К металлопротеинам относятся биополимеры, содержащие, помимо белка, ионы какого-либо одного металла или нескольких металлов (табл. 2.5). К таким белкам принадлежат, например, белки, содержащие негемовое железо, а также белки, координационно связанные с атомами металлов в составе сложных белков-ферментов.
Типичными представителями первых являются железосодержащие белки ферритин, трансферрин и гемосидерин. Ферритин – высокомолекулярный водорастворимый белок с мол. массой 400000, в котором содержание железа составляет от 17 до 23% (в среднем 20%). Он сосредоточен главным образом в селезенке, печени, костном мозге, выполняя роль депо железа в организме. Железо в ферритине находится в окисленной форме, в составе неорганического железосодержащего соединения (FeO•OH)8•(FeO•O•PO3H2), причем цепи неорганического полимера O=Fe—OH. O=Fe—ОН. иногда содержащие фосфаты, находятся между пептидными цепями белковой части (называемая апоферритином), а атомы железа координационно связываются с атомами азота пептидных групп.
Трансферрин – растворимый в воде железопротеин (мол. масса 90000), гликопротеин, обнаруживаемый главным образом в сыворотке крови в составе β-глобулинов. Содержание железа в нем составляет 0,13%. Предполагают, что атом железа соединяется с белком координационными связями с участием гидроксильных групп тирозина. Молекула трансфер-рина содержит 2 атома железа; трансферрин служит физиологическим переносчиком железа в организме.
Гемосидерин в отличие от ферритина и трансферрина является водонерастворимым железосодержащим белковым комплексом, состоящим, кроме того, на 25% из нуклеотидов и углеводов. Он содержится главным образом в ретикулоэндотелиоцитах печени и селезенки. Биологическая роль гемосидерина изучена недостаточно.
Ко второй группе металлопротеинов относится ряд ферментов: ферменты, содержащие связанные с молекулой белка ионы металлов, определяющих их функцию,– металлоферменты (в процессе очистки металлы остаются связанными с ферментами); ферменты, активируемые ионами металлов, менее прочно связаны с металлами, но для проявления своей активности нуждаются в добавлении в реакционную среду определенного металла. Предполагают, что механизмы участия металла в акте катализа в обоих случаях, вероятнее всего, сходны; ионы металла участвуют в образовании тройного комплекса: активный центр фермента–ме-талл–субстрат (Е—М—S), или М—Е—S, или Е—S—М. Есть доказательства, что в активном центре многих ферментов в связывании металла участвует имидазольная группа гистидина.
Представления о строении металлоферментов и других
Биокомплексных соединений
Металлоферменты – это ферменты класса протеидов, для каталитического действия которых необходимы ионы металлов. Например, фермент каталаза, разрушающий перекись водорода (2Н2О2 → 2Н2О + О2), выполняет важную функцию в работе ферментативной антиоксидантной системы перовой линии защиты, обезвреживая активные формы кислорода, является железосодержащим ферментом.
Созданию оптимального угла взаимодействия железа с кислородом, равного 120°, служит наличие в белковой части молекул мио- или гемоглобина гистидина Е7. В противном случае с атомом железа связывался бы СО (угол взаимодействия = 180°), который имеет более выраженное сродство к железу, чем кислород.
Таким образом, в координационную сферу иона железа входит пять атомов азота (четыре атома азота порфирина, один атом азота белкового гистидина). Шестое координационное место занимает О2.
Гемоглобин состоит из 4 субъединиц (имеет четвертичный уровень организации белковой части) и включает четыре гем-группы. Миоглобин сходен с гемоглобином по строению, но содержит только одну субъединицу (третичный уровень организации белковой части молекулы) и одну гем-группу. Гемоглобин является транспортером кисорода по крови, а миоглобин – запасает кислород в красных мышцах.
Теряя кислород, железо в гемоглобине (форма дезоксигемоглобина, КЧ железа = 5) переходит в высокоспиновое состояние. Ослабление связи с атомами азота порфирина приводит к выходу атома железа из плоскости кольца порфирина (на 0,7-0,8Ǻ). Напротив, вследствие присоединения кислорода к гемоглобину образуется низкоспиновый октаэдрический комплекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ железа = 6). Хотя связывание молекулярного кислорода гемоглобином и миоглобином сопровождается ослаблением связи O=O в молекулярном кислороде из-за размещения π-дативных электронов железа на разрыхляющих орбиталях О2, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментативным окислительно-восстановительным реакциям. Однако, разрыхление связи O=O не может не активировать окислительные реакции.
