Металлопротеин - Metalloprotein

Строение гемоглобина . Гем кофактор, содержащий металлическое железо , показанное в зеленом цвете.

Металлопротеин - это общий термин для белка, который содержит кофактор иона металла . Большая часть всех белков относится к этой категории. Например, по крайней мере 1000 белков человека (из ~ 20 000) содержат домены цинк-связывающих белков, хотя может быть до 3000 металлопротеинов цинка человека.

Избыток

Подсчитано, что примерно половина всех белков содержит металл . По другой оценке, предполагается, что от четверти до одной трети всех белков требуют металлов для выполнения своих функций. Таким образом, металлопротеины выполняют в клетках множество различных функций , таких как хранение и транспортировка белков, ферментов и белков передачи сигналов или инфекционных заболеваний. Обилие металлсвязывающих белков может быть свойственно аминокислотам, которые используют белки, поскольку даже искусственные белки без эволюционной истории легко связывают металлы.

Большинство металлов в организме человека связаны с белками. Например, относительно высокая концентрация железа в организме человека в основном связана с железом в гемоглобине .

Концентрации металлов в органах человека (ppm = мкг / г золы)
Печень Почка Легкое Сердце Головной мозг Мышцы
Mn ( марганец ) 138 79 29 27 22 <4-40
Fe ( железо ) 16 769 7 168 24 967 5530 4100 3500
Co ( кобальт ) <2-13 <2 <2-8 --- <2 150 (?)
Ni ( никель ) <5 <5-12 <5 <5 <5 <15
Cu ( медь ) 882 379 220 350 401 85-305
Zn ( цинк ) 5 543 5 018 1,470 2,772 915 4 688

Принципы координационной химии

В металлопротеинах ионы металлов обычно координируются азотными , кислородными или серными центрами, принадлежащими аминокислотным остаткам белка. Эти донорные группы часто представлены боковыми цепями на аминокислотных остатках. Особенно важны имидазольные заместители в остатках гистидина , тиолатные заместители в остатках цистеина и карбоксилатные группы, обеспечиваемые аспартатом . Учитывая разнообразие металло протеома , практически все аминокислотные остатки , как были показаны связыванием металлических центров. Пептидный остов также обеспечивает донорные группы; они включают депротонированные амиды и амидные карбонильные кислородные центры. Проведен обзор связывания свинца (II) в природных и искусственных белках.

Помимо донорных групп, которые обеспечиваются аминокислотными остатками, многие органические кофакторы действуют как лиганды. Пожалуй , наиболее известными являются тетрадентатным N 4 макроциклические лиганды , включенные в гем белка. Также распространены неорганические лиганды, такие как сульфид и оксид.

Хранение и транспортировка металлопротеинов

Это продукт второй стадии гидролиза белка, полученный обработкой чуть более сильными кислотами и щелочами.

Кислородные носители

Гемоглобин , который является основным переносчиком кислорода у человека, состоит из четырех субъединиц, в которых ион железа (II) координируется плоским макроциклическим лигандом протопорфирин IX (PIX) и атомом азота имидазола остатка гистидина . Шестой координационный центр содержит молекулу воды или молекулу дикислорода . Напротив, белок миоглобин , обнаруженный в мышечных клетках , имеет только одну такую ​​единицу. Активный центр расположен в гидрофобном кармане. Это важно, поскольку без него железо (II) необратимо окислялось бы до железа (III). Константа равновесия для образования HbO 2 такова, что кислород поглощается или высвобождается в зависимости от парциального давления кислорода в легких или в мышцах. В гемоглобине четыре субъединицы демонстрируют эффект кооперативности, который позволяет легко переносить кислород от гемоглобина к миоглобину.

Как в гемоглобине, так и в миоглобине иногда неверно утверждается, что оксигенированные частицы содержат железо (III). Теперь известно, что диамагнитная природа этих разновидностей обусловлена ​​тем, что атом железа (II) находится в низкоспиновом состоянии. В оксигемоглобине атом железа расположен в плоскости порфиринового кольца, но в парамагнитном дезоксигемоглобине атом железа лежит выше плоскости кольца. Это изменение спинового состояния является кооперативным эффектом из-за большего расщепления кристаллического поля и меньшего ионного радиуса Fe 2+ в фрагменте оксигемоглобина.

