Catalisi di ioni metallici

Circa un terzo degli enzimi noti hanno bisogno di ioni metallici per esprimere la loro attività catalitica. Vi sono due classi di enzimi che richiedono ioni metallici e sono distinguibili in base alla forza con cui interagiscono con il metallo: 1) I metalloenzimi: contengono ioni metallici saldamente legati (i più comuni sono Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+ e Mn2+). 2) Gli enzimi attivati dai metalli: legano debolmente ioni metallici presenti in soluzione (di solito Na+, K+, Mg2+ oppure Ca2+). Gli  ioni metallici partecipano al processo catalitico principalmente in tre modi diversi:
1.Legandosi al substrato per orientarlo in modo corretto per la reazione;
2.Partecipando a reazioni di ossido-riduzione mediante modificazioni reversibili;
3.Stabilizzando elettrostaticamente o proteggendo cariche negative;
Comunque, gli ioni metallici promuovono la catalisi mediante la stabilizzazione di cariche. Infatti, in molte reazioni catalizzate da questi ioni, il metallo agisce come un protone, in sostanza come un acido di Lewis. Molto spesso gli ioni metallici sono catalizzatori molto più efficaci del protone, in quanto a pH neutro sono presenti ad alte concentrazioni. Inoltre, gli ioni metallici promuovono la catalisi nucleofila mediante la ionizzazione dell'acqua. Infatti, la carica di uno ione metallico fa sì che le molecole d'acqua che stanno legate allo ione siano più acide dell'acqua libera e quindi queste molecole possono essere una fonte di ioni OH-. Un eccellente esempio di questo fenomeno è presente nel meccanismo catalitico della anidrasi carbonica, un enzima molto diffuso che catalizza la reazione :                                 
CO2 + H2O  <-->   HCO3- + H+
L'anidrasi carbonica contiene uno ione Zn2+ essenziale che è implicato nel meccanismo catalitico dell'enzima: 1)la struttura dell'anidrasi carbonica umana presenta uno ione Zn2+ coordinato con una configurazione tetraedrica con tre catene laterali di His e con una molecola d'acqua. Quest'ultima polarizzata dallo ione Zn2+ si ionizza. 2) il gruppo OH che si forma attacca in modo nucleofilo la molecola di CO2 vicina, in quanto anch'essa legata all'enzima, trasformandola in HCO3-. 3) Il sito catalitico viene poi rigenerato mediante il legame e la ionizzazione di un'altra molecola di acqua allo zinco, probabilmente ancor prima che il bicarbonato abbandoni l'enzima, formando un complesso transitorio dove lo zinco ha cinque legami di coordinazione.
Un'altra importante funzione enzimatica degli ioni metallici è quella di accelerare le reazioni mediante la protezione di cariche. Per esempio, il reale substrato delle chinasi (enzimi che trasferiscono gruppi fosforici utilizzando l'ATP) è il complesso Mg2+—ATP.
Il ruolo del magnesio è la protezione elettrostatica delle cariche negative dei gruppo fosforici. Queste cariche tendono altrimenti a respingere il doppietto elettronico del nucleofilo che attacca.