Metalloprotein

Metalloprotein : protein + metall. Det er en fellesbetegnelse for et protein som inneholder et metallion som en kofaktor . [ 1 ] Funksjonene til metalloproteiner er svært varierte i cellene, og fungerer som enzymer, transport- og lagringsproteiner, og i signaltransduksjon . Faktisk krever omtrent en fjerdedel til en tredjedel av alle proteiner metaller for å utføre sine funksjoner. [ 2 ] Metallet er vanligvis koordinert av nitrogen- , oksygen- eller svovelatomer som tilhører aminosyrene i polypeptidkjeden og/eller en makrosyklisk ligand inkorporert i proteinet. Tilstedeværelsen av metallioner i metalloenzymer gjør at de kan utføre funksjoner som redoksreaksjoner som ikke lett kan utføres av det begrensede settet med funksjonelle grupper som finnes i aminosyrer. [ 3 ]

Lagring og transport av metalloproteiner

Oksygenbærere

Hemoglobin , den viktigste oksygenbæreren hos mennesker, har fire underenheter der jern(II)-ionet er koordinert av den makrosykliske plane liganden protoporfyrin IX (PIX) og imidazolnitrogenatomet til en histidinrest. Det sjette koordinasjonsstedet inneholder enten et vannmolekyl eller et dioksygenmolekyl. Det aktive stedet er i en hydrofob lomme; dette er viktig, siden jern(II) ellers ville oksideres irreversibelt til jern(III). Likevektskonstanten for HbO 2 -dannelse er slik at oksygen tas opp eller frigjøres avhengig av partialtrykket av oksygen i lungene eller musklene. I hemoglobin viser alle fire underenhetene en samarbeidseffekt som tillater enkel overføring av oksygen fra hemoglobin til myoglobin .

Hemorithrin er en annen jernholdig oksygenbærer . Oksygenbindingsstedet for oksygen er et binukleært jernsenter. Jernatomene er koordinert til proteinet gjennom karboksylatsidekjeder av glutamat , aspartat og fem histidinrester . Innlemmelsen av O 2 av hemothrin er ledsaget av oksidasjon av to elektroner i det binukleære reduserte senteret, med produksjon av peroksid (OOH - ). Mekanismene for oksygenfanging og frigjøring er kjent i detalj. [ 4 ]​ [ 5 ]

Hemocyaniner frakter oksygen i blodet til de fleste bløtdyr og noen leddyr som hesteskokrabben . Det følger hemoglobin i overflod som en form for oksygentransport. Ved oksygenering blir de to kobber(I)-atomene i det aktive stedet oksidert til kobber(II) og dioksygenmolekylene reduseres til peroksid, O 2 2- . [ 6 ]​ [ 7 ]

Cytokromer har et jernatom som i de fleste tilfeller er koordinert til en hemgruppe . Cytokromer fungerer som elektronoverføringsvektorer ved å oksidere jern(II) til jern(III). Forskjellene mellom cytokromene ligger i de forskjellige sidekjedene; for eksempel cytokrom a har en hem en protesegruppe og cytokrom b har en hem b protesegruppe. Disse forskjellene oversetter seg til forskjellige redokspotensialer Fe 2+ /Fe 3+ på en slik måte at flere cytokromer deltar i den mitokondrielle elektrontransportkjeden. [ 8 ]

Cytokrom P450-enzymer utfører funksjonen med å sette inn et oksygenatom i en CH-binding, en oksidasjonsreaksjon. [ 9 ]​ [ 10 ]

Rubredoxin

Ruredoxin er en elektronbærer som finnes i bakterier og archaea som metaboliserer svovel. Stedet inneholder et jernion som er koordinert av svovelatomene til fire cysteinrester som danner et nesten vanlig tetraeder. Rubredoksinene utfører én-elektronoverføringsprosesser. Oksydasjonstilstanden til jernatomet endres mellom tilstandene +2 og +3. I begge oksidasjonstilstandene til metallet er det et høyt spinn som bidrar til å minimere strukturelle endringer.