Гемеритрин - еще один железосодержащий переносчик кислорода. Сайт связывания кислорода представляет собой двухъядерный центр железа. Атомы железа координируются с белком через карбоксилатные боковые цепи глутамата и аспартата и пять остатков гистидина . Поглощение O 2 гемеритрином сопровождается двухэлектронным окислением восстановленного биядерного центра с образованием связанного пероксида (OOH - ). Детально проработан механизм поглощения и выделения кислорода.

Гемоцианины несут кислород в крови большинства моллюсков и некоторых членистоногих, таких как подковообразный краб . Они уступают только гемоглобину по биологической популярности использования в транспорте кислорода. При оксигенации два атома меди (I) в активном центре окисляются до меди (II), а молекулы диоксида восстанавливаются до пероксида O2-
2
.

Хлорокруорин (как более крупный носитель эритрокруорин ) представляет собой связывающий кислород гемепротеин, присутствующий в плазме крови многих кольчатых червей , особенно некоторых морских полихет .

Цитохромы

Реакции окисления и восстановления не распространены в органической химии, так как несколько органических молекул могут действовать как окислители или восстановители . С другой стороны, железо (II) легко окисляется до железа (III). Эта функция используется в цитохромах , которые функционируют как векторы переноса электронов . Присутствие иона металла позволяет металлоферментам выполнять такие функции, как окислительно-восстановительные реакции, которые не могут быть легко выполнены ограниченным набором функциональных групп, обнаруженных в аминокислотах . Атом железа в большинстве цитохромов содержится в гемовой группе. Различия между этими цитохромами заключаются в разных боковых цепях. Например, цитохром a имеет простетическую группу гема a, а цитохром b имеет простетическую группу гема b . Эти различия приводят к разным окислительно-восстановительным потенциалам Fe 2+ / Fe 3+ , так что различные цитохромы участвуют в митохондриальной цепи переноса электронов.

Ферменты цитохрома P450 выполняют функцию вставки атома кислорода в связь C-H, реакцию окисления.

Активный центр рубредоксина .

Рубредоксин

Рубредоксин - переносчик электронов, обнаруженный у бактерий, метаболизирующих серу, и архей . Активный центр содержит ион железа, координированный атомами серы четырех остатков цистеина, образующих почти правильный тетраэдр . Рубредоксины осуществляют процессы одноэлектронного переноса. Степень окисления атома железа изменяется между состояниями +2 и +3. В обоих состояниях окисления металл имеет высокое вращение , что помогает минимизировать структурные изменения.

Пластоцианин

Участок меди в пластоцианине

Пластоцианин - это один из семейства белков голубой меди , которые участвуют в реакциях переноса электронов . Сайт связывания меди описывается как искаженный тригонально-пирамидальный . Тригональная плоскость пирамидального основания состоит из двух атомов азота (N 1 и N 2 ) из отдельных гистидинов и серы (S 1 ) из цистеина. Сера (S 2 ) из аксиального метионина образует вершину. Искажение происходит в длинах связей между лигандами меди и серы. Контакт Cu-S 1 короче (207  мкм ), чем Cu-S 2 (282 мкм). Удлиненное соединение Cu-S 2 дестабилизирует форму Cu (II) и увеличивает окислительно-восстановительный потенциал белка. Синий цвет ( пиковое поглощение 597  нм ) обусловлен связью Cu-S 1, где происходит перенос заряда S (pπ) на Cu (d x 2 - y 2 ).

В восстановленной форме пластоцианина His- 87 станет протонированным с p K a, равным 4,4. Протонирование препятствует его действию в качестве лиганда, и геометрия участка меди становится тригонально плоской .

Хранение и перенос ионов металлов

Железо

Железо хранится в ферритине в виде железа (III) . Точная природа сайта связывания еще не определена. Железо присутствует в виде продукта гидролиза, такого как FeO (OH). Железо транспортируется трансферрином , сайт связывания которого состоит из двух тирозинов , аспарагиновой кислоты и гистидина . В организме человека нет механизма выведения железа. Это может привести к проблемам с перегрузкой железом у пациентов, получавших переливание крови , например, с β- талассемией . Железо фактически выводится с мочой, а также концентрируется в желчи, которая выводится с калом.

Медь

Церулоплазмин - это основной белок крови, переносящий медь . Церулоплазмин проявляет оксидазную активность, которая связана с возможным окислением Fe (II) до Fe (III), поэтому способствует его транспорту в плазме крови вместе с трансферрином, который может переносить железо только в состоянии Fe (III).

Кальций

Остеопонтин участвует в минерализации внеклеточного матрикса костей и зубов.

