Металлопротеин — это общий термин для белка , который содержит кофактор иона металла . [1] [2] Большая часть всех белков относится к этой категории. Например, по крайней мере 1000 белков человека (из ~20 000) содержат домены цинк-связывающих белков [3] , хотя цинковых металлопротеинов человека может быть до 3000. [4]
Подсчитано, что примерно половина всех белков содержит металл . [5] По другой оценке, примерно от четверти до одной трети всех белков требуются металлы для выполнения своих функций. [6] Таким образом, металлопротеины выполняют в клетках множество различных функций , таких как хранение и транспорт белков, ферментов и белков передачи сигналов или инфекционных заболеваний. [7] Обилие белков, связывающих металлы, может быть присуще аминокислотам, которые используют белки, поскольку даже искусственные белки без эволюционной истории легко связывают металлы. [8]
Большинство металлов в организме человека связаны с белками. Например, относительно высокая концентрация железа в организме человека обусловлена главным образом содержанием железа в гемоглобине .
В металлопротеинах ионы металлов обычно координируются азотистыми , кислородными или серными центрами, принадлежащими аминокислотным остаткам белка. Эти донорские группы часто представлены боковыми цепями аминокислотных остатков. Особенно важны имидазольный заместитель в остатках гистидина , тиолатные заместители в остатках цистеина и карбоксилатные группы, обеспечиваемые аспартатом . Учитывая разнообразие металлопротеома , было показано, что практически все аминокислотные остатки связывают металлические центры. Пептидный остов также обеспечивает донорские группы; к ним относятся депротонированные амиды и амидные карбонильные кислородные центры. Было рассмотрено связывание свинца(II) в природных и искусственных белках. [10]
Помимо донорных групп, представленных аминокислотными остатками, многие органические кофакторы действуют как лиганды. Пожалуй, наиболее известными являются тетрадентатные макроциклические лиганды N 4 , включенные в гем- белок. Неорганические лиганды, такие как сульфид и оксид, также распространены.
Это продукт второй стадии гидролиза белков, получаемый обработкой несколько более сильными кислотами и щелочами.
Гемоглобин , который является основным переносчиком кислорода у человека, имеет четыре субъединицы, в которых ион железа (II) координируется плоским макроциклическим лигандом протопорфирином IX (PIX) и имидазольным атомом азота остатка гистидина . Шестое координационное место 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 окислится до железа(III). Константа равновесия образования HbO 2 такова, что кислород поглощается или выделяется в зависимости от парциального давления кислорода в легких или мышцах. В гемоглобине четыре субъединицы проявляют кооперативный эффект, который позволяет легко переносить кислород из гемоглобина в миоглобин. [11]
И в гемоглобине , и в миоглобине иногда ошибочно утверждают, что кислородсодержащие виды содержат железо (III). Сейчас известно, что диамагнитная природа этих частиц обусловлена тем, что атом железа(II) находится в низкоспиновом состоянии. В оксигемоглобине атом железа расположен в плоскости порфиринового кольца, а в парамагнитном дезоксигемоглобине атом железа лежит над плоскостью кольца. [11] Это изменение спинового состояния является совместным эффектом из-за более высокого расщепления кристаллического поля и меньшего ионного радиуса Fe 2+ в фрагменте оксигемоглобина.
Гемеритрин – еще один железосодержащий переносчик кислорода. Местом связывания кислорода является биядерный центр железа. Атомы железа координируются с белком через карбоксилатные боковые цепи глутамата и аспартата , а также пять остатков гистидина . Поглощение О 2 гемеритрином сопровождается двухэлектронным окислением восстановленного биядерного центра с образованием связанного пероксида (OOH- ) . Механизм поглощения и выделения кислорода детально разработан. [12] [13]
Гемоцианины переносят кислород в крови большинства моллюсков и некоторых членистоногих , например мечехвоста . По биологической популярности использования в транспорте кислорода они уступают только гемоглобину. При окислении два атома меди (I) в активном центре окисляются до меди (II), а молекулы дикислорода восстанавливаются до пероксида O.2−
2. [14] [15]
Хлорокруорин (как более крупный переносчик эритрокруорин ) представляет собой кислородсвязывающий гемопротеин, присутствующий в плазме крови многих кольчатых червей , особенно некоторых морских полихет .
