Кіріспе
Металл ионы кофакторы бар ақуыз. Металлопротеин – металл ионы кофакторы бар ақуыздың жалпы атауы. Барлық ақуыздардың үлкен бөлігі осы санатқа жатады. Мысалы, кем дегенде 1000 адам ақуызы (~20 000-ның ішінде) мырыш байланыстырушы домендері бар, бірақ 3000-ға дейін адам мырыш металлопротеиндері болуы мүмкін.
Metalloprotein is a generic term for a protein that contains a metal ion cofactor. A large proportion of all proteins are part of this category. For instance, at least 1000 human proteins (out of ~20,000) contain zinc binding protein domains although there may be up to 3000 human zinc metalloproteins.
Координациялық химия қағидаттары
Металлопротеиндерде металл иондары әдетте ақуыздың аминқышқыл қалдықтарына жататын азот, оттегі немесе күкірт орталықтарымен координацияланады. Бұл донорлық топтар көбінесе аминқышқыл қалдықтарының тізбектері арқылы ұсынылады. Хистидин қалдықтарындағы имидазол тобы, цистеин қалдықтарындағы тиолат тобы және аспартаттан алынған карбоксилат топтары ерекше маңызды. Металлопротеоманың әртүрлілігін ескере отырып, барлық аминқышқыл қалдықтары металл орталықтарымен байланысатыны көрсетілген. Пептидтік тірекше де донорлық топтарды қамтамасыз етеді; оларға депротонды амидтер және амид карбонилдік оттегі орталықтары кіреді. Қорғасын(II) иондарының табиғи және жасанды ақуыздармен байланысуы зерттелген. Аминқышқыл қалдықтарымен ұсынылатын донорлық топтардан басқа, көптеген органикалық кофакторлар лигандтар ретінде жұмыс істейді. Ең танымал мысал – гема ақуызына енгізілген тетрадентатты N4 макроциклді лигандтар. Сондай-ақ, сульфид және оксид сияқты бейорганикалық лигандтар да кең таралған.
Қойма және тасымалдау металлопротеиндері
Бұл протеин гидролизінің екінші кезеңі, ол күштірек қышқылдар мен сілтілермен өңдеу нәтижесінде алынады.
Қысқыл тасымалдаушылар
Адамдағы негізгі оттегі тасымалдаушы гемоглобиннің төрт кішібірлігі бар, онда темір(II) ионы планарлық макроциклді лиганд протопорфирин IX (PIX) және гистидин қалдықтарының имидазол азот атомымен координацияланады. Алтыншы координациялық орында су молекуласы немесе диоксиген молекуласы болады. Керісінше, бұлшық ет жасушаларында кездесетін миоглобин ақуызында тек бір ғана осындай бірлік бар. Белсенді орын гидрофобты қалтада орналасқан. Бұл маңызды, себебі онсыз темір(II) қайтымсыз түрде темір(III) күйіне тотығады. HbO2 түзілуінің тепе-теңдік тұрақтысы өкпеде немесе бұлшық еттегі оттегінің жартылай қысымына байланысты оттегінің қабылдануын немесе босатылуын анықтайды. Гемоглобиннің төрт кішібірлігі гемоглобиннен миоглобинге оттегінің оңай ауысуын қамтамасыз ететін кооперативтік эффект көрсетеді. Бұл спин күйінің өзгеруі, оксигемоглобиндегі Fe2+ ионының жоғары кристалдық өріс бөлінуіне және кішірек иондық радиусына байланысты кооперативтік эффект болып табылады. Гемэритрин – оттегі тасымалдайтын тағы бір темірлі қосылыс. Оттегі байланысу орны – екі ядролы темір орталығы. Темір атомдары белокқа глютамат пен аспартаттың карбоксилат тізбектері және бес гистидин қалдықтары арқылы координацияланады. Гемэритриннің O2-ні қабылдауы, екі ядролық ортаның екі электронының тотығуымен бірге байланған пероксидтің (OOH−) түзілуіне әкеледі. Оттегіні сіңіру және босату механизмі егжей-тегжейлі зерттелген. Гемоцианиндер көптеген моллюскалардың және кейбір буынтұқымдылардың, мысалы, ат қойғысының қанында оттегі тасиды. Олар биологиялық қолданылуы бойынша гемоглобиннен кейін екінші орында тұрады. Оттегімен толыққанда белсенді орындағы екі мыс(I) атомы мыс(II) күйіне тотығады, ал диоксиген молекулалары пероксидке, O22− дейін тотықсызданады. Хлорокруорин (ірі тасымалдаушы эритрокруорин ретінде) көптеген анелидтердің, әсіресе кейбір теңіз полихеттерінің қан плазмасында болатын оттегімен байланысатын гемепротеин.
