Các Đồng Yếu Tố Ion Kim Loại

Một phần lớn các enzyme cần ion kim loại để hoạt động. Các ion như kẽm, sắt, magiê, mangan, đồng và các ion khác hoạt động như các đồng yếu tố vô cơ, cung cấp các phản ứng hóa học mà các nhóm hữu cơ không thể: hoạt động như axit Lewis, thực hiện các bước oxy hóa khử, hoặc tổ chức vị trí hoạt động. Chủ đề này khảo sát bản thân các kim loại và cách tế bào cung cấp chúng cho protein.

Definition

Các đồng yếu tố ion kim loại là các đồng yếu tố enzyme vô cơ - các ion đơn lẻ hoặc các trung tâm kim loại lắp ráp như cụm sắt-lưu huỳnh - liên kết bên trong hoặc bên cạnh protein và cung cấp các phản ứng hóa học điện tử và cấu trúc cần thiết cho quá trình xúc tác hoặc ổn định.

Scope

Chủ đề này bao gồm các đồng yếu tố ion kim loại phổ biến, các vai trò xúc tác mà chúng đóng (axit Lewis, oxy hóa khử và cấu trúc), các trung tâm kim loại lắp ráp như cụm sắt-lưu huỳnh, và vấn đề làm thế nào tế bào cung cấp đúng kim loại cho mỗi protein. Đây là một tổng quan tham khảo về hóa sinh đồng yếu tố vô cơ, không phải hướng dẫn lâm sàng. Các enzyme sử dụng các kim loại này được đề cập trong chủ đề liên quan về các enzyme phụ thuộc kim loại.

Core questions

• Những kim loại nào là đồng yếu tố enzyme phổ biến, và mỗi loại cung cấp hóa học gì?
• Các kim loại hoạt động oxy hóa khử khác với các kim loại cấu trúc không hoạt động oxy hóa khử như thế nào về vai trò?
• Một tế bào đảm bảo mỗi protein liên kết đúng kim loại như thế nào?
• Metalloproteome rộng lớn đến mức nào?

Key concepts

• Xúc tác axit Lewis bởi các ion kim loại
• Kim loại hoạt động oxy hóa khử so với kim loại không hoạt động oxy hóa khử
• Các vị trí kim loại cấu trúc (ví dụ: ngón kẽm)
• Cụm sắt-lưu huỳnh như các trung tâm kim loại mô-đun
• Tính chọn lọc kim loại và dãy Irving-Williams
• Metallochaperone và sự phân phối kim loại
• Metalloproteome

Mechanisms

Các ion kim loại đóng góp các phản ứng hóa học riêng biệt. Các ion không hoạt động oxy hóa khử như kẽm và magiê chủ yếu hoạt động như axit Lewis phân cực cơ chất, ổn định điện tích âm và tổ chức hình học vị trí hoạt động (Maret, 2013; Holm et al., 1996). Các kim loại hoạt động oxy hóa khử như sắt và đồng luân chuyển giữa các trạng thái oxy hóa để điều hòa sự truyền điện tử và hóa học oxy. Các trung tâm lắp ráp như cụm sắt-lưu huỳnh cung cấp các đơn vị mô-đun để truyền điện tử, cảm biến và xúc tác (Beinert et al., 1997). Bởi vì nhiều kim loại liên kết với protein với ái lực chồng chéo, tế bào không thể chỉ dựa vào ái lực để kim loại hóa chính xác; các metallochaperone, sự phân ngăn và sự kiểm soát nồng độ kim loại giúp định hướng đúng kim loại đến đúng protein (Waldron & Robinson, 2009). Mức độ đầy đủ của proteome sử dụng kim loại vẫn đang được lập bản đồ, với bằng chứng cho thấy nhiều metalloprotein vẫn chưa được đặc trưng (Cvetkovic et al., 2010).

Clinical relevance

Các kim loại vi lượng là các vi chất dinh dưỡng thiết yếu chính xác vì các enzyme phụ thuộc vào chúng, do đó hóa sinh này là nền tảng cho việc nghiên cứu dinh dưỡng kim loại và cân bằng nội môi kim loại. Mục này giải thích cách các kim loại hoạt động như các đồng yếu tố; nó mô tả các cơ chế và không phải là cơ sở để chẩn đoán, bổ sung hoặc điều trị cá nhân.

History

Sự công nhận rằng kim loại là một phần không thể thiếu của nhiều enzyme đã phát triển cùng với nghiên cứu cấu trúc của metalloprotein, điều này đã tiết lộ cách các ion đơn lẻ và các trung tâm lắp ráp như cụm sắt-lưu huỳnh thực hiện quá trình xúc tác và truyền điện tử. Công việc sau này đã định hình lại vấn đề trung tâm là vấn đề chọn lọc và phân phối kim loại hơn là liên kết đơn giản, và các khảo sát về metalloproteome đã chỉ ra rằng còn nhiều điều chưa được đặc trưng (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

Sự khác biệt giữa đồng yếu tố kim loại cấu trúc và xúc tác là gì?

Một kim loại xúc tác trực tiếp tham gia vào phản ứng hóa học (ví dụ như một axit Lewis hoặc một trung tâm oxy hóa khử), trong khi một kim loại cấu trúc chủ yếu ổn định hình dạng gấp của protein hoặc vị trí hoạt động của nó mà không bị biến đổi hóa học.

Một tế bào đảm bảo một enzyme nhận đúng kim loại như thế nào?

Vì một số kim loại có thể liên kết với một vị trí với cường độ tương tự, các tế bào sử dụng các cơ chế như metallochaperone, phân ngăn và kiểm soát chặt chẽ mức độ kim loại tự do để cung cấp ion chính xác thay vì chỉ dựa vào ái lực liên kết.