金属蛋白质和金属酶
金属蛋白质和金属酶第一节基本概念一、金属蛋白质广义角度说，凡需要金属离子参与才能发挥正常生物功能的蛋白质称为金属蛋白质。
酶也是一类蛋白质，有的酶需要金属离子参与才能完成其在生物体内的催化功能。
这类酶称为金属酶。
从广义定义，金属酶也属于金属蛋白质的范畴。
但是从功能说，金属酶又不能等同于金属蛋白质，它是金属蛋白质中的一部分。
还有一部分金属蛋白质，它们在生物体内不是起催化作用，而是承担其它方面的生物功能，它们大多数为载氧体以及金属、氨基酸、糖等营养物质的载体。
这部分金属蛋白质从功能上是与金属酶有所不同的。
本节所指的就是这部分蛋白质—我们称它为狭义的金属蛋白质。
二、酶、金属酶和金属激活酶酶可分为两类，单纯蛋白酶和结合蛋白酶。
单纯蛋白酶只含蛋白质，不含其它物质。
后者除含有蛋白质外，还含有其它物质，结合蛋白酶要比单纯蛋白酶复杂。
结合蛋白酶也称全酶，它由两部分组成：全酶== 酶蛋白+ 辅基（或辅酶）辅基和辅酶的概念有所不同，辅基与酶蛋白结合牢固，不易分离；而辅酶与酶蛋白结合松弛，用透析的方法既可使之分离。
被酶催化的物质称为底物。
酶与底物结合并发挥催化作用的部分称为活性中心。
每种酶的活性中心都是固定的，它由蛋白质分子中小部分肽链片段和一些氨基酸残基的功能基团组成，这些基团称为必需基团。
但必需基团并不一定是活性中心，在活性中心以外的区域，也有不和底物直接作用的必需基团，这些基团可能与保持活性中心的空间构型有关。
在整个酶蛋白分子中，活性中心只占其中很小的组成部分。
但酶蛋白分子的大部分肽链结构并不是无用的，它们缠绕卷曲的结果起到保护活性中心的作用，为活性中心提供一个发挥催化功能的有效空间环境。
生物体内1000多种酶中，有1/4~1/3需要金属离子参与才能完成它们的催化功能。
根据酶对金属亲合力的大小，可将酶划分为金属酶和金属激活酶，金属酶的酶蛋白与金属离子结合的比较牢固，已成为酶分子的一个不可分离的组成部分。
即使在催化过程中，两者之间也保持一定的比例关系。
金属激活酶与金属离子的结合就不如金属酶牢固，经提纯的酶不含金属，需要加入金属离子才有活性。
第二节金属、酶和底物的结合形式一、结合的基本模式在金属酶、金属激活酶的催化过程中，金属(M)、酶(E)和底物(S)形成中间产物的结合形式有三种.1.形成金属桥（E-M-S）是由金属离子将酶和底物桥连在一起，形成金属桥可能有两种途径：EE—M E—M—S（简单金属桥配合物）（环状金属桥配合物）（2）形成酶桥（M-E-S）是由蛋白酶将金属离子和底物桥连在一起，形成酶桥化合物可能有两种途径：E M—E M—E—SE E—S产物只有一种，称为酶桥配合物。
（3）形成底物桥(E—S—M)E E—S E—S—M对金属酶，在催化过程中，始终保持E-M这种结合形式，金属酶可能形成金属桥配合物和酶桥配合物，而不可能形成底物桥配合物。
对于金属激活酶来说，酶蛋白与金属离子的结合是疏散的，既可以形成金属桥和酶桥配合物，也可以形成底物桥配合物。
金属、酶和底物以金属桥形成混配配合物的情况比较普遍，其形成混配配合物可能有两种形式。
当金属离子与酶蛋白结合后，便形成活性中心的组成部分，由于其配位层未充满，便留下一个或几个可与底物结合的位置，形成一个受限制的活性中心，允许那些能够满足这些结构条件的底物结合上去。
就形成E-M-S 类型的中间配合物。
另一种方式是处于活性中心部位的金属离子的一个配位基（或配位体）被底物基团取代，也可形成E-M-S类型中间产物。
二、金属、酶和底物结合形式的判断对于金属酶或金属激活酶，在判断它们是属于那一种结合形式时，最常用的方法是“结合实验”。
该方法是在除去金属离子的情况下，观察酶与底物的结合情况，并与上述各种结合形式对比。
对于E-M-S类型，若没有M存在E就不能与S结合；对于环状金属桥配合物类型，若没有M时，则E和S的结合就不如有M存在时那样牢固；而对于M-E-S类型，由于M和S都是各自与E直接连接，所以即使没有M，E-S结合的强度也不会有太大的变化；在E-S-M类型中，若去掉S，M就不与E结合，若去掉E，S仍然能于M结合。
因此通过实验求得生成常数或解离常数，并结合如上分析，就可以推断酶的结合形式。
三、金属离子对酶功能的影响（1）在酶促反应中，金属离子、酶和底物若以酶桥连接起来，金属离子所起的作用是使酶的活性中心位置发生变化，或是增加酶的活性，使其便于与底物结合。
（2）当金属离子、酶和底物通过金属桥结合时，金属离子起桥梁作用。
它使酶和底物相互接近，把反应基团引导到正确位置上，以利于底物与酶的活性中心的某些基团结合。
（3）金属离子可促使酶和底物形成具有互相匹配的空间构象，以利于它们结合成中间产物。
（4）金属离子的正电荷还可以屏蔽、中和底物的某些部位的负电荷，或改变酶蛋白的电荷分布，以利于酶和底物的结合，使酶促反应顺利进行。
（5）金属离子可以起到传递电子的作用，使酶促反应有控制的分步进行。
第三节酶的作用机理简介一、锁钥学说—刚性模板模式琐钥学说最早是由提出的。
这种学说把酶和底物的结合的专一性理解为锁和钥匙关系，认为酶分子像一把锁，底物像一把钥匙。
当酶和底物的空间构象正好能相互完全弥合时，它们便有效地结合，并发生催化作用。
这种作用过程，就像一把钥匙开一把锁一样，只有钥匙的形状和锁簧正好互相弥合时，钥匙才能将锁打开。
琐钥学说能很好地解释一些酶对底物催化作用的高度选择性。
二、诱导契合学说—挠性模式实验证明，许多酶在催化底物反应的过程中，在与底物结合前和结合后，其空间构象会发生变化。
一些学者提出了其它模式。
其中比较有用的是诱导契合学说。
该学说认为。
酶的空间构象（主要是活性中心部位的空间构象）和底物的空间构象，特别是结合基团所处的空间位置，在它们结合以前并不是互相弥合得很好。
但它们以一个结合点结合后，会引起其它结合点的空间位置发生变化，使它们能与底物的对应部分充分结合。
也就是说，酶的结合部位的构象只是与底物结合部位的构象大体相符，在结合的过程中经过调整酶的空间构象使之与底物完全弥合。
既经过诱导—空间的构象改变—契合这样一个连续过程。
