Cofacteurs ioniques métalliques

Une grande partie des enzymes nécessitent un ion métallique pour fonctionner. Des ions tels que le zinc, le fer, le magnésium, le manganèse, le cuivre et d'autres agissent comme des cofacteurs inorganiques, apportant une chimie que les groupes organiques ne peuvent pas fournir : ils agissent comme des acides de Lewis, réalisent des étapes redox ou organisent le site actif. Ce sujet examine les métaux eux-mêmes et la manière dont les cellules les fournissent aux protéines.

Definition

Les cofacteurs ioniques métalliques sont des cofacteurs enzymatiques inorganiques – des ions uniques ou des centres métalliques assemblés tels que les clusters fer-soufre – qui se lient à l'intérieur ou à côté de la protéine et fournissent la chimie électronique et structurelle nécessaire à la catalyse ou à la stabilité.

Scope

Le sujet couvre les cofacteurs ioniques métalliques courants, les rôles catalytiques qu'ils jouent (acide de Lewis, redox et structurel), les centres métalliques assemblés tels que les clusters fer-soufre, et la problématique de la manière dont les cellules acheminent le métal correct vers chaque protéine. Il s'agit d'un aperçu de référence de la biochimie des cofacteurs inorganiques, et non d'une orientation clinique. Les enzymes qui utilisent ces métaux sont traitées dans le sujet complémentaire sur les enzymes métallo-dépendantes.

Core questions

• Quels métaux sont des cofacteurs enzymatiques courants, et quelle chimie chacun d'eux apporte-t-il ?
• Comment les métaux redox-actifs diffèrent-ils en rôle des métaux structurels inertes redox ?
• Comment une cellule s'assure-t-elle que chaque protéine lie le métal correct ?
• Quelle est l'étendue du métalloprotéome ?

Key concepts

• Catalyse acide de Lewis par les ions métalliques
• Métaux redox-actifs versus métaux inertes redox
• Sites métalliques structurels (par exemple, les doigts de zinc)
• Clusters fer-soufre comme centres métalliques modulaires
• Sélectivité des métaux et série d'Irving-Williams
• Métallochapérones et acheminement des métaux
• Le métalloprotéome

Mechanisms

Les ions métalliques contribuent à des chimies distinctes. Les ions inertes redox, tels que le zinc et le magnésium, agissent principalement comme des acides de Lewis qui polarisent les substrats, stabilisent la charge négative et organisent la géométrie du site actif (Maret, 2013 ; Holm et al., 1996). Les métaux redox-actifs, tels que le fer et le cuivre, cyclent entre différents états d'oxydation pour médier le transfert d'électrons et la chimie de l'oxygène. Les centres assemblés, tels que les clusters fer-soufre, fournissent des unités modulaires pour le transfert d'électrons, la détection et la catalyse (Beinert et al., 1997). Étant donné que de nombreux métaux se lient aux protéines avec des affinités qui se chevauchent, les cellules ne peuvent pas se fier uniquement à l'affinité pour une métallation correcte ; les métallochapérones, la compartimentalisation et la disponibilité contrôlée des métaux contribuent à acheminer le bon métal vers la bonne protéine (Waldron & Robinson, 2009). L'étendue complète du protéome utilisant des métaux est encore en cours de cartographie, des preuves suggérant que de nombreuses métalloprotéines restent non caractérisées (Cvetkovic et al., 2010).

Clinical relevance

Les oligo-éléments métalliques sont des micronutriments essentiels précisément parce que les enzymes en dépendent ; cette biochimie sous-tend donc l'étude de la nutrition et de l'homéostasie des métaux. Cette entrée explique comment les métaux fonctionnent comme cofacteurs ; elle décrit les mécanismes et ne constitue pas une base pour un diagnostic, une supplémentation ou un traitement individuel.

History

La reconnaissance du fait que les métaux font partie intégrante de nombreuses enzymes s'est développée parallèlement à l'étude structurelle des métalloprotéines, qui a révélé comment des ions uniques et des centres assemblés tels que les clusters fer-soufre réalisent la catalyse et le transfert d'électrons. Des travaux ultérieurs ont recadré le problème central comme étant celui de la sélectivité et de l'acheminement des métaux plutôt que d'une simple liaison, et des études du métalloprotéome ont montré à quel point une grande partie reste non caractérisée (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

Quelle est la différence entre un cofacteur métallique structurel et un cofacteur métallique catalytique ?

Un métal catalytique participe directement à la chimie d'une réaction (par exemple, comme acide de Lewis ou centre redox), tandis qu'un métal structurel stabilise principalement la forme repliée de la protéine ou de son site actif sans être chimiquement transformé.

Comment une cellule s'assure-t-elle qu'une enzyme reçoit le bon métal ?

Étant donné que plusieurs métaux peuvent se lier à un site avec une force similaire, les cellules utilisent des mécanismes tels que les métallochapérones, la compartimentalisation et un contrôle strict des niveaux de métaux libres pour acheminer l'ion correct plutôt que de se fier uniquement à l'affinité de liaison.