Métalloenzymes

Les enzymes métallo-dépendantes, ou métalloenzymes, sont des catalyseurs qui nécessitent un ion métallique au niveau de leur site actif pour fonctionner. On estime qu'environ un tiers de toutes les enzymes utilisent un métal, et la chimie que ce métal apporte définit les fonctions de l'enzyme – du zinc de l'anhydrase carbonique au fer des oxygénases du cytochrome P450.

Definition

Les enzymes métallo-dépendantes (métalloenzymes) sont des enzymes dont l'activité catalytique nécessite un ou plusieurs ions métalliques liés au niveau ou à proximité du site actif, où le métal participe à la réaction en tant qu'acide de Lewis, centre redox, ou organisateur de la géométrie du substrat et des intermédiaires.

Scope

Ce sujet aborde la manière dont les enzymes utilisent les ions métalliques liés pour la catalyse : les enzymes à zinc agissant comme des acides de Lewis, les enzymes de transfert de phosphoryle dépendantes du magnésium, les oxygénases contenant du fer et les enzymes fer-soufre, ainsi que les enzymes à cuivre et à manganèse. Il s'agit d'une vue d'ensemble de référence sur la chimie des métalloenzymes, et non d'une orientation clinique. Les métaux eux-mêmes et la manière dont les cellules les fournissent sont traités dans le sujet complémentaire sur les cofacteurs ioniques métalliques.

Core questions

• Comment un métal lié abaisse-t-il l'énergie d'activation d'une réaction ?
• Pourquoi le zinc est-il si largement utilisé dans les enzymes hydrolytiques et de transfert de groupe ?
• Comment les centres de fer permettent-ils des oxydations difficiles telles que l'hydroxylation des liaisons C-H ?
• Qu'est-ce qui distingue une métalloenzyme à liaison forte d'une enzyme activée par un métal de manière lâche ?

Key concepts

• Le zinc comme acide de Lewis au site actif
• Le magnésium dans le transfert de phosphoryle (kinases, polymérases)
• Les oxygénases à hème-fer (cytochrome P450)
• Les enzymes à fer non héminique et fer-soufre
• Les enzymes à cuivre dans la gestion de l'oxygène
• Le manganèse dans les oxydoréductases
• Sites métalliques catalytiques versus structuraux

Mechanisms

Les métalloenzymes exploitent la chimie que leurs métaux rendent disponible. Un ion zinc au niveau d'un site actif polarise une molécule d'eau liée ou un carbonyle de substrat, générant un nucléophile ou stabilisant une charge négative en développement, une stratégie utilisée par de nombreuses hydrolases et l'anhydrase carbonique (Maret, 2013; Holm et al., 1996). Les ions magnésium coordonnent les groupes phosphate et les alignent pour une attaque en ligne dans les kinases et les polymérases d'acides nucléiques (Cowan, 2002). Les enzymes à hème-fer telles que le cytochrome P450 activent l'oxygène moléculaire en une espèce fer-oxo de haute valence capable d'hydroxyler les liaisons C-H non réactives (Denisov et al., 2005). Les centres fer-soufre et fer non héminique réalisent le transfert d'électrons et des transformations redox supplémentaires (Beinert et al., 1997). Dans chaque cas, la protéine module la réactivité du métal par la géométrie et l'identité de ses ligands de coordination.

Clinical relevance

Les métalloenzymes réalisent des réactions centrales au métabolisme, à la gestion de l'oxygène et au traitement des xénobiotiques (par exemple les oxygénases du cytochrome P450), de sorte que leur biochimie éclaire la pharmacologie et la toxicologie. Cette entrée explique les mécanismes catalytiques ; elle décrit la biochimie et ne constitue pas une base pour un diagnostic ou un traitement individuel.

History

L'étude des métalloenzymes a émergé des premiers travaux sur le zinc dans l'anhydrase carbonique et de la caractérisation structurale des sites métalliques, qui ont montré comment les ligands de coordination modulent le comportement catalytique d'un métal. Des études mécanistiques ultérieures sur le transfert de phosphoryle dépendant du magnésium, l'oxygénation par l'hème-fer et la chimie fer-soufre ont construit une image générale de la manière dont les métaux liés permettent des réactions autrement difficiles (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

Qu'est-ce qui fait qu'une enzyme est une métalloenzyme ?

Elle nécessite un ou plusieurs ions métalliques liés au niveau ou à proximité de son site actif pour catalyser sa réaction ; si le métal est retiré, l'enzyme perd son activité, car le métal apporte une chimie que la protéine ne peut pas fournir seule.

Pourquoi le zinc est-il un métal enzymatique si courant ?

Le zinc est un acide de Lewis fort qui ne subit pas de réactions redox ; il peut donc polariser de manière fiable l'eau et les substrats et stabiliser les intermédiaires chargés, ce qui le rend bien adapté aux nombreuses enzymes hydrolytiques et de transfert de groupe qui l'utilisent.