Медные белки — это белки , которые содержат один или несколько ионов меди в качестве простетических групп . Медные белки встречаются во всех формах дышащих воздухом форм жизни. Эти белки обычно связаны с переносом электронов с участием кислорода (O 2 ) или без него. Некоторые организмы даже используют медные белки для переноса кислорода вместо железных белков. Известный медный белок у людей находится в цитохром с оксидазе (cco). Этот фермент cco опосредует контролируемое сгорание, которое производит АТФ . [1] Другие медные белки включают некоторые супероксиддисмутазы, используемые для защиты от свободных радикалов, пептидил-α-монооксигеназу для производства гормонов и тирозиназу, которая влияет на пигментацию кожи. [2]
Металлические центры в медных белках можно разделить на несколько типов: [3]
Синие медные белки получили свое название из-за своей интенсивной синей окраски (Cu(II)). Синие медные белки часто называют « лунный белок », что означает, что белок может выполнять более одной функции. Они служат в качестве агентов переноса электронов, причем активный центр перемещается между Cu(I) и Cu(II). Cu2 + в окисленном состоянии может принять один электрон для образования Cu1 + в восстановленном белке. Геометрия центра Cu оказывает большое влияние на его окислительно-восстановительные свойства. Искажение Яна-Теллера не применяется к синим медным белкам, поскольку медный центр имеет низкую симметрию, которая не поддерживает вырождение в d-орбитальном многообразии. Отсутствие крупных реорганизационных изменений увеличивает скорость их электронного переноса. Активный центр синих медных белков типа I. Два 2-гистидина, 1 метионин и 1 цистеин присутствуют в координационной сфере. Примерами синего медного белка типа I являются пластоцианин , азурин , а также нитритредуктаза, гемоцианин и тирозиназа .
Синие медные белки, класс медных белков типа 1, представляют собой небольшие белки, содержащие купредоксиновую складку и один ион меди типа I, координированный двумя гистидиновыми N-донорами, цистеиновым тиолатным S-донором и метиониновым тиоэфирным S-донором. [8] В окисленном состоянии ион Cu +2 будет образовывать либо тригональную бипирамидальную, либо тетраэдрическую координацию. [8] Медные белки типа 1 идентифицируются как синие медные белки из-за переноса заряда лиганда на металл с интенсивной полосой при 600 нм, которая дает характеристику темно-синего цвета, присутствующего в спектре поглощения электронов. [9]
Структура белка синего медного белка типа 1, амицианина , построена из полипептидных складок, которые обычно встречаются в сэндвич-структуре β синих медных белков. [10] Структура очень похожа на пластоцианин и азурин , поскольку они также идентифицируются как медные белки типа 1. [10] Они также похожи друг на друга из-за геометрии медного участка каждого медного белка. Белок азурин имеет тригональную бипирамидальную геометрию с удлиненными аксиальными глициновыми и метиониновыми серными лигандами. Пластоцианины имеют дополнительный метиониновый серный лиганд в аксиальном положении. Главное отличие каждого медного белка заключается в том, что каждый белок имеет разное количество и вид лиганда, координированного с медным центром.
Сильная связь между ионом меди и серой цистеина позволяет несвязанному электрону на сере цистеина присутствовать как на низко-/высокоспиновом состоянии иона меди, орбитали d x 2 -d y 2 , так и на p-орбитали серы цистеина. [9] Большинство комплексов меди (II) будут демонстрировать эффект Яна-Теллера , когда комплекс образует тетрагональное искажение октаэдрической комплексной геометрии. [11] С синими медными белками будет образован искаженный тетраэдрический комплекс из-за сильного экваториального лиганда цистеина и слабого аксиального лиганда метионина. [11] Два нейтральных лиганда гистидина позиционируются лигандом белка, поэтому геометрия является искаженной тетраэдрической. Это приведет к тому, что они не смогут идеально координироваться как тетраэдр или квадратная планарная.