Oppbevaring og overføring av jern

Jern lagres som jern(III) i ferritin. Den nøyaktige naturen til bindingsstedet er ennå ikke bestemt. Jern ser ut til å være tilstede som et hydrolyseprodukt, som FeO(OH), og bæres av transferrin hvis bindingssted består av to tyrosiner, en asparaginsyre og en histidin. [ 11 ]

Menneskekroppen har ingen jernutskillelsesmekanisme, dette kan føre til problemer med jernoverskudd hos pasienter som behandles med blodtransfusjoner, for eksempel med β -talassemi .

Ceruloplasmin

Ceruloplasmin er det viktigste kobberbærende proteinet i blodet. Det viser oksidaseaktivitet, som er assosiert med mulig oksidasjon av Fe 2+ (jern-ion) til Fe 3+ (jern-ion), og hjelper dermed transporten i plasma, i forbindelse med transferrin , som bare kan bære jern i jernet. stat.

Metalloenzymer

Metalloenzymer har ett trekk til felles, at metallionet binder seg til proteinet med et labilt koordinasjonssted. Som med alle enzymer er formen på det aktive stedet avgjørende; metallet finnes normalt i en lomme, hvis form er tilpasset underlaget. Metallioner katalyserer reaksjoner som er vanskelige å oppnå i organisk kjemi.

Karbonanhydrase

CO2 + H2O < - > H2CO3 _

Denne reaksjonen er veldig langsom i fravær av en katalysator, men rask i nærvær av hydroksidionet .

CO 2 + OH - <-> HCO 3 -

En reaksjon som ligner denne er nesten øyeblikkelig med karbonsyreanhydrase. Strukturen til det aktive stedet er velkjent; Den er sammensatt av et sinkion koordinert av tre imidazolnitrogenatomer fra tre histidinenheter. Det fjerde koordinasjonsstedet er okkupert av et vannmolekyl. Denne koordineringen av sinkioner er omtrent tetraedrisk, den positive ladningen til ionene polariserer det koordinerte vannmolekylet og nukleofilt angrep av det negativt ladede hydroksydet av karbondioksid oppstår. Den katalytiske syklusen produserer bikarbonat- og hydrogenioner [1] siden likevekten favoriserer dissosiasjonen av karbonsyre ved fysiologiske pH - verdier . [ 12 ]

H2CO3 < - > HCO3 - + H +

Vitamin B12-avhengige enzymer

Vitamin B12 katalyserer overføringen av metyl (-CH3) mellom to grupper av molekyler, som involverer brudd av CC-bindinger, en prosess som er energisk kostbar i organiske reaksjoner. Metallionene senker aktiveringsenergien for overgangsprosessen ved å danne en forbigående Co - CH3 - binding . [ 13 ] Strukturen til dette koenzymet ble bestemt av Dorothy Hodgkin, som hun mottok en Nobelpris for. [ 14 ] Den består av et kobolt(II)ion koordinert av fire nitrogenatomer fra en korrinring og et femte nitrogenatom fra imidazolgruppen. I hviletilstand er det en σ Co-C-binding til 5'-karbonet av adenosin. [ 15 ] Dette er en organometallisk forbindelse som finnes i naturen, som forklarer dens rolle i transmetylering, slik som den som utføres av metioninsyntase.

