Enzyme phụ thuộc kim loại

Enzyme phụ thuộc kim loại, hay metalloenzyme, là những chất xúc tác cần ion kim loại tại vị trí hoạt động của chúng để thực hiện chức năng. Ước tính khoảng một phần ba tổng số enzyme sử dụng kim loại, và tính chất hóa học mà kim loại cung cấp quyết định khả năng hoạt động của enzyme – từ kẽm trong carbonic anhydrase đến sắt trong cytochrome P450 oxygenase.

Definition

Enzyme phụ thuộc kim loại (metalloenzyme) là các enzyme mà hoạt tính xúc tác của chúng đòi hỏi một hoặc nhiều ion kim loại liên kết tại hoặc gần vị trí hoạt động, nơi kim loại tham gia vào phản ứng với vai trò là một axit Lewis, một trung tâm oxy hóa khử, hoặc một yếu tố tổ chức hình học của cơ chất và chất trung gian.

Scope

Chủ đề này đề cập đến cách các enzyme sử dụng các ion kim loại liên kết để xúc tác: các enzyme kẽm hoạt động như axit Lewis, các enzyme chuyển phosphoryl phụ thuộc magiê, các oxygenase chứa sắt và các enzyme sắt-lưu huỳnh, cùng với các enzyme đồng và mangan. Đây là một tổng quan tham khảo về hóa học của metalloenzyme, không phải hướng dẫn lâm sàng. Bản thân các kim loại và cách tế bào cung cấp chúng được đề cập trong chủ đề liên quan về các yếu tố đồng xúc tác ion kim loại.

Core questions

• Kim loại liên kết làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng như thế nào?
• Tại sao kẽm được sử dụng rộng rãi trong các enzyme thủy phân và chuyển nhóm?
• Các trung tâm sắt cho phép các phản ứng oxy hóa khó khăn như hydroxyl hóa C-H như thế nào?
• Điều gì phân biệt một metalloenzyme liên kết chặt chẽ với một enzyme được hoạt hóa kim loại lỏng lẻo?

Key concepts

• Kẽm như một axit Lewis tại vị trí hoạt động
• Magiê trong chuyển phosphoryl (kinase, polymerase)
• Oxygenase heme-sắt (cytochrome P450)
• Enzyme sắt không heme và sắt-lưu huỳnh
• Enzyme đồng trong xử lý oxy
• Mangan trong oxidoreductase
• Vị trí kim loại xúc tác so với vị trí kim loại cấu trúc

Mechanisms

Metalloenzyme khai thác tính chất hóa học mà các kim loại của chúng cung cấp. Một ion kẽm tại vị trí hoạt động phân cực một phân tử nước liên kết hoặc nhóm carbonyl của cơ chất, tạo ra một tác nhân nucleophile hoặc ổn định một điện tích âm đang hình thành, đây là chiến lược được nhiều hydrolase và carbonic anhydrase sử dụng (Maret, 2013; Holm et al., 1996). Các ion magiê phối hợp các nhóm phosphate và sắp xếp chúng để tấn công trực tiếp trong các kinase và polymerase axit nucleic (Cowan, 2002). Các enzyme heme-sắt như cytochrome P450 hoạt hóa oxy phân tử thành một dạng sắt-oxo hóa trị cao có khả năng hydroxyl hóa các liên kết C-H không phản ứng (Denisov et al., 2005). Các trung tâm sắt-lưu huỳnh và sắt không heme thực hiện chuyển điện tử và các biến đổi oxy hóa khử bổ sung (Beinert et al., 1997). Trong mỗi trường hợp, protein điều chỉnh khả năng phản ứng của kim loại thông qua hình học và bản chất của các phối tử phối trí của nó.

Clinical relevance

Metalloenzyme thực hiện các phản ứng trung tâm đối với quá trình trao đổi chất, xử lý oxy và chuyển hóa các chất lạ (ví dụ như cytochrome P450 oxygenase), do đó hóa sinh của chúng cung cấp thông tin cho dược lý học và độc chất học. Mục này giải thích các cơ chế xúc tác; nó mô tả hóa sinh và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

History

Nghiên cứu về metalloenzyme phát triển từ những công trình ban đầu về kẽm trong carbonic anhydrase và đặc trưng cấu trúc của các vị trí kim loại, cho thấy các phối tử phối trí điều chỉnh hành vi xúc tác của kim loại như thế nào. Các nghiên cứu cơ chế tiếp theo về chuyển phosphoryl phụ thuộc magiê, oxy hóa heme-sắt và hóa học sắt-lưu huỳnh đã xây dựng một bức tranh tổng thể về cách các kim loại liên kết cho phép các phản ứng khó khăn khác xảy ra (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

Điều gì làm cho một enzyme trở thành metalloenzyme?

Nó đòi hỏi một hoặc nhiều ion kim loại liên kết tại hoặc gần vị trí hoạt động của nó để xúc tác phản ứng; loại bỏ kim loại và enzyme mất hoạt tính, vì kim loại cung cấp tính chất hóa học mà protein không thể tự cung cấp.

Tại sao kẽm là một kim loại enzyme phổ biến như vậy?

Kẽm là một axit Lewis mạnh không trải qua phản ứng oxy hóa khử, vì vậy nó có thể phân cực nước và cơ chất một cách đáng tin cậy và ổn định các chất trung gian tích điện, làm cho nó rất phù hợp với nhiều enzyme thủy phân và chuyển nhóm sử dụng nó.