Понижение температуры может изменить переходы. Интенсивное поглощение при около 16000 см −1 было характерно для абсорбционной характеристики голубой меди. Была вторая полоса с более низкой энергией и умеренной интенсивностью поглощения. Данные поляризованного сигнала-кристаллического поглощения пластоцианина показали, что обе полосы имеют одинаковое отношение поляризации, связанное со связью Cu(II)-S(Cys). Это объясняется тем, что нормальный комплекс меди имеет высокоэнергетическую интенсивную сигма-связь и низкоэнергетическую слабую π-связь. Однако в случае белка голубой меди есть низкоэнергетическая интенсивная сигма-связь и высокоэнергетическая слабая π-связь, поскольку интенсивность CT отражает перекрытие донорных и акцепторных орбиталей в процессе CT. Для этого требовалось, чтобы 3d (x 2 -y 2 ) орбиталь участка голубой меди была ориентирована таким образом, чтобы ее доли делили пополам связь Cu-S(Cys), давая доминирующее π-перекрытие непосредственно с серой. Наконец, природа волновой функции основного состояния белка голубой меди богата спектром электронного поглощения.
Связи ионов цистеина серы меди (II) варьируются от 2,6 до 3,2 Å. [12] В восстановленной форме CuI белковые структуры по-прежнему образуются с удлиненными связями на 0,1 Å или менее. В окисленных и восстановленных белковых структурах они накладываются друг на друга. В случае амицианина есть исключение из-за того, что гистидин лигирован и не связан с иодидом меди. [12] В азурине тиолят цистеина 112 принимает водородные связи от амидного остова аспарагина 47 и фенилаланина 114, а гистидин 46 отдает водородную связь карбонильной основе аспарагина 10. Тиолат цистеина84 пластоцианина принимает водородную связь от амидного остова, аспарагина 38, а гистидин37 сильно взаимодействует с карбонильным остовом аланина 33 и слабее с карбонильным остовом лейцина 5, глицина 34 и амидным остовом фенилаланина35. [12]
Комплексы Cu 2+ часто имеют относительно низкие скорости переноса. Примером является комплекс Cu 2+/+ aqua , который составляет 5 x 10−7 M − 1 .sec −1 по сравнению с синим медным белком, который находится между 1 мс и 01 мкс. [13] При переносе электронов окисленное состояние Cu 2+ в активном центре синего медного белка будет минимизировано, поскольку минимизирован эффект Яна-Теллера. Искаженная геометрия предотвращает искажение Яна-Теллера. Орбитальное вырождение устраняется из-за асимметричного поля лиганда. [11] Асимметричное поле лиганда находится под влиянием сильного экваториального цистеинового лиганда и слабого аксиального метионинового лиганда. На рисунке 2 диаграмма уровней энергии показывает три различные соответствующие геометрии и их d-орбитальное расщепление, а эффект Яна-Теллера показан синим цветом. [11] (i) показывает диаграмму уровней энергии тетраэдрической геометрии с вырожденной. Тетраэдрическая структура может подвергаться искажению Яна-Теллера из-за вырожденных орбиталей. (ii) показывает диаграмму расщепления уровней энергии симметричной геометрии C 3v с основным состоянием 2 E, которое вырождено. Геометрия C 3v была образована удлиненной метиониновой тиоэфирной связью в восстановленном месте. Неспаренные электроны приводят к эффекту Яна-Теллера. (iii) показывает диаграмму расщепления уровней энергии основного состояния геометрии C s с более длинной тиоэфирной связью и, следовательно, более короткой тиолатной связью. Это правильная геометрия голубого медного белка. Это показывает, что эффект Яна-Теллера отсутствует. Энергетическая диаграмма показывает, что асимметрия короткой связи Cu-S(Cys) и сильно искаженные углы связи Cu-L приводят к устранению вырождения орбиталей и, таким образом, устранению эффекта Яна-Теллера, который обусловлен слабым донором в Cu-S(Met) и сильным донором в Cu-S(Met). [11]