锁钥学说与诱导契合学说的本质区别在于，前者认为酶的构象是始终不变的，既活性中心被假设为预先定形的，像锁一样具有刚性；后者认为酶的活性中心是挠性的，具有可变性，刚中有柔。
第四节酶促反应的动力学性质生物体内的酶除了具有在催化功能上的高度专一性和选择性等特点外，在催化动力学方面也表现出显著的特点。
一、酶浓度对酶促反应速度的影响假定底物浓度为饱和，而影响酶促反应的反应速度的其它因素为一定值时，研究表明，酶的反应速度与其浓度成正比。
二、底物浓度对对酶促反应速度的影响大量的研究结果表明，当酶的浓度不变，而底物的浓度很小时，随底物浓度的增加，反应速度急剧增加；随后，随底物浓度的增加，反应速度的增加逐渐减缓；当底物浓度达到一定程度后，反应速度几乎不受底物浓度的影响，而逐步趋于恒定。
上述的变化可用酶的活性中心学说作出解释。
当底物浓度低时，酶的活性中心没有全部与底物结合，反应速度随底物浓度的增加而加快。
当底物浓度增加到能全部占据酶的活性中心位置时，反应速度应为最大值。
此后由于酶的活性中心已全部为底物所完全占据，既是继续增加底物的浓度，反应速度也不可能进一步提高。
三、温度对酶促反应速度的影响温度是影响化学反应速度的一个重要因素，对于一般化学反应来说，温度变化对其反应速度影响规律是：温度升高，化学反应速度加快；温度降低，化学反应速度减慢。
酶催化的化学反应在一定程度上也遵循这个规律。
但由于酶是蛋白质，随温度的升高蛋白质的变性速度加快，致使反应速度减慢或最终使酶完全失去活性。
实验证明，在酶促反应中，提高温度可同时引起完全相反的两种后果，其一是加快反应速度；其二是使酶逐渐失去活性。
温度较低时，前者的影响占主导地位，其总体作用表现为反应速度随温度升高而加快；随温度逐渐升高，酶蛋白的变性作用逐渐加强，并逐渐上升为重要矛盾，其后果是随酶的有效浓度的减小，反应速度也相应减慢。
这两种相反作用的必然结果是，在一定的温度范围内，有一个最大的酶促反应速度，这一温度范围称为酶促反应的最适温度。
酶的活性虽然受温度降低的影响，但低温并不会使酶受到破坏，当温度升至适宜范围酶的活性又会恢复到正常状态。
四、pH值对酶促反应速度的影响酶的蛋白链上存在许多酸性基团（如羧基）和碱性基团（如氨基）。
这些游离基团的状态受到溶液酸碱性的影响，从而影响酶在催化反应过程中与底物结合的性质和能力。
只有在一定的pH值范围内，酶才表现出良好的催化活性，这个范围称为最适pH值。
几乎所有的酶所要求的范围都是比较狭窄的。
体系中的值高于或低于这个范围，酶的活性都要受到影响而降低，甚至完全失活。
五、抑制剂对酶促反应速度的影响许多物质可以降低酶的活性，有的甚至能使酶完全失活，这些物质就是酶的抑制剂。
如强酸、强碱、重金属、药物、有毒物质等。
1.不可逆抑制这种抑制具有永久性，它是由抑制剂与酶的活性中心的活性基团形成牢固结合，从而使酶的活性中心的功能遭到破坏而引起的。
2.可逆抑制（1）竞争性抑制竞争抑制的特点是可以通过增加作用物的浓度而减小甚至消除抑制作用。
（2）非竞争性抑制非竞争性抑制是不能通过增加作用物浓度而减小抑制的。
这类抑制剂作用的部位不是酶的活性中心，通常与活性中心以外的巯基或其它基团结合。
这些基团虽然并不处于活性中心位置，当它们对维持酶分子的空间构型起重要作用，可为底物与酶的活性中心充分结合提供一个有利的空间环境。
非竞争性抑制剂由于影响了酶分子空间构型而使酶的活性受到抑制。
在这个过程中，抑制剂并没有同底物发生竟争活性中心的作用。
六、酶活剂对酶促反应速度的影响有些酶在细胞内合成或初分泌时，无催化活性。
这种无活性的酶称为酶元。
酶元在一定的条件下能被激活成具有催化活性的酶，能使酶元激活的物质有多种，无机离子往往是一种重要的酶的激活剂。
金属离子对酶的激活作用是由于金属离子与酶结合形成E–M的形式，在催化过程中易与底物形成金属桥复合物E–M–S，因此更有利于底物与酶活性中心的催化基团及结合基团相结合，从而提高了酶的活性。
第五节常见的金属蛋白质和金属酶随着研究工作的深入，在生物体内发现的金属蛋白质和金属酶的种类越来越多。
它们在生物体内承担重要的生物功能。
目前发现的金属蛋白质和金属酶主要集中于Fe、Cu、Zn、Mn、Mo、Co等元素。
这里先简单介绍Cu、Mn、Mo、Co等几种元素的金属蛋白质和金属酶，与Fe、Zn有关的金属蛋白质和金属酶将在后面有关章节中介绍。
一、铜蛋白及酶在生物体内的微量金属元素中铜的含量较高，仅次于铁和锌。
生物体内的铜大多数与蛋白质和酶结合在一起，主要参与以下生命过程：（1）氧的运输（2）电子传递（3）氧化还原（4）加氧反应二、钼蛋白及酶钼是必需元素中唯一属于第二长周期的过渡金属元素。
生物无机化学简介
金属蛋白和金属酶：
蛋白质
简单蛋白
结合蛋白
(简单蛋白 + 非蛋白部分) 含金属离子
金属蛋白
血红蛋白(氧载体), 蓝铜蛋白和铁硫蛋白(电子传递体)。
金属酶是一类具有特殊催化功能的一类蛋白, 它是生物
体内十分温和条件下完成化学变化的催化剂, 酶催化的
特点是: 高效和高选择性.
20
21
22
载氧蛋白
2O2- + 2H+ H2O2 + O2
X-射线结构分析证实: Cu(II)的配体为4个组氨酸残基和水分子, 而Zn(II)离子由3个组氨酸和一个天冬氨酸残基配位, 形成变形四 面体, 其中, His-61的咪唑基是Cu(II)和Zn(II)的桥联配体. 采用取 代活性中心离子的实验方法证实: Cu(II)离子是催化中心, Zn(II) 离子只起次要的结构作用.
5. 研究金属离子与生物配体所形成的配合物, 或人工合成某些模拟化合物, 揭示结构, 性质 与生物功能之间的关系.
2
生物配体: 在生物体中可与金属离子形成具有一 定生物活性的分子或离子的物质称为生物配体. 它大体上包括下列三类:
1). 简单酸根离子, 如: Cl-, HCO3-, HPO42-等. 2). 简单分子, 如水, 氧, 羧酸, 碳水化合物及其衍
生物. 3). 复杂的生物大分子, 如: 氨基酸, 卟啉,核苷酸,
蛋白质, 核酸等, 分子量可大可小, 配位原子 一般为N, S, O等. 主要为第二和第三类配体.
