Metaloproteína - Metalloprotein

A estrutura da hemoglobina . O cofator heme , contendo o ferro metálico , mostrado em verde.

Metaloproteína é um termo genérico para uma proteína que contém um cofator de íon metálico . Uma grande proporção de todas as proteínas faz parte desta categoria. Por exemplo, pelo menos 1000 proteínas humanas (de ~ 20.000) contêm domínios de proteína de ligação ao zinco, embora possa haver até 3.000 metaloproteínas de zinco humanas.

Abundância

Estima-se que aproximadamente metade de todas as proteínas contenham um metal . Em outra estimativa, cerca de um quarto a um terço de todas as proteínas são propostas para exigir metais para realizar suas funções. Assim, as metaloproteínas têm muitas funções diferentes nas células , como armazenamento e transporte de proteínas, enzimas e proteínas de transdução de sinal ou doenças infecciosas. A abundância de proteínas de ligação a metais pode ser inerente aos aminoácidos que as proteínas usam, pois mesmo proteínas artificiais sem história evolutiva ligam metais prontamente.

A maioria dos metais do corpo humano está ligada às proteínas. Por exemplo, a concentração relativamente alta de ferro no corpo humano se deve principalmente ao ferro na hemoglobina .

Princípios de química de coordenação

Nas metaloproteínas, os íons metálicos são geralmente coordenados por centros de nitrogênio , oxigênio ou enxofre pertencentes aos resíduos de aminoácidos da proteína. Esses grupos doadores são freqüentemente fornecidos por cadeias laterais nos resíduos de aminoácidos. Especialmente importantes são o substituinte imidazol em resíduos de histidina , substituintes de tiolato em resíduos de cisteína e grupos carboxilato fornecidos pelo aspartato . Dada a diversidade da metalo proteoma , praticamente todos os resíduos aminoácidos que foram mostrados para os centros de metal de ligação. A estrutura do peptídeo também fornece grupos de doadores; estes incluem amidas desprotonadas e os centros de oxigênio carbonil amida . A ligação do chumbo (II) em proteínas naturais e artificiais foi revisada.

Além de grupos doadores que são fornecidos por resíduos de aminoácidos, muitos cofatores orgânicos funcionam como ligantes. Talvez o mais famoso são a tetradentado N ₄ macrocíclicas ligantes incorporados a heme proteína. Ligantes inorgânicos como sulfeto e óxido também são comuns.

Metaloproteínas de armazenamento e transporte

Estes são os produtos do segundo estágio da hidrólise de proteínas obtidos por tratamento com ácidos e álcalis ligeiramente mais fortes.

Portadores de oxigênio

A hemoglobina , que é o principal transportador de oxigênio em humanos, tem quatro subunidades nas quais o íon ferro (II) é coordenado pelo ligante macrocíclico planar protoporfirina IX (PIX) e o átomo de nitrogênio imidazol de um resíduo de histidina . O sexto local de coordenação contém uma molécula de água ou uma molécula de dioxigênio . Em contraste, a proteína mioglobina , encontrada nas células musculares , tem apenas uma dessas unidades. O sítio ativo está localizado em uma bolsa hidrofóbica . Isso é importante, pois sem ele o ferro (II) seria irreversivelmente oxidado em ferro (III). A constante de equilíbrio para a formação de HbO ₂ é tal que o oxigênio é absorvido ou liberado dependendo da pressão parcial de oxigênio nos pulmões ou no músculo. Na hemoglobina, as quatro subunidades mostram um efeito de cooperatividade que permite uma fácil transferência de oxigênio da hemoglobina para a mioglobina.

Tanto na hemoglobina quanto na mioglobina , às vezes é afirmado incorretamente que a espécie oxigenada contém ferro (III). Sabe-se agora que a natureza diamagnética dessas espécies ocorre porque o átomo de ferro (II) está no estado de baixo spin . Na oxiemoglobina, o átomo de ferro está localizado no plano do anel da porfirina, mas na desoxihemoglobina paramagnética o átomo de ferro fica acima do plano do anel. Esta mudança no estado de spin é um efeito cooperativo devido à maior divisão do campo cristalino e menor raio iônico de Fe ²⁺ na porção oxiemoglobina.

