Metalloprotein và Metalloenzyme

Metalloprotein sử dụng các ion kim loại liên kết để tạo cấu trúc, vận chuyển và xúc tác, và môi trường protein điều chỉnh từng trung tâm kim loại cho vai trò sinh học cụ thể của nó.

Definition

Metalloprotein là các protein chứa một hoặc nhiều ion kim loại cần thiết cho chức năng của chúng, và metalloenzyme là tập hợp con xúc tác trong đó kim loại tham gia trực tiếp vào quá trình biến đổi hóa học của cơ chất.

Scope

Chủ đề này bao gồm cấu trúc và chức năng của các protein và enzyme chứa kim loại: cách protein chọn và liên kết các ion kim loại, hình học và phối tử của các vị trí hoạt động phổ biến như trung tâm kẽm, sắt và đồng, các chiến lược xúc tác của metalloenzyme (kích hoạt axit Lewis, chu trình oxy hóa khử, xử lý dioxygen), và nguyên tắc rằng ma trận protein điều chỉnh khả năng phản ứng của kim loại. Nó đề cập đến các vị trí kim loại xúc tác và cấu trúc nói chung, để các chất mang oxy và protein vận chuyển điện tử sang các chủ đề riêng.

Core questions

• Protein chọn và liên kết một ion kim loại cụ thể như thế nào?
• Những phối tử và hình học nào xác định các vị trí hoạt động phổ biến?
• Metalloenzyme xúc tác phản ứng bằng những chiến lược nào?
• Môi trường protein điều chỉnh khả năng phản ứng của kim loại như thế nào?

Key concepts

• Vị trí hoạt động của kim loại
• Phối tử protein và hình học phối trí
• Xúc tác axit Lewis
• Trung tâm kim loại hoạt động oxy hóa khử
• Trạng thái entatic
• Kim loại cấu trúc so với kim loại xúc tác

Key theories

Kiểm soát của protein đối với các tính chất của vị trí kim loại

Bản chất và sự sắp xếp của các phối tử protein, liên kết hydro và ma trận xung quanh điều chỉnh hình học, thế oxy hóa khử và tính axit Lewis của trung tâm kim loại, đôi khi tạo ra trạng thái entatic căng thẳng giúp tăng cường khả năng phản ứng.

Các chiến lược xúc tác của metalloenzyme

Các ion kim loại xúc tác các phản ứng sinh học bằng cách hoạt động như axit Lewis phân cực cơ chất và nước, bằng cách luân chuyển giữa các trạng thái oxy hóa để điều hòa hóa học oxy hóa khử, và bằng cách liên kết và kích hoạt các phân tử nhỏ như dioxygen.

Kẽm như một đồng yếu tố đa năng

Kẽm không hoạt động oxy hóa khử đóng vai trò là một axit Lewis mạnh và liên kết chéo cấu trúc trong một phần lớn các enzyme, minh họa cách một kim loại duy nhất có thể hỗ trợ cả chức năng xúc tác và cấu trúc.

Mechanisms

Xúc tác tại vị trí hoạt động của metalloenzyme thường bắt đầu bằng sự liên kết cơ chất và phân cực bởi axit Lewis kim loại hoặc sự phối trí của dioxygen, tiếp theo là bước hóa học—thủy phân, oxy hóa hoặc chuyển nhóm—với protein định vị các gốc để ổn định trạng thái chuyển tiếp.

Clinical relevance

Metalloenzyme thực hiện các quá trình thiết yếu từ hydrat hóa carbon dioxide đến giải độc, và sự trục trặc hoặc ức chế của chúng là nguyên nhân gây bệnh và là mục tiêu để thiết kế thuốc; đây là tài liệu tham khảo, không phải hướng dẫn lâm sàng.

History

Sự công nhận rằng kim loại là một phần không thể thiếu của nhiều enzyme đã phát triển trong suốt thế kỷ XX khi tinh thể học protein tiết lộ các vị trí kim loại xác định. Các nghiên cứu của Vallee về enzyme kẽm và công trình cấu trúc rộng hơn của Lippard, Gray và những người khác đã thiết lập các nguyên tắc chung mà protein khai thác kim loại để xúc tác.

Key figures

• Bert Vallee
• Stephen Lippard
• Harry Gray

Seminal works

• lippard1994
• bertini2007
• vallee1990

Frequently asked questions

Tại sao sinh học sử dụng kim loại trong rất nhiều enzyme?

Các ion kim loại cung cấp hóa học mà các chuỗi bên hữu cơ không thể dễ dàng cung cấp, bao gồm tính axit Lewis mạnh, các trạng thái oxy hóa khử dễ tiếp cận và khả năng liên kết và kích hoạt các phân tử nhỏ như oxy, khiến chúng trở thành đồng yếu tố lý tưởng cho xúc tác.

Trạng thái entatic là gì?

Trạng thái entatic là một hình học phối trí căng thẳng, được định vị năng lượng mà một protein áp đặt lên một trung tâm kim loại, trung gian giữa các hình học được ưu tiên bởi dạng oxy hóa và dạng khử của nó, giúp giảm rào cản phản ứng và tăng cường khả năng phản ứng.