โคแฟกเตอร์ไอออนโลหะ

เอนไซม์จำนวนมากต้องการไอออนโลหะเพื่อทำหน้าที่ ไอออนต่างๆ เช่น สังกะสี เหล็ก แมกนีเซียม แมงกานีส ทองแดง และอื่นๆ ทำหน้าที่เป็นโคแฟกเตอร์อนินทรีย์ โดยให้คุณสมบัติทางเคมีที่กลุ่มสารอินทรีย์ไม่สามารถทำได้ เช่น การทำหน้าที่เป็นกรดลิวอิส การดำเนินการขั้นตอนรีดอกซ์ หรือการจัดระเบียบตำแหน่งออกฤทธิ์ หัวข้อนี้จะสำรวจตัวโลหะเองและวิธีที่เซลล์จัดหาโลหะเหล่านี้ให้กับโปรตีน

Definition

โคแฟกเตอร์ไอออนโลหะคือโคแฟกเตอร์เอนไซม์อนินทรีย์ ซึ่งเป็นไอออนเดี่ยวหรือศูนย์โลหะที่ประกอบขึ้น เช่น กลุ่มเหล็ก-กำมะถัน ที่จับอยู่ภายในหรือข้างโปรตีน และให้คุณสมบัติทางเคมีทางอิเล็กทรอนิกส์และโครงสร้างที่จำเป็นสำหรับการเร่งปฏิกิริยาหรือความเสถียร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโคแฟกเตอร์ไอออนโลหะทั่วไป บทบาทเร่งปฏิกิริยาที่พวกมันมี (กรดลิวอิส, รีดอกซ์, และโครงสร้าง) ศูนย์โลหะที่ประกอบขึ้น เช่น กลุ่มเหล็ก-กำมะถัน และปัญหาที่ว่าเซลล์จะส่งโลหะที่ถูกต้องไปยังโปรตีนแต่ละชนิดได้อย่างไร นี่คือภาพรวมอ้างอิงของชีวเคมีโคแฟกเตอร์อนินทรีย์ ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก เอนไซม์ที่ใช้โลหะเหล่านี้จะกล่าวถึงในหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับเอนไซม์ที่ขึ้นกับโลหะ

Core questions

• โลหะชนิดใดบ้างที่เป็นโคแฟกเตอร์เอนไซม์ทั่วไป และแต่ละชนิดให้คุณสมบัติทางเคมีอะไรบ้าง?
• โลหะที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์แตกต่างจากโลหะโครงสร้างที่ไม่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์อย่างไร?
• เซลล์ทำให้แน่ใจได้อย่างไรว่าโปรตีนแต่ละชนิดจับกับโลหะที่ถูกต้อง?
• เมทัลโลโปรตีโอมมีขอบเขตกว้างขวางเพียงใด?

Key concepts

• การเร่งปฏิกิริยากรดลิวอิสโดยไอออนโลหะ
• โลหะที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์เทียบกับโลหะที่ไม่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์
• ตำแหน่งโลหะโครงสร้าง (เช่น ซิงค์ฟิงเกอร์)
• กลุ่มเหล็ก-กำมะถันเป็นศูนย์โลหะแบบโมดูลาร์
• การเลือกโลหะและอนุกรมเออร์วิง-วิลเลียมส์ (Irving-Williams series)
• เมทัลโลชาเพอโรนและการส่งมอบโลหะ
• เมทัลโลโปรตีโอม

