本文重点介绍了锌金属位点扩展金属环境的相似性和不同性。有关铜、铁和锰金属中心的定义、方法和相应结果，请参阅参考文献。1在含有一个或多个金属辅因子的蛋白质结构中，我们定义并分析了扩展的金属环境，强调了三层相互作用：金属核心、配体基团和第二层外壳，其中包括与某些配体距离在3.5-Å内的所有残基（参见表的图例). 我们进一步确定了蛋白质结构的独特残基簇，这些残基簇通常与金属环境重叠。例如，组氨酸-半胱氨酸-蛋氨酸簇在I型铜位点附近很常见(1); 组氨酸-酪氨酸簇在铁金属位点的许多情况下都很突出(1).
锌金属位置的分类锌在生物系统中起结构、化学和调节作用，是许多蛋白酶和磷酸酶蛋白活性位点的基本成分(三–5). Lipscomb和Sträter(5)综述含有一个或多个锌金属原子的蛋白质结构的家族、基序和酶学。表展示了含有一个或多个单核锌的可用蛋白质结构的代表性集合的配体基团和第二外壳残基2+离子。配位锌离子的主要配体包括H（组氨酸）、酸性（D和/或E）和C（半胱氨酸）残基的组合、水配体，有时还包括残基Y、N、S和T。配体的组成和几何形状表明有六个天然类别（表):第一类，包含至少三个组氨酸残基的配体基团，其共享细长的锌结合基序H（H）EXX公司H（H）XX年XX月XX日H（H）（E和G不是配体）(5);II级，具有近端组氨酸对HXH和序列中相当远的第三组氨酸的配体阵列；III级，H和C配体的组合；IV级，两个分离的H配体，一个酸性单齿化合物加上一个结合水分子；V类，主要是酸性配体；和VI类，其他配体组成。
组氨酸配体互变构象。
另请参见参考。1讨论铜和铁蛋白质的组氨酸互变异构模式。单核锌离子组氨酸配体的互变异构偏好如下：(我)遵循序列基序HX的三个H的配体基团三换热器5H总是调用Nɛ2联络。(ii（ii）)在排列HXH中含有三个H残基的配体基团和一个遥远的H采用构象N作为近端组氨酸ɛ2而远距离配体获得的Nɛ2或Nδ1构象，金属-β-内酰胺酶（1bmc）结构除外。(三)一个配体基团，精确包含两个H，HX米H、，米≤4，通过N键与金属结合ɛ2联系人。(iv（四）)来自HX的两个H的配体基团米H、，米≥5采用几乎相等的互变异构体替代物：均为Nɛ2，均为Nδ1，或与一个N混合ɛ2和一个Nδ1. (v（v）)具有单个H的配体基团通常支持通过N进行连接δ1上述配位几何结构存在变体：溶菌酶（1lba）的两个锌组氨酸配体均通过Nδ1羧肽酶A（2ctc）也类似。抑癌蛋白p53也采用Nδ1组氨酸接触的原子。组氨酸配体与锌离子的键长通常在1.95–2.10Å的范围内，最接近的原子主要由Nɛ2氮附着。
第二外壳。
单核锌环境第二层的一个显著特征是带电残基，通常通过氢键与配体残基结合。第二层壳往往含有比非极性残基更多的极性残余物，通常至少是2倍。第二层壳比暴露的残留物埋藏更多（约1/3为溶剂暴露）。
tramtrack蛋白的每条链中有两个分离的锌离子，其第二层外壳大部分暴露在外。Zn-A171和Zn-A172的配体在一级序列中显示出完全相同的配体基团和相同的间距。这些对应于两个串联锌指基序，其中除了两个C残基和两个H残基之外，中间序列几乎没有任何保守性。令人着迷的是，这两个锌金属中心在第二个外壳中发生了显著的偏差。第一个锌原子具有优选的极性第二壳层，而其第二壳层中的第二个锌原子没有极性残基，但含有过量的疏水性残基（表).
