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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。第一节概述第二节锌肽酶第三节碳酸酐酶第四节核酸酶第五节锌指蛋白第六节锌与健康第一节概述一、锌的化学功能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；4、结构功能，最典型的例子是锌指蛋白中的锌离子。二、锌的生物学功能锌与生物机体发育、骨骼生长、免疫机能、性发育及其功能、蛋白质和核酸代谢、酶的活性等关系密切，并与多种疾病有关。锌的生物学功能包括：1、具有维持生物膜的结构和功能的作用。锌可以与细胞膜上的一些功能基团如蛋白质的巯基、磷脂的磷酸基等发生反应，导致膜的流动性发生改变，增加膜的稳定性；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。第二节锌肽酶蛋白质中肽键的水解非常缓慢，在pH为7时其水解半衰期为10～1000a。天然肽酶几乎都含有Zn(II)。锌肽酶大约可分为五组，共30个成员，其中羧肽酶A和嗜热菌蛋白酶是研究得最清楚、最广泛的锌蛋白，因此它们被作为锌蛋白酶的原型代表。一、羧肽酶A羧肽酶A主要存在于哺乳动物胰脏中，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末端沿着这条沟槽伸入到酶分子内的活性部位。Zn2+就处于这条空腔的内表面，它是维持羧肽酶A活性所必须的组分。活性中心的Zn2+与两个组氨酸的咪唑氮原子和一个谷氨酸的羧基氧原子配位，第四个配位位置与一个水分子结合。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。此外，蛋白质的一些侧链基团也参与与底物的结合，并对酶的催化活性至关重要。除了羧肽酶A外，还有羧肽酶B、羧肽酶T、精氨酸羧肽酶等，它们的性质与羧肽酶A很相似，分别可以切断带有疏水性氨基酸残基的肽键、不带疏水侧基的肽键，以及C末端带精氨酸和赖氨酸残基的肽键等。二、嗜热菌蛋白酶嗜热菌蛋白酶是从耐热微生物的培养基中分离出来的细胞外中性蛋白酶。它的功能也是切断蛋白质分子中的肽链，使之变成小分子多肽。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0.38nm，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。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2ms内使95%的CO2转换为HCO3-，即CO2+H2O==HCO3-+H+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，由碳酸酐酶催化CO2水合生成HCO3-，当HCO3-随血液循环到肺泡后，又由碳酸酐酶催化使之解离为CO2排出体外。此外，碳酸酐酶也可催化磷酸酯、羧酸酯、醛类等分子的水解。碳酸酐酶的结构碳酸酐酶的分子质量约为30kDa，由单一肽链组成，包含约260个氨基酸残基，每个酶分子含一个Zn(II)离子。人碳酸酐酶呈椭球形，分子中部有一个袋形空腔，深约1.5nm，腔口宽约2.0nm，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。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，在25℃、pH为7.0的水溶液中，其半衰期长达1011a，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时活性最大而得名，是结构已表征的含锌水解金属酶之一，对它的研究非常多。碱性磷酸酯酶只催化磷酸酯的水解反应：R－O－PO32-+H2O==ROH+HPO42-而对磷酸二酯无催化作用。碱性磷酸酯酶分子中含有一对Zn2+（相隔～4Ǻ）和一个Mg2+（与双核锌相距5～7Ǻ）。两个锌离子中，一个锌离子与两个组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，如硝基苯基磷酸酯。镁离子与三个氨基酸残基和三个水分子配位，它似乎不直接参与催化作用，而只是起到稳定酶结构的作用。二、核酸酶P1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36000Da，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0.32nm，而Zn2－Zn1相距0.58nm，Zn2－Zn3相距0.47nm。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。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pH5～8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。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。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。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。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DNA结合，而且还能与RNA结合的锌指蛋白。它含有9个串联排列的锌指，通过锌指1～3与DNA结合，结合方式与Zif268类似。与其他锌指蛋白不同，TF－IIIA中的锌指4～6不与DNA结合，而是形成一个开放延展的结构，与RNA的核心区域结合。近年来，用锌指蛋白作为工具来调控哺乳动物特定基因的表达有较大发展。人们可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。第六节锌与健康锌与生物机体发育、骨骼生长、免疫机能、性发育及其功能、蛋白质和核酸代谢、酶的活性等关系密切，并与多种疾病有关。一、锌对健康的重要作用锌是微量元素的一种,在人体内的含量以及每天所需摄入量都很少,但对机体的性发育、性功能、生殖细胞的生成却能起到举足轻重的作用,故有“生命的火花”与“婚姻和谐素”之称。绝大部分组织