Nitrogenase

Enzymet nitrogenase er et av få enzymer som kan katalysere prosessen med å fikse atmosfærisk nitrogen. Den har et molybdenatom i det aktive stedet og sentre for jern-svovelgrupper som deltar i transporten av elektronene som er nødvendige for å redusere nitrogen. Reaksjonen kan skrives slik:

N2 +16 Mg ATP + 8e - → 2NH3 + 16 Mg ADP +16 Pi + H2

Den nøyaktige strukturen til det aktive nettstedet har vært vanskelig å fastslå. Det ser ut til å inneholde et MoFe 7 S 8 -senter som er i stand til å binde dinitrogenmolekylet og sannsynligvis la reduksjonsprosessen begynne. [ 16 ] Elektroner bæres av det tilhørende "P"-senteret, som inneholder to kubiske Fe 4 S 4 -sentre forbundet med svovelbroer. [ 17 ]

Superoxide dismutase

Superoksidionet, O 2- genereres i biologiske systemer ved reduksjon av molekylært oksygen. Den har et uparet elektron, så det oppfører seg som en fri radikal og er et kraftig oksidasjonsmiddel. Disse egenskapene gjør superoksidionet svært giftig, og det brukes av fagocytter til å drepe invaderende mikroorganismer. Ellers må superoksidet ødelegges før det gjør uønsket skade på cellene. Enzymet superoksiddismutase utfører denne funksjonen svært effektivt. [ 18 ]

Oksydasjonstilstanden til oksygenatomer er ½. I løsninger ved nøytral pH, dismuteres superoksidion til molekylært oksygen og hydrogenperoksid:

2 O 2 − + 2 H + → O 2 + H 2 O 2

Superoksid, forkortet SOD, øker reaksjonshastigheten til nær diffusjonsgrensen.[20] Nøkkelen til virkningen av disse enzymene er metallionet med variable oksidasjonstilstander som kan fungere som et oksidasjonsmiddel eller som et reduksjonsmiddel.

Oksidasjon: M (n+1)+ + O 2 − → M n+ + O 2 Reduksjon: Mn+ + O2 - + 2H + - > M (n+1 ) + + H202 .

Hos mennesker er det aktive metallet kobber, som Cu 2+ eller Cu + , koordinert som et tetraeder av histidinrester. Det enzymet har også sinkioner. Andre isoenzymer kan inneholde jern, mangan eller nikkel. Ni-SOD er ​​spesielt interessant siden det involverer nikkel(III), en uvanlig oksidasjonstilstand for dette grunnstoffet. Den aktive stedsgeometrien med N går fra et flatt kvadrat Ni(II), med tiolat (Cys2 og Cys6) og nitrogen (His1 og Cys2), til et pyramideformet kvadrat med Ni(III) med en aksial His1 som ligand. [ 19 ]

Klorofyll

Klorofyll spiller en avgjørende rolle i fotosyntesen . Den inneholder et magnesiumion innesluttet i en klorring. Magnesiumionet er imidlertid ikke direkte involvert i fotosyntetisk funksjon og kan erstattes av et annet toverdig ion med lite aktivitetstap. I stedet blir fotonet absorbert av klorringen, hvis elektroniske struktur er tilpasset dette formålet.

I utgangspunktet fører absorpsjon av et foton til at et elektron eksiteres til en Q-bånds singletttilstand.Den eksiterte tilstanden gjennomgår intersystem-kryssing fra en singletttilstand til en tripletttilstand der det er to elektroner med parallelt spinn. Denne arten er en fri radikal, som er grunnen til at den er veldig reaktiv og lar et elektron overføres til akseptorer ved siden av klorofyllet i kloroplasten. I denne prosessen oksideres klorofyll. Så i fotosyntesesyklusen reduseres det ved å akseptere et elektron og sluttproduktet av oksidasjonen er molekylært oksygen hvis atomer kommer fra vannmolekyler.

Signaltransduserende metalloproteiner

Calmodulin

Calmodulin er et eksempel på proteinsignaltransduksjon . Det er et lite protein som inneholder fire EF-håndmotiver , som hver kan binde et Ca2 + -ion .