Недостаток железа в организме приводит к железодефицитной анемии.
Из других значимых в биологическом отношении комплексных соединений следует выделить витамин В12, участвующий в кроветоворении, синтезе ДНК и РНК, синтезе миелина и т.д.
Металлопротеин общий термин для белок который содержит ион металла кофактор. [1] [2] Большая часть всех белков относится к этой категории. Например, как минимум 1000 белков человека (из
20 000) содержат цинк-связывающий белковые домены [3] хотя может быть до 3000 металлопротеинов цинка человека. [4]
Содержание
Изобилие
По оценкам, примерно половина всех белки содержать металл. [5] По другой оценке, предполагается, что от четверти до одной трети всех белков требуют металлов для выполнения своих функций. [6] Таким образом, металлопротеины выполняют множество различных функций в клетки, например, хранение и транспортировка белков, ферменты и преобразование сигнала белки, или инфекционные заболевания. [7] Обилие металлсвязывающих белков может быть присуще аминокислотам, которые используют белки, поскольку даже искусственные белки без эволюционной истории легко связывают металлы. [8]
Большинство металлов в человеческое тело связаны с белками. Например, относительно высокая концентрация железа в организме человека в основном связана с железом в гемоглобин.
Концентрации металлов в органах человека (ppm = мкг / г золы) [9]
Печень
Почка
Легкое
Сердце
Мозг
Мышцы
Mn (марганец)
138
79
29
27
22
Принципы координационной химии
В металлопротеинах ионы металлов обычно координируются азот, кислород или сера центры, принадлежащие аминокислота остатки белка. Эти донорные группы часто представлены боковыми цепями на аминокислотных остатках. Особенно важны имидазол заместитель в гистидин остатки, тиолат заместители в цистеин остатки и карбоксилат группы, предоставленные аспартат. Учитывая разнообразие металлопротеомбыло показано, что практически все аминокислотные остатки связывают центры металлов. Пептидный остов также обеспечивает донорные группы; к ним относятся депротонированные амиды и амид карбонил кислородные центры. Проведен обзор связывания свинца (II) в природных и искусственных белках. [10]
Помимо донорных групп, которые представлены аминокислотными остатками, многие органические кофакторы действуют как лиганды. Возможно, наиболее известными являются тетрадентатный N4 макроциклический лиганды включены в гем белок. Также распространены неорганические лиганды, такие как сульфид и оксид.
Хранение и транспортировка металлопротеинов
Это продукты второй стадии гидролиза белка, полученные обработкой немного более сильными кислотами и щелочами.
Кислородные носители
Гемоглобин, который является основным переносчиком кислорода у человека, имеет четыре субъединицы, в которых утюгИон (II) координирован плоским макроциклический лиганд протопорфирин IX (PIX) и имидазол атом азота гистидин остаток. Шестой координационный сайт содержит воды молекула или дикислород молекула. Напротив, белок миоглобин, нашел в мышечные клетки, есть только один такой блок. Активный сайт находится в гидрофобный карман. Это важно, поскольку без него железо (II) необратимо окисленный в железо (III). В константа равновесия для образования HbO2 таков, что кислород поглощается или высвобождается в зависимости от частичное давление кислорода в легкие или в мышце. В гемоглобине четыре субъединицы демонстрируют эффект кооперативности, который позволяет легко переносить кислород от гемоглобина к миоглобину. [11]
В обоих гемоглобин и миоглобин иногда неправильно утверждают, что оксигенированные частицы содержат железо (III). Теперь известно, что диамагнитный природа этих разновидностей заключается в том, что атом железа (II) находится в низкоскоростной штат. В оксигемоглобин атом железа расположен в плоскости порфиринового кольца, но в парамагнитный дезоксигемоглобин атом железа лежит выше плоскости кольца. [11] Это изменение спинового состояния является кооперативным эффектом из-за более высокой расщепление кристаллического поля и меньше ионный радиус Fe 2+ в фрагменте оксигемоглобина.
Хлорокруорин (поскольку более крупный перевозчик эритрокруорин) представляет собой связывающий кислород гемепротеин, присутствующий в плазма крови из многих кольчатые червя, особенно некоторые морские полихеты.
