基酸残基的咪唑氮原子、 巯基硫原子、羧基氧原子等配位生成配位数 低的键合中心。
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。
氨酸和一个天冬氨酸配位，而另一个锌离子 与一个组氨酸和两个天冬氨酸配位。
双核锌单元构成了碱性磷酸酯酶的催化
活性位点，直接与底物的末端磷酸根基团结
合。碱性磷酸酯酶的底物通常是一个单酯，