結構生物化學/蛋白質功能/血紅素基團/金屬離子的生物學作用
金屬離子在生物化學過程中發揮著重要作用。由於金屬離子是帶正電荷的離子，在多種氧化態下穩定，並且可以形成強而構象可變的鍵，因此它們成為有吸引力的催化物質。
許多生物化學反應依賴於金屬離子的存在，而金屬離子是配位絡合物的一部分。這些金屬離子在溶液中起促進或抑制生物化學反應的作用。
諸如 Na+、K+、Ca2+ 等離子體充當電荷載體。由於膜離子泵從膜的內部到外部維持了這些離子的濃度梯度，因此離子的運動會觸發機制。濃度梯度的變化是神經和肌肉活動的資訊訊號。這些離子通常透過細胞內和細胞外濃度差異來建立電勢梯度。這樣，離子通道可以透過多種化學機制進行控制。然而，它們不負責構象變化，而是會導致蛋白質活化級聯反應。
Na+
1. 調節體液，包括血漿、組織細胞外液
2. 神經和肌肉訊號轉導
3. 傳遞熱量
4. 運輸營養物質和廢物
K+
1. 觸發味覺
2. 膜極化：肌肉收縮、神經衝動傳遞
3. 調節體液，包括細胞液、血漿
Ca2+
1. 觸發肌肉收縮、神經遞質釋放
2. 癌症預防候選者
金屬離子能夠透過提供適當的幾何形狀來促進反應，以進行鍵斷裂和鍵形成。分子中的許多配位位點是四面體、八面體或方形平面，但金屬離子也提供其他幾何變化，這使反應能夠發生。由於擴充套件的八隅體，金屬離子，尤其是過渡金屬，經常用作催化基團。因此，它們能夠建立多個相互作用以及促進蛋白質構象變化的電離狀態。此外，它們能夠與配體建立配位絡合物，配位絡合物比共價鍵和離子鍵弱得多，但允許配體穩定。
這些金屬離子主要透過三種方式參與催化機制
1. 結合底物以使其正確定位以進行催化反應。
2. 透過中心金屬離子的氧化態的可逆變化來介導氧化還原反應。
3. 靜電穩定或遮蔽負電荷。
本質上，金屬離子充當電子匯，就像質子化一樣。然而，金屬離子可以高濃度存在而不會影響 pH 值。例如，碳酸酐酶促進水和二氧化碳生成羧酸根離子。它是由 OH- 與 Zn2+ 的配位鍵合引發的。這穩定了氧上的負電荷並促進了親核攻擊二氧化碳中的碳原子。
用於催化反應的一些金屬離子示例包括 Fe2+、Fe3+、Cu2+、Mn2+ 和 Co2+。
與金屬離子結合使水分子比遊離水分子更酸性。與蛋白質的配位會進一步增強這種效應，從而產生能夠與其他生物物質進一步反應的 M-OH 物種。Mg2+ 可以啟用磷酸轉移酶和磷酸激酶，而 Zn2+ 和 Ca2+ 能夠催化磷酸鹽的水解，充當路易斯酸。
非催化水解速率常數約為 ~10-11 s-1，而酶催化反應的反應速率常數增加到 k = ~104 s-1。
羧肽酶 A 含有 307 個氨基酸殘基。一個 Zn2+ 離子位於一側的裂隙中。
- 分子量 = 34600 g/mol
- 卵形
- 尺寸：50*38A
- 羧肽酶催化蛋白質 C 端氨基酸殘基的水解。它在動物的胰液中釋放出來，用於消化蛋白質。
與小分子的彎曲使金屬離子能夠採用不尋常的角度、鍵長或特定幾何形狀，從而提高其反應活性。在血紅蛋白和肌紅蛋白中，鐵離子能夠結合氧氣，充當氧氣儲存和運輸器。結合鐵金屬離子的氧分子伴隨著電子從金屬離子部分轉移到氧氣。它們的結構最好被視為鐵離子與超氧化物陰離子之間形成的絡合物。這比血紅素基團穩定這種結合更重要，否則超氧化物會被釋放到體內，這在生物學上可能是危險的。鐵透過強烈的離子相互作用穩定這種構象，從而防止超氧化物氧陰離子從血細胞中逸出。
不同配體的配位改變了反應的氧化還原電位，使其更容易或有時更難進行。氧化還原電位的變化也使電子轉移成為可能。
1. O2 -> H2O 的反應由 Fe2+ 催化，其中 Fe2+ -> Fe3+。
類似地，N2 被氧化為通量 NH3O，而 Cu+ 被還原為 Cu2+。
2. 上述逆反應，H2O -> O2 由 Mn 的價電荷催化。
3. 核糖被還原為脫氧核糖，該反應由 Co+ 催化，其中 Co+ 被氧化為 Co3+。