Metaloprotein

Metaloprotein je generička oznaka za protein koji sadrži metalni ion kao kofaktor.^[1][2] Ovoj kategoriji pripada veliki broj proteina.

Procjenjuje se da oko polovine svih proteina sadrže metal.^[3] Prema jednoj drugoj procjeni, oko jednoj četvrtini do jednoj trećini svih proteina je potreban metal za obavljanje njihovih funkcija.^[4] Stoga, metaloproteini imaju mnogo različitih funkcija u ćelijama, kao što su skladištenje i transport proteina, enzima i signalizacijski proteini. Uočena je i uloga metalnih iona u zaraznih bolestima.^[5]

U metaloproteinima, metalni ioni su obično koordinirani centrima dušika, kisika ili sumpor a, koji pripadaju aminokiselinskim ostacima proteina. Ove grupe donora često daju bočni lanci na ostacima aminokiselina. Posebno su značajni supstituenti imidazola u ostacima histidina, tiolata u cisteinil ostatacima i karboksilna grupa aspartata. S obzirom na raznolikost metaloproteoma, gotovo svi ostatkak aminokiseline ispoljava afinitet da se veže sa metanim l centrima. Peptidna okosnica pruža donorske grupe, gdje spadaju deprotonisani amidi i amidni karbonil centri kisika.

Osim grupe donora koje daju ostataci aminokiselina, veliki broj organskih kofaktora funkcionira kao ligandi. Možda su najpoznatiji tetradentat N4 makrociklički n ligandi uključeni u protein hem. Također su česti i neorganski ligandi kao što su sulfidi i oksidi.^[6][7][8]

Hemoglobin, koji je glavni prenosioc kisika kod ljudi, ima četiri pod-jedinice u kojima je željezo (II) ion koordiniran planarnim, makrocikličnim ligandom protoporfirina IX (PIX) i imidazolskog atoma dušika iz histidinskih ostataka. Šesto koordinacijako mjesto sadrži molekule vode ili kisika. Za razliku od proteina mioglobina, koji se nalazi u mišićnim ćelijama, ima samo jednu takvu jedinicu. Aktivno mjesto se nalazi u hidrofobnom džepu. To je važno, jer bez njega željezo (II) će biti nepovratno oksidirano u željezo (III).Konstanta stabilnosti kompleksa za formiranje HBO₂ je takva da se kisik više uzima ili otpušta, zavisno od parcijalnog pritiska kisika u plućima ili u mišićima. Hemoglobinske četiri podjedinice pokazuju efekt kooperativnosti koji omogućava jednostavno prenošenje kisika iz hemoglobina u mioglobin.

Za oba, hemoglobin i mioglobin se ponekad pogrešno navodi da oksidirani oblik sadrži željezo (III). Sada je poznato da se dijamagnetna priroda ovih oblika javlja zato što je atom željeza (II) u stanju niskog spina. U oksihemoglobinu, atom gvožđa se nalazi u ravni porfirinakog prstena, ali u paramagnetnom deoksihemoglobinu, atom željeza je iznad ravni prstena. Ova promjena stanja spina je združeni efekt zbog većeg polja kristalnog cijepanja i manjeg ionskog radijusa Fe²⁺ u polovini kisika.

Hemeritrin je drugi nosač kisika koji sadrži gvožđe. Mjesto vezanja kisika je binuklearni centar željeza. Atomi željeza koordiniraju protein preko karboksilnih bočnih lanaca pet glutamatskih i aspartatskih histidinskih ostataka. Uzimanje O ₂ iz hemerythrin je skupa sa dva-elektrona oksidira reducirani binuklearni centar, vezan za peroksid (OOH-). Mehanizam otpuštanja kisika razrađen je u detalje

Hemocjanin je prenosnik kisika u krvi većine mehkušaca i nekiih člankonožaca (Arthropoda), kao što su rakovi. Oni su drugi pigmenti za vezanje kisika, samo je hemoglobin u "biološkoj popularnosti" obično pominje kao transporter kiseonika. Uz oksigenaciju dva atoma bakra (I) na aktivnom mjestu, oni oksiduju u bakar (II), a molekula kisika se svodi na peroksid, O₂^2–

Hlorokruorin (kao veći nosač ertrokruorina) je hemeprotein vezanja kisika u krvnoj plazmi mnogih Annelida (prstenastih glista), posebno određenih morskih poliheta.