Реакции окисления и восстановления не распространены в органической химии , поскольку лишь немногие органические молекулы могут действовать как окислители или восстановители . С другой стороны, железо (II) легко окисляется до железа (III). Эта функциональность 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 . [16] Атом железа в большинстве цитохромов содержится в гемовой группе. Различия между этими цитохромами заключаются в разных боковых цепях. Например, цитохром а имеет простетическую группу гема а , а цитохром b имеет простетическую группу гема b . Эти различия приводят к разным окислительно-восстановительным потенциалам Fe 2+ /Fe 3+ , так что в митохондриальную цепь транспорта электронов вовлекаются различные цитохромы . [17]
Ферменты цитохрома P450 выполняют функцию внедрения атома кислорода в связь C-H, реакцию окисления. [18] [19]
Рубредоксин — переносчик электронов, обнаруженный у бактерий и архей , метаболизирующих серу . Активный центр содержит ион железа, координированный атомами серы четырех остатков цистеина , образующих почти правильный тетраэдр . Рубредоксины осуществляют процессы одноэлектронного переноса. Степень окисления атома железа меняется между состояниями +2 и +3. В обеих степенях окисления металл является высокоспиновым , что помогает минимизировать структурные изменения.
Пластоцианин — один из семейства белков синей меди , которые участвуют в реакциях переноса электрона . Место связывания меди описывается как искаженная тригонально-пирамидальная форма . [20] Тригональная плоскость основания пирамиды 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 медными и серными лигандами. Контакт Cu-S 1 короче (207 пм ), чем Cu-S 2 (282 пм). Удлиненная связь 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 от S(pπ) к Cu(d x 2 - y 2 ). [21]
В восстановленной форме пластоцианина His -87 станет протонированным с pKa , равным 4,4. Протонирование предотвращает его действие в качестве лиганда , и геометрия позиций меди становится тригонально-планарной .
Железо хранится в виде железа(III) в ферритине . Точная природа сайта связывания еще не определена. Железо, по-видимому, присутствует в виде продукта гидролиза , такого как FeO(OH). Железо транспортируется трансферрином , место связывания которого состоит из двух тирозинов , аспарагиновой кислоты и гистидина . [22] В организме человека нет механизма выведения железа. [ нужна цитация ] Это может привести к проблемам с перегрузкой железом у пациентов, получающих переливание крови , как, например, при β- талассемии . Железо фактически выводится с мочой [23] , а также концентрируется в желчи [24] , которая выводится с калом. [25]
Церулоплазмин является основным медьсодержащим белком крови. Церулоплазмин проявляет оксидазную активность, что связано с возможным окислением Fe(II) в Fe(III), тем самым способствуя его транспорту в плазме крови в сочетании с трансферрином, который может переносить железо только в состоянии Fe(III).
Остеопонтин участвует в минерализации внеклеточного матрикса костей и зубов.
Все металлоферменты имеют одну общую особенность, а именно то, что ион металла связан с белком с помощью одного лабильного координационного сайта. Как и для всех ферментов , форма активного центра имеет решающее значение. Ион металла обычно находится в кармане, форма которого соответствует подложке. Ион металла катализирует реакции, которые трудно осуществить в органической химии .
В водном растворе углекислый газ образует угольную кислоту .
Эта реакция протекает очень медленно в отсутствие катализатора, но довольно быстро в присутствии гидроксид- иона .
Подобная реакция происходит почти мгновенно с карбоангидразой . Строение активного центра карбоангидраз хорошо известно по ряду кристаллических структур. Он состоит из иона цинка , координированного тремя имидазольными атомами азота из трех гистидиновых единиц. Четвертое координационное место занимает молекула воды. Координационная сфера иона цинка имеет примерно тетраэдрическую форму . Положительно заряженный ион цинка поляризует координированную молекулу воды, и нуклеофильная атака отрицательно заряженной части гидроксида на диоксид углерода протекает быстро. Каталитический цикл производит ион бикарбоната и ион водорода [2] в качестве равновесия.
