Ионы металлов как кофакторы

Значительная часть ферментов нуждается в ионах металлов для функционирования. Такие ионы, как цинк, железо, магний, марганец, медь и другие, действуют как неорганические кофакторы, обеспечивая химические свойства, недоступные органическим группам: выступая в роли кислот Льюиса, участвуя в окислительно-восстановительных реакциях или организуя активный центр. В этой статье рассматриваются сами металлы и то, как клетки поставляют их белкам.

Definition

Ионы металлов как кофакторы — это неорганические ферментные кофакторы — отдельные ионы или собранные металлические центры, такие как железо-серные кластеры, — которые связываются внутри или рядом с белком и обеспечивают электронные и структурные химические свойства, необходимые для катализа или стабильности.

Scope

Тема охватывает распространенные ионы металлов-кофакторов, их каталитические роли (кислотно-основные по Льюису, окислительно-восстановительные и структурные), собранные металлические центры, такие как железо-серные кластеры, а также проблему того, как клетки доставляют нужный металл каждому белку. Это справочный обзор биохимии неорганических кофакторов, а не клиническое руководство. Ферменты, использующие эти металлы, рассматриваются в сопутствующей теме о металл-зависимых ферментах.

Core questions

• Какие металлы являются распространенными ферментными кофакторами и какие химические свойства обеспечивает каждый из них?
• Чем окислительно-восстановительно-активные металлы отличаются по роли от структурных металлов, инертных к окислительно-восстановительным реакциям?
• Как клетка обеспечивает связывание каждого белка с правильным металлом?
• Насколько обширен металлопротеом?

Key concepts

• Катализ кислотами Льюиса с участием ионов металлов
• Окислительно-восстановительно-активные против окислительно-восстановительно-инертных металлов
• Структурные металлические центры (например, цинковые пальцы)
• Железо-серные кластеры как модульные металлические центры
• Селективность металлов и ряд Ирвинга-Уильямса
• Металлошапероны и доставка металлов
• Металлопротеом

Mechanisms

Ионы металлов вносят различные химические свойства. Ионы, инертные к окислительно-восстановительным реакциям, такие как цинк и магний, действуют в основном как кислоты Льюиса, которые поляризуют субстраты, стабилизируют отрицательный заряд и организуют геометрию активного центра (Maret, 2013; Holm et al., 1996). Окислительно-восстановительно-активные металлы, такие как железо и медь, циклически переходят между степенями окисления для опосредования переноса электронов и химии кислорода. Собранные центры, такие как железо-серные кластеры, обеспечивают модульные единицы для переноса электронов, сенсорных функций и катализа (Beinert et al., 1997). Поскольку многие металлы связываются с белками с перекрывающимися аффинностями, клетки не могут полагаться только на аффинность для правильной металлизации; металлошапероны, компартментализация и контролируемая доступность металлов помогают направлять нужный металл к нужному белку (Waldron & Robinson, 2009). Полный объем протеома, использующего металлы, все еще картируется, и есть данные, что многие металлопротеины остаются нехарактеризованными (Cvetkovic et al., 2010).

Clinical relevance

Микроэлементы являются незаменимыми микронутриентами именно потому, что ферменты зависят от них, поэтому эта биохимия лежит в основе изучения питания металлами и гомеостаза металлов. Статья объясняет, как металлы функционируют в качестве кофакторов; она описывает механизмы и не является основой для индивидуальной диагностики, добавок или лечения.

History

Признание того, что металлы являются неотъемлемой частью многих ферментов, развивалось наряду со структурным изучением металлопротеинов, которое выявило, как отдельные ионы и собранные центры, такие как железо-серные кластеры, осуществляют катализ и перенос электронов. Более поздние работы переосмыслили центральную проблему как проблему селективности и доставки металлов, а не простого связывания, а обзоры металлопротеома показали, сколько еще остается нехарактеризованным (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

В чем разница между структурным и каталитическим металлическим кофактором?

Каталитический металл непосредственно участвует в химии реакции (например, как кислота Льюиса или окислительно-восстановительный центр), тогда как структурный металл в основном стабилизирует свернутую форму белка или его активный центр, не подвергаясь химическим превращениям.

Как клетка обеспечивает получение ферментом нужного металла?

Поскольку несколько металлов могут связываться с одним участком с одинаковой силой, клетки используют такие механизмы, как металлошапероны, компартментализация и строгий контроль уровней свободного металла, чтобы доставить правильный ион, а не полагаться только на аффинность связывания.