Oksidacijske i redoks reakcije nisu uobičajene u organskoj hemiji uz sudjelovanje nekoliko organskih molekula kao oksidujućih ili reducirajućih agenata. Željezo (II), s druge strane, može se lahko oksidirati na željezo (III). Ova funkcionalnost se koristi u citohromima, koji funkcioniraju kao vektori transfera elektron. Prisustvo iona metala omogućavaju metaloenzimima obavljanje njihovih funkcija, kao što su redoks reakcije koje ne mogu lahko da se odvijaju ograničenim setom funkcijskih grupa koje se nalaze u aminokiselinama.

Atom željeza u većini citohroma je sadržan u hem grupi. Razlike između onih citohroma leže u drugostranom lancu. Naprimjer, citohrom ima protetsku grupu hem a, a citokroma b ima hem b grupu. Te razlike rezultiraju iz različitosti Fe²⁺/Fe³⁺ redoks potencijala, tako da su razni citohromi uključeni u mitohondrijske elektrone transportnog lanca.

P450 enzim obavlja funkciju ubacivanja atoma kisika u C-H veze, što je oksidacijska reakcija.

Rubredoksin je nosač elektrona koji se nalazi u metaboliziranju sumpornih bakterija i archaea. Aktivno mjesto sadrži ion željeza koje koordinira atome sumpora četiri cisteinska ostatka, formirajući gotovo tetraedar. Rubredoksini obavljaju procese transfera jednog elektrona. U oksidaciji se stanje atoma željeza mijenja između stanja +2 i +3. U oba oksidacijska stanja, metal je u visokom spinu, koji pomaže da se smanje strukturne promjene.

Plastocijanin je jedan iz porodice plavog bakarnog proteina koji su uključeni u u reakcijama prijenosa elektrona. Mjesto veze bara je opisan kao "iskrivljeni trigonalni piramidni". Trigonalne ravni piramidnih baza se sastoje od dva atoma dušika (N₁ i N₂) iz odvojenih histidina i sumpora (S₁) cisteina. Sumpor (S₂) iz aksijalnog metionin čini vrh. U dužim veza između liganada bakra i sumpora, javlja se 'distorzija'. Kontakt Cu-S₁ je kraći (207 pikometra) Cu-S₂.

Izdužena Cu-S₂ veza destabilizira Cu^II formu i povećava redoks potencijal proteina. Plava boja (597 nm apsorpcijskog vrha) je zbog Cu-S₁ veza, gdje se javlja S_pπ na Cu_dx2-y2 prijenos.

U reduciranom obliku plastocijanina, njegov-87 će postati protoniziran sa pK_a forme 4.4. Protonacija sprečava da djeluje kao ligand, a geometrija mjesta bakra postaje trigonalna planarna.

U feritinu, željezo je pohranjeno kao željezo (III). Prava priroda njgovog vezivanja još nije utvrđena. Izgleda da je prisutan kao proizvod hidrolize, kao što je željezo FeO(OH) . Željezo prenosi transferin čija se veza sastoji od dva tirozina, jedan asparaginske kiseline i jedan histidina. Ljudsko tijelo nema mehanizam za izlučivanje željeza. To može dovesti do problema sa preopterećenjem željeza u pacijenata liječenih transfuzijom krvi, kao, na primjer, s β - talasemijom.

Ceruloplazmin je glavni protein sa bakarnim prenosnikom u krvi. Ceruloplazmin ispoljava aktivnost oksidaza, što je povezano sa mogućnošću oksidacije Fe²⁺ (fero-željezo) u Fe³⁺ (feri-željezo), što pomaže u transportu u plazmi u saradnji sa transferinom, koji može nositi željezo samo u feri stanju.

Metaloenzimi svi imaju jednu zajedničku funkciju, a to je da je metalni ion vezan za proteine sa jednim labilnim koordinacijim mjestom. Kao i kod svih enzima, oblik aktivnog mjesta je od ključnog značaja. Metalni ion se obično nalazi u džepu čiji oblik se uklapa u podlogu. On katalizira reakcije koje je teško postići u organskoj hemiji.

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃.

Ova reakcija je vrlo spora u odsustvu katalizatora, ali prilično brza u prisustvu hidroksidnog iona;

CO₂ + OH^– ⇌ HCO₃^–.