I en EF-håndløkke er kalsiumionene koordinert i en bipyramidal femkantet konfigurasjon. Seks glutaminsyre- og asparaginsyrerester deltar i bindingen ved posisjon 1, 3, 5, 7, 9 i polypeptidkjeden. I posisjon 12 er det en glutamat- eller aspartatligand, som oppfører seg som en bidentatligand, og gir to oksygenatomer. Den niende resten i løkken må nødvendigvis være et glycin på grunn av konformasjonskravene til polypeptidkjeden. Kalsiumkoordinasjonssfæren inneholder bare karboksylat oksygenatomer og ingen nitrogenatomer.

Proteinet har to omtrent symmetriske domener, atskilt med en fleksibel "hengsel"-region. Kalsiumbindingen forårsaker en konformasjonsendring i proteinet. Calmodulin deltar i intracellulære signalsystemer ved å fungere som en andre budbringer til de første stimuli. [ 20 ]​ [ 21 ]

Transkripsjonsfaktorer

Mange transkripsjonsfaktorer inneholder en struktur kjent som en sinkfinger , en strukturell modul der en region av proteinet folder seg rundt et sinkion. Sink kommer ikke i kontakt med DNA som disse proteinene binder seg til, i stedet er kofaktoren essensiell for stabiliteten til den tett foldede proteinkjeden. [ 22 ] I disse proteinene finnes sinkionet vanligvis koordinert av par av cystein- og histidinsidekjeder .

Andre metalloenzymer

Ion Eksempler på enzymer som inneholder dette ionet
Magnesium Glukose 6-fosfatase
Hexokinase
DNA polymerase
Vanadium Vanabin
Mangan Arginase
Jern Catalase
Hydrogenase
IRE-BP
Aconitase
Nikkel [ 23 ] Urease
Hydrogenase
Kobber Cytokromoksidase
Plastocyanin
Laccase
Sink Alkoholdehydrogenase
Karboksypeptidase
Aminopeptidase
Molybden Nitratreduktase

Sulfittoksidase

Xanthine Oxidase

Nitrogenase (Mo og Fe)

