《生物无机化学11第十章镍酶》课件.pptVIP

第十章 镍酶 早在1975年，由于发现尿素酶的活性中心含有镍，即引起了对镍的生物功能的广泛关注。镍作为Lewis酸不如锌，作为单电子氧化还原中心不如铁和铜。但在大气中氧气变得丰富以前，许多过渡金属都以硫化物的形式存在，而在这些过渡金属硫化物中硫化镍更可溶，这或许是自然界选择镍作为酶的活性中心的原因之一。 比较常见的镍酶有尿素酶、氢化酶、一氧化碳脱氢酶、甲基辅酶M还原酶以及含镍的超氧化歧化酶。 第一节 尿素酶 第二节 氢化酶 第三节 超氧化歧化酶 第一节 尿素酶 尿素酶主要存在于细菌、真菌和植物中，它能将尿素催化水解为铵离子和氨基甲酸根离子： 氨基甲酸根离子在生理条件下会水解生成铵离子和碳酸氢根离子。 在尿素酶的催化下，尿素的水解速度可以加快1014倍。生物体利用尿素酶把尿素转换为氮的来源，这是植物能吸收化肥中尿素的原因。由于尿素酶与细菌发病机理、尿结石的形成等密切相关，有关尿素酶的研究也引起了医药界的关注。 所有尿素酶的活性中心结构和催化机理都是相似的，尿素酶的每一个α亚基包含一个双核镍活性中心，两个镍离子之间的距离为0.35 nm。 尿素酶活性中心中，一个镍离子（Ni1）与两个组氨酸的咪唑氮原子配位，另一个镍离子（Ni2）与两个组氨酸的咪唑氮原子和一个天冬氨酸的羧基氧原子配位。一个赖氨酸的氨基甲酸羧基桥联两个镍离子，形成一个羧基桥联的双核镍活性中心。此外，活性中心还含有三个水分子，一个水分子桥联两个镍离子。 尿素酶催化尿素水解的机理为：尿素首先与一个镍离子配位，然后与另一个镍离子的配位水通过碱的去质子化而活化，羟基作为亲核试剂进攻尿素的羰基形成一个四面体的过渡态，产生氨和氨基甲酸。整个循环过程中，镍离子始终保持二价态。 第二节 氢化酶 氢化酶是存在于厌氧微生物中的一类酶，其催化作用是可逆分裂、重组氢分子： H2 = 2H+ + 2e 有关氢化酶的模拟研究寄希望于得到燃料细胞，或利用模拟化合物通过光合作用产生氢能源。目前发现的氢化酶包含Fe、NiFe、NiFeSe和不含金属的氢化酶四种，其中镍铁氢化酶研究的最深入。 镍铁氢化酶为异二聚酶，分子质量约为100 kDa，两个亚基紧密相连形成一个球状分子。镍铁氢化酶的氨基酸序列由亚基基团结构上的基因顺序所决定。两个亚基中较大的亚基含有半胱氨酸配体与活性中心的金属离子成键，较小的亚基是铁蛋白类物质，含有几种适合构成铁硫簇的半胱氨酸残基的序列。 小亚基含有三个不同类型的铁硫簇，可以提供一条电子进入或离开酶的通道。Ni－Fe活性中心位于大亚基上，镍铁离子相距约0.29 nm，两个半胱氨酸通过硫桥联两个金属离子，H2O或O2提供的氧原子作为桥联配体的可能性也存在。 第三节 超氧化歧化酶 自然界中的含镍超氧化物歧化酶Ni－SOD的催化反应与铜锌超氧化物歧化酶相同，可以催化分解超氧负离子。Ni－SOD主要从各种细菌中分离得到，呈四聚体结构，每个亚基分子质量约为60 kDa，由9个氨基酸构成的结构域是酶结合金属镍并催化超氧化物歧化反应的活性中心。 Ni－SOD的活性中心含有金属镍离子，还原态的Ni(II)中心为平面正方形配位构型，配位原子为两个半胱氨酸的硫原子和组氨酸及半胱氨酸的氮原子，而氧化态的Ni(III)中心则为四方锥配位构型，轴向配体为组氨酸氮原子。 在Ni－SOD催化超氧化物歧化的反应机理中，镍为单电子氧化还原中心，Ni(II)直接与O2-结合，通过氢键稳定中间体，然后释放H2O2，并生成Ni(III)，Ni(III)再与O2-结合，然后还原产生O2。 通过科学家对尿素酶、氢化酶、甲基辅酶M还原酶以及Ni－SOD酶的晶体结构解析，大大提高了对含镍酶活性中心的结构及其催化机理的认识程度，进一步了解了自然界对金属镍选择的精巧和细致。 谢谢！