Ta reakcija slična skoro instantant reakciji sa karboanhidrazama. Struktura aktivnog mjesta u ugljik anhidrazama je dobro poznata iz broja kristalnih struktura. Sastoji se od iona cinka koji koordinira tri imidazolska atoma dušika iz tri histidinske jedinice. Četvrto koordinacijsko mjesto zauzima molekula vode. Koordinacijska sfera cinkovog iona je oko tetraedralne. Pozitivno nabijeni cinkov ion polarizira koordinirane molekule vode i nukleofilni napad negativno napunjenog hidoksidnog dijela ugljendioksida (ugljične kiseline), što je odvija brzo. Katalitski ciklusa proizvodi po jedan ion bikarbonata i vodika, kao ravnotežu:

H₂CO₃ ⇌ HCO₃^– + H ⁺

pogoduje disocijaciji ugljene kiseline na biološkoj pH vrijednosti.

Vitamin B₁₂ katalizira prijenos metil (-CH₃) grupe između dva molekula, što uključuje razbijanje C-Z veza, proces koji je energetski negativan u organskim reakcijama. Metalni ion smanjuje energiju aktivacije za proces formiranja prolaznog Co-CH₃ veza. Strukturu koenzima su slavno odredili Dorothy Hodgkin i kolege, za koju je dobila Nobelovu nagradu za hemiju, 1964.^[9] Sastoji se od iona kobalta (II) koji koordinira četiri atoma dušika korinskih prstenova i peti atom dušika iz imidazolne grupe. U stanju ostatka se nalazi Co-Cσ veza sa 5' atomom ugljika u adenozinu. Ovo je organometalni prirodni spoj, što objašnjava njegovu funkciju u reakciji trans-metilacije, kao što je reakcija koja se odvija u sintezi 5-metiltetrahidrofolat-homocistein metiltransferaza.

Fiksacija atmosferskog dušika je energetski vrlo intenzivan proces, jer uključuje razbijanje vrlo stabilne trostruke veze između atoma dušika. Nitrogenaza je jedan od nekoliko enzima koji mogu katalizirati taj proces. Enzim se javlja u određenim bakterijama roda Rhizobium. Postoje tri komponente te akcije: atom molibdena na aktivnom mjestu, željezo-sumpor klasteri koji su uključeni u transport elektrona potrebnih za redukciju dušika, i obilan izvor energije. Energiju obezbeđuje simbiotski odnos između bakterija i biljaka domaćina, često mahunarki. Odnos je simbiotski jer biljka doprinosi energiju fotosinteze i koristi dobijeni fiksirani dušik bakterija. Reakcija se može simbolički izraziti kao:

N₂16MgATP + 8e^– → 2NH₃ + 16Mg ADP +16P_i + H₂,

gdje P_i označava anorganski fosfat. Preciznu strukturu aktivnog mjesta je bilo teško odrediti. Čini se da sadrži Mo₇S₈ klaster koji je u stanju da veže molekuku dušika i, po svoj prilici, omogućava proces početne redukcije.

Superoksidni ion, O₂^– nastaje u biološkim sistemima, redukcijom molekulskog kisika. On ima neuparene elektrone, tako se ponaša kao slobodni radikal. To je moćan oksidujući agens. Ova svojstva čine superoksidni ion vrlo toksičnim i usmjerenim na fagocite da ubije invadirane mikroorganizame. Inače, superoksidni ion mora biti uništen prije nego što to učini neželjene štete u ćeliji. Enzim superoksid dismutaza vrlo efikasno obavlja ovu funkciju.

Formalno oksidacijsko stanje atoma kisika je ½. Rastvori na neutralnom pH, ione superoksida deproportoniziraju do molekulskog kisika i vodik-peroksida:

2O₂^– + 2H⁺ → O₂ + H₂O₂.

U biologiji, ove vrste reakcija se nazivaju dismutaza reakcije. To uključuje i oksidaciju i redukciju superoksidnih iona. Grupa enzima superoksid dismutaza, skraćeno SOD, povećava stopu reakcije u blizini ograničene stope difuzije Ključ za akciju ovih enzima je metalni ion sa varijabilnim oksidacijskim stanjem koje mogu djelovati kao oksidirajuće ili kao redukcijsko sredstvo:

Oksidacija

M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺+O₂^– → Mⁿ⁺+O₂.

