結構生物化學/催化策略/金屬離子催化

概述

金屬離子催化，或靜電催化，是一種利用金屬酶，其中含有緊密結合的金屬離子，例如Fe²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Mn²⁺，Co³⁺，Ni³⁺，Mo⁶⁺（前三種是最常用的）來進行催化反應的特定機制。該催化領域還包括未與金屬酶緊密結合的金屬離子，例如Na⁺，K⁺，Mg²⁺，Ca²⁺。

酶可以透過使用金屬來催化反應。金屬通常以不同的方式促進催化過程。金屬可以輔助催化反應，啟用酶開始催化，或者抑制溶液中的反應。金屬透過改變酶的形狀來啟用酶，但實際上並不參與催化反應。

首先，金屬可以更容易地形成親核試劑，例如碳酸酐酶和其他酶。在這種情況下，金屬促進從結合的水中釋放質子，生成親核的氫氧根離子並啟動催化反應。透過 O-H 鍵的極化，結合的水的酸性可以增加。同樣重要的是，金屬可以促進親電子試劑的生成，進而穩定中間體的負電荷。此外，金屬可以透過充當橋樑來促進酶和底物的結合，增加結合能並使它們正確地定向，從而使反應成為可能。

參與金屬離子催化劑的常見金屬是銅離子和鋅離子。羧肽酶 A 的催化就是一個典型的例子。鐵金屬離子也非常常見——從氧氣與血紅蛋白和肌紅蛋白的結合，到參與電子傳遞鏈中細胞色素的電子載體，甚至作為過氧化氫酶和過氧化物酶中的解毒劑。

金屬離子還具有穩定過渡態的能力，這使得它們在催化化學中非常有用，因為它們允許它們穩定不穩定的中間體，這些中間體仍在向允許它們與另一種底物反應並形成最終產物的結構轉變。例如，在存在四面體氧陰離子和另一個與附近羰基官能團相連的氧的情況下，該氧也即將作為中間體成為親核試劑，金屬離子可以與這兩個相鄰的陰離子配位並參與電荷穩定。

形成這種銅 2+ 金屬離子橋允許兩個親核/陰離子氧同時被穩定。它還將該分子定位在合適的幾何形狀中，以便斷裂或形成鍵。像這樣的金屬離子使物種能夠透過迫使它們採用不尋常的角度和鍵長而獲得反應性作用。

如前所述，未與金屬酶緊密結合的金屬離子，例如 Na⁺ 和 K⁺，作為我們細胞膜中的特定電荷載體參與。例如，Na⁺ 和 K⁺ 控制膜的靜電電壓。它們是透過離子泵和濃度梯度使我們膜的內部具有淨負電荷的離子。Ca²⁺ 也是一個重要的金屬離子，它控制和調節神經遞質從一個軸突傳遞到下一個軸突，以便在整個身體發出訊號。