Mechanisms

ไอออนโลหะมีส่วนช่วยในคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกัน ไอออนที่ไม่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์ เช่น สังกะสีและแมกนีเซียม ทำหน้าที่หลักเป็นกรดลิวอิสที่ทำให้สารตั้งต้นมีขั้ว ทำให้ประจุลบเสถียร และจัดระเบียบรูปทรงเรขาคณิตของตำแหน่งออกฤทธิ์ (Maret, 2013; Holm et al., 1996) โลหะที่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์ เช่น เหล็กและทองแดง จะหมุนเวียนระหว่างสถานะออกซิเดชันเพื่อเป็นสื่อกลางในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและเคมีของออกซิเจน ศูนย์ที่ประกอบขึ้น เช่น กลุ่มเหล็ก-กำมะถัน ให้หน่วยโมดูลาร์สำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน การรับรู้ และการเร่งปฏิกิริยา (Beinert et al., 1997) เนื่องจากโลหะหลายชนิดจับกับโปรตีนด้วยความสัมพันธ์ที่ทับซ้อนกัน เซลล์จึงไม่สามารถพึ่งพาความสัมพันธ์เพียงอย่างเดียวสำหรับการเติมโลหะที่ถูกต้องได้ เมทัลโลชาเพอโรน (metallochaperones) การแบ่งส่วน และการควบคุมปริมาณโลหะที่มีอยู่ช่วยนำโลหะที่ถูกต้องไปยังโปรตีนที่ถูกต้อง (Waldron & Robinson, 2009) ขอบเขตทั้งหมดของโปรตีโอมที่ใช้โลหะยังคงอยู่ระหว่างการสำรวจ โดยมีหลักฐานว่าเมทัลโลโปรตีน (metalloproteins) จำนวนมากยังไม่ได้รับการระบุลักษณะ (Cvetkovic et al., 2010)

Clinical relevance

ธาตุโลหะปริมาณน้อยเป็นสารอาหารรองที่จำเป็นอย่างยิ่งเนื่องจากเอนไซม์ต้องพึ่งพาพวกมัน ดังนั้นชีวเคมีนี้จึงเป็นพื้นฐานของการศึกษาโภชนาการโลหะและภาวะธำรงดุลของโลหะ ข้อมูลนี้อธิบายว่าโลหะทำหน้าที่เป็นโคแฟกเตอร์อย่างไร มันอธิบายกลไกและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัย การเสริม หรือการรักษาเฉพาะบุคคล

History

การตระหนักว่าโลหะเป็นส่วนสำคัญของเอนไซม์หลายชนิดพัฒนาขึ้นพร้อมกับการศึกษาโครงสร้างของเมทัลโลโปรตีน ซึ่งเผยให้เห็นว่าไอออนเดี่ยวและศูนย์ที่ประกอบขึ้น เช่น กลุ่มเหล็ก-กำมะถัน ดำเนินการเร่งปฏิกิริยาและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนได้อย่างไร งานวิจัยในภายหลังได้ปรับกรอบปัญหาหลักให้เป็นการเลือกและการส่งมอบโลหะมากกว่าการจับแบบง่ายๆ และการสำรวจเมทัลโลโปรตีโอมแสดงให้เห็นว่ายังมีอีกมากที่ยังไม่ได้รับการระบุลักษณะ (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

โคแฟกเตอร์โลหะเชิงโครงสร้างและโคแฟกเตอร์โลหะเชิงเร่งปฏิกิริยาแตกต่างกันอย่างไร?

โลหะเชิงเร่งปฏิกิริยาจะเข้าร่วมโดยตรงในปฏิกิริยาเคมี (เช่น เป็นกรดลิวอิสหรือศูนย์รีดอกซ์) ในขณะที่โลหะเชิงโครงสร้างส่วนใหญ่จะช่วยให้รูปร่างที่พับของโปรตีนหรือตำแหน่งออกฤทธิ์มีความเสถียรโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

เซลล์ทำให้แน่ใจได้อย่างไรว่าเอนไซม์ได้รับโลหะที่ถูกต้อง?

เนื่องจากโลหะหลายชนิดสามารถจับกับตำแหน่งเดียวกันด้วยความแข็งแรงใกล้เคียงกัน เซลล์จึงใช้กลไกต่างๆ เช่น เมทัลโลชาเพอโรน การแบ่งส่วน และการควบคุมระดับโลหะอิสระอย่างเข้มงวด เพื่อส่งมอบไอออนที่ถูกต้อง แทนที่จะพึ่งพาความสัมพันธ์ในการจับเพียงอย่างเดียว