結構生物化學/酶/金屬離子催化

概述

金屬離子催化，或靜電催化，是一種利用金屬酶進行催化反應的特定機制，金屬酶含有緊密結合的金屬離子，如 Fe²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Mn²⁺、Co³⁺、Ni³⁺、Mo⁶⁺（前三種最常用）。該催化領域還包括與金屬酶沒有緊密結合的金屬離子，如 Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺。

酶可以透過金屬來催化反應。金屬通常以不同的方式促進催化過程。金屬可以協助催化反應，啟用酶以開始催化，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，金屬促進結合的水中的質子釋放，產生親核性的氫氧根離子並啟動催化反應。隨著 O-H 鍵的極化，結合水的酸性會增加。同樣重要的是，金屬可以促進親電試劑的生成，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，並正確地使它們定向以使反應成為可能。

參與金屬離子催化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——從氧與血紅蛋白和肌紅蛋白的結合，到作為電子傳遞鏈中細胞色素的電子載體，再到作為過氧化氫酶和過氧化物酶的解毒劑。

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，因為它們可以穩定不穩定的中間體，這些中間體仍然在過渡到允許它們與另一種底物反應並形成最終產物的結構。例如，在四面體氧陰離子和另一個連線到附近羰基官能團的氧的存在下，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陰離子配位，並參與電荷穩定。

形成這種銅 2+ 金屬離子橋可以同時穩定親核/陰離子氧。它還將該分子定位在適當的幾何形狀中，以便斷裂或形成鍵。像這樣的金屬離子使物質能夠透過迫使它們採用不尋常的角度和鍵長來獲得反應性作用。

前面提到的與金屬酶沒有緊密結合的金屬離子，如 Na⁺ 和 K⁺，作為細胞膜中特定的電荷載體。例如，Na⁺ 和 K⁺ 控制膜的靜電電壓。它們是離子，透過使用離子泵和濃度梯度，使我們的膜內具有淨負電荷。Ca²⁺ 也是一種重要的金屬離子，它控制和調節神經遞質從一個軸突傳遞到下一個軸突，以便在整個身體中發出訊號。