Металлоферменты

Все металлоферменты имеют одну общую черту, а именно, что ион металла связан с белком одним лабильным координационным центром. Как и для всех ферментов , форма активного центра имеет решающее значение. Ион металла обычно находится в кармане, форма которого соответствует форме подложки. Ион металла катализирует реакции, которые трудно осуществить в органической химии .

Карбоангидраза

Активный центр карбоангидразы . Три координирующих остатка гистидина показаны зеленым, гидроксид - красным и белым, а цинк - серым.

В водном растворе , двуокись углерода образует угольную кислоту

CO 2 + H 2 O ⇌ H 2 CO 3

Эта реакция протекает очень медленно в отсутствие катализатора, но довольно быстро в присутствии гидроксид- иона.

CO 2 + OH -HCO-
3

Подобная реакция происходит почти мгновенно с карбоангидразой . Структура активного центра в карбонатных ангидразах хорошо известна по ряду кристаллических структур. Он состоит из иона цинка, координированного тремя имидазольными атомами азота трех гистидиновых звеньев. Четвертый координационный узел занимает молекула воды. Координационная сфера иона цинка приблизительно тетраэдрическая . Положительно заряженный ион цинка поляризует скоординированную молекулу воды, и нуклеофильная атака отрицательно заряженной части гидроксида на диоксид углерода (угольный ангидрид) происходит быстро. Каталитический цикл производит ион бикарбоната и ион водорода как равновесные

H 2 CO 3HCO-
3
+ H +

способствует диссоциации угольной кислоты при биологических значениях pH .

Витамин B 12 -зависимые ферменты

Кобальта отработанной витамина B 12 (также известный как кобаламин) катализирует перенос метила (-СНО 3 ) группы между двумя молекулами, что предполагает разрыв С-С-связи , процесс , который энергетически дорогой в органических реакциях. Ион металла снижает энергию активации процесса, образуя временную связь Co-CH 3 . Структура кофермента была определена Дороти Ходжкин с сотрудниками, за что она получила Нобелевскую премию по химии . Он состоит из иона кобальта (II), координированного с четырьмя атомами азота корринового кольца и пятым атомом азота из имидазольной группы. В состоянии покоя имеется сигма-связь Co-C с 5'-атомом углерода аденозина . Это встречающееся в природе металлоорганическое соединение, что объясняет его функцию в реакциях транс- метилирования, таких как реакция, проводимая метионинсинтазой .

Нитрогеназа (азотфиксация)

Фиксации атмосферного азота является очень энергоемким процессом, так как она включает в себя нарушение очень стабильную тройную связь между атомами азота. Фермент нитрогеназа - один из немногих ферментов, которые могут катализировать этот процесс. Фермент встречается в бактериях Rhizobium . Его действие состоит из трех компонентов: атом молибдена в активном центре, кластеры железо-сера , которые участвуют в транспортировке электронов, необходимых для восстановления азота, и богатый источник энергии в виде АТФ магния . Последнее обеспечивается симбиотическими отношениями между бактериями и растением-хозяином, часто бобовым . Отношения являются симбиотическими, потому что растение снабжает энергией фотосинтезом и извлекает пользу, получая фиксированный азот. Реакцию можно символически записать как

N 2 + 16 Mg АТФ + 8 e - → 2  NH 3 + 16 Mg АДФ +16 P i + H 2

где P i обозначает неорганический фосфат . Точную структуру активного сайта определить сложно. По-видимому, он содержит кластер MoFe 7 S 8, который способен связывать молекулу диазота и, предположительно, позволяет начать процесс восстановления. Электроны переносятся связанным кластером «P», который содержит два кубических кластера Fe 4 S 4, соединенных серными мостиками.

Супероксиддисмутаза

Структура тетрамера супероксиддисмутазы 2 человека

Супероксид - ион, O-
2
образуется в биологических системах за счет восстановления молекулярного кислорода . У него неспаренный электрон , поэтому он ведет себя как свободный радикал . Это мощный окислитель . Эти свойства делают супероксид-ион очень токсичным и используются фагоцитами для уничтожения вторгшихся микроорганизмов . В противном случае ион супероксида должен быть разрушен, прежде чем он нанесет нежелательный ущерб клетке. В супероксиддисмутазы ферменты выполняют эту функцию весьма эффективно.

Формальная степень окисления атомов кислорода - 12 . В растворах с нейтральным pH ион супероксида диспропорционирует до молекулярного кислорода и перекиси водорода .