Цитохромдар
Органикалық химияда тотығу және тотықсыздану реакциялары сирек кездеседі, себебі органикалық молекулалардың көпшілігі тотықтырғыш немесе тотықсыздағыш заттар ретінде әрекет ете алмайды. Темір(II), керісінше, темір(III) күйіне оңай тотығады. Бұл қасиет цитохромдарда қолданылады, олар электронды тасымалдау векторлары болып жұмыс істейді. Металл ионының болуы металлоферменттерге аминқышқылдарындағы функционалдық топтардың шектеулі жиынтығымен орындау қиын редокс реакцияларын, сияқты функцияларды орындауға мүмкіндік береді. Цитохромдардың көпшілігінде темір атомы гема тобының құрамында болады. Цитохромдардың өзгешелігі олардың әр түрлі тізбектерінде. Мысалы, цитохром a гема a протездік тобына, ал цитохром b гема b протездік тобына ие. Бұл айырмашылықтар әртүрлі Fe2+/Fe3+ редокс потенциалдарына алып келеді, сондықтан митохондриялық электрондық тасымалдау тізбегіне әртүрлі цитохромдар қатысады. Цитохром P450 ферменттері оттек атомын C-H байланысына енгізу, яғни тотығу реакциясын катализдейді.
Рубредоксин
Рубредоксин күкірт метаболизмімен айналысатын бактериялар мен археяларда кездесетін электрон тасымалдаушы. Активті орталықта төрт цистеин қалдығының күкірт атомдарымен координацияланған темір ионы бар, олар дерлік түрақты тетраэдр құрайды. Рубредоксиндер бір электронды трансфер процесін жүзеге асырады. Темір ионының тотығу күйі +2 және +3 аралығында өзгереді. Екі тотығу күйінде де металл жоғары спинді, бұл құрылымдық өзгерістерді азайтуға көмектеседі.
Пластоцианин
Пластоцианин – электрон алмасу реакцияларына қатысатын көгілдір мыс ақуыздарының бір тобы. Мыс байланыс орны бұрыс тригональды пирамида түрінде сипатталады. Пирамиданың негізіндегі тригональды жазықтықты екі азот атомы (N1 және N2) – әртүрлі гистидиндерден, және күкірт (S1) – цистеиннен құралады. Аксиалды метиониннен алынған күкірт (S2) пирамиданың төбесін құрайды. Бұрыс болу мыс пен күкірт лигандтары арасындағы байланыс ұзындықтарында байқалады. Cu−S1 байланысы Cu−S2 (282 пм) байланысынан қысқа (207 пм). Ұзартылған Cu−S2 байланысы Cu(II) түрін тұрақсыздандырады және ақуыздың тотығу-тотығу потенциалын арттырады. Көк түс (597 нм ең жоғары сіңіру) Cu−S1 байланысына байланысты, онда күкірттен (pπ) мысқа (dx2−y2) заряд көшуі жүзеге асады. Пластоцианиннің тотыққан түрінде His 87, 4.4 pKa мәнімен протонға толады. Протонға толу оның лиганд ретінде әрекет етуіне кедергі келтіреді және мыс байланыс орнының геометриясы тригональды жазықтыққа өзгереді.
Темір
Темір ферритинде темір(III) түрінде сақталады. Байланыс орнының нақты табиғаты әлі анықталмаған. Темір, мысалы, FeO(OH) сияқты гидролиз өнімі ретінде кездеседі. Темірді трансферрин тасымалдайды, оның байланыс орны екі тирозин, бір аспартик қышқылы және бір гистидиннен тұрады. Адам организмінде темірді шығару механизмі жоқ. Бұл қан құю арқылы емделген пациенттерде, мысалы, β-талассемияда темірдің артық жиналуына алып келуі мүмкін. Темір іс жүзінде зәрмен шығарылады және фекалиямен шығарылатын өтте шоғырланады.