Selen Glutationperoksidase
Flere Metallothionein
Fosfatase

Referanser

  1. ↑ Shriver, D.F.; Atkins, PW (1999). «Kapittel 19, Biouorganisk kjemi». Uorganisk kjemi (3. utgave). Oxford University Press . ISBN  019 850330X . 
  2. ↑ Waldron KJ, Robinson NJ (januar 2009). «Hvordan sørger bakterieceller for at metalloproteiner får riktig metall?». Nat. Rev. Microbiol. 7 (1):25-35. PMID  19079350 . doi : 10.1038/nrmicro2057 . 
  3. ↑ Messerschmidt, A; Huber, R.; Wieghardt, K.; Poulos, T. (2001). Håndbok for metalloproteiner . Wiley. ISBN  0-471-62743-7 . 
  4. ^ Stenkamp, ​​​​RE (1994). Dioksygen og hemerytrin. Chem.Rev.94 :715-726 . doi : 10.1021/cr00027a008 . 
  5. ^ Wirstam M., Lippard SJ, Friesner RA (2003). Reversibel dioksygenbinding til hemerytrin. J. Am. Chem. Soc. 125 : 3980-3987. doi : 10.1021/ja017692r . 
  6. ↑ KD Karlin, RW Cruse, Y. Gultneh, A. Farooq, JC Hayes og J. Zubieta (1987). Dioksygen-kobber reaktivitet. Reversibel binding av O2 og CO til et fenokso-brokoblet dikobber(I)-kompleks». J. Am. Chem. Soc. 109 (9): 2668-2679. doi : 10.1021/ja00243a019 . 
  7. ↑ N. Kitajima, K. Fujisawa, C. Fujimoto, Y. Morooka, S. Hashimoto, T. Kitagawa, K. Toriumi, K. Tatsumi og A. Nakamura (1992). «En ny modell for dioksygenbinding i hemocyanin. Syntese, karakterisering og molekylær struktur av μ-η2:η2 peroxo dinukleære kobber(II)-komplekser, [Cu(HB(3,5-R2pz)3)]2(O2) (R = isopropyl og Ph)». J. Am. Chem. Soc. 114 (4): 1277-1291. doi : 10.1021/ja00030a025 . 
  8. ↑ Moore, G.R.; Pettigrew, GW (1990). Cytokrom c: strukturelle og fysisk-kjemiske aspekter . Berlin: Springer. 
  9. ↑ Astrid Sigel, Helmut Sigel og Roland KO Sigel, red. (2007). De allestedsnærværende rollene til Cytochrome450-proteiner . Metallioner i biovitenskap 3 . Wiley. ISBN  978-0-470-01672-5 . 
  10. ↑ Ortiz de Montellano, PR (2005). Cytokrom P450 struktur, mekanisme og biokjemi (3. utgave). Springer. ISBN  978-0-306-48324-0 . 
  11. ↑ Anderson BF, Baker HM, Dodson EJ, et al. (april 1987). "Struktur av humant laktoferrin ved 3,2-A oppløsning" . proc. Natl. Acad. Sci. USA 84 (7): 1769-73. PMC  304522 . PMID  3470756 . 
  12. ^ Lindskog S (1997). "Struktur og mekanisme for karbonsyreanhydrase" . Pharmacol. Ther. 74 (1): 1-20. PMID  9336012 . doi : 10.1016/S0163-7258(96)00198-2 . 
  13. ↑ Astrid Sigel, Helmut Sigel og Roland KO Sigel, red. (2008). Metallioner i biovitenskap - Metall-karbonbindinger i enzymer og kofaktorer 6 . Wiley. ISBN  978-1-84755-915-9 . 
  14. ^ "Nobelprisen i kjemi 1964" . Nobelprize.org. 
  15. ↑ Hodgkin, D.C. (1965). "Strukturen til Corrin-kjernen fra røntgenanalyse". proc. Roy. Soc. A 288 : 294-305. doi : 10.1098/rspa.1965.0219 . 
  16. ^ Orme-Johnson, W. H. (1993). Steifel, EI; Coucouvannis, D.; Newton, DC, red. Fremskritt i kjemi, Symposium serie nr. 535 - Molybdenenzymer, kofaktorer og modellsystemer . Washington, DC: American Chemical Society. s. 257. 
  17. ↑ Chan, MK; Kim, J.; Rees, D.C. (1993). "Nitrogenase FeMo-kofaktor og P-klyngepar: 2.2 A oppløsningsstrukturer". Science 260 : 792. PMID  8484118 . doi : 10.1126/science.8484118 . 
  18. ↑ Packer, L. (redaktør) (2002). Superoxide Dismutase: 349 (Methods in Enzymology) . Akademisk presse. ISBN  0121822524 . 
  19. ↑ Barondeau, DP; Kassmann CJ; Bruns CK; Tainer JA; Getzoff ED (2004). "Nikkelsuperoksiddismutasestruktur og mekanisme". Biochemistry 43 (25): 8038-8047. PMID  15209499 . doi : 10.1021/bi0496081 . 
  20. ↑ Stevens FC (1983). Calmodulin: en introduksjon. Hund. J. Biochem. Cell Biol. 61 (8): 906-10. PMID  6313166 . 
  21. ↑ Chin D, Means AR (2000). "Calmodulin: en prototypisk kalsiumsensor". Trends Cell Biol. 10 (8): 322-8. doi : 10.1016/S0962-8924(00)01800-6 . 
  22. ↑ Berg JM (1990). "Sinkfingerdomener: hypoteser og nåværende kunnskap". Annu Rev Biophys Biophys Chem . 19 :405-21. PMID  2114117 . doi : 10.1146/annurev.bb.19.060190.002201 . 
  23. ↑ Astrid Sigel, Helmut Sigel og Roland KO Sigel (2008). Metallioner i biovitenskap - nikkel og dens overraskende innvirkning i naturen 2 . Wiley. ISBN  978-0-470-01671-8 . 

Eksterne lenker