เมทัลโลโปรตีนและเมทัลโลเอนไซม์

เมทัลโลโปรตีนใช้ไอออนโลหะที่จับอยู่เพื่อโครงสร้าง การขนส่ง และการเร่งปฏิกิริยา และสภาพแวดล้อมของโปรตีนจะปรับแต่งศูนย์กลางโลหะแต่ละแห่งให้เหมาะสมกับบทบาททางชีวภาพที่เฉพาะเจาะจง

Definition

เมทัลโลโปรตีนคือโปรตีนที่มีไอออนโลหะอย่างน้อยหนึ่งไอออนซึ่งจำเป็นต่อการทำงาน และเมทัลโลเอนไซม์คือกลุ่มย่อยที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาซึ่งโลหะมีส่วนร่วมโดยตรงในการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสารตั้งต้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมโครงสร้างและหน้าที่ของโปรตีนและเอนไซม์ที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบ: โปรตีนเลือกและจับกับไอออนโลหะอย่างไร รูปทรงและลิแกนด์ของตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่พบบ่อย เช่น ศูนย์กลางสังกะสี เหล็ก และทองแดง กลยุทธ์การเร่งปฏิกิริยาของเมทัลโลเอนไซม์ (การกระตุ้นด้วยกรดลิวอิส วัฏจักรเรดอกซ์ การจัดการออกซิเจน) และหลักการที่ว่าเมทริกซ์โปรตีนปรับแต่งปฏิกิริยาของโลหะ หัวข้อนี้กล่าวถึงตำแหน่งโลหะที่ทำหน้าที่เร่งปฏิกิริยาและโครงสร้างโดยทั่วไป โดยแยกส่วนของตัวพาออกซิเจนและโปรตีนถ่ายโอนอิเล็กตรอนไว้ในหัวข้อของตนเอง

Core questions

• โปรตีนเลือกและจับกับไอออนโลหะชนิดใดชนิดหนึ่งได้อย่างไร
• ลิแกนด์และรูปทรงเรขาคณิตใดที่กำหนดตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่พบบ่อย
• เมทัลโลเอนไซม์เร่งปฏิกิริยาด้วยกลยุทธ์ใด
• สภาพแวดล้อมของโปรตีนปรับแต่งปฏิกิริยาของโลหะได้อย่างไร

Key concepts

• ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาของโลหะ
• ลิแกนด์ของโปรตีนและรูปทรงการประสานงาน
• การเร่งปฏิกิริยาด้วยกรดลิวอิส
• ศูนย์กลางโลหะที่ทำปฏิกิริยาเรดอกซ์
• สถานะเอนทาติก
• โลหะโครงสร้างเทียบกับโลหะเร่งปฏิกิริยา

Key theories

การควบคุมคุณสมบัติของตำแหน่งโลหะโดยโปรตีน

เอกลักษณ์และการจัดเรียงของลิแกนด์โปรตีน พันธะไฮโดรเจน และเมทริกซ์โดยรอบจะปรับแต่งรูปทรงเรขาคณิต ศักย์รีดอกซ์ และความเป็นกรดลิวอิสของศูนย์กลางโลหะ ซึ่งบางครั้งอาจทำให้เกิดสถานะเอนทาติกที่ตึงเครียดซึ่งช่วยเพิ่มปฏิกิริยา

กลยุทธ์การเร่งปฏิกิริยาของเมทัลโลเอนไซม์

ไอออนโลหะเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพโดยทำหน้าที่เป็นกรดลิวอิสที่ทำให้สารตั้งต้นและน้ำเกิดโพลาไรเซชัน โดยการหมุนเวียนระหว่างสถานะออกซิเดชันเพื่อเป็นตัวกลางในเคมีรีดอกซ์ และโดยการจับและกระตุ้นโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น ไดออกซิเจน

สังกะสีในฐานะโคแฟกเตอร์อเนกประสงค์

สังกะสีที่ไม่ทำปฏิกิริยารีดอกซ์ทำหน้าที่เป็นกรดลิวอิสที่แข็งแกร่งและเป็นตัวเชื่อมโครงสร้างในเอนไซม์จำนวนมาก ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโลหะชนิดเดียวสามารถรองรับทั้งหน้าที่เร่งปฏิกิริยาและโครงสร้างได้อย่างไร

Mechanisms

การเร่งปฏิกิริยาที่ตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาของเมทัลโลเอนไซม์มักจะเริ่มต้นด้วยการจับกับสารตั้งต้นและการเกิดโพลาไรเซชันโดยกรดลิวอิสของโลหะ หรือการประสานงานของไดออกซิเจน ตามด้วยขั้นตอนทางเคมี—การไฮโดรไลซิส การออกซิเดชัน หรือการถ่ายโอนหมู่—โดยโปรตีนจะจัดตำแหน่งหมู่ข้างเคียงเพื่อทำให้สถานะเปลี่ยนผ่านเสถียรขึ้น

Clinical relevance

เมทัลโลเอนไซม์ดำเนินกระบวนการที่จำเป็นตั้งแต่การไฮเดรชันของคาร์บอนไดออกไซด์ไปจนถึงการล้างพิษ และการทำงานผิดปกติหรือการยับยั้งของเอนไซม์เหล่านี้เป็นสาเหตุของโรคและเป็นเป้าหมายสำหรับการออกแบบยา; นี่คือข้อมูลอ้างอิง ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

History

การตระหนักว่าโลหะเป็นส่วนสำคัญของเอนไซม์หลายชนิดเพิ่มขึ้นตลอดศตวรรษที่ 20 เมื่อการศึกษาผลึกโปรตีนเผยให้เห็นตำแหน่งโลหะที่ชัดเจน การศึกษาเอนไซม์สังกะสีของ Vallee และงานโครงสร้างที่กว้างขึ้นของ Lippard, Gray และคนอื่นๆ ได้สร้างหลักการทั่วไปที่โปรตีนใช้ประโยชน์จากโลหะในการเร่งปฏิกิริยา

Key figures

• Bert Vallee
• Stephen Lippard
• Harry Gray

Seminal works

• lippard1994
• bertini2007
• vallee1990

Frequently asked questions

เหตุใดชีววิทยาจึงใช้โลหะในเอนไซม์จำนวนมาก

ไอออนโลหะมีคุณสมบัติทางเคมีที่หมู่ข้างเคียงอินทรีย์ไม่สามารถให้ได้ง่าย รวมถึงความเป็นกรดลิวอิสที่แข็งแกร่ง สถานะรีดอกซ์ที่เข้าถึงได้ และความสามารถในการจับและกระตุ้นโมเลกุลขนาดเล็ก เช่น ออกซิเจน ทำให้เป็นโคแฟกเตอร์ที่เหมาะสำหรับการเร่งปฏิกิริยา

สถานะเอนทาติกคืออะไร

สถานะเอนทาติกคือรูปทรงการประสานงานที่ตึงเครียดและมีพลังงานพร้อม ซึ่งโปรตีนกำหนดให้กับศูนย์กลางโลหะ โดยอยู่ระหว่างรูปทรงเรขาคณิตที่ต้องการของรูปแบบออกซิไดซ์และรีดิวซ์ ซึ่งช่วยลดอุปสรรคต่อปฏิกิริยาและเพิ่มปฏิกิริยา