способствует диссоциации угольной кислоты при биологических значениях pH . [26]
Кобальтсодержащий витамин B 12 ( также известный как кобаламин) катализирует перенос метильных (-CH 3 ) групп между двумя молекулами, что включает разрыв связей C-C - процесс, который энергетически затратен в органических реакциях. Ион металла снижает энергию активации процесса за счет образования временной связи Co-CH 3 . [27] Структура кофермента была определена Дороти Ходжкин и ее сотрудниками, за что она получила Нобелевскую премию по химии . [28] Он состоит из иона кобальта (II), координированного с четырьмя атомами азота корринового кольца и пятым атомом азота имидазольной группы . В состоянии покоя имеется сигма-связь Co-C с 5'-атомом углерода аденозина . [29] Это встречающееся в природе металлоорганическое соединение, что объясняет его функцию в реакциях транс -метилирования, таких как реакция, проводимая метионинсинтазой .
Фиксация атмосферного азота — энергоемкий процесс, так как он предполагает разрыв очень прочной тройной связи между атомами азота. Нитрогеназы катализируют этот процесс . Один из таких ферментов встречается у бактерий Rhizobium . Его действие состоит из трех компонентов: атома молибдена в активном центре, кластеров железа и серы , которые участвуют в транспортировке электронов, необходимых для восстановления азота, и обильного источника энергии в виде АТФ магния . Последнее обеспечивается мутуалистическим симбиозом между бактериями и растением-хозяином, часто бобовыми . Реакцию можно записать символически как
где P i означает неорганический фосфат . Точную структуру активного сайта определить сложно. По-видимому, он содержит кластер MoFe 7 S 8 , который способен связать молекулу динитрога и, предположительно, позволить начать процесс восстановления. [30] Электроны переносятся ассоциированным кластером «P», который содержит два кубических кластера Fe 4 S 4 , соединенных серными мостиками. [31]
Супероксид - ион O−
2образуется в биологических системах путем восстановления молекулярного кислорода . У него есть 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 уничтожен, прежде чем он нанесет нежелательный ущерб клетке. Ферменты супероксиддисмутазы выполняют эту функцию очень эффективно. [32]
Формальная степень окисления атомов кислорода равна − 1 ⁄ 2 . В растворах с нейтральным pH ион супероксида диспропорционирует молекулярному кислороду и перекиси водорода .
В биологии этот тип реакции называется реакцией дисмутации . Он включает как окисление, так и восстановление супероксид-ионов. Группа ферментов супероксиддисмутазы (СОД) увеличивает скорость реакции почти до скорости , ограниченной диффузией. [33] Ключом к действию этих ферментов является ион металла с переменной степенью окисления, который может действовать либо как окислитель, либо как восстановитель.
В СОД человека активным металлом является медь , например Cu(II) или Cu(I), тетраэдрически координированная четырьмя гистидиновыми остатками. Этот фермент также содержит ионы цинка для стабилизации и активируется медным шапероном супероксиддисмутазы ( CCS ). Другие изоферменты могут содержать железо , марганец или никель . В активности Ni-SOD участвует никель(III), необычная для этого элемента степень окисления. Геометрия никеля в активном центре циклически изменяется от плоско-квадратного Ni(II) с тиолатными (Cys 2 и Cys 6 ) и азотистыми лигандами основной цепи (His 1 и Cys 2 ) до квадратно-пирамидального Ni(III) с добавленной аксиальной боковой цепью His 1 . лиганд. [34]
Хлорофилл играет решающую роль в фотосинтезе . Он содержит магний , заключенный в хлориновое кольцо. Однако ион магния не участвует непосредственно 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-зоны. Возбужденное состояние претерпевает интеркомбинационный переход из синглетного состояния в триплетное состояние , в котором имеются два электрона с параллельным спином . Этот вид, по сути, является свободным радикалом , он очень реактивен и позволяет переносить электрон к акцепторам, расположенным рядом с хлорофиллом в хлоропласте . При этом хлорофилл окисляется. Позже в фотосинтетическом цикле хлорофилл снова восстанавливается. Это восстановление в конечном итоге отбирает электроны из воды, образуя молекулярный кислород в качестве конечного продукта окисления.