Мыс
Церулоплазмин – қандағы негізгі мыс тасымалдаушы белок. Церулоплазминнің ферменттік белсенділігі бар, ол Fe(II) темірін Fe(III) теміріне тотықтырумен байланысты, соның салдарынан трансферринмен бірлесіп, қан плазмасында темір тасымалдануына көмектеседі, себебі трансферрин тек Fe(III) күйіндегі темірді ғана тасымалдай алады.
Кальций
Остеопонтин сүйектер мен тістердің жасушадан тыс матрицасында минералдану процесіне қатысады.
Металлоферменттер
Металлоферменттердің бәрінде бір ортақ қасиет бар, атап айтқанда, металл ионы белокқа бірдей оңай үзіліске түсетін координациялық орын арқылы байланысады. Барлық ферменттердегідей, активті орынның пішіні маңызды. Металл ионы әдетте субстратқа сай келетін ойыста орналасқан. Металл ионы органикалық химияда орындау қиын реакцияларды катализдейді.
В12-витаминге тәуелді ферменттер
Кобальтты қамтитын В12 витамині (кобаламин деп те аталады) екі молекула арасында метил (−CH3) топтарын ауыстыру реакциясын катализдейді, бұл С−С байланыстарын үзуді қамтиды, ал бұл процесс органикалық реакцияларда энергия тұрғысынан қиынға түседі. Металл ионы Co−CH3 байланысын уақытша құру арқылы процестің белсендіру энергиясын төмендетеді. Коферменттің құрылымын Дороти Ходжкин және оның әріптестері анықтады, осы еңбегі үшін ол химия саласындағы Нобель сыйлығын алды. Ол корин сақинасының төрт азот атомына және имидазол тобының бесінші азот атомына координацияланған кобальт(II) ионынан тұрады. Тыныш күйде аденозиннің 5′ көміртек атомымен Co−C сигма байланысы бар. Бұл табиғатта кездесетін органометалл қосылысы, ол метионин синтетазасы жүзеге асыратын реакция сияқты трансметилдеу реакцияларындағы оның қызметін түсіндіреді.
Хлорофилл құрамында протеиндер
Хлорофилл фотосинтезде маңызды рөл атқарады. Оның құрамында хлорин сақинасына енген магний бар. Дегенмен, магний ионы фотосинтездік функцияға тікелей қатыспайды және белсенділігінің айтарлықтай төмендеуіне әкелмей, басқа еківалентті иондармен алмастырылуы мүмкін. Керісінше, фотон хлорин сақинасымен сіңіріледі, оның электрондық құрылымы осы мақсатқа өте жақсы бейімделген. Алғашқыда фотонның сіңірілуі Q жолағының синглеттік күйіне электронды қозуға себеп болады. Одан кейін, қозған күйден синглеттік күйден триплеттік күйге жүйеаралық өту жүреді, онда параллель спинмен екі электрон болады. Бұл түрі, іс жүзінде, бос радикал болып табылады, өте реактивті және хлоропласта хлорофиллге жақын орналасқан қабылдағыштарға электронды беруге мүмкіндік береді. Осы процесте хлорофилл тотығады. Фотосинтез циклының кейінгі кезеңдерінде хлорофилл қайтадан тотығып келеді. Бұл тотығу процесі нәтижесінде судан электрондар алынып, соңында молекулалық оттегі тотығу өнімі ретінде түзіледі.