Цитохромы
Окисление и сокращение реакции не распространены в органическая химия как мало органических молекул могут действовать как окисляющий или восстановители. Утюг(II), с другой стороны, легко окисляется до железа (III). Эта функция используется в цитохромы, которые функционируют как электронный перенос векторы. Наличие иона металла позволяет металлоферменты для выполнения таких функций, как окислительно-восстановительные реакции что не может быть легко выполнено ограниченным набором функциональные группы нашел в аминокислоты. [16] Атом железа в большинстве цитохромов содержится в гем группа. Различия между этими цитохромами заключаются в разных боковых цепях. Например, цитохром а имеет гем а простетическая группа и цитохром b имеет гем б протезная группа. Эти различия приводят к разному Fe 2+ / Fe 3+ окислительно-восстановительные потенциалы таким образом, что различные цитохромы участвуют в митохондриальный электронная транспортная цепь. [17]
Цитохром P450 Ферменты выполняют функцию вставки атома кислорода в связь C-H, реакцию окисления. [18] [19]
Рубредоксин
Рубредоксин электрон-носитель, обнаруженный в сера-метаболизирующий бактерии и археи. Активный центр содержит ион железа, координированный атомами серы четырех цистеин остатки, образующие почти регулярную тетраэдр. Рубредоксины осуществляют процессы одноэлектронного переноса. В степень окисления атома железа меняется между состояниями +2 и +3. В обоих состояниях окисления металл высокое вращение, что помогает минимизировать структурные изменения.
Пластоцианин
Пластоцианин относится к семейству синих белки меди которые участвуют в перенос электронов реакции. В медь-сайт привязки описан как искаженный тригонально-пирамидальный. [20] Тригональная плоскость пирамидального основания состоит из двух атомов азота (N1 и н2) из отдельных гистидинов и серы (S1) из цистеина. Сера (S2) из аксиального метионина образует апекс. Искажение происходит в длинах связей между лигандами меди и серы. Cu − S1 контакт короче (207вечера), чем Cu − S2 (282 пм). Удлиненный Cu − S2 связывание дестабилизирует форму Cu (II) и увеличивает редокс потенциал белка. Синий цвет (597нм пиковое поглощение) связано с Cu-S1 связь, где S (pπ) к Cu (dИкс 2 −у 2 ) происходит перенос заряда. [21]
В восстановленной форме пластоцианина, Его-87 станет протонированным с пKа из 4.4. Протонирование не позволяет ему действовать как лиганд и геометрия медного узла становится тригонально плоский.
Хранение и перенос ионов металлов
Утюг хранится в виде железа (III) в ферритин. Точная природа сайта связывания еще не определена. Утюг выглядит как гидролиз такой продукт, как FeO (OH). Железо транспортируется трансферрин чей сайт связывания состоит из двух тирозины, один аспарагиновая кислота и один гистидин. [22] В организме человека нет механизма выведения железа. [ нужна цитата ] Это может привести к железная перегрузка проблемы у пациентов, лечившихся переливание крови, как, например, с β-талассемия. Железо фактически выводится с мочой [23] а также концентрируется в желчи [24] который выводится с калом. [25]
Церулоплазмин является основным медь-носящий белок в крови. Церулоплазмин проявляет оксидазную активность, которая связана с возможным окислением Fe (II) до Fe (III), что способствует его транспортировке в плазма крови в сочетании 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 лабильный координация сайт. Как и все ферменты, форма активный сайт это важно. Ион металла обычно находится в кармане, форма которого соответствует форме подложки. Ион металла катализирует реакции, которые трудно достичь в органическая химия.
Карбоангидраза
Эта реакция протекает очень медленно в отсутствие катализатора, но довольно быстро в присутствии гидроксид ион
Подобная реакция происходит почти мгновенно с карбоангидраза. Структура активного центра в карбонатных ангидразах хорошо известна из ряда кристаллических структур. Он состоит из цинк ион координирован тремя имидазол атомы азота из трех гистидин единицы. Четвертый координационный узел занимает молекула воды. Координационная сфера иона цинка приблизительно равна четырехгранный. Положительно заряженный ион цинка поляризует координированную молекулу воды, и нуклеофильный Атака отрицательно заряженной части гидроксида на диоксид углерода (углекислый ангидрид) происходит быстро. Каталитический цикл производит ион бикарбоната и ион водорода. [2] как равновесие
способствует разобщению угольная кислота на биологическом pH значения. [26]
Витамин B12-зависимые ферменты
В кобальт-содержащий Витамин B12 (также известный как кобаламин) катализирует перенос метил (-CH3) групп между двумя молекулами, что приводит к нарушению Связи C − C, процесс, который является энергетически дорогим в органических реакциях. Ион металла снижает энергия активации для процесса за счет образования переходной Co − CH3 связь. [27] Структура кофермент был классно определен Дороти Ходжкин и коллег, за что она получила Нобелевская премия по химии. [28] Он состоит из иона кобальта (II), координированного с четырьмя атомами азота Коррин кольцо и пятый атом азота от имидазол группа. В состоянии покоя находится Co − C сигма-облигация с 5 ‘атомом углерода аденозин. [29] Это естественный металлоорганический соединение, что объясняет его функцию в транс-реакции метилирования, такие как реакция, проводимая метионинсинтаза.