3
氨基酸、肽、蛋白质
组成蛋白质的基本单元是氨基酸， 不同的蛋白质分子 是由20多种－氨基酸构成的， －氨基酸可用如下通 式表示，不同的氨基酸只是R-取代基不同。
基质金属蛋白酶 识别位点
基质金属蛋白酶识别位点全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：基质金属蛋白酶是一类重要的蛋白水解酶，具有广泛的生物学功能，参与细胞信号传导、细胞凋亡、生长因子的处理等多个生物过程。
基质金属蛋白酶通过特定的识别位点来识别和切割底物蛋白，其活性和底物的结合受到这些识别位点的影响。
本文将探讨基质金属蛋白酶的识别位点的特点及其在蛋白水解中的作用。
基质金属蛋白酶主要分为三个家族，包括MMP家族（基质金属蛋白酶）、ADAM家族（金属蛋白酶，TACE）以及ADAMTS家族（胶原蛋白酶）。
这些家族在底物识别和水解的方式上略有不同，但都需要通过识别位点来与底物蛋白结合并进行水解。
识别位点是一段特定的氨基酸序列，在底物蛋白中具有较强的保守性，基质金属蛋白酶通过与识别位点的结合来确定底物的切割位置。
基质金属蛋白酶的识别位点通常包括一个受氨基酸序列和一个特定的酶切位点。
受氨基酸序列是指位于识别位点周围的氨基酸序列，这些氨基酸在与基质金属蛋白酶结合时起到辅助作用。
酶切位点是指在受氨基酸序列和底物蛋白之间的具有特殊功能的氨基酸，基质金属蛋白酶在识别位点与酶切位点结合后进行切割。
不同的基质金属蛋白酶具有不同的受氨基酸序列和酶切位点，这也决定了它们的底物特异性。
基质金属蛋白酶在识别位点与底物蛋白结合后，通过底物蛋白的构象变化来促进水解反应的进行。
一般来说，底物蛋白在与基质金属蛋白酶结合时会发生构象变化，使得酶切位点更容易被基质金属蛋白酶识别和切割。
这种构象变化是基质金属蛋白酶与底物蛋白结合的关键步骤，也是水解反应进行的前提。
第二篇示例：基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinase，MMPs）是一类在许多生物学和病理学过程中起关键作用的蛋白酶。
它们参与细胞外基质的降解和重塑，促进组织的发育和修复，同时也在许多疾病的发生和发展中扮演重要角色。
识别基质金属蛋白酶的底物位点对于研究其功能和生物学效应至关重要。
本文将就基质金属蛋白酶的识别位点展开讨论，以帮助读者更好地理解这些重要的酶类的作用机制。
天然金属酶-概述说明以及解释
天然金属酶-概述说明以及解释1.引言1.1 概述天然金属酶是生物体内一类具有催化功能的蛋白酶，其催化活性依赖于金属离子作为辅助因子。
金属酶广泛存在于各个生物体中，包括细菌、真菌、植物和动物等。
与其他酶相比，天然金属酶具有独特的结构和催化机制，因此在生物体的代谢和生物转化过程中起着重要的作用。
天然金属酶可以利用金属离子的活化性质，高效地催化各种生物化学反应，例如氧化还原反应、水解反应、水合反应等。
金属酶通常包含一个或多个金属离子，这些离子通过与酶的氨基酸残基相互作用，形成稳定的配体配位结构。
金属离子与酶的蛋白质结构相互配合，实现对底物的选择性识别和催化反应的高度特异性。
天然金属酶的分类和功能非常多样化。
根据金属离子的种类和数量，可将天然金属酶分为单金属酶和多金属酶两大类。
单金属酶中仅含有一种金属离子，如铁、铜、锌等；而多金属酶则同时含有多种金属离子，如铜锌超氧化物歧化酶和镍铁氢酶等。
这些金属酶在生物体的代谢过程中扮演着不可替代的角色，参与了很多重要的生物学功能，如呼吸过程、DNA 修复、光合作用等。
天然金属酶的研究对于理解生物体的催化过程、药物开发和环境保护等方面具有重要意义。
在未来的研究中，需要进一步探索和解析金属酶的催化机制、结构和功能关系，以及其在疾病治疗和生物工业生产中的应用潜力。
对于开发新的金属酶模型和催化剂，有助于设计和优化具有高效催化能力的人工酶，推动生物催化领域的发展。
1.2文章结构文章结构可以帮助读者更好地理解文章的内容和逻辑结构。
文章的结构一般由引言、正文和结论三部分组成。
在本文中，文章结构如下所示：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 金属酶的定义和特点2.2 天然金属酶的分类和功能3. 结论3.1 天然金属酶的重要性3.2 未来研究方向在引言部分后面，正文是本文的主要部分。
其中，2.1节将介绍金属酶的定义和特点，包括它们的基本概念和独特的特性。
优选生命体系中的配位化学
（3） 配位体桥配合物(E—S—M)：是由底物将金属离子和酶桥连在一起，底物直接与酶 的活性部位结合，而金属离子只与底物结合，没有与酶直接结合。
脱氧蛋白的金属氧 化态
Fe（II）
Fe（II）
Fe（II）
Cu（I）
载②氧不蛋含白化血的态红金素属的氧铁蛋白Fe，（如II）蚯蚓血红F蛋e（白II（）hemeryFthe（rinI）II）；
Cu（II）
③金含属铜键的合蛋部白位，如血蓝卟蛋啉白。
性的生物大分子配体，其具有多个配位部位。金属离子与其配位是多 个配位部位相互竞争的结果。这种配位不同于一般的配位，称之为 “变形配位”，这对金属酶的催化活性起了很重要的作用。
生物大分子具有高级结构，其弯曲、折叠在组成金属离子的配位 环境方面和反应中心附近的微环境形成于改变方面都起着决定性的作 用，致使金属酶具有构象的可变性，这是金属酶具有高效催化特性和 高度专一性的根本原因。
金属、酶和底物的结合形式
• 结合的基本模式 ：金属——M 酶——E 底物——S
（1） 金属桥配合物（E-M-S）：以金属为桥结合有两种结合方式，一是金属离子先与酶的 活性部位结合，然后再与底物结合，酶与底物不直接结合；二是金属离子、底物、酶 两两结合形成环形复合物，首先与酶结合的可以是金属离子也可以是底物。
• • 分类： •
按功能分
金属酶：金属酶的酶蛋白与金属离子结合
的比较牢固，已成为酶分子的一个不可分 离的组成部分。
金属激活酶：金属激活酶与金属离子的
金属离子及其配合物在生物体中的作用
金属离子及其配合物在生物体中的作用摘要：近几十年来，配位化合物的研究得到了很好的发展，并且在许多领域中有机金属配合物已得到广泛的应用，从化工、石油企业中所用的有机配合物催化剂、分析化学测定中用的金属配合物、环境污染物处理中的重金属络合剂等到近年来先后开辟的许多新的领域，如：大环配位化合物、超分子配合物、功能性配合物等等。
特别是在生命科学和药物化学领域，从机体组织构成、生长发育到能量和物质的新陈代谢、生物和神经信号的传递等许多生命活动中金属离子都起到了至关重要的作用。
配位化学的渗入促进了这些学科的发展，引起了药物研究者、化学工作者的深切关注。
关键词：金属配合物、生理生化作用、生物配体、元素、卟啉、酶生物体中的许多金属元素都是以配合物的形式存在的。
如血红素就是铁的配合物，它与呼吸作用有密切关系。
叶绿素是镁的配合物，是进行光合作用的关键物质。
目前证明对人体有特殊生理功能的必需微量元素有Mn ，Fe ，Co ，Mo ，I ，Zn 等；以及微量必需元素V ，Cr ，F ，Si ，Ni ，Se ，Sn 等,它们都是以配合物的形式存在于人体内的。
有些必要的微量元素是酶和蛋白质的关键成分（如Fe ，Cu ，Zn 等），有些参与激素的作用(如Zn 参与促进性腺激素的作用，Ni 促进胰腺作用)；有些则影响核酸的代谢作用（如V ，Cr ，Ni ，Fe ，Cu 等）。
最近人们已普遍注意到各种金属元素在人体和动植物内部起着很重要的作用。
如各种酶分子几乎都含有以配合物形态存在的金属元素，它们控制着生物体内极其重要的化学作用。
