Μεταλλοπρωτεΐνες και Μεταλλοένζυμα

Οι μεταλλοπρωτεΐνες χρησιμοποιούν προσδεδεμένα μεταλλικά ιόντα για τη δομή, τη μεταφορά και την κατάλυση, και το πρωτεϊνικό περιβάλλον ρυθμίζει κάθε μεταλλικό κέντρο για τον ειδικό βιολογικό του ρόλο.

Definition

Οι μεταλλοπρωτεΐνες είναι πρωτεΐνες που περιέχουν ένα ή περισσότερα μεταλλικά ιόντα απαραίτητα για τη λειτουργία τους, και τα μεταλλοένζυμα είναι το καταλυτικό υποσύνολο στο οποίο το μέταλλο συμμετέχει άμεσα στον χημικό μετασχηματισμό των υποστρωμάτων.

Scope

Αυτό το θέμα καλύπτει τη δομή και τη λειτουργία των πρωτεϊνών και ενζύμων που περιέχουν μέταλλα: πώς οι πρωτεΐνες επιλέγουν και δεσμεύουν μεταλλικά ιόντα, τη γεωμετρία και τους υποκαταστάτες κοινών ενεργών θέσεων όπως τα κέντρα ψευδαργύρου, σιδήρου και χαλκού, τις καταλυτικές στρατηγικές των μεταλλοενζύμων (ενεργοποίηση κατά Lewis-οξύ, κύκλωση οξειδοαναγωγής, χειρισμός διοξυγόνου), και την αρχή ότι η πρωτεϊνική μήτρα ρυθμίζει την αντιδραστικότητα ενός μετάλλου. Εξετάζει τις καταλυτικές και δομικές μεταλλικές θέσεις γενικά, αφήνοντας τους φορείς οξυγόνου και τις πρωτεΐνες μεταφοράς ηλεκτρονίων στα δικά τους θέματα.

Core questions

• Πώς οι πρωτεΐνες επιλέγουν και δεσμεύουν ένα συγκεκριμένο μεταλλικό ιόν;
• Ποιοι υποκαταστάτες και γεωμετρίες καθορίζουν κοινές ενεργές θέσεις;
• Με ποιες στρατηγικές τα μεταλλοένζυμα καταλύουν αντιδράσεις;
• Πώς το πρωτεϊνικό περιβάλλον ρυθμίζει τη μεταλλική αντιδραστικότητα;

Key concepts

• Μεταλλικές ενεργές θέσεις
• Πρωτεϊνικοί υποκαταστάτες και γεωμετρία συναρμογής
• Κατάλυση κατά Lewis-οξύ
• Οξειδοαναγωγικά ενεργά μεταλλικά κέντρα
• Εντατική κατάσταση
• Δομικά έναντι καταλυτικών μετάλλων

Key theories

Πρωτεϊνικός έλεγχος των ιδιοτήτων των μεταλλικών θέσεων

Η ταυτότητα και η διάταξη των πρωτεϊνικών υποκαταστατών, ο δεσμός υδρογόνου και η περιβάλλουσα μήτρα ρυθμίζουν τη γεωμετρία, το οξειδοαναγωγικό δυναμικό και την οξύτητα κατά Lewis ενός μεταλλικού κέντρου, επιβάλλοντας μερικές φορές μια τεταμένη εντατική κατάσταση που ενισχύει την αντιδραστικότητα.

Καταλυτικές στρατηγικές των μεταλλοενζύμων

Τα μεταλλικά ιόντα καταλύουν βιολογικές αντιδράσεις δρώντας ως οξέα κατά Lewis που πολώνουν υποστρώματα και νερό, κυκλώνοντας μεταξύ καταστάσεων οξείδωσης για να μεσολαβήσουν στην οξειδοαναγωγική χημεία, και δεσμεύοντας και ενεργοποιώντας μικρά μόρια όπως το διοξυγόνο.

Ο ψευδάργυρος ως ευέλικτος συμπαράγοντας

Ο μη-οξειδοαναγωγικά ενεργός ψευδάργυρος χρησιμεύει ως ισχυρό οξύ κατά Lewis και δομικός διασταυρωτικός δεσμός σε ένα μεγάλο μέρος των ενζύμων, δείχνοντας πώς ένα μόνο μέταλλο μπορεί να υποστηρίξει τόσο καταλυτικές όσο και δομικές λειτουργίες.

Mechanisms

Η κατάλυση σε μια ενεργή θέση μεταλλοενζύμου ξεκινά συνήθως με τη δέσμευση υποστρώματος και την πόλωση από το μεταλλικό οξύ κατά Lewis ή τη συναρμογή διοξυγόνου, ακολουθούμενη από το χημικό στάδιο—υδρόλυση, οξείδωση ή μεταφορά ομάδας—με την πρωτεΐνη να τοποθετεί υπολείμματα για να σταθεροποιήσει τη μεταβατική κατάσταση.

Clinical relevance

Τα μεταλλοένζυμα εκτελούν απαραίτητες διεργασίες από την ενυδάτωση του διοξειδίου του άνθρακα έως την αποτοξίνωση, και η δυσλειτουργία ή αναστολή τους αποτελεί τη βάση ασθενειών και είναι στόχος για τον σχεδιασμό φαρμάκων· αυτό είναι υλικό αναφοράς, όχι κλινική καθοδήγηση.

History

Η αναγνώριση ότι τα μέταλλα είναι αναπόσπαστο μέρος πολλών ενζύμων αναπτύχθηκε καθ' όλη τη διάρκεια του εικοστού αιώνα καθώς η πρωτεϊνική κρυσταλλογραφία αποκάλυψε καθορισμένες μεταλλικές θέσεις. Οι μελέτες του Vallee για τα ένζυμα ψευδαργύρου και το ευρύτερο δομικό έργο των Lippard, Gray και άλλων καθιέρωσαν τις γενικές αρχές με τις οποίες οι πρωτεΐνες εκμεταλλεύονται τα μέταλλα για την κατάλυση.

Key figures

• Bert Vallee
• Stephen Lippard
• Harry Gray

Seminal works

• lippard1994
• bertini2007
• vallee1990

Frequently asked questions

Γιατί η βιολογία χρησιμοποιεί μέταλλα σε τόσα πολλά ένζυμα;

Τα μεταλλικά ιόντα προσφέρουν χημεία που οι οργανικές πλευρικές αλυσίδες δεν μπορούν εύκολα να παρέχουν, συμπεριλαμβανομένης της ισχυρής οξύτητας κατά Lewis, των προσβάσιμων οξειδοαναγωγικών καταστάσεων και της ικανότητας να δεσμεύουν και να ενεργοποιούν μικρά μόρια όπως το οξυγόνο, καθιστώντας τα ιδανικούς συμπαράγοντες για την κατάλυση.

Τι είναι η εντατική κατάσταση;

Η εντατική κατάσταση είναι μια τεταμένη, ενεργειακά προετοιμασμένη γεωμετρία συναρμογής που μια πρωτεΐνη επιβάλλει σε ένα μεταλλικό κέντρο, ενδιάμεση μεταξύ των γεωμετριών που προτιμώνται από τις οξειδωμένες και αναχθείσες μορφές του, η οποία μειώνει το φράγμα στην αντίδραση και ενισχύει την αντιδραστικότητα.