锌蛋白结构中具有统计意义的不同3D残基簇。
有关具有统计意义的残留物簇的背景信息，请参阅前面的文章(1). 许多锌结构具有组氨酸{H}和/或半胱氨酸-组氨酸{CH}和（或）组氨酸-酸性{HED}残基簇，通常与锌金属环境重叠（表). 氨肽酶（1lcp）在刚到达锌-490的界面处含有一个重要的混合电荷簇{KRED}。
第一类。
其特征是在HEX基序之后具有组氨酸配体基团的单核锌蛋白2换热器2GX公司2H（H）(5). 其中一些结构有一个额外的Y配体。我们提出了更精确的图案H（a）前任2H（H）（b）X（X）2G（左/中/右）XH（c），其中显示的E总是出现在第二个壳中，并与其羧酸盐和N建立氢键ɛ2H的氮（b）其中一个（L/M/F）普遍位于靠近H的第二个壳体中（b）.图案的G位于第二个外壳的外部。第二层壳具有相同的疏水性和极性，极性残基中有R和E。HX基序的前两个组氨酸配体三换热器5H位于一个共同的α-螺旋中，第三个组氨酸位于下面的螺旋中，为锌离子提供了一个稳定的碱来与之相互作用。
第二类。
这些是涉及三个组氨酸配体的锌金属的例子，其中两个在序列顺序为HXH，第三个H相距20多个位置。在这些情况下，组氨酸主要通过N连接锌离子ɛ2金属-β-内酰胺酶(8)其锌配位基团涉及H-86、H-88、H-149，这是一个异常，因为近端组氨酸需要通过Nɛ2对于H-86，但Nδ1用于H-88。II类锌环境的第二层主要有利于极性（包括几个带电的）残留物（表). 在所有这些结构中，一个重要的{H}、{HED}或{HY}簇与延伸的锌环境重叠。在腺苷脱氨酶和碳酸酐酶II的蛋白质结构中，成对的单离组氨酸配体出现在同一条β链中。然而，对于张力蛋白和金属-β-内酰胺酶来说，情况并非如此，因为两种近端组氨酸都出现在同一个线圈中。
III类。
大量锌蛋白结构具有半胱氨酸对，它们与锌的配位顺序为CX2C、 让人联想到CX基序之后的细胞色素血红素结合形式2图案CX后面的CH和串联锌指片段2CX公司12换热器2–3H.CX的其他示例2–4C经常出现在铁-硫簇合物环境中(9). III类二开半胱氨酸配体有两种结构形式。两个半胱氨酸中的第一个和两个中间的残基是转弯的一部分。该基序见于肿瘤抑制蛋白p53、天冬氨酸氨甲酰转移酶和tramtrack锌指蛋白的锌配体组。另一个基序将第二个半胱氨酸（或组氨酸）配体置于短螺旋中，而第一个半胱氨酸配体作为螺旋的N-帽残基出现。第二个基序见于核心GP32、β-3醇脱氢酶和胞苷脱氨酶。
分布组氨酸（HX）的单核锌配体基团米H、，米>4）、成对半胱氨酸配体和可能的酸性残基使两种组氨酸以一个N的混合构象与金属接触ɛ2和一个Nδ1互变构型。tramtrack蛋白在Nɛ2联系人。胞苷脱氨酶有一个单一的组氨酸配体（Nδ1接触），一个酸性配体，和两个紧密的半胱氨酸CXHC。（这里H在第二个壳中）。核心GP32使用单个组氨酸（Nδ1接触）和三种半胱氨酸。类似地，抑癌基因p53将Zn-A与单个组氨酸（Nδ1接触）和三种半胱氨酸。仅由H和C残基组成的单核锌配体基团主要是半胱氨酸{C}和/或半胱氨酸-组氨酸{CH}簇合物的一部分（表). 第二层主要是带电残基，通常与配体相互作用。
第四类。
这些是由两个组氨酸、一个酸性单齿残基和一个结合水协调的单核锌离子蛋白质。四种主要的电流结构属于这种类型：羧肽酶A（2ctc）、嗜热菌蛋白酶（8tln）、声波刺猬（1vhh）和甘油激酶（1glc）。羧肽酶A和嗜热菌蛋白酶在单核锌金属中心的结构上具有相似性(5,10). 然而，我们的分析如表所示，表明上述四种结构的协调拓扑和其他第二壳体特征具有本质上的不同。
表3
| 羧肽酶A | 嗜热菌蛋白酶 | 音猬因子 | 甘油激酶 |
|---|
| 配体 | H、 H，酸性unibidenate，结合水 |
| 线圈和β股。H残基按顺序排列较远。 | α螺旋中的所有配体。经典锌蛋白酶基序：HEX2H（H） | 全部埋入绞线和线圈中；不是蛋白酶而是自溶蛋白 | 链F中分开的两个埋藏H 15残留物；一个H线圈，一个Hβ链；E暴露在线圈中 |