一、 人体内的生命必需元素及生物配合物（一）人体内的生命必需元素在人体内，含量大的、主要的元素即宏量元素有十一种:氧、碳、氢、氮、钙、硫、磷、钠、钾、氯、镁。
其中前四种元素的含量约占人体总重量的96%，后七种元素约占3.95%，这十一种元素占了”99.95%。
剩下的50种左右的元素只占人体总重量的0.05%，称为微量元素。
金属蛋白酶和金属内肽酶
金属蛋白酶和金属内肽酶金属蛋白酶和金属内肽酶是两类重要的酶类蛋白质，在生物体内起着关键的催化作用。
它们都依赖于金属离子的辅助，具有高度的催化活性和特异性。
本文将分别介绍金属蛋白酶和金属内肽酶的特点和功能。
一、金属蛋白酶金属蛋白酶是一类需要金属离子参与催化反应的酶。
它们通过金属离子的配位作用来实现催化反应的加速和特异性。
金属蛋白酶中最常见的金属离子有锌、铁、铜等。
这些金属离子与酶中的特定氨基酸残基相互作用，形成桥接和配位键，从而稳定酶的结构和活性。
金属蛋白酶可以催化多种重要的生物学过程，如消化、代谢、信号传导等。
其中，锌蛋白酶是最常见的一类金属蛋白酶。
锌蛋白酶通过与锌离子的结合来实现催化反应。
锌离子的配位作用使得酶的催化中心形成了一个稳定的三维结构，从而能够高效地催化底物的转化。
锌蛋白酶在细胞中起着重要的调控作用，参与了细胞凋亡、DNA 修复、信号转导等关键生物过程。
除了锌蛋白酶，铁蛋白酶也是一类重要的金属蛋白酶。
铁蛋白酶通常包含一个或多个铁原子，通过与氧分子的结合来催化氧化反应。
铁蛋白酶在细菌和真核生物中具有广泛的存在，并参与了细胞呼吸、DNA合成等重要生物过程。
二、金属内肽酶金属内肽酶是一类依赖于金属离子的催化剂，能够催化蛋白质内肽键的水解反应。
金属内肽酶主要包括金属内肽酶A和金属内肽酶B 两类。
金属内肽酶A主要依赖于锌离子的辅助，而金属内肽酶B则依赖于其他金属离子，如镁、锰等。
金属内肽酶在细胞中起着重要的调控作用，参与了蛋白质的降解和代谢。
金属内肽酶能够识别和切割蛋白质中的特定序列，从而调控蛋白质的结构和功能。
这些蛋白质的降解对于维持细胞内的蛋白质平衡和废旧蛋白质的清除具有重要意义。
金属内肽酶的催化机制涉及金属离子的活化和配位，以及与底物的相互作用。
通过金属离子的辅助，金属内肽酶能够降低底物的反应能垒，从而加速水解反应的进行。
总结：金属蛋白酶和金属内肽酶是两类重要的酶类蛋白质，在生物体内起着关键的催化作用。
金属离子对蛋白质的折叠、识别、自组装及功能的影响
ｐ ｏ ｅｎ ＤＮＡ ／ ｒ ｔ ｉ— ＲＮ Ａ ｎ ｉｍ ａ ｒ ｍ ｏ ｃ ｌ ｒｃ ｏ ｓ ｌ ｋ ｎ ｎ ｇ ｒ ｇ ｔｏ ｔ ｔ ｓ ａ ｄ ｂｏ ｃ ｏ ｌ ｕ ａ ｒ ｓ —ｉ ｉ ｇ ａ ｄ ａ ｇ ｅ ａ ｉ ｎ ｓ ａ ｅ ． ｎ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ ｄ ｍ ｅ ａ ｏｎｓ； Ｔ Ｍ ＳＭ ； ｐｒ ｅ ｎ ｆ ｄｉ ｔ ｌｉ ｏｔ ｉ ｏｌ ｎｇ； ｒ ｃ ｎｉｉ ；ｓ ｌ— ｓ ｅ ｂｌ ｅ ｏｇ ｔｏｎ ｅｆａ ｓ ｍ ｙ
在 所 有 已 发 现 的 蛋 白 质 中 ， 三 分 之 一 以 上 必 有 须 以 金 属 离 子 或 金 属 结 合 部 位 作 为 辅 因 子 。 金 属 蛋
氨 基 酸侧 链 间存 在 着各 种 弱 相互 作 用 ， 疏 水 、 如 氢
键 、 电 作 用 和 ｖ ｎ ｄ ｒＷ ａ ｌ 静 ａ ｅ ａｓ力 等 ， 此 金 属 部 位 因 对 蛋 白 质 的 折 叠 具 有 显 著 影 响 。 如 血 红 素 不 仅 是 细
蒋 明 沈 涛 徐 辉 碧 刘 长 林 一
（ 中科 技 大 学 化 学 系 武 汉 ４ ０ ７ ） 华 ３ ０ ４ 摘 要 金 属 离 子 不 仅 影 响 金 属 蛋 白 的 空 间 结 构 ， 与 生 物 大 分 子 的 识 别 、 还 自组 装 等 性 质 和 生 物 功 能 密
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第 １ ４卷 第 ４期
２ ０ 年 ７月 ０２
化 学 进
展
Ｊ ｌ ｕ ｙ，２ ０ ０ ２
ＰＲＯＧ ＲＥＳ Ｎ Ｓ Ｉ ＣＨＥＭ Ｉ ＴＲＹ Ｓ
金 属 离 子 对 蛋 白质 的 折 叠 、 别 、 识 自组 装 及 功 能 的 影 响 ＊
关 键 词 金 属 离 子 Ｉ Ｓ ＇ Ｍ 折 叠 识 别 Ｍ 自组 装 中 图 分 类 号 ：０６ ４； ｌ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：ｌ ０ — ８ Ｘ （ ０ ２ ０ — ２ ３ｌ ｌ Ｑ５ ０ ５２ ｌ ２ ０ ）４０ ６ 一０
生物中的金属离子的作用和应用
生物中的金属离子的作用和应用金属离子在生物体系中具有重要的作用，它们能够参与到很多生理过程中，如DNA复制、蛋白质合成、代谢以及信号传导等，因此对金属离子的了解，对于理解生物体系的功能和机制具有重要的意义。
一、金属离子在DNA复制中的作用DNA是生物体内最重要的遗传物质，DNA的复制过程中需要许多金属离子的参与，其中最重要的是镁离子。
镁离子是DNA复制反应中的催化剂，它参与到聚合酶的催化反应中，使得聚合酶能够准确地复制DNA分子。
此外，还有其他的金属离子如钾离子、锌离子等也参与到DNA的复制中。
二、金属离子在蛋白质合成中的作用在蛋白质合成过程中，许多金属离子的参与也是不可或缺的。
其中最为重要的是铁离子和铜离子。
铁离子是血红蛋白的成分之一，在体内的氧气传递过程中起到了关键的作用。
铜离子则参与到酰胺酶的催化反应中，使得酰胺酶能够催化蛋白质的合成。
三、金属离子在代谢中的作用代谢是指生物体内的物质转化过程，其中也需要许多金属离子的参与。
例如，锌离子是氨基酸的代谢过程中必需的金属离子，锌离子可以参与到氨基酸的催化转化过程中，促进氨基酸的代谢过程。
镁离子则参与到体内ATP分解的反应中，促进能量的释放并参与细胞的生理过程。
四、金属离子在信号传导中的作用金属离子在生物体系的信号传导中也扮演着重要的角色。
其中最为重要的是钙离子。
钙离子是细胞内信号转导的重要组成部分，它能够参与许多细胞内的生理过程，如细胞的增殖、细胞分化、细胞凋亡等。
五、金属离子的应用除了在生物体系中的作用外，金属离子在医学和工业上也有许多应用。
例如，铂离子是一种重要的化学药品，它能够被用于癌症的治疗。
铁离子则在制造钢铁和其他合金中有着重要的作用。
此外，在环保和农业上也有一些金属离子应用的案例。
例如，镉离子能够用于水的净化，使得水中的有害物质被除去。
锌离子则被用于磷肥的制造，使得植物的生长能够得到有效的促进。
综上所述，金属离子在生物体系中具有着重要的作用，在生物体系的功能和机理中发挥着不可替代的作用。
金属组学_研究生命体系中金属离子的前沿交叉学科
