为什么金属酶在受到化学性质相似但非天然金属取代的作用时，其催化活性经常发生剧烈变化，这是一个长期以来的难题。

有鉴于此，蔚山科学技术大学校的Chae Un Kim等人，报道金属离子在模型金属酶系统，人类碳酸酐酶II（CA II）中的催化作用。

本文要点

1）为了研究金属离子在CA II中的作用，选择了4种二价过渡金属离子（Zn²⁺，Co²⁺，Ni²⁺和Cu²⁺）来诱导CA II活性发生剧烈变化（100％，〜50％，〜2％和分别为0％）。通过在CO₂压力下从0(无CO₂加压)到20 atm的低温冷却蛋白质晶体，制备了无金属(apo，作为对照)和4个金属结合CAIIs的催化中间态。

2）通过对锌结合的天然CA II和非天然金属取代的CA II的中间状态的比较研究，证明了特征性的金属离子配位几何形状（Zn²⁺为四面体，Co²⁺为四面体到八面体的转化，Ni²⁺为八面体，以及对于Cu²⁺的三角双锥体），直接调节催化效率。

3）特征金属离子配位几何形状直接调节催化过程，包括底物结合，其转化为产物，和产物结合。此外，还揭示了金属离子对活性位点的水网络重构具有长程（〜10Å）静电作用，影响产物位移和质子转移过程。

总之，该工作表明金属酶中的金属离子除了其主要化学性质外，还对催化机理具有至关重要的影响。

参考文献：

Jin Kyun Kim et al. Elucidating the role of metal ions in carbonic anhydrase catalysis. Nat Commun, 2020.

DOI: 10.1038/s41467-020-18425-5

https://doi.org/10.1038/s41467-020-18425-5