O-
2
+ 2 H + → O 2 + H 2 O 2

В биологии такой тип реакции называется реакцией дисмутации . Он включает как окисление, так и восстановление ионов супероксида. Группа ферментов супероксиддисмутазы (SOD) увеличивает скорость реакции почти до скорости, ограниченной диффузией. Ключом к действию этих ферментов является ион металла с переменной степенью окисления, который может действовать либо как окислитель, либо как восстановитель.

Окисление: M ( n +1) + + O-
2
→ М п + + О 2
Сокращение: M n + + O-
2
+ 2 Н + → М ( п +1) + + Н 2 О 2 .

В человеческой SOD активным металлом является медь в виде Cu (II) или Cu (I), координированная тетраэдрически четырьмя остатками гистидина . Этот фермент также содержит ионы цинка для стабилизации и активируется шапероном меди для супероксиддисмутазы ( CCS ). Другие изоферменты могут содержать железо , марганец или никель . Ni-SOD особенно интересен, поскольку он включает никель (III), необычную степень окисления для этого элемента. Геометрия активного центра никеля циклически меняется от плоской квадратной формы Ni (II) с тиолатными (Cys 2 и Cys 6 ) лигандами с азотом основной цепи (His 1 и Cys 2 ) до квадратно-пирамидального Ni (III) с добавленной осевой боковой цепью His 1. лиганд.

Хлорофилл-содержащие белки

Гемоглобин (слева) и хлорофилл (справа), две совершенно разные молекулы, когда дело доходит до функции, очень похожи, когда дело доходит до его атомной формы. Есть только три основных структурных отличия; магния атом (Mg) , хлорофилл, в отличие от железа (Fe) в гемоглобине. Кроме того, хлорофилл имеет удлиненный изопреноидный хвост и дополнительную алифатическую циклическую структуру вне макроцикла.

Хлорофилл играет решающую роль в фотосинтезе . Он содержит магний, заключенный в кольцо хлорина . Однако ион магния не участвует напрямую в фотосинтетической функции и может быть заменен другими двухвалентными ионами с небольшой потерей активности. Скорее фотон поглощается хлориновым кольцом, электронная структура которого хорошо приспособлена для этой цели.

Первоначально поглощение фотона приводит к возбуждению электрона в синглетное состояние Q-полосы. Возбужденное состояние претерпевает интеркомбинационный из синглетного состояния в триплетном состояние , в котором имеется два электрона с параллельным спином . Эта разновидность, по сути, является свободным радикалом , очень реактивна и позволяет электрону переноситься на акцепторы, которые находятся рядом с хлорофиллом в хлоропласте . При этом хлорофилл окисляется. Позже в фотосинтетическом цикле хлорофилл снова восстанавливается. Это восстановление в конечном итоге притягивает электроны из воды, давая молекулярный кислород в качестве конечного продукта окисления.

Гидрогеназа

Гидрогеназы подразделяются на три различных типа в зависимости от содержания металла в активном центре: гидрогеназа железо-железо, гидрогеназа никель-железо и гидрогеназа железа. Все гидрогеназы катализируют обратимое поглощение H 2 , но в то время как [FeFe] и [NiFe] гидрогеназы являются настоящими окислительно-восстановительными катализаторами , управляя окислением H 2 и восстановлением H +

H 2 ⇌ 2 H + + 2 e -

[Fe] гидрогеназы катализируют обратимое гетеролитическое расщепление H 2 .

H 2 ⇌ H + + H -
Структуры активных центров трех типов ферментов гидрогеназы.

Рибозим и дезоксирибозим

С открытием рибозимам по Томас Чех и Сидни Олтман в начале 1980 - х годов, рибозимы было показано, что отдельный класс металлоферментов. Многие рибозимы требуют наличия ионов металлов в их активных центрах для химического катализа; поэтому они называются металлоферментами. Кроме того, ионы металлов необходимы для структурной стабилизации рибозимов. Интрон группы I - наиболее изученный рибозим, в катализе которого участвуют три металла. Другие известные рибозимы включают интрон группы II , РНКазу P и несколько небольших вирусных рибозимов (таких как головка молотка , шпилька , HDV и VS ) и большую субъединицу рибосом. Недавно были обнаружены четыре новых класса рибозимов (названные твистер , сестра твистера, пистолет и топорик), которые все являются саморасщепляющимися рибозимами.