中国科学B辑:化学 2009年 第39卷 第7期: 590~606 590 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS金属组学：研究生命体系中金属离子的前沿交叉学科葛瑞光①②†, 陈卓②†, 孙红哲①*①香港大学化学系化学生物学开放实验室, 香港;②中山大学生命科学学院整合生物学研究室, 广州 510006* 通讯作者, E-mail: hsun@hkucc.hku.hk† 同等贡献收稿日期：2009-01-21; 接受日期：2009-03-16摘要金属组学是一门新兴的前沿交叉学科, 是对若干涉及金属相关生命过程的分子机制以及对细胞与组织内全部金属离子和金属配合物进行综合研究的学科. 在金属组学中, 生命体系中所有的金属蛋白质、金属酶以及其他含金属的生物分子统称为金属组, 这个概念与基因组学中的基因组和蛋白质组学中的蛋白质组相类似. 本文对金属组学中涉及的若干概念进行阐述, 并将着重介绍金属组学中的研究技术和方法, 特别是“组和技术”, 即把一种高分辨率分离技术如凝胶电泳/激光切除、色谱或者毛细管电泳与一项高灵敏度检测方法, 如电感耦合等离子体质谱、电喷雾电离质谱、基质辅助激光解吸附质谱或者X射线荧光/吸收光谱联合起来. 并重点分析了这些方法的优缺点以及在分离鉴别金属蛋白、磷酸化蛋白以及硒蛋白、确定金属蛋白的结构与功能的关系和医药中的金属药物活性抗药性方面的研究中的应用. 关键词金属组学金属组金属药物金属蛋白化学物种1引言尽管矿物元素在自然界中只是痕量存在, 但它们在生物体系的生理和病理中起到十分重要的作用. 至少有20种矿物元素, 例如铁、铜、钴、钼、硒和锌, 是生命必需的元素; 有些元素, 例如镉、汞和铅, 是潜在的毒素, 这类元素在细胞内的浓度必须得到精确的控制[1]. 据估计, 每三个蛋白质中, 就有一个需要一种金属离子(通常为过渡金属离子, 比如铜、铁、锌或钼)作为协同因子来完成催化、调节或者结构功能,因此这种蛋白质被称为“金属蛋白质(metalloprotein)”[2]. 某些金属蛋白质, 比如金属硫蛋白(metallothionein), Hpn(一种幽门螺杆菌中的镍结合蛋白)和铁蛋白(ferritin)对于细胞内的金属动态平衡和解毒过程起到决定性作用[3~5]; 金属伴侣蛋白(metallochaperone)保护并且协助金属酶(metalloenzyme)的功能化[6,7]; 某些金属蛋白质, 比如Fur(ferric uptake regulator)、PerR(peroxide regulator)、MtsR(metal transport repressor)和NikR(nickel respon- sive regulator)调控细胞内金属离子浓度和输运[8,9]; 金属酶催化特定的酶反应, 比如核酸合成、代谢、抗氧化等. 因此, 化学元素分析成为诸多领域, 如生物化学、生物学、药学、药理学、营养学、农学和环境科学等中的重要学科, 并被广泛地发展, 以便在分子层次上了解其对生物的重要性和毒性[10,11].随着1995年第一个生命体的基因组被测序[12], 特别是2000年人类基因组的完成[13,14], 生物学中各中国科学 B 辑: 化学 2009年 第39卷 第7期591类“组学(omics)”得到长足的发展. 组学着眼于利用大通量分子分析技术来研究生命体系中的一个特定组分, 其中比较常见的是基因组学和蛋白质组学, 前者侧重于生命体系的全基因序列的测定, 而后者研究细胞、组织和器官中蛋白质的分布、结构、功能和相互作用[15]. 目前在高通量样品分离技术, 特别是软电离质谱的长足发展, 使得系统生物学中蛋白质组的表征成为可能[16~18].“金属组(metallome)”特指对于细胞或者组织中所有的金属离子组分的研究, 例如元素分布、自由金属离子的平衡浓度或者在某个组织、细胞和器官中的自由元素的组成[19~21]. 对于金属组的研究, 以及金属组与基因组、转录组、蛋白组和代谢组的关系被称为“金属组学(metallomics)”[22]. 对于金属组学的研究, 通常需要特定的分析手段, 以完成体内分布、识别、量化, 体外功能分析和生物信息学的预测(图1)[21]. 因此金属组学是一门跨学科的, 致力于全面系统生物体系中金属离子的转运、利用和功能的研究, 从而与基因组学和蛋白质组学相辅相成. 金属组学其中一个重要的领域是金属蛋白质组学(metallopro- teomics), 即对与蛋白质结合的金属离子功能的研图1 金属组学涉及的实验方法对组织或细胞样品进行体内分布、识别、量化, 体外功能分析和生物信息学的预测. 蛋白质混合物经过若干技术的分离后利用质谱或者X 射线荧光/吸收光谱进行化学元素分析. 纯化的蛋白质通过结构基因组学平台(X 衍射或者核磁共振)和高通量X 射线吸收光谱识别金属蛋白质. 生物信息学利用蛋白质的一级序列结构来预测金属离子结合位点, 在前面分析步骤中获得的信息可以修正生物信息学的预测. 高通量X 射线吸收光谱、序列分析以及比较模拟对金属蛋白质进行综合分析, 能够有效地提高结构基因组学平台的效率究[23~25]. 金属组学相对于基因组学和蛋白质组学而言仍处于初级阶段, 但基因组学与蛋白质组学为金属组学提供了大量的数据资料以及若干能快速推进其发展的关键技术. 金属组学的几个重要研究方向：(1) 金属蛋白质及其模拟物的结构-功能分析; (2) 环境和生物体系中金属蛋白质的分析识别和生物痕量元素的化学分析; (3) 金属离子的生物调控及代谢; (4) 与痕量金属元素有关的疾病的医学诊断以及金属药物(metallodrug)的医疗(前)应用. 蛋白质组学是在蛋白质层次上大规模研究基因及其细胞功能[15,26], 因此金属组学与蛋白质组学之间的共同点是对金属蛋白质结构与功能的研究. 由于篇幅的限制, 本综述将着眼于硒/磷酸化/金属蛋白质的识别、金属蛋白质的结构-功能以及金属药物的医疗应用, 同时会涉及相关的分析技术. 有兴趣的读者可以参阅本领域的相关文献, 一般性的(比如Haraguchi [22], Łobin śki 等[27], Sun 等[28], Chance 等[24], Szpunar [20], Bettmer [23], López-Barea 和Gómez-Ariza [29])或者以方法为中心(比如Łobin śki 等[10,17], Shah 和Caruso [18], Aebersold 和 Mann [16], Szpunar [30], Chance 等[31], Gao 等[32], Prange 和Pröfrock [33]).2 硒/磷酸化/金属蛋白质的识别2.1 金属结合蛋白金属与蛋白质之间的相互作用在很大程度上决定了许多蛋白质的功能以及金属药物的药效. 金属离子结合到蛋白质分子的正确位置上依赖于一系列的调控过程, 包括金属伴侣蛋白质的运输和协助. 金属组学的一个重要目的是识别金属蛋白质(金属酶、金属输运蛋白质和金属应激蛋白质), 特别是蛋白质的金属结合位点, 证实生物体系中存在金属蛋白质以及金属/蛋白质结合比例.两维电泳(2DE)常被用来分离生物体系中的蛋白质组分, 而金属鳌合亲合层析柱(immobilized metal affinity chromatography, IMAC)可被用来预分蛋白质组分[25,34], 从而提高蛋白质分离的效果. 作者曾经从幽门螺杆菌中利用IMAC 和2DE 分离鉴定了22个镍结合蛋白, 这些蛋白主要参与细胞进程、氧化应激和细菌代谢[35]. 利用相似的方法, Sarkar 和同事从肝癌细胞株HepG2中分离鉴定了67个铜及锌结合蛋白质,葛瑞光等: 金属组学：研究生命体系中金属离子的前沿交叉学科592其中大部分蛋白质具有金属结合位点, C(X)n C (n = 2~4)或者H(X)m H (m = 0~5)[36,37]. 上面的研究结果验证了金属组学对于搜索与金属动态平衡相关的蛋白质是非常有效的.Nielsen 等人开创了将凝胶电泳/激光切除(GE-LA)技术与电感耦合等离子质谱(ICP-MS)技术联合使用的新技术(GE-LA-ICP-MS), 因其具有较高的解析度而引起了人们的关注[38]. 在电泳分离阶段, 必须考虑到十二烷基磺酸钠的浓度、pH 值以及电场大小, 以求达到最理想分辨率的同时保持金属-蛋白质复合物的自然状态. 在传统的电泳检测方法后, 利用放射自显影的方法对凝胶电泳进行检测. 