العوامل المساعدة الأيونية المعدنية

تحتاج نسبة كبيرة من الإنزيمات إلى أيون معدني لتعمل. تعمل أيونات مثل الزنك والحديد والمغنيسيوم والمنغنيز والنحاس وغيرها كعوامل مساعدة غير عضوية، موفرة كيمياء لا تستطيع المجموعات العضوية توفيرها: تعمل كأحماض لويس، أو تقوم بخطوات الأكسدة والاختزال، أو تنظم الموقع النشط. يستعرض هذا الموضوع المعادن نفسها وكيف تزودها الخلايا للبروتينات.

Definition

العوامل المساعدة الأيونية المعدنية هي عوامل مساعدة إنزيمية غير عضوية - أيونات مفردة أو مراكز معدنية مجمعة مثل مجموعات الحديد والكبريت - ترتبط داخل البروتين أو بجانبه وتوفر الكيمياء الإلكترونية والتركيبية اللازمة للتحفيز أو الاستقرار.

Scope

يغطي الموضوع العوامل المساعدة الأيونية المعدنية الشائعة، والأدوار التحفيزية التي تلعبها (حمض لويس، الأكسدة والاختزال، والتركيبية)، والمراكز المعدنية المجمعة مثل مجموعات الحديد والكبريت، ومشكلة كيفية توصيل الخلايا للمعدن الصحيح لكل بروتين. إنه نظرة عامة مرجعية على كيمياء العوامل المساعدة غير العضوية الحيوية، وليس إرشادات سريرية. يتم تناول الإنزيمات التي تستخدم هذه المعادن في الموضوع المصاحب عن الإنزيمات المعتمدة على المعادن.

Core questions

• ما هي المعادن الشائعة كعوامل مساعدة للإنزيمات، وما هي الكيمياء التي يوفرها كل منها؟
• كيف تختلف المعادن النشطة للأكسدة والاختزال في دورها عن المعادن الهيكلية الخاملة للأكسدة والاختزال؟
• كيف تضمن الخلية أن كل بروتين يرتبط بالمعدن الصحيح؟
• ما مدى اتساع البروتيوم المعدني؟

Key concepts

• التحفيز الحمضي اللويسي بواسطة الأيونات المعدنية
• المعادن النشطة للأكسدة والاختزال مقابل المعادن الخاملة للأكسدة والاختزال
• المواقع المعدنية الهيكلية (مثل أصابع الزنك)
• مجموعات الحديد والكبريت كمراكز معدنية معيارية
• انتقائية المعادن وسلسلة إيرفينغ-ويليامز
• المرافقة المعدنية (Metallochaperones) وتوصيل المعادن
• البروتيوم المعدني (Metalloproteome)

Mechanisms

تساهم الأيونات المعدنية بكيمياء مميزة. تعمل الأيونات الخاملة للأكسدة والاختزال مثل الزنك والمغنيسيوم بشكل أساسي كأحماض لويس التي تستقطب الركائز، وتثبت الشحنة السالبة، وتنظم هندسة الموقع النشط (Maret, 2013; Holm et al., 1996). تتناوب المعادن النشطة للأكسدة والاختزال مثل الحديد والنحاس بين حالات الأكسدة للتوسط في نقل الإلكترونات وكيمياء الأكسجين. توفر المراكز المجمعة مثل مجموعات الحديد والكبريت وحدات معيارية لنقل الإلكترونات، والاستشعار، والتحفيز (Beinert et al., 1997). نظرًا لأن العديد من المعادن ترتبط بالبروتينات بتقارب متداخل، لا يمكن للخلايا الاعتماد على التقارب وحده للتعدين الصحيح؛ تساعد المرافقة المعدنية (metallochaperones)، والتقسيم إلى حجرات (compartmentalisation)، وتوافر المعادن المتحكم فيه في توجيه المعدن الصحيح إلى البروتين الصحيح (Waldron & Robinson, 2009). لا يزال النطاق الكامل للبروتيوم المستخدم للمعادن قيد التحديد، مع وجود أدلة على أن العديد من البروتينات المعدنية (metalloproteins) لا تزال غير موصوفة (Cvetkovic et al., 2010).

Clinical relevance

المعادن النزرة هي مغذيات دقيقة أساسية تحديدًا لأن الإنزيمات تعتمد عليها، لذا فإن هذه الكيمياء الحيوية تكمن وراء دراسة تغذية المعادن واستتباب المعادن. يشرح هذا المدخل كيفية عمل المعادن كعوامل مساعدة؛ ويصف الآليات وليس أساسًا للتشخيص الفردي أو المكملات أو العلاج.

History

تطور الاعتراف بأن المعادن جزء لا يتجزأ من العديد من الإنزيمات جنبًا إلى جنب مع الدراسة الهيكلية للبروتينات المعدنية، والتي كشفت كيف تقوم الأيونات المفردة والمراكز المجمعة مثل مجموعات الحديد والكبريت بالتحفيز ونقل الإلكترونات. أعادت الأعمال اللاحقة صياغة المشكلة المركزية على أنها مشكلة انتقائية المعادن وتوصيلها بدلاً من مجرد الارتباط، وأظهرت الدراسات الاستقصائية للبروتيوم المعدني (metalloproteome) مدى ما لا يزال غير موصوف (Holm et al., 1996; Beinert et al., 1997; Waldron & Robinson, 2009; Cvetkovic et al., 2010).

Seminal works

• holm-1996
• beinert-1997
• waldron-2009
• maret-2013

Frequently asked questions

ما الفرق بين العامل المساعد المعدني الهيكلي والعامل المساعد المعدني التحفيزي؟

يشارك المعدن التحفيزي مباشرة في كيمياء التفاعل (على سبيل المثال كحمض لويس أو مركز أكسدة واختزال)، بينما يعمل المعدن الهيكلي بشكل أساسي على تثبيت الشكل المطوي للبروتين أو موقعه النشط دون أن يتحول كيميائيًا.

كيف تضمن الخلية حصول الإنزيم على المعدن الصحيح؟

نظرًا لأن العديد من المعادن يمكن أن ترتبط بموقع ما بقوة مماثلة، تستخدم الخلايا آليات مثل المرافقة المعدنية (metallochaperones)، والتقسيم إلى حجرات (compartmentalisation)، والتحكم الدقيق في مستويات المعادن الحرة لتوصيل الأيون الصحيح بدلاً من الاعتماد على تقارب الارتباط وحده.