Дезоксирибозимы , также называемые ДНКзимами или каталитической ДНК, представляют собой искусственные каталитические молекулы ДНК, которые были впервые произведены в 1994 году и с тех пор быстро вызвали интерес. Почти всем ДНКзимам для функционирования необходимы ионы металлов; таким образом, они классифицируются как металлоферменты. Хотя рибозимы в основном катализируют расщепление РНК-субстратов, ДНКзимы могут катализировать различные реакции, включая расщепление РНК / ДНК, лигирование РНК / ДНК, фосфорилирование и дефосфорилирование аминокислот и образование углерод-углеродных связей. Тем не менее, ДНКзимы, которые катализируют реакцию расщепления РНК, являются наиболее изученными. ДНКзим 10-23, открытый в 1997 году, является одной из наиболее изученных каталитических ДНК с клиническим применением в качестве терапевтического агента. Сообщалось о нескольких металлоспецифичных ДНКзимах, включая ДНКзим GR-5 (специфический для свинца ), ДНКзим CA1-3 (специфический для меди ), ДНКзим 39E (специфичный для уранила ) и ДНКзим NaA43 (специфический для натрия ).

Сигнальные металлопротеины

Кальмодулин

EF с мотивом руки

Кальмодулин является примером белка передачи сигнала. Это небольшой белок, содержащий четыре мотива EF-hand , каждый из которых способен связывать ион Ca 2+ .

В петле EF-руки ион кальция имеет пентагональную бипирамидальную конфигурацию. Шесть остатков глутаминовой кислоты и аспарагиновой кислоты, участвующие в связывании, находятся в положениях 1, 3, 5, 7 и 9 полипептидной цепи. В положении 12 находится глутаматный или аспартатный лиганд, который ведет себя как (бидентатный лиганд), обеспечивая два атома кислорода. Девятый остаток в петле обязательно представляет собой глицин из-за конформационных требований скелета. Координационная сфера иона кальция содержит только карбоксилатные атомы кислорода и не содержит атомов азота. Это соответствует твердой природе иона кальция.

Белок имеет два примерно симметричных домена, разделенных гибкой «шарнирной» областью. Связывание кальция вызывает конформационные изменения в белке. Кальмодулин участвует во внутриклеточной сигнальной системе, действуя как диффузный вторичный мессенджер начальных стимулов.

Тропонин

Как в сердечных, так и в скелетных мышцах производство мышечной силы контролируется в первую очередь изменениями внутриклеточной концентрации кальция . В общем, когда уровень кальция повышается, мышцы сокращаются, а когда кальций падает, мышцы расслабляются. Тропонин , наряду с актином и тропомиозином , представляет собой белковый комплекс, с которым связывается кальций, чтобы вызвать выработку мышечной силы.

Факторы транскрипции

Цинковый палец . Цинка ион (зеленый) координируется двумя гистидиновых остатков и двух цистеиновых остатков.

Многие факторы транскрипции содержат структуру, известную как « цинковый палец» , это структурный модуль, в котором участок белка сворачивается вокруг иона цинка. Цинк не контактирует напрямую с ДНК, с которой связываются эти белки. Вместо этого кофактор необходим для стабильности плотно свернутой белковой цепи. В этих белках ион цинка обычно координируется парами боковых цепей цистеина и гистидина.

Другие металлоферменты

Существует два типа дегидрогеназы окиси углерода : одна содержит железо и молибден, а другая - железо и никель. Были рассмотрены параллели и различия в каталитических стратегиях.

Pb 2+ (свинец) может заменять Ca 2+ (кальций), как, например, кальмодулин, или Zn 2+ (цинк), как металлокарбоксипептидазы.

Некоторые другие металлоферменты приведены в следующей таблице в зависимости от используемого металла.

Ион Примеры ферментов, содержащих этот ион
Магний Глюкозо-6-фосфатаза
Гексокиназа
ДНК-полимераза

Поли (А) полимераза

Ванадий ванабины
Марганец Кислородовыделительный комплекс аргиназы
Железо Каталаза
гидрогеназа
IRE-BP
Аконитаза
Кобальт Нитрилгидратаза
Метионил аминопептидаза
метилмалонил-КоА мутазы
Изобутирил-CoA мутазы
Никель Уреаза
Гидрогеназа
Метил-кофермент М редуктаза (MCR)
Медь Цитохромоксидаза
Лакказа
Закись азота редуктаза
Нитритредуктаза
Цинк Алкогольдегидрогеназа
Карбоксипептидаза
Аминопептидаза
Бета-амилоид
Кадмий Металлотионеин
тиолята белки
Молибден Нитратредуктаза
Сульфитоксидаза
Ксантиноксидаза
ДМСО редуктаза
Вольфрам Ацетиленгидратаза
различный Металлотионеин
фосфатаза

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки