کوفاکتورهای یون فلزی

بخش بزرگی از آنزیم‌ها برای عملکرد خود به یک یون فلزی نیاز دارند. یون‌هایی مانند روی، آهن، منیزیم، منگنز، مس و سایرین به عنوان کوفاکتورهای غیرآلی عمل می‌کنند و شیمی‌ای را فراهم می‌آورند که گروه‌های آلی قادر به آن نیستند: عمل کردن به عنوان اسیدهای لوئیس، انجام مراحل ردوکس، یا سازماندهی جایگاه فعال. این موضوع به بررسی خود فلزات و چگونگی تأمین آن‌ها توسط سلول‌ها برای پروتئین‌ها می‌پردازد.

Definition

کوفاکتورهای یون فلزی، کوفاکتورهای آنزیمی غیرآلی هستند – یون‌های منفرد یا مراکز فلزی مونتاژ شده مانند خوشه‌های آهن-گوگرد – که در داخل یا در کنار پروتئین متصل می‌شوند و شیمی الکترونیکی و ساختاری مورد نیاز برای کاتالیز یا پایداری را فراهم می‌کنند.

Scope

این موضوع کوفاکتورهای یون فلزی رایج، نقش‌های کاتالیزوری که ایفا می‌کنند (اسید لوئیس، ردوکس، و ساختاری)، مراکز فلزی مونتاژ شده مانند خوشه‌های آهن-گوگرد، و مسئله چگونگی رساندن فلز صحیح به هر پروتئین توسط سلول‌ها را پوشش می‌دهد. این یک مرور کلی مرجع از بیوشیمی کوفاکتورهای غیرآلی است، نه راهنمای بالینی. آنزیم‌هایی که از این فلزات استفاده می‌کنند در موضوع مرتبط با آنزیم‌های وابسته به فلز بررسی می‌شوند.

Core questions

• کدام فلزات کوفاکتورهای آنزیمی رایج هستند و هر کدام چه شیمی‌ای را فراهم می‌کنند؟
• فلزات فعال ردوکس چگونه در نقش خود با فلزات ساختاری بی‌اثر ردوکس تفاوت دارند؟
• یک سلول چگونه اطمینان حاصل می‌کند که هر پروتئین فلز صحیح را متصل می‌کند؟
• متالوپروتئوم چقدر گسترده است؟

Key concepts

• کاتالیز اسید-لوئیس توسط یون‌های فلزی
• فلزات فعال ردوکس در مقابل فلزات بی‌اثر ردوکس
• جایگاه‌های فلزی ساختاری (مانند انگشتان روی)
• خوشه‌های آهن-گوگرد به عنوان مراکز فلزی مدولار
• انتخاب‌پذیری فلز و سری ایروینگ-ویلیامز
• متالوچاپِرون‌ها و تحویل فلز
• متالوپروتئوم

Mechanisms

یون‌های فلزی به شیمی‌های متمایزی کمک می‌کنند. یون‌های بی‌اثر ردوکس مانند روی و منیزیم عمدتاً به عنوان اسیدهای لوئیس عمل می‌کنند که سوبستراها را قطبی می‌کنند، بار منفی را تثبیت می‌کنند و هندسه جایگاه فعال را سازماندهی می‌کنند (Maret, 2013; Holm et al., 1996). فلزات فعال ردوکس مانند آهن و مس بین حالت‌های اکسیداسیون چرخه می‌کنند تا انتقال الکترون و شیمی اکسیژن را واسطه کنند. مراکز مونتاژ شده مانند خوشه‌های آهن-گوگرد واحدهای مدولار برای انتقال الکترون، حسگری و کاتالیز را فراهم می‌کنند (Beinert et al., 1997). از آنجا که بسیاری از فلزات با تمایل‌های همپوشان به پروتئین‌ها متصل می‌شوند، سلول‌ها نمی‌توانند تنها به تمایل برای فلزدار شدن صحیح تکیه کنند؛ متالوچاپِرون‌ها، بخش‌بندی، و کنترل در دسترس بودن فلز به هدایت فلز صحیح به پروتئین صحیح کمک می‌کنند (Waldron & Robinson, 2009). گستره کامل پروتئوم استفاده‌کننده از فلز هنوز در حال ترسیم است، با شواهدی که نشان می‌دهد بسیاری از متالوپروتئین‌ها هنوز ناشناخته باقی مانده‌اند (Cvetkovic et al., 2010).

Clinical relevance

فلزات کمیاب ریزمغذی‌های ضروری هستند دقیقاً به این دلیل که آنزیم‌ها به آن‌ها وابسته هستند، بنابراین این بیوشیمی زیربنای مطالعه تغذیه فلزی و هموستاز فلزی است. این مدخل توضیح می‌دهد که چگونه فلزات به عنوان کوفاکتور عمل می‌کنند؛ مکانیسم‌ها را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص، مکمل‌درمانی یا درمان فردی نیست.

History

شناخت اینکه فلزات جزء جدایی‌ناپذیر بسیاری از آنزیم‌ها هستند، در کنار مطالعه ساختاری متالوپروتئین‌ها توسعه یافت، که نشان داد چگونه یون‌های منفرد و مراکز مونتاژ شده مانند خوشه‌های آهن-گوگرد کاتالیز و انتقال الکترون را انجام می‌دهند. کارهای بعدی مسئله اصلی را به عنوان مسئله انتخاب‌پذیری و تحویل فلز به جای اتصال ساده بازتعریف کردند، و بررسی‌های متالوپروتئوم نشان داد که چقدر ناشناخته باقی مانده است (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

تفاوت بین یک کوفاکتور فلزی ساختاری و کاتالیزوری چیست؟

یک فلز کاتالیزوری مستقیماً در شیمی یک واکنش شرکت می‌کند (به عنوان مثال به عنوان یک اسید لوئیس یا یک مرکز ردوکس)، در حالی که یک فلز ساختاری عمدتاً شکل تاخورده پروتئین یا جایگاه فعال آن را بدون تغییر شیمیایی تثبیت می‌کند.

یک سلول چگونه مطمئن می‌شود که یک آنزیم فلز صحیح را دریافت می‌کند؟

از آنجا که چندین فلز می‌توانند با قدرت مشابهی به یک جایگاه متصل شوند، سلول‌ها از مکانیسم‌هایی مانند متالوچاپِرون‌ها، بخش‌بندی، و کنترل دقیق سطوح فلز آزاد برای تحویل یون صحیح استفاده می‌کنند و تنها به تمایل اتصال تکیه نمی‌کنند.