Рибозим және дезоксирибозим
Рибозимдерді Томас Чех пен Сидни Альтман 1980 жылдардың басында ашқаннан бері, рибозимдер металлоферменттердің ерекше класы болып табылады. Көптеген рибозимдер химиялық катализ үшін белсенді орындарында металл иондарын қажет етеді, сондықтан оларды металлоферменттер деп атайды. Сонымен қатар, металл иондары рибозималардың құрылымдық тұрақтандыруы үшін маңызды. I топтағы интрон катализге қатысатын үш металлдан тұратын, ең көп зерттелген рибозим болып табылады. Басқа белгілі рибозимдерге II топтағы интрон, RNase P және бірнеше кішкентай вирустық рибозимдер (мысалы, балға тәрізді, шұлық тәрізді, HDV және VS) және рибосомалардың үлкен суббірлігі жатады. Рибозимдердің бірнеше класы сипатталған. Дезоксирибозимдер, сондай-ақ ДНК-зимдер немесе катализдік ДНК, 1994 жылы алғаш рет жасалған жасанды ДНК-ға негізделген катализаторлар. ДНК-зимдердің көбісіне металл иондары қажет. Рибозимдер көбінесе РНК субстраттарының ыдырауын катализдейді, бірақ ДНК-зимдер РНК/ДНК ыдырауы, РНК/ДНК байланысуы, аминқышқылдарының фосфорлануы және дефосфорлануы, көміртектік байланыс пайда болуы сияқты әртүрлі реакцияларды катализдей алады. Дегенмен, РНК ыдырау реакциясын катализдейтін ДНК-зимдер ең көп зерттелгендері болып табылады. 1997 жылы ашылған 10-23 ДНК-зимі, терапиялық агент ретінде клиникалық қолданысы бар, ең көп зерттелген катализдік ДНК-ның бірі. GR5 ДНК-зимі (қорғасынға тән), CA13 ДНК-зимдері (мысқа тән), 39E ДНК-зимі (уранилге тән) және NaA43 ДНК-зимі (натрийге тән) сияқты бірнеше металға тән ДНК-зимдер туралы хабарланған.
Кальмодулин
Кальмодулин – сигналды трансляциялау ақуыздарының мысалы. Бұл төрт EF қол мотиві бар кішкентай ақуыз, олардың әрқайсысы Ca2+ ионын байланыстыра алады. EF қол тізбегінің ақуыз доменінде кальций ионы бесбұрышты бипирамидалық конфигурацияда координацияланады. Байланысқа қатысатын глютамин және аспартик қышқылының алты қалдығы полипептидтік тізбектің 1, 3, 5, 7 және 9-орындарында орналасқан. 12-орында глютамат немесе аспартат лиганды бар, ол (бидентат лиганд) ретінде әрекет етеді, екі оттегі атомын ұсынады. Тізбектегі тоғызыншы қалдық тірекше құрылымының талаптарына байланысты міндетті түрде глицин болады. Кальций ионының координациялық сферасында тек карбоксилатты оттегі атомдары ғана болады, азот атомдары жоқ. Бұл кальций ионының қатаң табиғатына сәйкес келеді. Ақуыздың екі шамамен симметриялық домені бар, олар икемді "ілмек" аймағымен бөлінген. Кальцийдің байланысуы ақуыздың конформациялық өзгерісіне алып келеді. Кальмодулин бастапқы стимулдарға диффузиялық екінші хабаршы ретінде әрекет ету арқылы жасуша ішіндегі сигнализация жүйесіне қатысады.
Тропонин
Жүрек және қаңқа бұлшық еттерінде бұлшық күшін өндіруді негізінен жасуша ішіндегі кальций концентрациясының өзгеруі реттейді. Әдетте, кальций деңгейі көтерілген кезде бұлшықтар жиырылады, ал кальций деңгейі төмендеген кезде бұлшықтар босаңсады. Тропонин, актин және тропомиозинмен бірге, кальций байланысып, бұлшық күшін тудыруға себеп болатын ақуыздық кешен болып табылады.
Транскрипция факторлары
Көптеген транскрипция факторларында мырыш саусағы деп аталатын құрылым болады, бұл ақуыздың бір бөлігінің мырыш ионының айналасына жиырылып, құрылымдық модуль құрайды. Мырыш бұл ақуыздар байланысатын ДНҚ-ға тікелей қатыспайды. Керісінше, кофактор тығыз жиырылған ақуыз тізбегінің тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Осы ақуыздарда мырыш ионы көбінесе цистеин және гистидиннің жұпталған жақтарымен байланысады.