Metalloproteinek és metalloenzimek

A metalloproteinek kötött fémionokat használnak a szerkezet, a transzport és a katalízis céljára, és a fehérjekörnyezet hangolja az egyes fémcentrumokat a specifikus biológiai szerepükhöz.

Definition

A metalloproteinek olyan fehérjék, amelyek egy vagy több, funkciójukhoz elengedhetetlen fémiont tartalmaznak, a metalloenzimek pedig a katalitikus alcsoportot képezik, amelyekben a fém közvetlenül részt vesz a szubsztrátok kémiai átalakításában.

Scope

Ez a téma a fémtartalmú fehérjék és enzimek szerkezetét és funkcióját tárgyalja: hogyan választják ki és kötik meg a fehérjék a fémionokat, a gyakori aktív centrumok, mint például a cink-, vas- és rézcentrumok geometriáját és ligandumait, a metalloenzimek katalitikus stratégiáit (Lewis-sav aktiválás, redox ciklus, dioxigén kezelés), valamint azt az elvet, hogy a fehérjemátrix hangolja a fém reaktivitását. Általánosságban kezeli a katalitikus és strukturális fémcentrumokat, az oxigénszállítókat és az elektronátvivő fehérjéket külön témákra hagyva.

Core questions

• Hogyan választják ki és kötik meg a fehérjék az adott fémiont?
• Milyen ligandumok és geometriák határozzák meg a gyakori aktív centrumokat?
• Milyen stratégiákkal katalizálják a metalloenzimek a reakciókat?
• Hogyan hangolja a fehérjekörnyezet a fém reaktivitását?

Key concepts

• Fém aktív centrumok
• Fehérjeligandumok és koordinációs geometria
• Lewis-sav katalízis
• Redox-aktív fémcentrumok
• Entatikus állapot
• Strukturális versus katalitikus fémek

Key theories

A fehérjék általi fémcentrum-tulajdonságok szabályozása

A fehérjeligandumok azonossága és elrendezése, a hidrogénkötések és a környező mátrix hangolja a fémcentrum geometriáját, redoxpotenciálját és Lewis-savasságát, néha feszült entatikus állapotot kényszerítve rá, ami növeli a reaktivitást.

A metalloenzimek katalitikus stratégiái

A fémionok biológiai reakciókat katalizálnak azáltal, hogy Lewis-savként működnek, amelyek polarizálják a szubsztrátokat és a vizet, oxidációs állapotok között ciklusosan változva közvetítik a redox kémiát, valamint megkötik és aktiválják a kis molekulákat, például a dioxigént.

A cink mint sokoldalú kofaktor

A redox-inaktív cink erős Lewis-savként és szerkezeti keresztkötésként szolgál az enzimek nagy részében, illusztrálva, hogy egyetlen fém hogyan képes támogatni mind a katalitikus, mind a szerkezeti funkciókat.

Mechanisms

A katalízis egy metalloenzim aktív centrumában jellemzően a szubsztrátkötéssel és a fém Lewis-sav általi polarizációval vagy a dioxigén koordinációjával kezdődik, amelyet a kémiai lépés – hidrolízis, oxidáció vagy csoportátvitel – követ, miközben a fehérje a tranzíciós állapot stabilizálására pozícionálja a maradékokat.

Clinical relevance

A metalloenzimek alapvető folyamatokat végeznek a szén-dioxid hidratációtól a méregtelenítésig, és működési zavaruk vagy gátlásuk betegségek alapját képezi, és gyógyszertervezési célpont; ez referenciaanyag, nem klinikai útmutatás.

History

Az a felismerés, hogy a fémek számos enzim szerves részét képezik, a huszadik század során nőtt, ahogy a fehérjekrisztallográfia meghatározott fémcentrumokat tárt fel. Vallee cinkenzimekkel kapcsolatos tanulmányai és Lippard, Gray és mások szélesebb körű szerkezeti munkái lefektették azokat az általános elveket, amelyek alapján a fehérjék fémeket használnak a katalízishez.

Key figures

• Bert Vallee
• Stephen Lippard
• Harry Gray

Seminal works

• lippard1994
• bertini2007
• vallee1990

Frequently asked questions

Miért használ a biológia fémeket oly sok enzimben?

A fémionok olyan kémiát kínálnak, amelyet a szerves oldalláncok nem tudnak könnyen biztosítani, beleértve az erős Lewis-savasságot, az elérhető redox állapotokat, valamint a kis molekulák, például az oxigén megkötésének és aktiválásának képességét, így ideális kofaktorokká válnak a katalízishez.

Mi az entatikus állapot?

Az entatikus állapot egy feszült, energetikailag előkészített koordinációs geometria, amelyet egy fehérje kényszerít egy fémcentrumra, az oxidált és redukált formái által preferált geometriák közötti állapotban, ami csökkenti a reakció gátját és növeli a reaktivitást.