Metaloproteīni un metāloenzīmi

Metaloproteīni izmanto saistītus metālu jonus struktūrai, transportam un katalīzei, un proteīna vide pielāgo katru metāla centru tā specifiskajai bioloģiskajai lomai.

Definition

Metaloproteīni ir proteīni, kas satur vienu vai vairākus metālu jonus, kuri ir būtiski to funkcijai, un metāloenzīmi ir katalītiskā apakškopa, kurā metāls tieši piedalās substrātu ķīmiskajā transformācijā.

Scope

Šī tēma aptver metālu saturošu proteīnu un enzīmu struktūru un funkciju: kā proteīni izvēlas un saista metālu jonus, parasto aktīvo centru, piemēram, cinka, dzelzs un vara centru, ģeometriju un ligandus, metāloenzīmu katalītiskās stratēģijas (Lūisa skābes aktivācija, redokscikls, dioksigēna apstrāde) un principu, ka proteīna matrica pielāgo metāla reaktivitāti. Tā aplūko katalītiskās un strukturālās metāla vietas kopumā, atstājot skābekļa nesējus un elektronu pārneses proteīnus atsevišķām tēmām.

Core questions

• Kā proteīni izvēlas un saista konkrētu metāla jonu?
• Kādi ligandi un ģeometrijas nosaka parastos aktīvos centrus?
• Ar kādām stratēģijām metāloenzīmi katalizē reakcijas?
• Kā proteīna vide pielāgo metāla reaktivitāti?

Key concepts

• Metāla aktīvās vietas
• Proteīna ligandi un koordinācijas ģeometrija
• Lūisa skābes katalīze
• Redoks-aktīvie metāla centri
• Entatiskais stāvoklis
• Strukturālie pret katalītiskajiem metāliem

Key theories

Proteīna kontrole pār metāla vietas īpašībām

Proteīna ligandu identitāte un izvietojums, ūdeņraža saites un apkārtējā matrica pielāgo metāla centra ģeometriju, redokspotenciālu un Lūisa skābumu, dažkārt uzliekot saspringtu entatisko stāvokli, kas uzlabo reaktivitāti.

Metāloenzīmu katalītiskās stratēģijas

Metālu joni katalizē bioloģiskās reakcijas, darbojoties kā Lūisa skābes, kas polarizē substrātus un ūdeni, cikliski mainot oksidācijas pakāpes, lai starpniecībā veiktu redoksķīmiju, un saistot un aktivizējot mazas molekulas, piemēram, dioksigēnu.

Cinks kā daudzpusīgs kofaktors

Redoks-neaktīvais cinks kalpo kā spēcīga Lūisa skābe un strukturāla šķērssaišu saite lielā daļā enzīmu, ilustrējot, kā viens metāls var atbalstīt gan katalītiskās, gan strukturālās funkcijas.

Mechanisms

Katalīze metāloenzīma aktīvajā vietā parasti sākas ar substrāta saistīšanos un polarizāciju ar metāla Lūisa skābi vai dioksigēna koordināciju, kam seko ķīmiskais solis — hidrolīze, oksidācija vai grupas pārnese — ar proteīnu, kas novieto atlikumus, lai stabilizētu pārejas stāvokli.

Clinical relevance

Metāloenzīmi veic būtiskus procesus no oglekļa dioksīda hidratācijas līdz detoksikācijai, un to darbības traucējumi vai inhibīcija ir slimību pamatā un ir mērķis zāļu izstrādei; tas ir atsauces materiāls, nevis klīniskās vadlīnijas.

History

Atzīšana, ka metāli ir neatņemama daudzu enzīmu sastāvdaļa, pieauga divdesmitajā gadsimtā, proteīnu kristalogrāfijai atklājot noteiktas metāla vietas. Vallee pētījumi par cinka enzīmiem un Lippard, Gray un citu plašāks strukturālais darbs noteica vispārīgos principus, ar kuriem proteīni izmanto metālus katalīzei.

Key figures

• Bert Vallee
• Stephen Lippard
• Harry Gray

Seminal works

• lippard1994
• bertini2007
• vallee1990

Frequently asked questions

Kāpēc bioloģija izmanto metālus tik daudzos enzīmos?

Metālu joni piedāvā ķīmiju, ko organiskās sānu ķēdes nevar viegli nodrošināt, tostarp spēcīgu Lūisa skābumu, pieejamus redoksstāvokļus un spēju saistīt un aktivizēt mazas molekulas, piemēram, skābekli, padarot tos par ideāliem kofaktoriem katalīzei.

Kas ir entatiskais stāvoklis?

Entatiskais stāvoklis ir saspringta, enerģētiski sagatavota koordinācijas ģeometrija, ko proteīns uzliek metāla centram, kas ir starp oksidēto un reducēto formu vēlamajām ģeometrijām, kas samazina reakcijas barjeru un uzlabo reaktivitāti.