Redukcija

Mⁿ⁺+ O₂^–+ 2H⁺ → M⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ + H₂O₂.

U ljudskim SOD aktivni metal bakar, kao Cu²⁺ ili Cu⁺, koordinira tetraedno četiri histidinska ostatka. Ovaj enzim sadrži ion cinka za stabilizaciju i aktivira se kao pratilja bakra za superoksid dismutaze (CCS). Ostal izoenzimi mogu sadržavati željezo, mangan ili nikl. Ni-SOD je posebno zanimljiv jer se radi o niklu (III), neobičnog oksidacijskog stanja za taj element. Aktivno mjesto ciklusa Ni geometrija ciklusa ima planarni Ni (II), sa tiolatom (Cys2 i Cys6) i kičma dušikovog (HIS1 i Cys2) liganada, na kvadrat piramidnog Ni (III) sa dodatnim aksijalnim HIS1 bočnim lancem liganda.

Hlorofil ima ključnu ulogu u fotosintezi. Sadrži magnezij uklopljen u hlorinski prsten. Međutim, magnezijev ion nije direktno uključen u fotosintetsku funkciju i mogu se, sa malim gubitkom aktivnosti, zamijeniti drugim divalentnim ionima. Umjesto toga, foton se apsorbira u prsten hlorina, čija je elektronska struktura dobro prilagođena za svoju svrhu.

U početku, apsorpcija fotona uzrokuje da elektrona biva pobuđen u singletno stanje Q benda. Ekscitiran prolazi u međusistemske prelaze, iz singentnog stanja u trojno stanje u kojem se nalaze dva elektrona sa paralelnim spinom. Ova vrsta je, u stvari, slobodni radikal, a vrlo je reaktivna i omogućava elektronima da se prebace na primatelje koji su pored hlorofila u hloroplastu. U ovom procesu hlorofila se oksidira. Kasnije u fosinthetskom ciklusu, hlorofila je ponovno reducira. Ova redukcija na kraju izvlači elektrone iz vode i daje molekulski kisik kao finalni proizvod oksidacije.

Hidrogenaze su potkategorije u tri različita tipa, na osnovu sadržine aktivnog mjesta metala: željezo-željezo hidrogenaza, nikl-željezo hidrogenaza i željezo hydrogenaza.

^[10]

Sve hidrogenaze kataliziraju reverzibilno akceptiranje H₂, ali dok su [FeFe] i [NiFe] hidrogenaze istinski redoks katalizatori, tok H₂ oksidacije i H⁺ redukcija:

H₂ ⇌ 2 H⁺ + 2 e⁻

[Fe] hidrogenaze kataliziraju reverzibilnu heterolitsku reakciju cijepanja H₂.

H₂ ⇌ H⁺ + H⁻

Od otkrića ribozima koje su ostvarili Thomas Cech i Sidney Altman, u ranim 1980-im, ribozimi su se pokazali kao posebna klasa metaloenzima.^[11] Mnogi ribozimi zahtijevaju metalne ione u aktivnom mjestu za hemijsku katalizu; stoga se i zovu metaloenzimi. Pored toga, metalni ioni su bitni i za stabilizaciju ribozimske strukture. Introni grupa I su najviše proučavani ribozimi, sa tri metala koji učestvuju u katalizi. Ostali poznati ribozimei uključuju grupu II introna, RNazu P i nekoliko manjih virusnih ribozima (npr. čekićasti, ukosnički, ribozim delta virusa hepatitisa (HDV) i VS ribozim ). Nedavno su otkrivene četiri nove klase ribozima (po imenu twister ribozim, sestrinski twister, pištolj i sekira) koji su svi sopstveni ribozimi.