这项技术的最大限制在于必须使用放射性标记的金属进行分析. 相对来说, LA-ICP-MS 是一种更为简便的方法, 因此是一种更具竞争力的替代检测方法. 随着检测下限下降到千万亿分之一摩尔, 且生物材料中有充足形态的微量元素, 可以利用自然界的同位素以及多种元素同时检测的技术. 在一个标准的GE-LA- ICP-MS 实验过程中, 约束在一维或二维蛋白胶上的激光束通过切割或者打洞的方式分离出样品, 并在连续氩气的作用下转入ICP-MS 进行质谱鉴定[38,39]. 这种方法的有效性通过藻青菌中的一个研究较为透彻的锌和镉结合金属硫蛋白进行了验证, 并用来寻找和确认大肠杆菌细胞质中的锌和镉结合蛋白[40]. 值得注意的是金属蛋白质复合物与共价键的蛋白质在蛋白胶中的解析度差别较大, 这使得非变性电泳的解析度成为GE-LA-ICP-MS 应用中的瓶颈.现在, 由于第三代同步辐射微探针光束仪器的使用以及方法的改进, 使得同步辐射X 射线荧光(XRF)更多地被用于检测单个细胞活细胞区室[27]. 当原子受到足够能量的基础X 射线的撞击后, 核内的电子被撞击出去, 使核处于激发状态, 激发态的核可以发出特征性的射线, 随后会出现灭磁, 这就可以提供照射区域样品的元素组成[41]. X 射线微光束有很高的空间分辨率(约为0.1 µm), 且样品深度可达1 mm, 可以用来对细胞内痕量元素分配定位的分析, 例如利用痕量元素Fe, Zn 与P, S, Cl, K 通过XRF 微光束检测绘制酿酒酵母以及人类癌细胞的化学图谱[42]. 同样的方法也应用于亚细胞结构的线粒体及高尔基体中的铜离子定位[43]. 在XRF 实验后加上如液相色谱或凝胶电泳的分离试验来检测生物样本中所含金属离子. 对脐橙的蛋白条带的扫描发现其含有Ca, Cu, Fe, K 及Zn, 随后通过火焰原子发射/吸收光谱法对其定量检测. 在另一个实验中, 对人类肝脏中癌细胞金属蛋白的分布进行了检测[44~47], 通过等电聚焦对肿瘤的线粒体、细胞液及其周围正常组织的线粒体细胞液含Zn, Cu, Fe 及Mn 的蛋白质进行分离, 并通过XRF 进行检测. 结果发现, 对于胞浆蛋白, 肿瘤组织的条带比周围正常组织的条带要低, 而在线粒体中的金属蛋白, 两个组的结果相近. 这指出了不同金属离子的分配可能会影响肝组织中肿瘤的生长[46].有些组织是通过螯合过剩的金属离子以保护其自身免受重金属离子的毒害. 如富含半胱氨酸的一个小蛋白(约6~7 kDa)–金属硫蛋白[4]. 蛋白质对于生命必需金属如Zn 2+, Cu +或者毒性金属(Cd 2+、Hg 2+、As 3/2+)的代谢、体内平衡控制、解毒等功能都是所必需的[48~51]. 如幽门螺旋杆菌中含有镍的酶―脲酶以及氢化酶. 这两种酶的活性对于幽门螺杆菌在极端酸性的胃环境中的生长是必不可少的[9]. 但是, 高浓度的镍离子对其却是有毒的, 所以体内需要一系列的蛋白去维持镍离子的浓度. 幽门螺杆菌合成了一种与众不同的富含组氨酸的蛋白, Hpn(图2)[49,52]、一个富含组氨酸及谷氨酸的与Hpn 类似的蛋白Hpnl [51]以及一个末端富含组氨酸和半胱氨酸的GroES 分子伴侣HspA [48]. 当有过剩的镍离子存在的条件下, Hpn 及Hpnl 的翻译都不受镍调控蛋白(NikR)的调控[53]. 一个敲除了hpn 基因的幽门螺旋杆菌细胞株, 对Ni 2+与Bi 3+的敏感性比野生型的幽门螺旋杆菌要高4倍. 这说明了它潜在的通过螯合多余金属离子以缓解毒性的作用. 在中等浓度条件下(K d = 7.1, 1.1及3.8 µmol·L −1), Hpn, Hpnl 与HspA 分别与5, 2及2摩尔倍数的镍离子结合. 镍离子是可逆结合的, 与螯合配体EDTA 及环境中的pH(对应于Hpn 、Hpnl 及HspA, pH 1/2约6.3, 4.6及3.8)相关. 与之相反的是Bi 3+离子的结合是不可逆的. 凝胶过滤质谱法与非变性电泳都证明了apo-Hpn, Hpnl 及HspA 分别存在高分子量聚合物或者是在溶液中有一系列的高分子量聚合物. Bi 3+与蛋白的结合会改变其四级结构, 使之从七聚物中国科学 B 辑: 化学 2009年 第39卷 第7期593图2通过金属组学的方法对低聚物的形成以及富含组氨酸的Hpn 的金属结合能力进行研究[49,50]. Hpn 洗脱图(利用ÄKTA explorer 100 FPLC 系统对280 nm 吸收进行连续监控, 柱子为Superose 12 (10/300)), 洗脱液含有20 mmol·L −1 HEPES, pH 7.4, 500 mmol·L −1 NaCl, 500 mmol·L −1咪唑以及 5 mmol·L −1DTT. (a) Hpn 蛋白非变性电泳相同的图; (b) 通过平衡透析以及ICP-MS 研究蛋白的金属结合能力变成了二聚物. 这暗示了铋离子可能干涉HspA 的生物功能. 含有hpn 基因的大肠杆菌的菌株比不含有hpn 基因的大肠杆菌在Ni 2+压力的情况下生长得更快. 与之对应的是, 在Cu 2+、Zn 2+存在的条件下, 两种菌株的生长情况基本相同[49,50]. 这些实验说明了Hpn 对镍的储存及高浓度时的保护有一定影响[9,54]. 使用Ni 2+过剩的M9培养基对大肠杆菌菌株BL21(DE3)培养, 其细胞表达的HspA 有野生型及C 末端缺失的突变型, 暗示了C 末端可能在高浓度Ni 2+存在的情况下对细胞起到保护作用. 但大肠杆菌在高浓度Bi 3+条件下呈现的是相反的结果. 因此HspA 可能扮演了双重角色：在镍离子不足的条件下, 它能够通过给出自身的Ni 2+以促进其它蛋白对镍离子的获得; 而在镍离子过剩的条件下, 可螯合镍离子以解毒. 同时HspA 也可能是铋离子治疗幽门螺杆菌引起的胃溃疡的潜在靶位点[48]. 敲除大肠杆hpnl 基因的实验结果暗示了Hpnl 在外部镍离子浓度高时起到了一定作用. Hpnl 可能扮演了结合/储存或是在高镍浓度时的解毒作 用[51]. 因此我们实验课题组所得的数据揭示了幽门螺杆菌中富含组氨酸的蛋白质都有如下特征与作用：形成低聚物、保护细胞免受金属毒害以及保存/功能伴侣的作用.2.2 磷酸化蛋白翻译后修饰(PTM)可以改变酶的活性、结合位点、以及蛋白的结构. 在翻译后修饰的各种类型中,蛋白的磷酸化是最常见的, 蛋白质的磷酸化就是在丝氨酸(约90%)、色氨酸(约10%)以及酪氨酸(约0.05%)的侧链添加磷酸酯基团. 从生物学角度来看, 磷酸化是蛋白质最重要的共价修饰, 错调磷酸化与人类病理学密切相关, 因此它成为最值得研究的翻译后修饰种类[55]. 磷酸化是可逆的且迅速的, 它可以精确地改变蛋白的性质, 因此影响许多关键的步骤, 如蛋白-蛋白之间的相互作用、细胞信号、细胞骨架的重新利用、细胞周期以及细胞间的相互作用[56]. 因此, 对蛋白磷酸化程度的研究是十分重要的. 对蛋白磷酸化位点的了解可以揭示潜在的药物靶点以及有助于全面地了解生物系统网络. 传统地对磷酸化的研究是通过对ATP 或磷酸盐中的放射性元素32P 或者33P 与蛋白的共价结合来研究的. 但这种方法有其固有的缺点, 因此, 非放射性元素的方法被逐渐开发与改进.磷酸化研究最大的问题就是磷酸化通常都是非常低计量的, 动态范围也有限, 高度复杂化的同时却难于定量[57]. 至于其复杂性, 磷酸化的一个数据库(http// )至2008年12月已经列出了超过55000个磷酸化位点, 且这一数字还将不断升高. 磷酸化的动态范围十分大(约109), 在细胞中, 有的磷酸化的蛋白有上亿个拷贝, 有的磷酸化蛋白只有几个. 