Metale Bağımlı Enzimler
Metale bağımlı enzimler veya metalloenzimler, aktif bölgelerinde çalışmak için bir metal iyonuna ihtiyaç duyan katalizörlerdir. Tüm enzimlerin yaklaşık üçte birinin metal kullandığı düşünülmekte olup, metalin sağladığı kimyasal özellikler, enzimin yapabileceği işlevleri belirlemektedir – karbonik anhidrazın çinkosundan sitokrom P450 oksijenazların demirine kadar.
Tanım
Metale bağımlı enzimler (metalloenzimler), katalitik aktiviteleri için aktif bölgede veya yakınında bağlı bir veya daha fazla metal iyonuna ihtiyaç duyan enzimlerdir; burada metal, reaksiyonda bir Lewis asidi, bir redoks merkezi veya substrat ve ara ürün geometrisinin bir düzenleyicisi olarak yer almaktadır.
Kapsam
Bu konu, enzimlerin bağlı metal iyonlarını kataliz için nasıl kullandığını ele almaktadır: Lewis asitleri olarak işlev gören çinko enzimleri, magnezyuma bağımlı fosforil transfer enzimleri, demir içeren oksijenazlar ve demir-kükürt enzimleri ile bakır ve manganez enzimleri. Bu, metalloenzim kimyasına dair bir referans genel bakış olup, klinik bir rehberlik niteliği taşımamaktadır. Metallerin kendileri ve hücrelerin bunları nasıl sağladığı, metal iyon kofaktörleri hakkındaki ilgili konuda ele alınmaktadır.
Temel sorular
- Bağlı bir metal, bir reaksiyonun aktivasyon enerjisini nasıl düşürmektedir?
- Çinko, hidrolitik ve grup transfer enzimlerinde neden bu kadar yaygın olarak kullanılmaktadır?
- Demir merkezleri, C-H hidroksilasyonu gibi zor oksidasyonları nasıl mümkün kılmaktadır?
- Sıkıca bağlı bir metalloenzimi, gevşekçe metal ile aktive olan bir enzimden ayıran nedir?
Anahtar kavramlar
- Aktif bölge Lewis asidi olarak çinko
- Fosforil transferinde magnezyum (kinazlar, polimerazlar)
- Hem-demir oksijenazlar (sitokrom P450)
- Hem dışı demir ve demir-kükürt enzimleri
- Oksijen yönetiminde bakır enzimleri
- Oksidoredüktazlarda manganez
- Katalitik ve yapısal metal bölgeleri
Mekanizmalar
Metalloenzimler, metallerinin sağladığı kimyasal özelliklerden yararlanmaktadır. Aktif bölgedeki bir çinko iyonu, bağlı bir su molekülünü veya substrat karbonilini polarize ederek bir nükleofil oluşturmakta veya gelişen bir negatif yükü stabilize etmektedir; bu strateji birçok hidrolaz ve karbonik anhidraz tarafından kullanılmaktadır (Maret, 2013; Holm ve ark., 1996). Magnezyum iyonları, fosfat gruplarını koordine etmekte ve kinazlar ile nükleik asit polimerazlarında sıralı saldırı için hizalamaktadır (Cowan, 2002). Sitokrom P450 gibi hem-demir enzimleri, moleküler oksijeni, reaktif olmayan C-H bağlarını hidroksilleyebilen yüksek değerlikli bir demir-okso türüne aktive etmektedir (Denisov ve ark., 2005). Demir-kükürt ve hem dışı demir merkezleri, elektron transferi ve ek redoks dönüşümleri gerçekleştirmektedir (Beinert ve ark., 1997). Her durumda protein, metalin reaktivitesini koordine edici ligandlarının geometrisi ve kimliği aracılığıyla ayarlamaktadır.
Klinik önem
Metalloenzimler, metabolizma, oksijen yönetimi ve ksenobiyotiklerin işlenmesi (örneğin sitokrom P450 oksijenazlar) için merkezi reaksiyonları gerçekleştirmektedir; bu nedenle biyokimyaları farmakoloji ve toksikolojiye bilgi sağlamaktadır. Bu madde, katalitik mekanizmaları açıklamaktadır; biyokimyayı tanımlamakta olup, bireysel tanı veya tedavi için bir temel oluşturmamaktadır.
Tarihçe
Metalloenzimlerin incelenmesi, karbonik anhidrazdaki çinko üzerine yapılan erken çalışmalardan ve metal bölgelerinin yapısal karakterizasyonundan gelişmiştir; bu çalışmalar, koordine edici ligandların bir metalin katalitik davranışını nasıl ayarladığını göstermiştir. Magnezyuma bağımlı fosforil transferi, hem-demir oksijenasyonu ve demir-kükürt kimyası üzerine yapılan sonraki mekanistik çalışmalar, bağlı metallerin aksi takdirde zor olan reaksiyonları nasıl mümkün kıldığına dair genel bir tablo oluşturmuştur (Holm ve ark., 1996; Cowan, 2002; Denisov ve ark., 2005; Beinert ve ark., 1997).
İlgili konular
Temel eserler
- holm-1996
- denisov-2005
- cowan-2002
- beinert-1997
Sıkça sorulan sorular
- Bir enzimi metalloenzim yapan nedir?
- Reaksiyonunu katalizlemek için aktif bölgesinde veya yakınında bağlı bir veya daha fazla metal iyonuna ihtiyaç duymasıdır; metal çıkarıldığında enzim aktivitesini kaybeder, çünkü metal, proteinin kendi başına sağlayamayacağı kimyasal özellikleri temin etmektedir.
- Çinko neden bu kadar yaygın bir enzim metalidir?
- Çinko, redoks kimyasına uğramayan güçlü bir Lewis asididir; bu nedenle suyu ve substratları güvenilir bir şekilde polarize edebilir ve yüklü ara ürünleri stabilize edebilir, bu da onu kullanan birçok hidrolitik ve grup transfer enzimi için oldukça uygun kılmaktadır.