Нитрогеназа (азотфиксация)
В фиксация атмосферного азота это очень энергоемкий процесс, так как он включает в себя нарушение очень стабильной тройная связь между атомами азота. Фермент нитрогеназа один из немногих ферментов, способных катализировать этот процесс. Фермент встречается в Ризобий бактерии. Его действие состоит из трех компонентов: молибден атом на активном сайте, железо-серные кластеры которые участвуют в транспортировке электронов, необходимых для восстановления азота, и богатый источник энергии в виде магний АТФ. Последнее обеспечивается симбиотический отношения между бактериями и растением-хозяином, часто бобовые. Отношения симбиотические, потому что растение снабжает энергией фотосинтез и преимущества за счет получения фиксированного азота. Реакцию можно символически записать как
где Pя означает неорганический фосфат. Точную структуру активного сайта определить сложно. Похоже, он содержит MoFe7S8 кластер, способный связывать молекулу диазота и, предположительно, дать возможность начать процесс восстановления. [30] Электроны переносятся связанным кластером «P», который содержит два кубический Fe4S4 кластеры соединены серными мостиками. [31]
Супероксиддисмутаза
В биологии такой тип реакции называется дисмутация реакция. Он включает как окисление, так и восстановление ионов супероксида. В супероксиддисмутаза (SOD) группа ферментов увеличивает скорость реакции чтобы приблизиться к скорости, ограниченной диффузией. [33] Ключом к действию этих ферментов является ион металла с переменной степенью окисления, который может действовать как окислитель или как восстановитель.
В SOD человека активным металлом является медь, как Cu (II) или Cu (I), координированный тетраэдрически на четыре гистидин остатки. Этот фермент также содержит цинк ионами для стабилизации и активируется шапероном меди для супероксиддисмутазы (CCS). Другой изоферменты может содержать утюг, марганец или никель. Ni-SOD особенно интересен, поскольку он включает никель (III), необычную степень окисления для этого элемента. Геометрия никеля активного центра циклов от квадратный плоский Ni (II) с тиолатом (Cys2 и Cys6) и основной азот (His1 и Cys2) лиганды, чтобы квадратно-пирамидальный Ni (III) с добавлением аксиального His1 лиганд боковой цепи. [34]
Хлорофилл-содержащие белки
Хлорофилл играет решающую роль в фотосинтез. Он содержит магний заключен в хлорин звенеть. 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 вызывает электрон быть возбужденным в синглетное состояние Q-диапазона. В возбужденное состояние подвергается межсистемный переход из синглетного состояния в триплетное состояние в котором есть два электрона с параллельными вращение. Этот вид, по сути, является свободный радикал, и очень реактивен и позволяет переносить электрон на акцепторы, которые находятся рядом с хлорофиллом в хлоропласт. 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 делятся на три различных типа в зависимости от содержания металла в активном центре: гидрогеназа железо-железо, гидрогеназа никель-железо и гидрогеназа железа. [35] Все гидрогеназы катализируют обратимые ЧАС2 поглощение, но в то время как гидрогеназы [FeFe] и [NiFe] верны редокс катализаторы, за рулем H2 окисление и H + сокращение
Дезоксирибозимы, также называемые ДНКзимами или каталитической ДНК, представляют собой искусственные каталитические молекулы ДНК, которые были впервые произведены в 1994 году. [39] с тех пор интерес к нему резко возрос. Практически 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, а также образование углерод-углеродных связей. [40] 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. [41] Сообщалось о нескольких металло-специфичных ДНКзимах, включая ДНКзим GR-5 (вести-специфический), [42] ДНКзимы CA1-3 (медь-специфический), ДНКзим 39E (уранил-конкретный) [43] и ДНКзим NaA43 (натрий-специфический). [44]
Сигнально-трансдукционные металлопротеины
Кальмодулин
Кальмодулин представляет собой пример белка передачи сигнала. Это небольшой белок, содержащий четыре EF-рука мотивы, каждый из которых способен связать Ca 2+ ион.
В петле EF-руки ион кальция имеет пентагональную бипирамидальную конфигурацию. Шесть глютаминовая кислота и аспарагиновая кислота остатки, 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 глицин из-за конформационных требований магистрали. Координационная сфера иона кальция содержит только карбоксилатные атомы кислорода и не содержит атомов азота. Это согласуется с жесткий природа иона кальция.
Белок имеет два примерно симметричных домена, разделенных гибкой «шарнирной» областью. Связывание кальция вызывает конформационные изменения в белке. Кальмодулин участвует в внутриклеточная передача сигналов система, действуя как распространяемый вторичный посланник исходных стимулов. [45] [46]
Тропонин
В обоих сердечный и скелетные мышцыпроизводство мышечной силы в первую очередь контролируется изменениями внутриклеточного кальций концентрация. В общем, когда уровень кальция повышается, мышцы сокращаются, а когда кальций падает, мышцы расслабляются. Тропонин, вместе с актин и тропомиозин, представляет собой белковый комплекс, с которым связывается кальций, чтобы вызвать выработку мышечной силы.
Факторы транскрипции
Много 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 которыми связываются эти белки. Напротив, кофактор необходим для стабильности плотно свернутой белковой цепи. [47] В этих белках ион цинка обычно координируется парами боковых цепей цистеина и гистидина.
Другие металлоферменты
Pb 2+ (свинец) может заменить Ca 2+ (кальций) как, например, с кальмодулин или Zn 2+ (цинк) как с металлокарбоксипептидазы [49]
Некоторые другие металлоферменты приведены в следующей таблице в зависимости от используемого металла.
Представления о строении металлоферментов и других
Биокомплексных соединений
Металлоферменты – это ферменты класса протеидов, для каталитического действия которых необходимы ионы металлов. Например, фермент каталаза, разрушающий перекись водорода (2Н2О2 → 2Н2О + О2), выполняет важную функцию в работе ферментативной антиоксидантной системы перовой линии защиты, обезвреживая активные формы кислорода, является железосодержащим ферментом.
Созданию оптимального угла взаимодействия железа с кислородом, равного 120°, служит наличие в белковой части молекул мио- или гемоглобина гистидина Е7. В противном случае с атомом железа связывался бы СО (угол взаимодействия = 180°), который имеет более выраженное сродство к железу, чем кислород.
Таким образом, в координационную сферу иона железа входит пять атомов азота (четыре атома азота порфирина, один атом азота белкового гистидина). Шестое координационное место занимает О2.
Гемоглобин состоит из 4 субъединиц (имеет четвертичный уровень организации белковой части) и включает четыре гем-группы. Миоглобин сходен с гемоглобином по строению, но содержит только одну субъединицу (третичный уровень организации белковой части молекулы) и одну гем-группу. Гемоглобин является транспортером кисорода по крови, а миоглобин – запасает кислород в красных мышцах.
Теряя кислород, железо в гемоглобине (форма дезоксигемоглобина, КЧ железа = 5) переходит в высокоспиновое состояние. Ослабление связи с атомами азота порфирина приводит к выходу атома железа из плоскости кольца порфирина (на 0,7-0,8Ǻ). Напротив, вследствие присоединения кислорода к гемоглобину образуется низкоспиновый октаэдрический комплекс, железо в котором находится в плоскости порфиринового кольца (КЧ железа = 6). Хотя связывание молекулярного кислорода гемоглобином и миоглобином сопровождается ослаблением связи O=O в молекулярном кислороде из-за размещения π-дативных электронов железа на разрыхляющих орбиталях О2, этот процесс сам по себе не сопряжен с необратимым переносом электрона, поэтому его обычно не причисляют к ферментативным окислительно-восстановительным реакциям. Однако, разрыхление связи O=O не может не активировать окислительные реакции.
Недостаток железа в организме приводит к железодефицитной анемии.
Из других значимых в биологическом отношении комплексных соединений следует выделить витамин В12, участвующий в кроветоворении, синтезе ДНК и РНК, синтезе миелина и т.д.
