Введение
Белок, содержащий ион металла в качестве кофактора. Металлопротеин – это общий термин для белка, содержащего ион металла в качестве кофактора. Значительная часть всех белков относится к этой категории. Например, по крайней мере 1000 человеческих белков (из ~20 000) содержат домены, связывающие цинк, хотя их может быть до 3000 цинк-содержащих металлопротеинов у человека.
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.
Принципы координационной химии
В металлопротеинах ионы металлов обычно координируются азотными, кислородными или серными центрами, принадлежащими аминокислотным остаткам белка. Эти донорные группы часто предоставляются боковыми цепями аминокислотных остатков. Особенно важны имидазольный заместитель в остатках гистидина, тиолатный заместитель в остатках цистеина и карбоксилатные группы, предоставляемые аспартатом. Учитывая разнообразие металлопротеома, было показано, что практически все аминокислотные остатки способны связывать металлические центры. Пептидный остов также предоставляет донорные группы, включая депротонированные амиды и кислородные центры амидной карбонильной группы. Связывание ионов свинца(II) в природных и искусственных белках было рассмотрено в обзорах литературы. Помимо донорных групп, предоставляемых аминокислотными остатками, многие органические кофакторы функционируют как лиганды. Наиболее известными являются тетрадентатные N4 макроциклические лиганды, входящие в состав гемового белка. Неорганические лиганды, такие как сульфид и оксид, также часто встречаются.
Металлопротеины для хранения и транспортировки
Это продукт второй стадии гидролиза белка, полученный в результате обработки более концентрированными кислотами и щелочами.
Носители кислорода
Гемоглобин, являющийся основным переносчиком кислорода у человека, состоит из четырех субъединиц, в которых ион железа(II) координирован плоским макроциклическим лигандом протопорфирином IX (PIX) и атомом азота имидазольного кольца остатка гистидина. Шестой координационный сайт содержит молекулу воды или молекулу диоксигена. В отличие от него, белок миоглобин, содержащийся в мышечных клетках, имеет только одну такую субъединицу. Активный центр расположен в гидрофобном кармане. Это важно, поскольку без него железо(II) необратимо окислилось бы до железа(III). Константа равновесия образования HbO2 такова, что поглощение или высвобождение кислорода зависит от парциального давления кислорода в легких или мышцах. В гемоглобине четыре субъединицы проявляют кооперативный эффект, обеспечивающий легкую передачу кислорода от гемоглобина к миоглобину. Это изменение спинового состояния является кооперативным эффектом, обусловленным большим расщеплением кристаллического поля и меньшим ионным радиусом Fe2+ в оксигемоглобине. Гемеритрин – еще один железосодержащий переносчик кислорода. Центр связывания кислорода представляет собой бинуклеарный железный центр. Атомы железа координированы с белком посредством карбоксилатных боковых цепей глутамата и аспартата, а также пяти остатков гистидина. Поглощение O2 гемеритрином сопровождается двухэлектронным окислением восстановленного бинуклеарного центра с образованием связанного пероксида (OOH−). Механизм поглощения и высвобождения кислорода был детально изучен. Гемоцианины переносят кислород в крови большинства моллюсков и некоторых членистоногих, таких как рак-подкова. Они уступают по распространенности в биологии только гемоглобину в качестве переносчиков кислорода. При оксигенации два атома меди(I) в активном центре окисляются до меди(II), а молекулы диоксигена восстанавливаются до пероксида, O22−. Хлорокруорин (вместе с более крупным носителем эритрокруорином) является кислородсвязывающим гемопротеином, присутствующим в плазме крови многих кольчатых червей, особенно некоторых морских полихет.
Цитохромы
Окислительно-восстановительные реакции не так распространены в органической химии, поскольку немногие органические молекулы способны выступать в качестве окислителей или восстановителей. Железо(II), напротив, легко окисляется до железа(III). Эта способность используется в цитохромах, которые функционируют как переносчики электронов. Присутствие иона металла позволяет металлоферментам выполнять функции, такие как окислительно-восстановительные реакции, которые трудно осуществить с помощью ограниченного набора функциональных групп, присутствующих в аминокислотах. Атом железа в большинстве цитохромов содержится в геме. Различия между цитохромами обусловлены различными боковыми цепями. Например, цитохром a содержит гемовую протезную группу типа a, а цитохром b – гемовую протезную группу типа b. Эти различия приводят к различным окислительно-восстановительным потенциалам Fe2+/Fe3+, благодаря чему различные цитохромы участвуют в митохондриальной цепи переноса электронов. Ферменты цитохрома P450 выполняют функцию внедрения атома кислорода в связь C–H, что является реакцией окисления.