Dezoksribozmi, koji se nazivaju DNK-zimi ili katalitska DNK, prvi put su otkriveni 1994. godine, a ubrzo se pojavio kao nova klasa metaloenzima. Gotovo svim DNKzimima, za njihovo normalno funkcioniranje, neophodan je metalni ion. Tako su klasificirani kao metaloenzimi. Iako ribozimi uglavnom kataliziraju razlaganje RNK podloge, različite reakcije mogu biti katalizirane DNKzimima, uključujući cijepanje RNK/DNK, RNK/DNK povezivanja, aminokiselinsku fosforilaciju / defosforilaciju, formiranje ugljik-ugljik veza, i sl. Ipak, najviđe su istraživani DNKzimi koji kataliziraju reakciju razgradnje RNK. U 1997. otkriveno je 10-23 DNKzima što je jedna od najviše proučavanih katalitičkih DNK sa kliničkim aplikacijama kao terapeutskog sredstvoa. Objavljeno je nekoliko metal-specifičnih DNKzima, uključujući GR-5 DNKzim (olovo-specifičan) == Signal-prenosa metalloproteins

Kalmodulin je primjer signalnog transdukcijskog proteina. To je mali protein koji sadrži četiri motiva EF-kraka, od kojih je svaki u stanju da se veže na Ca²⁺ ion.

U EF-kracima petlje, ion kalcija koordinira petougaonu bipiramidnu konfiguraciju. Šest ostataka glutaminske i asparaginske kiseline, uključenih u vezivanje, su u položajima 1, 3, 5, 7, 9 lanca polipeptida. Na poziciji 12, postoji glutamatni ili aspartatni ligand koji se ponaša kao dvozubi ligand, dajući dva atoma kisika. Deveti ostatak u petlji je nužno glicin, zbog konformacijskih zahtjevima okosnice. Sfera koordinacije iona kalcija sadrži samo karboksilatnog atoma kisika i bez atoma dušika. To je u skladu sa teškom prirodom iona kalcija.

Protein ima dva približno simetrična domena, odvojena fleksibilnom "šarkom" regiona. Vezivanje kalcija uzrokuje konformacijske promjenu da se pretvori u protein. Kalmodulin sudjeluje u unutarćelijskom sistemu signalizacije, djelujući kao difuzibilni drugi glasnik na početne stimulanse.

U srčanom i poprečno-prugastom mišiću, proizvodnja mišićne energije prvenstveno je kontrolirana putem koncentracije unutarćelijskog kalcija. Općenito, kada razina kalcija raste – mišić se kontrahira, a kada opada, mišić se relaksira.

Troponin, skupa sa aktinom i tropomiozinom je proteinski kompleks za koji se veže kalcij, kao okidač proizvodnje mišićne snage.

Mnogi transkripcijski faktori sadrže strukturu poznatu kao cinkov prst, što je strukturni modul gdje se regija proteina savija oko cinkovog iona. Cink ne kontaktira s DNK da se ovi proteini vežu.Umjesto toga, kofaktor je od suštinskog značaja za stabilnost čvrsto-isključenog lanca proteina. U ovim proteinima, ion cinka obično koordinira parove cisteina i histidina bočnog lanca.

Postoje dvije vrste dehidrogenaza ugljikmonoksida dehidrogenaze: jedan sadrži bakar i molibden, a drugi nikl i željezo. Paralele i razlike u katalitičkim strategije su bile u fokusu mnogih napisanih komentara. Neki drugi metaloenzimi dati su u sljedećoj tabeli, u skladu sa uključenim metalima.

Ion	Primjeri enzima koji sadrže dati ion
Magnezij	Glukoza 6-fosfataza Heksozakinaza DNK polimeraza
Vanadij	Vanabini
Mangan	Arginaza
Željezo	Katalaza Hidrogenaza IRE-BP Akonitaza
Kobalt	Nitriln hidrataza Metionil aminopeptidaza Metilmalonil-CoA mutaza Izobutiril-CoA mutaza
Nikl	Ureaza Hidrogenaza metil-koenzim M reduktaza (MCR)
Bakar	Citohrom oksidaza Lakaza dušik-oksid reduktaza Nitrit reduktaza
Cink	Alkohol dehidrogenaza Karboksipeptidaza Aminopeptidaza Beta amiloid
Kadmij	Metalotionein Tiolat proteini
Molibden	Nitrat reduktaza Sulfit oksidaza Ksantin oksidaza DMSO reduktaza
Volfram	Acetilen hidrataza
Razni	Metalotioneini Fosfataza

• Enzim
• Koenzim
• Kofaktor
• Dioksigenaza
• Hemoproteini
• Metaloproteinaza
• Ribozim
• Prostetička grupa
• QPNC-PAGE

• Metalloprotein na US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)