| 他的配体接触 | 2牛δ1 | 2牛ɛ2 | 1牛顿δ1，1牛顿ɛ2 | 2牛ɛ2 |
| 他的债券长度 | 中等，2.08–2.13Å | 紧密，1.93–1.97Å | 中等，2.06–2.08Å | 长，2.44–2.21Å |
| 第二个外壳 | 埋地线圈和β股 | 大部分呈α螺旋状，部分外露 | 许多β链，部分暴露 | 部分暴露；二级结构混合 |
| 第二层外壳的特殊残留物 | D-142 H键与配体H-69 | D-170 H键与配体H-142 | E-54 H键与配体H-183 | T-95氢键到H-75 |
| 重要集群 | 无 | {HED}关于锌2+; {ED}关于二钙 | {HED}关于锌2+; {ED}簇覆盖锌位 | 无 |
1glc中的锌配体基团穿过两条链，锌在界面上。1glc的第二个外壳涉及E-475G和R-482G，它们之间存在盐桥。1vhh中的第二个外壳具有E-54，它与配体H-183氢键，以及H-135，它与配体H-141相互作用。另一个相似性涉及2ctc中的第二个谷氨酸残基-E-270、8tln中的E-143和1vhh-中的E-177，它们都与锌结合水结合；2ctc中的正电荷残基R-127、8tln中的H-231和1vhh中的H-135也提供了一种基本的通用酸碱柔性补充剂。
嗜热菌蛋白酶（8tln）具有一个关于锌的{HED}簇2+离子（表). 在8tln的二钙核周围有一个显著的酸性{ED}簇，具有3E和3D残基，这可能会增强嗜热菌素结构的稳定性(6). Thermolysin含有四个钙离子，所有这些离子都明显有助于结构能力，而结构能力被认为是该蛋白质的高热稳定性的原因。其中两个被酸性电荷簇包围，另外两个部分暴露在蛋白质表面，与一个或两个直接酸性配体和其他羰基附件协调。声波刺猬（1vhh）区分出一个显著的{HED}簇，该簇与锌环境基本重叠。与嗜热蛋白类似，还有一个酸性簇{ED}，它确实包含锌金属中心。可能与嗜热菌蛋白酶类似，不定钙2+离子可能在1vhh的{ED}团簇中结合。
V类。
果糖-1,6-二磷酸酶（1frp）的锌原子仅由酸性残基和果糖2,6-二磷酸分子连接。每条链中的锌中心靠近同二聚体的果糖2,6-二磷酸界面。尽管烯醇化酶（4enl）的所有残基配体都是酸性的，第二层壳含有两个酸性残基和两个赖氨酸残基，但没有任何类型的具有统计意义的电荷簇或残基簇。两种赖氨酸K-396和K-345盐分别桥接到配体E-295（或D-246）和D-320。
第二壳层疏水（Φ）与极性（∏）残基的数目及不同类型的最近原子的数目
表给出了Φ和∏中的聚集残留物计数[分别计数的甘氨酸（G）、脯氨酸（P）和水]，以及六种锌类别中从第二壳残留物到配体的最近原子计数[碳（C）、氮（N）、氧（O）和硫（S）]。这些结果表明，对于II–V类锌和VI类锌，计数明显偏向第二层中的极性残基，而非疏水残基。此外，氧是与锌配体最接近的主要原子接触。只有在Zn等级I中，Φ的计数才超过∏的计数。
表4
| 锌 | 不。
| 骨料残渣计数
| 最近原子数
|
|---|
| 结构 | 配体 | 第二层外壳残留物 | Φ | ∏ | G公司 | P（P） | HOH公司 | C | N个 | O（运行） | HOH公司 | S公司 |
|---|
| I类 | 4 | 19 | 55 | 20 | 16 | 三 | 2 | 12 | 11 | 6 | 40 | 12 | 0 |
| II类 | 4 | 16 | 36 | 10 | 22 | 0 | 1 | 2 | 9 | 10 | 21 | 2 | 1 |
| III类 | 10 | 40 | 80 | 24 | 39 | 2 | 三 | 10 | 30 | 17 | 34 | 10 | 0 |
| IV类 | 4 | 16 | 51 | 11 | 25 | 2 | 1 | 11 | 18 | 2 | 29 | 11 | 0 |
