เอนไซม์ที่ต้องพึ่งพาโลหะ

เอนไซม์ที่ต้องพึ่งพาโลหะ หรือเมทัลโลเอนไซม์ (metalloenzymes) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต้องอาศัยไอออนโลหะที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาจึงจะทำงานได้ ประมาณหนึ่งในสามของเอนไซม์ทั้งหมดเชื่อว่าใช้โลหะ และคุณสมบัติทางเคมีที่โลหะมีให้เป็นตัวกำหนดว่าเอนไซม์นั้นจะทำอะไรได้บ้าง ตั้งแต่สังกะสีในคาร์บอนิกแอนไฮเดรสไปจนถึงเหล็กในไซโตโครม P450 ออกซิเจเนส

Definition

เอนไซม์ที่ต้องพึ่งพาโลหะ (เมทัลโลเอนไซม์) คือเอนไซม์ที่กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาต้องอาศัยไอออนโลหะหนึ่งชนิดหรือมากกว่าที่จับอยู่ ณ หรือใกล้กับตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา โดยที่โลหะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาในฐานะกรดลิวอิส ศูนย์รีดอกซ์ หรือตัวจัดระเบียบโครงสร้างของสารตั้งต้นและสารมัธยันต์

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่เอนไซม์ใช้ไอออนโลหะที่จับอยู่เพื่อเร่งปฏิกิริยา: เอนไซม์สังกะสีที่ทำหน้าที่เป็นกรดลิวอิส, เอนไซม์ถ่ายโอนฟอสฟอริลที่ต้องพึ่งพาแมกนีเซียม, ออกซิเจเนสที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบ และเอนไซม์เหล็ก-กำมะถัน, รวมถึงเอนไซม์ทองแดงและแมงกานีส นี่คือภาพรวมอ้างอิงของเคมีเมทัลโลเอนไซม์ ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก โลหะเองและวิธีการที่เซลล์จัดหาโลหะเหล่านี้จะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับโคแฟกเตอร์ไอออนโลหะ

Core questions

• โลหะที่จับอยู่ลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาได้อย่างไร?
• เหตุใดสังกะสีจึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในเอนไซม์ไฮโดรไลติกและเอนไซม์ถ่ายโอนหมู่?
• ศูนย์เหล็กช่วยให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ยากลำบาก เช่น การไฮดรอกซิเลชันของ C-H ได้อย่างไร?
• อะไรคือความแตกต่างระหว่างเมทัลโลเอนไซม์ที่จับแน่นกับเอนไซม์ที่ถูกกระตุ้นด้วยโลหะอย่างหลวมๆ?

Key concepts

• สังกะสีในฐานะกรดลิวอิสที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยา
• แมกนีเซียมในการถ่ายโอนฟอสฟอริล (ไคเนส, พอลิเมอเรส)
• ฮีม-เหล็ก ออกซิเจเนส (ไซโตโครม P450)
• เหล็กที่ไม่ใช่ฮีมและเอนไซม์เหล็ก-กำมะถัน
• เอนไซม์ทองแดงในการจัดการออกซิเจน
• แมงกานีสในออกซิโดรีดักเทส
• ตำแหน่งโลหะที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาเทียบกับตำแหน่งโลหะที่ทำหน้าที่โครงสร้าง

Mechanisms

เมทัลโลเอนไซม์ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางเคมีที่โลหะมีให้ ไอออนสังกะสีที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาจะทำให้โมเลกุลน้ำที่จับอยู่หรือคาร์บอนิลของสารตั้งต้นมีขั้ว ทำให้เกิดนิวคลีโอไฟล์หรือทำให้ประจุลบที่กำลังพัฒนาเสถียรขึ้น ซึ่งเป็นกลยุทธ์ที่ไฮโดรเลสและคาร์บอนิกแอนไฮเดรสหลายชนิดใช้ (Maret, 2013; Holm et al., 1996) ไอออนแมกนีเซียมจะประสานกับหมู่ฟอสเฟตและจัดเรียงให้พร้อมสำหรับการเข้าทำปฏิกิริยาแบบ in-line ในไคเนสและเอนไซม์พอลิเมอเรสของกรดนิวคลีอิก (Cowan, 2002) เอนไซม์ฮีม-เหล็ก เช่น ไซโตโครม P450 จะกระตุ้นออกซิเจนโมเลกุลให้กลายเป็นสารประกอบเหล็ก-ออกโซที่มีวาเลนซีสูง ซึ่งสามารถไฮดรอกซิเลตพันธะ C-H ที่ไม่ว่องไวได้ (Denisov et al., 2005) ศูนย์เหล็ก-กำมะถันและเหล็กที่ไม่ใช่ฮีมจะทำหน้าที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนและการเปลี่ยนแปลงรีดอกซ์เพิ่มเติม (Beinert et al., 1997) ในแต่ละกรณี โปรตีนจะปรับความว่องไวของโลหะผ่านทางโครงสร้างและชนิดของลิแกนด์ที่ประสานกับโลหะ

Clinical relevance

เมทัลโลเอนไซม์ดำเนินการปฏิกิริยาที่สำคัญต่อเมแทบอลิซึม การจัดการออกซิเจน และการประมวลผลสารแปลกปลอม (เช่น ไซโตโครม P450 ออกซิเจเนส) ดังนั้นชีวเคมีของเอนไซม์เหล่านี้จึงเป็นข้อมูลสำคัญสำหรับเภสัชวิทยาและพิษวิทยา ข้อมูลนี้อธิบายกลไกการเร่งปฏิกิริยา โดยอธิบายชีวเคมีและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

การศึกษาเมทัลโลเอนไซม์เติบโตจากการทำงานเบื้องต้นเกี่ยวกับสังกะสีในคาร์บอนิกแอนไฮเดรสและการจำแนกลักษณะโครงสร้างของตำแหน่งโลหะ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าลิแกนด์ที่ประสานกับโลหะปรับพฤติกรรมการเร่งปฏิกิริยาของโลหะได้อย่างไร การศึกษาเชิงกลไกที่ตามมาของการถ่ายโอนฟอสฟอริลที่ต้องพึ่งพาแมกนีเซียม การออกซิเจนของฮีม-เหล็ก และเคมีของเหล็ก-กำมะถัน ได้สร้างภาพรวมทั่วไปว่าโลหะที่จับอยู่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาที่ยากลำบากได้อย่างไร (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

อะไรทำให้เอนไซม์เป็นเมทัลโลเอนไซม์?

เอนไซม์นั้นต้องการไอออนโลหะหนึ่งชนิดหรือมากกว่าที่จับอยู่ ณ หรือใกล้กับตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาเพื่อเร่งปฏิกิริยาของมัน หากนำโลหะออก เอนไซม์จะสูญเสียกิจกรรม เนื่องจากโลหะให้คุณสมบัติทางเคมีที่โปรตีนไม่สามารถให้ได้ด้วยตัวเอง

เหตุใดสังกะสีจึงเป็นโลหะที่พบได้บ่อยในเอนไซม์?

สังกะสีเป็นกรดลิวอิสที่แข็งแกร่งซึ่งไม่เกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ ดังนั้นจึงสามารถทำให้โมเลกุลน้ำและสารตั้งต้นมีขั้วได้อย่างน่าเชื่อถือ และทำให้สารมัธยันต์ที่มีประจุเสถียร ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับเอนไซม์ไฮโดรไลติกและเอนไซม์ถ่ายโอนหมู่จำนวนมากที่ใช้มัน