因此在对整个细胞或者组织溶解并对蛋白质进行消化后, 对所有磷酸肽的检测几乎是不可能的. 因此必须选择性地浓缩磷酸化的蛋白/肽, 其中较成熟的方法包括：抗磷酸化酪氨酸抗体[58]、金属亲和层析(IMAC)[59]、化学修饰[60,61]和强阳离子交换色谱法(SCX)[62]. 图3总结了若干过去几年中最重要的工作. 用高结合力的抗磷酸化酪氨酸抗体与酪氨酸磷酸化蛋白/肽结合的免疫共沉淀的方法, 通常特异性好且回收率量较高. 但同样的方法应用于丝氨酸、色氨酸蛋白磷酸化的检测却难以得到较好的结果, 主要是因为这两种抗体结合能力较低. 总体来讲, 研究丝氨酸、色氨酸以及酪氨酸蛋白磷酸化, IMAC 可以说是最佳的方法[63], 这种方法通过32P 或33P 放射性标记检测, 可以回收总细胞90%的磷酸化蛋白[64].葛瑞光等: 金属组学：研究生命体系中金属离子的前沿交叉学科594图3 定量磷酸化蛋白质组学时间轴发展里程碑磷酸蛋白/肽带负电荷的磷酸基团与氰基乙酸(NTA)或者亚氨基二乙酸(IDA)结合的硬金属离子, 如Fe 3+、Ga 3+、Al 3+[65]以及Zr 4+ [66]通过静电相互所用以及配位作用键合. 通过严格控制实验条件或者通过盐酸饱和甲醇甲基酯化羧酸以减少酸性氨基酸谷氨酸以及天冬氨酸的肽链与IMAC 的非特异性结合[67].基于水溶性磷酸盐选择性地与多空微球双齿结合[68], 二氧化钛(TiO 2)逐渐成为最常用的富集磷酸化蛋白/肽的的方法, 特别是样品经过2, 5-二羟基苯甲酸(DHB)处理, 能有效地降低TiO 2的非特异性结合. 因此, 可以不需要通过化学修饰样品就可以富集磷酸化肽[69]. 这种方法所需要的准备时间较短, 且相比金属离子亲和树脂层析效果更好. 新兴的磷酸化蛋白质组工具, 特别是基质辅助激光解吸附质谱(MALDI)以及电喷雾电离(ESI)质谱[57,65], 逐渐取代了传统的运用艾德曼测序以及32P 磷酸化肽绘图对磷酸化位点的定位, 推动了全磷酸化蛋白质组研究的进展[70]. IMAC 以及TiO 2都能无缝的与纳米液相色谱仪、ESI 、MALDI-MS/MS 或电子转移分离(ETD) MS/MS 联合使用[71], 使得分离与鉴定的重复性较好, 可以检测分离低至千万亿分之一摩尔范围的磷酸化肽[68,72,73].强离子交换色谱法(SCX)是一种代替金属离子为基础的富集方法, 它可以为随后的质谱(MS)分析分离磷酸化的肽段[62,29]. 样品与强离子交换色谱柱结合主要是依靠负电基团与正电基团之间的相互作用. 如果加样是在强酸条件下(pH 约为2.7), 羧酸呈中性, 只有赖氨酸、精氨酸、组氨酸以及肽链的N 端带一个正电荷, 磷酸基团保持带负电, 胰蛋白酶水解得到C 末端为赖氨酸、精氨酸的肽链. 因此, 大多数胰蛋白酶解的未磷酸化肽链的净电量为+2, 而磷酸化的肽链总电量从+2降到了+1, 因此相对未磷酸化肽链, 其对应的磷酸化肽链与SCX 树脂结合能力减弱. 增加洗脱液中盐浓度, 可以使磷酸化的肽链先于未磷酸化肽链洗脱出来, 因此可以选择性地富集. 这项技术的一个缺点是需要大量的原材料(数十毫克的蛋白), 不能用于少量或数量有限的样品检测.对复合生物样品的检测时, 单一的富集步骤往往无法得到足够特异性以及回收率. 每一种金属元素富集磷酸化的肽链有轻微的不同, 多种金属离子在一次IMAC 富集同时使用, 可能可以得到最大范围的结果. 同时, 两次甚至三次联合使用IMAC/TiO 2、IP 以及SCX 富集可以提高对磷酸化肽链的检测. 例如, 抗磷酸化酪氨酸IP 与IMAC 联用分析酪氨酸磷酸化被成功地应用于小鼠脂肪细胞、人类Jurkat 细胞、以及人类乳腺癌表皮细胞的表皮生长因子受体(EGFR)信号网的检测[65].ICP-MS 的引进为蛋白质磷酸化的研究提供了新的方法, 它具有对元素的高选择性、高灵敏度以及与结构无关反应, 能够得到明确的定性定量的结果. Wind 等人[74~79]开创了平行使用ICP-MS 和ESI-MS, 并且与毛细管液相色谱(µLC)无缝联用, 以研究31P特异性检测以及分子量的确定. µLC-ICP-MS 检测的最低限度约为0.1 pmol 磷酸肽链. 在一个研究中, 31P 以及32S 作为磷酸化的内标, 而32S 作为去磷酸化的内标. 通过µLC-ICP-MS 检测得到 31P 与32S 比值, 并转化成为磷酸化程度的值. ESI-MS/MS 基于蛋白质特征性片段化模式用于鉴定磷酸化的残基, 从而在Plxl 与Plkl 中分别找到三个和一个新的磷酸化位点[77]. 类似的方法(µLC-ICP-MS 加上 nano-LC-离子阱质谱 (ITMS))被用于检测人类脑脊髓液蛋白磷酸化[80]. GE-LA-µLC-ICP-MS 也被用来鉴定磷酸化蛋白[75], 这项技术对于31P 信号强度与磷出现在凝胶电泳的量的相关性很好. 联合使用µLC-ICP-MS 和ESI-MS 是生物研究中最行之有效的方法. 毛细管液相色谱有中国科学 B 辑: 化学 2009年 第39卷 第7期595许多优点, 如高分离效率、溶剂消耗率低以及所需样品量小. 然而, 大多数现有的µLC-ICP-MS 和ESI-MS 的耦合系统都是相关实验室自己开发的系统, 只有能够达到商业化才能得到广泛应用.2.3 硒蛋白硒是生命活动所必不可少的元素, 但过量的硒却是有毒的. 在生物体系中, 硒以无机物的形式如Se(Ⅳ) (亚硒酸盐, SeO 32−), Se(Ⅵ) (硒酸盐, SeO 42−), 硒化物(如HgSe), 或者形成一系列具有不同分子量和电荷数的有机硒化合物, 例如从最简单的MeSeH 到复杂的硒蛋白[81]. 硒化酵母中有超过20种的硒化合物, 包括硒半胱氨酸、硒甲硫氨酸、甲基硒代半胱氨酸、腺苷硒代人属半胱氨酸以及无机物[81].硒半胱氨酸(Sec)通常由遗传密码子UGA 编码,这个密码子通常是作为终止信号, 但是受到具有茎环结构的真核生物以及古细菌3’端RNA 非编码区或细菌编码区(也就是所谓的硒半胱氨酸插入序列(SECIS)元素及相关的核糖体机制改编程序)刺激下, 重新翻译成为硒半胱氨酸[82]. 由于某种未知原因, SECIS 元素在真核生物、细菌以及古细菌中并不存在高保守的初级序列或者二级结构. 因为UGA 最常见的功能就是作为蛋白的终止密码, 现有的基因注释也只是将UGA 记载为终止密码子. 因此, 在蛋白质预测中硒蛋白读码框经常被错译或者是漏译.一种基于鉴定SECIS 元素或其同系物以及编码潜在UGA 密码子的算法被发展成为哺乳动物硒蛋白基因信号的标准[83]. 