آنزیم‌های وابسته به فلز

آنزیم‌های وابسته به فلز، یا متالوآنزیم‌ها، کاتالیزورهایی هستند که برای عملکرد خود به یک یون فلزی در جایگاه فعال خود نیاز دارند. تخمین زده می‌شود که تقریباً یک سوم از کل آنزیم‌ها از فلز استفاده می‌کنند و شیمی‌ای که فلز فراهم می‌کند، تعیین‌کننده کاری است که آنزیم می‌تواند انجام دهد – از رویِ کربنیک انیدراز گرفته تا آهنِ سیتوکروم P450 اکسیژنازها.

Definition

آنزیم‌های وابسته به فلز (متالوآنزیم‌ها) آنزیم‌هایی هستند که فعالیت کاتالیزوری آن‌ها به یک یا چند یون فلزی متصل در جایگاه فعال یا نزدیک آن نیاز دارد، جایی که فلز به عنوان یک اسید لوئیس، یک مرکز ردوکس، یا سازمان‌دهنده هندسه سوبسترا و واسطه در واکنش شرکت می‌کند.

Scope

این موضوع به بررسی چگونگی استفاده آنزیم‌ها از یون‌های فلزی متصل برای کاتالیز می‌پردازد: آنزیم‌های روی که به عنوان اسیدهای لوئیس عمل می‌کنند، آنزیم‌های فسفریل-ترانسفراز وابسته به منیزیم، اکسیژنازهای حاوی آهن و آنزیم‌های آهن-گوگرد، و آنزیم‌های مس و منگنز. این یک مرور مرجع از شیمی متالوآنزیم‌ها است، نه راهنمایی بالینی. خود فلزات و نحوه تأمین آن‌ها توسط سلول‌ها در موضوع همراه در مورد کوفاکتورهای یون فلزی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

Core questions

• چگونه یک فلز متصل، انرژی فعال‌سازی یک واکنش را کاهش می‌دهد؟
• چرا روی به طور گسترده در آنزیم‌های هیدرولیتیک و انتقال گروهی استفاده می‌شود؟
• چگونه مراکز آهن، اکسیداسیون‌های دشوار مانند هیدروکسیلاسیون C-H را ممکن می‌سازند؟
• چه چیزی یک متالوآنزیم با اتصال محکم را از یک آنزیم فعال‌شده با فلز با اتصال سست متمایز می‌کند؟

Key concepts

• روی به عنوان یک اسید لوئیس در جایگاه فعال
• منیزیم در انتقال فسفریل (کینازها، پلیمرازها)
• اکسیژنازهای هم-آهن (سیتوکروم P450)
• آنزیم‌های آهن غیرهم و آهن-گوگرد
• آنزیم‌های مس در مدیریت اکسیژن
• منگنز در اکسیدوردوکتازها
• جایگاه‌های فلزی کاتالیزوری در مقابل ساختاری

Mechanisms

متالوآنزیم‌ها از شیمی‌ای که فلزاتشان فراهم می‌کنند، بهره‌برداری می‌کنند. یک یون روی در جایگاه فعال، یک مولکول آب متصل یا کربونیل سوبسترا را قطبی می‌کند و یک هسته‌دوست تولید می‌کند یا یک بار منفی در حال توسعه را تثبیت می‌کند، استراتژی‌ای که توسط بسیاری از هیدرولازها و کربنیک انیدراز استفاده می‌شود (Maret, 2013; Holm et al., 1996). یون‌های منیزیم گروه‌های فسفات را هماهنگ می‌کنند و آن‌ها را برای حمله درون‌خطی در کینازها و پلیمرازهای اسید نوکلئیک هم‌تراز می‌کنند (Cowan, 2002). آنزیم‌های هم-آهن مانند سیتوکروم P450 اکسیژن مولکولی را به یک گونه آهن-اکسو با ظرفیت بالا فعال می‌کنند که قادر به هیدروکسیله کردن پیوندهای C-H غیرفعال است (Denisov et al., 2005). مراکز آهن-گوگرد و آهن غیرهم، انتقال الکترون و تبدیل‌های ردوکس اضافی را انجام می‌دهند (Beinert et al., 1997). در هر مورد، پروتئین واکنش‌پذیری فلز را از طریق هندسه و هویت لیگاند‌های هماهنگ‌کننده خود تنظیم می‌کند.

Clinical relevance

متالوآنزیم‌ها واکنش‌های مرکزی متابولیسم، مدیریت اکسیژن، و پردازش زنوبیوتیک‌ها (به عنوان مثال اکسیژنازهای سیتوکروم P450) را انجام می‌دهند، بنابراین بیوشیمی آن‌ها به فارماکولوژی و سم‌شناسی کمک می‌کند. این مدخل مکانیسم‌های کاتالیزوری را توضیح می‌دهد؛ این یک توصیف بیوشیمیایی است و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

مطالعه متالوآنزیم‌ها از کارهای اولیه بر روی روی در کربنیک انیدراز و شناسایی ساختاری جایگاه‌های فلزی رشد کرد، که نشان داد چگونه لیگاند‌های هماهنگ‌کننده رفتار کاتالیزوری یک فلز را تنظیم می‌کنند. مطالعات مکانیسمی بعدی در مورد انتقال فسفریل وابسته به منیزیم، اکسیژناسیون هم-آهن، و شیمی آهن-گوگرد، تصویری کلی از چگونگی فعال‌سازی واکنش‌های دشوار توسط فلزات متصل را ایجاد کرد (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

چه چیزی یک آنزیم را متالوآنزیم می‌کند؟

برای کاتالیز واکنش خود به یک یا چند یون فلزی متصل در جایگاه فعال یا نزدیک آن نیاز دارد؛ با حذف فلز، آنزیم فعالیت خود را از دست می‌دهد، زیرا فلز شیمی‌ای را فراهم می‌کند که پروتئین به تنهایی نمی‌تواند آن را تأمین کند.

چرا روی یک فلز آنزیمی رایج است؟

روی یک اسید لوئیس قوی است که تحت شیمی ردوکس قرار نمی‌گیرد، بنابراین می‌تواند به طور قابل اعتمادی آب و سوبستراها را قطبی کند و واسطه‌های باردار را تثبیت کند، که آن را برای بسیاری از آنزیم‌های هیدرولیتیک و انتقال گروهی که از آن استفاده می‌کنند، بسیار مناسب می‌سازد.