Рубредоксин
Рубредоксин — это белок-переносчик электронов, встречающийся у бактерий и архей, метаболизирующих серу. Активный центр содержит ион железа, координированный атомами серы четырех остатков цистеина, образующих почти правильный тетраэдр. Рубредоксины участвуют в процессах переноса одного электрона. Окислительное состояние атома железа изменяется между степенями окисления +2 и +3. В обоих состояниях окисления металл находится в высокоспиновом состоянии, что способствует минимизации структурных изменений.
Пластоцианин
Пластоцианин является одним из семейства белков синей меди, участвующих в реакциях переноса электронов. Центр связывания меди описывается как искажённая тригональная пирамида. Тригональная плоскость пирамидального основания состоит из двух атомов азота (N1 и N2) из разных гистидинов и атома серы (S1) из цистеина. Атом серы (S2) из аксиального метионина образует вершину. Искажение проявляется в длинах связей между медью и лигандами серы. Расстояние Cu−S1 короче (207 пм), чем Cu−S2 (282 пм). Удлинение связи Cu−S2 дестабилизирует форму Cu(II) и повышает окислительно-восстановительный потенциал белка. Синий цвет (пик поглощения 597 нм) обусловлен связью Cu−S1, в которой происходит перенос заряда с S(pπ) на Cu(dx2−y2). В восстановленной форме пластоцианина, His 87 протонируется при pKa 4,4. Протонирование предотвращает его участие в качестве лиганда, и геометрия медного центра становится тригонально-плоской.
Железо
Железо запасается в ферритине в виде железа(III). Точная природа сайта связывания до сих пор не установлена. По-видимому, железо присутствует в виде продукта гидролиза, например, FeO(OH). Транспорт железа осуществляется трансферрином, сайт связывания которого состоит из двух тирозинов, одной аспартатовой кислоты и одного гистидина. В человеческом организме отсутствует механизм выведения железа. Это может приводить к проблемам перегрузки железом у пациентов, получающих переливания крови, например, при β-талассемии. Железо фактически выводится с мочой, а также концентрируется в желчи, которая выделяется с калом.
Медь
Церулоплазмин – основной белок, переносящий медь в крови. Церулоплазмин обладает оксидазной активностью, которая связана с возможным окислением Fe(II) в Fe(III), тем самым способствуя его транспортировке в плазме крови в комплексе с трансферрином, который способен переносить железо только в форме Fe(III).
Кальций
Остеопонтин участвует в минерализации внеклеточных матриксов костей и зубов.
Металлоферменты
Металлоферменты имеют одну общую черту: ион металла связан с белком, имея один лабильный координационный центр. Как и для всех ферментов, форма активного центра имеет решающее значение. Ион металла обычно расположен в углублении, форма которого соответствует субстрату. Металлические ионы катализируют реакции, которые сложно осуществить в органической химии.
Витамин B12 - зависящие ферменты
Кобальтсодержащий витамин B12 (также известный как кобаламин) катализирует перенос метильных (−CH3) групп между двумя молекулами, что включает разрыв C−C связей – процесс, энергетически затратный в органических реакциях. Ион металла снижает энергию активации этого процесса, формируя преходящую связь Co−CH3. Структура кофермента была впервые определена Дороти Ходжкин и её коллегами, за что она получила Нобелевскую премию по химии. Он состоит из иона кобальта(II), координированного с четырьмя атомами азота корринового кольца и пятым атомом азота имидазольной группы. В состоянии покоя существует сигма-связь Co−C с 5'-углеродным атомом аденозина. Это природное органометаллическое соединение, что объясняет его функцию в реакциях трансметилирования, таких как реакция, катализируемая метионинсинтазой.