Гидрогеназы подразделяются на три различных типа в зависимости от содержания металлов в активном центре: гидрогеназа железо-железо, гидрогеназа никель-железо и гидрогеназа железа. [35] Все гидрогеназы катализируют обратимое поглощение H 2 , но гидрогеназы [FeFe] и [NiFe] являются настоящими окислительно-восстановительными катализаторами , вызывая окисление H 2 и восстановление H + .
[Fe]гидрогеназы катализируют обратимое гетеролитическое расщепление H 2 .
С момента открытия рибозимов Томасом Чехом и Сидни Альтманом в начале 1980-х годов было показано, что рибозимы представляют собой отдельный класс металлоферментов. [36] Многие рибозимы требуют ионов металлов в своих активных центрах для химического катализа; поэтому их называют металлоферментами. Кроме того, ионы металлов необходимы для структурной стабилизации рибозимов. Интрон I группы — наиболее изученный рибозим, в катализе которого участвуют три металла. [37] Другие известные рибозимы включают интрон группы II , РНКазу P и несколько небольших вирусных рибозимов (таких как головка молотка , шпилька , HDV и VS ), а также большую субъединицу рибосом. Описано несколько классов рибозимов. [38]
Дезоксирибозимы , также называемые ДНКзимами или каталитической ДНК, представляют собой искусственные катализаторы на основе ДНК, которые были впервые произведены в 1994 году. [39] Почти все ДНКзимы требуют ионов металлов. Хотя рибозимы в основном катализируют расщепление субстратов РНК, ДНК-зимы могут катализировать различные реакции, включая расщепление РНК/ДНК, лигирование РНК/ДНК, фосфорилирование и дефосфорилирование аминокислот, а также образование углерод-углеродных связей. [40] Тем не менее, ДНКзимы, которые катализируют реакцию расщепления РНК, являются наиболее широко изученными. 10-23 ДНКзим, открытый в 1997 году, является одной из наиболее изученных каталитических ДНК, имеющих клиническое применение в качестве терапевтического агента. [41] Сообщалось о нескольких металлоспецифичных ДНКзимах, включая ДНКзим GR-5 ( специфичный для свинца ), [42] ДНКзимы CA1-3 ( специфичные для меди ), ДНКзим 39E ( специфичный для уранила ) [43] и ДНКзим NaA43 ( специфичный для натрия ). [44]
Кальмодулин является примером белка, передающего сигнал. Это небольшой белок, содержащий четыре мотива EF-hand , каждый из которых способен связывать ион Ca 2+ .
В белковом домене петли EF-hand ион кальция координируется в пятиугольной бипирамидальной конфигурации. Шесть остатков глутаминовой кислоты и аспарагиновой кислоты , участвующих 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 основной цепи. Координационная сфера иона кальция содержит только карбоксилатные атомы кислорода и не содержит атомов азота. Это согласуется с жесткой природой иона кальция.
Белок имеет два примерно симметричных домена, разделенных гибкой «шарнирной» областью. Связывание кальция вызывает конформационные изменения белка. Кальмодулин участвует во внутриклеточной сигнальной системе, действуя как диффузный вторичный мессенджер для исходных стимулов. [45] [46]
Как в сердечных , так и в скелетных мышцах производство мышечной силы контролируется главным образом изменениями внутриклеточной концентрации кальция . В целом, когда уровень кальция повышается, мышцы сокращаются, а когда уровень кальция падает, мышцы расслабляются. Тропонин , наряду с актином и тропомиозином , представляет собой белковый комплекс, с которым связывается кальций, вызывая выработку мышечной силы.
Многие факторы транскрипции содержат структуру, известную как цинковый палец . Это структурный модуль, в котором область 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. [47] В этих белках ион цинка обычно координируется парами боковых цепей цистеина и гистидина.
Существует два типа дегидрогеназы угарного газа : один содержит железо и молибден, другой — железо и никель. Были рассмотрены параллели и различия в каталитических стратегиях. [48]
Pb 2+ (свинец) может замещать Ca 2+ (кальций), как, например, у кальмодулина или Zn 2+ (цинк), как у металлокарбоксипептидаз [49]
Некоторые другие металлоферменты приведены в следующей таблице в зависимости от используемого металла.
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )