الإنزيمات المعتمدة على المعادن

الإنزيمات المعتمدة على المعادن، أو الإنزيمات الفلزية (metalloenzymes)، هي محفزات تتطلب أيونًا معدنيًا في موقعها النشط لتعمل. يُعتقد أن حوالي ثلث جميع الإنزيمات تستخدم معدنًا، وتحدد الكيمياء التي يوفرها المعدن ما يمكن للإنزيم أن يفعله - من الزنك في الأنهيدراز الكربوني إلى الحديد في أوكسيجينازات السيتوكروم P450.

Definition

الإنزيمات المعتمدة على المعادن (metalloenzymes) هي إنزيمات تتطلب فعاليتها التحفيزية أيونًا معدنيًا واحدًا أو أكثر مرتبطًا في الموقع النشط أو بالقرب منه، حيث يشارك المعدن في التفاعل كحمض لويس، أو مركز أكسدة واختزال، أو منظم لهندسة الركيزة والمركب الوسيط.

Scope

يغطي هذا الموضوع كيفية استخدام الإنزيمات لأيونات المعادن المرتبطة للتحفيز: إنزيمات الزنك التي تعمل كأحماض لويس، إنزيمات نقل الفوسفوريل المعتمدة على المغنيسيوم، الأوكسيجينازات المحتوية على الحديد وإنزيمات الحديد-الكبريت، وإنزيمات النحاس والمنغنيز. إنها نظرة عامة مرجعية على كيمياء الإنزيمات الفلزية، وليست إرشادات سريرية. تُعالج المعادن نفسها وكيفية توفير الخلايا لها في الموضوع المصاحب حول العوامل المساعدة لأيونات المعادن.

Core questions

• كيف يقلل المعدن المرتبط من طاقة التنشيط للتفاعل؟
• لماذا يستخدم الزنك على نطاق واسع في الإنزيمات المحللة وناقلة المجموعات؟
• كيف تمكن مراكز الحديد من الأكسدة الصعبة مثل هدرجة C-H؟
• ما الذي يميز الإنزيم الفلزي المرتبط بإحكام عن الإنزيم المنشط بالمعادن بشكل فضفاض؟

Key concepts

• الزنك كحمض لويس في الموقع النشط
• المغنيسيوم في نقل الفوسفوريل (الكينازات، البوليميرازات)
• أوكسيجينازات حديد الهيم (السيتوكروم P450)
• إنزيمات الحديد غير الهيمي والحديد-الكبريت
• إنزيمات النحاس في التعامل مع الأكسجين
• المنغنيز في مختزلات الأكسدة
• المواقع المعدنية التحفيزية مقابل الهيكلية

Mechanisms

تستغل الإنزيمات الفلزية الكيمياء التي توفرها معادنها. يعمل أيون الزنك في الموقع النشط على استقطاب جزيء ماء مرتبط أو مجموعة كربونيل في الركيزة، مما يولد نيوكليوفيل أو يثبت شحنة سالبة متطورة، وهي الاستراتيجية التي تستخدمها العديد من الهيدرولازات والأنهيدراز الكربوني (Maret, 2013; Holm et al., 1996). تنسق أيونات المغنيسيوم مجموعات الفوسفات وتصطفها للهجوم المباشر في الكينازات وبوليميرازات الأحماض النووية (Cowan, 2002). تنشط إنزيمات حديد الهيم مثل السيتوكروم P450 الأكسجين الجزيئي إلى أنواع أكسو-حديدية عالية التكافؤ قادرة على هدرجة روابط C-H غير التفاعلية (Denisov et al., 2005). تقوم مراكز الحديد-الكبريت والحديد غير الهيمي بنقل الإلكترونات وتحولات أكسدة واختزال إضافية (Beinert et al., 1997). في كل حالة، يقوم البروتين بضبط تفاعلية المعدن من خلال هندسة وهوية الروابط المنسقة له.

Clinical relevance

تُجري الإنزيمات الفلزية تفاعلات مركزية لعملية الأيض، والتعامل مع الأكسجين، ومعالجة المواد الغريبة (على سبيل المثال أوكسيجينازات السيتوكروم P450)، لذا فإن كيمياءها الحيوية تُثري علم الأدوية وعلم السموم. يشرح هذا المدخل الآليات التحفيزية؛ ويصف الكيمياء الحيوية وليس أساسًا للتشخيص أو العلاج الفردي.

History

نما مجال دراسة الإنزيمات الفلزية من العمل المبكر على الزنك في الأنهيدراز الكربوني والتوصيف الهيكلي للمواقع المعدنية، والذي أظهر كيف تُعدّل الروابط المنسقة السلوك التحفيزي للمعدن. بنت الدراسات الميكانيكية اللاحقة لنقل الفوسفوريل المعتمد على المغنيسيوم، وأكسجة حديد الهيم، وكيمياء الحديد-الكبريت صورة عامة لكيفية تمكين المعادن المرتبطة لتفاعلات صعبة بطريقة أخرى (Holm et al., 1996; Cowan, 2002; Denisov et al., 2005; Beinert et al., 1997).

Seminal works

• holm-1996
• denisov-2005
• cowan-2002
• beinert-1997

Frequently asked questions

ما الذي يجعل الإنزيم إنزيمًا فلزيًا؟

يتطلب أيونًا معدنيًا واحدًا أو أكثر مرتبطًا في موقعه النشط أو بالقرب منه لتحفيز تفاعله؛ فإزالة المعدن تفقد الإنزيم نشاطه، لأن المعدن يوفر كيمياء لا يمكن للبروتين توفيرها بمفرده.

لماذا يعتبر الزنك معدنًا شائعًا للإنزيمات؟

الزنك هو حمض لويس قوي لا يخضع لكيمياء الأكسدة والاختزال، لذا يمكنه استقطاب الماء والركائز بشكل موثوق وتثبيت المركبات الوسيطة المشحونة، مما يجعله مناسبًا تمامًا للعديد من الإنزيمات المحللة وناقلة المجموعات التي تستخدمه.