| V类 | 2 | 10 | 36 | 7 | 15 | 1 | 2 | 11 | 8 | 15 | 9 | 11 | 0 |
| VI类 | 三 | 13 | 29 | 10 | 12 | 0 | 1 | 6 | 10 | 1 | 16 | 6 | 1 |
对锌金属中心扩展环境的检查揭示了以下一般特征。第二层壳通常包含大多数极性残基，包括几个带电残基（主要是R，但偶尔是H）和一个或多个酸性残基。大多数锌蛋白结构具有与锌环境重叠的显著的{HED}簇和/或{CHY}簇。
锌金属中心（I类，水解酶结构的一个亚类）由排列在序列基序HEX中的三个组氨酸残基配位2换热器2G（M/L/F）XH号。结扎的几何形状始终是Nɛ2。一般来说，表揭示了锌被两个或多个组氨酸残基连接，在HX一级序列中有两个近端组氨酸米H、，米<5，广泛采用Nɛ2互变构象（金属-β-内酰胺酶（1bmc）结构除外）。为什么是Nɛ2几何结构有利于近端组氨酸残基？A和Nδ1结扎在接触金属时占据了更多的空间（骨架更紧密）。因此，序列中的两个近端组氨酸很难通过N连接金属离子δ1不会引起空间冲突。然而，序列中距离较远的两个组氨酸可以围绕不同侧面的金属离子移动。Nɛ2这种方法通常使组氨酸主链指向远离金属中心的方向，并且接触金属的表面积很小。从这个角度来看，以下原理适用于组氨酸连接构型：两个紧密的组氨酸配体HX米H、，米<5很少同时协调N中的单个金属离子δ1构象。
金属中心之间是否存在实质性的发散或收敛演化？金属、配体组分和第二外壳组分的相似性和差异如何反映进化和功能过程？召回（参见表图例)所分析的蛋白质3D结构被收集为一个具有代表性的集合（443个非冗余结构），其两两序列同源性小于25%。有许多结构守恒的例子，但没有顺序守恒。例如，参考文献中讨论的两种锰蛋白结构2chr和2mnr。1显示<10%的序列一致性，但具有相当相似的结构体系。然而，2chr在蛋白质表面有两个混合的残基簇，而2mnr没有任何残基簇。聚合进化的一个可能案例：几乎所有单核I型铜离子蛋白都属于全β结构类。
有很多不同之处。事实上，虽然I型铜金属中心共享相同的配体集，但它们至少采用配体集的三种不同的二级结构基序(1). 相似的是，每种I型铜离子的第二层外壳平均含有三个暴露的残留物，大多位于线圈元件中。这些溶剂可进入的线圈残基表明I型铜金属环境与蛋白质表面之间存在内在关系。从这个角度来看，第二层外壳在金属环境中提供了灵活性，这可能有助于电子转移活动。此外，所有I型Cu配体的组氨酸互变异构构象总是使用氮Nδ1配体-金属接触。这种结合偏好与II型铜离子和多核铜连接模式形成鲜明对比，后者主要通过N连接ɛ2对于铁金属中心，会出现相反的模式。单核铁配位普遍使用Nɛ2互变接触，而二离子中心主要产生Nδ1联络。
单核锌环境相当多样化。每个锌类别（I–V）内的成员在进化上是否相关？所有I类的例子都遵循配体基序HX三换热器5H和总是有前两个组氨酸配体部分的相同α-螺旋面向金属。相比之下，具有组氨酸配体（HXH）的类别II的示例可分为至少两个局部结构基序。共享相同配体阵列的IV类成员，其金属键合几何结构大多不同。V类锌中心的电荷环境由配体组成，这些配体大多为酸性，由第二层中带正电的残基平衡。第二个最重要的影响是稳定金属-配体组织并建立催化功能。组氨酸-酸性簇合物与氢结合网络相互作用，通常穿过活性锌位点的金属环境，可能有助于实现这些目标。
进一步的问题和议题包括：第二层外壳如何在功能、结构稳定性、蛋白质-蛋白质相互作用和底物通道中发挥作用？蛋白质三级结构（如结构类、四级结构）与扩展金属环境之间是否存在相关性？是否存在第二层壳残基通过氢键和其他特定相互作用“预组织”直接配体从而控制金属键亲和力的情况，以及第二层对直接配体几乎没有指导作用的情况？这些答案可能有助于预测金属位点，用于蛋白质工程，以及建议测试功能/结构特征的设计。尤其是第二外壳残基，为单一或干酪突变提供了有吸引力的位点。