Хлорофильные белки
Хлорофилл играет важнейшую роль в фотосинтезе. Он содержит магний, заключенный в хлориновое кольцо. Однако ион магния не участвует непосредственно в фотосинтетической функции и может быть заменен другими двухвалентными ионами с незначительной потерей активности. Скорее, фотон поглощается хлориновым кольцом, электронная структура которого оптимально подходит для этой цели. Первоначально поглощение фотона приводит к возбуждению электрона до синглетного состояния Q-полосы. Возбужденное состояние претерпевает интерсистемный переход из синглетного в триплетное состояние, в котором находятся два электрона с параллельными спинами. Этот вид, по сути, является свободным радикалом, очень реактивен и позволяет электрону переноситься к акцепторам, расположенным вблизи хлорофилла в хлоропласте. В этом процессе хлорофилл окисляется. Позднее в фотосинтетическом цикле хлорофилл восстанавливается обратно. Это восстановление в конечном итоге извлекает электроны из воды, в результате чего образуется молекулярный кислород как конечный продукт окисления.
Рибозим и дезоксирибозим
С момента открытия рибозимов Томасом Чехом и Сидни Альтманом в начале 1980-х годов, рибозимы были установлены как отдельный класс металоферментов. Многие рибозимы требуют ионов металлов в своих активных центрах для химического катализа, поэтому их называют металоферментами. Кроме того, ионы металлов необходимы для структурной стабилизации рибозимов. Интрон группы I – наиболее изученный рибозим, в катализе которого участвуют три металла. Другие известные рибозимы включают интрон группы II, RNase P, а также несколько небольших вирусных рибозимов (таких как «молоток», «шпилька», HDV и VS) и большую субъединицу рибосом. Описано несколько классов рибозимов. Дезоксирибозимы, также называемые ДНК-зимами или каталитической ДНК, – это искусственные катализаторы на основе ДНК, впервые полученные в 1994 году. Почти все ДНК-зимы требуют ионов металлов. Хотя рибозимы в основном катализируют расщепление РНК-субстратов, ДНК-зимы могут катализировать разнообразные реакции, включая расщепление РНК/ДНК, лигирование РНК/ДНК, фосфорилирование и дефосфорилирование аминокислот, а также образование углерод-углеродных связей. Тем не менее, наиболее широко изучены ДНК-зимы, катализирующие реакцию расщепления РНК. ДНК-зим 10-23, открытый в 1997 году, является одним из наиболее изученных каталитических ДНК с клиническим применением в качестве терапевтического агента. Сообщалось о нескольких металлоспецифичных ДНК-зимах, включая ДНК-зим GR-5 (специфичный к свинцу), ДНК-зимы CA1-3 (специфичные к меди), ДНК-зим 39E (специфичный к урану) и ДНК-зим NaA43 (специфичный к натрию).
Кальмодулин
Кальмодулин является примером белка, участвующего в передаче сигнала. Это небольшой белок, содержащий четыре EF-ручных мотива, каждый из которых способен связывать ион Ca2+. В домене белка EF-ручной петли ион кальция координируется в пятиугольной бипирамидальной конфигурации. Шесть остатков глутаминовой и аспаргиновой кислот, участвующих в связывании, расположены в позициях 1, 3, 5, 7 и 9 полипептидной цепи. В позиции 12 находится лиганд глутамата или аспартата, который выступает в качестве (бидентатного лиганда), предоставляя два атома кислорода. Девятый остаток в петле обязательно является глицином из-за конформационных требований к основному каркасу. Координационная сфера иона кальция содержит только атомы кислорода карбоксилатных групп и не содержит атомов азота. Это соответствует высокой твердости иона кальция. Белок имеет два приблизительно симметричных домена, разделенных гибкой "петлей". Связывание кальция вызывает конформационное изменение в белке. Кальмодулин участвует во внутриклеточной сигнальной системе, действуя как диффузный вторичный мессенджер в ответ на первоначальные стимулы.
Тропонин
Как в сердечной, так и в скелетной мышцах, выработка мышечной силы контролируется главным образом изменениями внутриклеточной концентрации кальция. В общем случае, повышение концентрации кальция приводит к сокращению мышц, а снижение – к их расслаблению. Тропонин, наряду с актином и тропомиозином, является белковым комплексом, с которым связывается кальций, запуская выработку мышечной силы.
Факторы транскрипции
Многие факторы транскрипции содержат структуру, известную как цинковый палец – это структурный модуль, в котором участок белка складывается вокруг иона цинка. Цинк не контактирует непосредственно с ДНК, к которой эти белки присоединяются. Вместо этого кофактор необходим для стабильности плотно свернутой полипептидной цепи. В этих белках ион цинка обычно координируется парами аминокислотных остатков цистеина и гистидина.