利用该方法, 在人类、小鼠以及大鼠基因中鉴定出十六种已知的硒蛋白以及六种新的硒蛋白(表1)[83], 只有两种已知的哺乳动物硒蛋白表1 Kryukov 等报道的人类硒蛋白基因[83]SelenoproteinChromosomal location No. of exonsNo. of amino acidsin the proteinSec locationThyroid hormone deiodinase 1; THD1 1p32.3 4 249 126 THD2 14q31.1 2 265 133 THD314q32 1 278 144 Glutathione peroxidase 1; GPx1 3p21.31 2 201 47 GPx2 14q23.3 2 190 40 GPx3 5q33.1 5 226 73 GPx4 19p13.3 7 197 73 GPx66p22.1 5 221 73 Selenoprotein H; SelH 11q12.1 4 122 44 SelI 2p23.3 10 397 387 SelK 3p21.31 5 94 92 SelM 22q12.2 5 145 48 SelN 1p36.11 12 556 428 SelO 22q13.33 9 669 667SelP5p12 4 381 59, 300, 318, 330, 345, 352, 367, 369, 376, 378SelR; methionine-R-sulfoxide reductase; MsrB 16p13.3 4 116 95 SelS 15q26.3 6 189 118 SelT 3q24 6 182 36 SelV 19q13.13 6 346 273 SelW 19q13.32 6 87 13 Sep151p22.3 5 162 93 Selenophosphate synthetase 2 − − 448 60 Thioredoxin reductase 1; TrxR1 12q23.3 15 499 498 TrxR2; TGR 3q21.2 16 656 655 TrxR322q11.2118523522葛瑞光等: 金属组学：研究生命体系中金属离子的前沿交叉学科596没有被找到, 这是由于人类基因组序列中SPS2基因的缺失以及硫氧还蛋白还原酶2中罕见的SECIS 元素. 其中的谷胱甘肽过氧化酶6(GPx6)是通过同源性搜索人类基因组鉴定的. 半胱氨酸取代型的小鼠与大鼠GPx6解释了其无法直接通过此算法鉴定[83]. 随后的实验通过用75Se 代谢标记细胞证实了Sec 插入新鉴定的硒蛋白中. 进一步的统计分析表明生物信息学的方法鉴定了所有人类以及啮齿动物基因组中所有常见的硒蛋白. 生物信息学鉴定出了人类基因组以及EST 数据库中10个新的人类硒蛋白基因, 这些蛋白在人类基因组注释中没被正确预测或未被预测到[13,14].硒蛋白中相对较强的碳与硒之间的共价键使得在十二烷基磺酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳(S D S - PAGE)、2D 电泳或者放射自显影的时候硒不容易丢失. 通过在硒缺乏的动物体内加入75Se 示踪剂的方法找到了28个分子量在8~116 kDa 之间的含硒蛋 白[84,85]组织之间的差异性, 说明了特定组织中含硒蛋白有其特殊的功能. 亚细胞结构间也存在差异性, 说明一些硒蛋白对细胞内一些不同的活动起到一定的影响作用[84,86]. 尽管这种方法灵敏性高, 但还是需要用到放射性元素, 因此无法用来进行人体实验. 另一种常用的方法是在ESI MS/MS 鉴定前利用ICP-MS 监视纯化硒复合物前体[87], 这种方法鉴定出甘蓝根中的硒-甲基化硒甲硫氨酸、葱和蒜中的γ-谷酰-硒-甲基化硒半胱氨酸、巴西坚果中的一种含硒肽链、以及香菇中的硒复合物[30]. 虽然非变性电泳分辨率不高, GE-LA-ICP-MS 并不是最理想的鉴定金属蛋白复合物的方法, 但它在鉴定硒蛋白(含硒半胱氨酸)以及含硒蛋白(含硒甲硫氨酸)中非常有用. 用这种方法在被硒污染的地区的水鸟的胚胎与鱼类卵巢鉴定出许多与含硒蛋白条带[88]. 在红细胞中通过1D GE- LA-ICP-MS 鉴定出一条含谷胱甘肽过氧化物酶的条带[39].目前为止, 总共找到22种哺乳动物的硒蛋白[89], 几乎所有都只有一个Sec 残基. 其中比较重要的包括：硒状态生化指标的主要蛋白—— 硒蛋白P [90], 硒酶如谷胱甘肽过氧化物酶(催化过氧化物降解)、1型碘代甲腺原氨酸脱碘酶(催化甲腺素脱碘成为三碘甲腺原氨酸)以及硫氧还原蛋白还原酶(触发细胞信号中的氧化应激反应). 这些硒蛋白质的功能特点已经被 详尽研究, Sec 通常都出现在酶的活性位点. 这些 酶与其半胱氨酸取代型的酶相比活性提高10~100倍, 这很可能是因为Sec 独特的电离以及氧化还原性 质[82].3 金属蛋白质的结构-功能研究对蛋白结构的描绘是理解其功能以及结构与功能之间联系的基础. 传统的研究结构的工具是X 射线结晶[91]与核磁共振(NMR)[92]. 其他的一些技术, 如穆斯堡尔谱、X 射线吸收光谱测定法(XAS), 电子顺磁共振(EPR)、共振拉曼光谱(RR)以及磁圆二色谱(MCD)在金属蛋白中金属结合位点的详细结构特征研究中是必须的[32,93~95]. 在本文中, 我们集中介绍XAS 在金属蛋白的结构-功能研究中的应用. 对于RR 、MCD 、EPR 或者穆斯堡尔谱进行的类似研究, 读者可以参考其他针对性的综述[94,96~99].X 射线吸收光谱(XAS)是一种非侵入性技术, 其原理是分析同步加速辐射源产生X 射线的光子, 被元素吸收后获得的光谱, 接着检测所产生的荧光强度. X 射线吸收光谱是根据X 射线的能量, 分成两个区, 靠近边缘(XANES)和远离边缘(EXAFS). XANES 给出了氧化状态、共价键、位点分子对称性以及配位数的信息; 而EXAFS 给出的是关于金属结合环境, 如配位数目、配体的识别(配位的元素如O 、N 、S)以及金属与各自配体的距离的结构信息[32]. XAS 可以方便地检测环境与生物样品中金属与金属配合物结构-功能的关系, 如空间布局、元素的化学形态、金属的氧化状态. 例如, 该方法被用来研究人类肺细胞[100,101]中Cr(VI)随时间摄取与分配以及人卵巢细胞[100,101]中Cr 的氧化状态. 结果发现在体外铬酸盐复合物的可溶性几乎决定了铬的氧化状态：在细胞中可溶的Cr(VI)盐被还原成为Cr(III), 而当细胞暴露于不可溶的(微溶的)铬酸盐复合物时有部分Cr 仍保持Cr(VI)[101].其他结构检测方法如NMR 和X 射线结晶学, 这些技术可以联合或者作为一个补充被运用于鉴定金属环境. 考虑到原子核内部测定的高精确性(从0.0001~0.001 nm), EXAFS 非常适用于检测金属结合位点发生的氧化还原或底物结合变化时, 因为这类。
配位化学：第三章 生物氧化还原反应中的金属蛋白和金属酶
只要它有对称性合适的轨道，就可以和金属的d轨
道成键，从而在整个底物－金属－氧分子三元配 合物中形成一个扩展的分子轨道，使电子能够顺 利地从底物转移到分子氧。
• 二、生物氧化还原作用的类型
• 生物体的氧化还原作用主要有三大类型: • 1. 以氧（或其它物质）作为末端电子受体的电子传递过程。 • 这种过程的模式可表示为：
• 为了提高分子氧的活性，就必须设法产生单线态 氧，或者利用过渡金属催化剂的配位作用改变O2 的电子云分布。对于反应条件温和的生物体系， 后一种方法显然比较合适。
• 三元配合物:假设分子氧和可氧化底物都作为配体， 与过渡金属形成三元配合物，分子氧和过渡金属
原子之间形成σ配键， 当金属相应的d轨道充满
• 4. 加氧酶
• 加氧酶催化分子氧的氧原子直接加合到有机 物分子中。它按加合的氧原子数分双加氧和
单加氧酶两类。
• (1) 双加氧酶。双加氧酶催化分子氧的两个
氧43; O2
SO2H2
• 比如以铁为辅助因子的邻苯二酚酶可以催化 邻苯二酚开环反应：
•
OH
OH
+ O2* 邻 苯 二 酚
E = +0.68 V E = +1.77 V
• (3)四电子一步反应：
• 4H++O2+4e→2H2O • 在通常条件下，按(3)的方式四电子一步还原是很
少遇到的，仅在一些酶(如虫漆酶)体系中可进行 这种反应。双电子反应的电位(0.68V)不高。而四 步单电子还原的后三步虽然容易接受一个电子与 有机底物反应，但其第一步在热力学上是非常困 难的(-0.32 v)， 这一反应的自由能ΔG>O，反应 是吸热的。通常双氧的还原是按(2)双电子或(1) 单电子步骤进行。