A hemeritrina é outro carreador de oxigênio que contém ferro. O local de ligação do oxigênio é um centro de ferro binuclear. Os átomos de ferro são coordenados com a proteína através das cadeias laterais de carboxilato de um glutamato e aspartato e cinco resíduos de histidina . A captação de O ₂ pela hemeritrina é acompanhada pela oxidação de dois elétrons do centro binuclear reduzido para produzir o peróxido ligado (OOH ^- ). O mecanismo de captação e liberação de oxigênio foi elaborado em detalhes.

As hemocianinas carregam oxigênio no sangue da maioria dos moluscos e de alguns artrópodes , como o caranguejo-ferradura . Eles estão atrás apenas da hemoglobina em popularidade biológica de uso no transporte de oxigênio. Na oxigenação, os dois átomos de cobre (I) no sítio ativo são oxidados a cobre (II) e as moléculas de dioxigênio são reduzidas a peróxido, O²⁻
₂.

Chlorocruorin (como o transportador maior eritrocruorina ) é uma ligação oxigénio-hemoproteína presente no plasma do sangue de muitos anelídeos , particularmente certas marinhos poliquetas .

Citocromos

As reações de oxidação e redução não são comuns na química orgânica, pois poucas moléculas orgânicas podem atuar como agentes oxidantes ou redutores . O ferro (II), por outro lado, pode ser facilmente oxidado em ferro (III). Essa funcionalidade é usada em citocromos , que funcionam como vetores de transferência de elétrons . A presença do íon metálico permite que as metaloenzimas desempenhem funções como reações redox que não podem ser realizadas facilmente pelo conjunto limitado de grupos funcionais encontrados nos aminoácidos . O átomo de ferro na maioria dos citocromos está contido em um grupo heme . As diferenças entre esses citocromos residem nas diferentes cadeias laterais. Por exemplo, o citocromo a tem um grupo prostético heme a e o citocromo b tem um grupo prostético heme b . Essas diferenças resultam em diferentes potenciais redox de Fe ²⁺ / Fe ^{3+, de} modo que vários citocromos estão envolvidos na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial .

As enzimas do citocromo P450 desempenham a função de inserir um átomo de oxigênio em uma ligação C − H, uma reação de oxidação.

Sítio ativo da rubredoxina .

Rubredoxina

A rubredoxina é um transportador de elétrons encontrado em bactérias metabolizadoras de enxofre e arquéias . O sítio ativo contém um íon de ferro coordenado pelos átomos de enxofre de quatro resíduos de cisteína formando um tetraedro quase regular . As rubredoxinas realizam processos de transferência de um elétron. O estado de oxidação do átomo de ferro muda entre os estados +2 e +3. Em ambos os estados de oxidação, o metal é de alto spin , o que ajuda a minimizar mudanças estruturais.

Plastocianina

O sítio de cobre na plastocianina

A plastocianina é uma das proteínas da família do cobre azul que está envolvida nas reações de transferência de elétrons . O sítio de ligação do cobre é descrito como piramidal trigonal distorcido . O plano trigonal da base piramidal é composto por dois átomos de nitrogênio (N ₁ e N ₂ ) de histidinas separadas e um enxofre (S ₁ ) de uma cisteína. O enxofre (S ₂ ) de uma metionina axial forma o ápice. A distorção ocorre nos comprimentos de ligação entre os ligantes de cobre e enxofre. O contato Cu − S ₁ é mais curto (207  pm ) do que Cu − S ₂ (282 pm). A ligação Cu − S ₂ alongada desestabiliza a forma Cu (II) e aumenta o potencial redox da proteína. A cor azul (597  nm de absorção de pico) é devido ao Cu-S _uma ligação em que S (pπ) a Cu (d _{x ² - y ²} ocorre) de transferência de carga.

Na forma reduzida de plastocianina, His -87 se tornará protonado com um p K _a de 4,4. A protonação impede que ele atue como um ligante e a geometria do sítio de cobre torna-se trigonal planar .

Armazenamento e transferência de íons metálicos

Ferro

O ferro é armazenado como ferro (III) na ferritina . A natureza exata do local de ligação ainda não foi determinada. O ferro parece estar presente como um produto da hidrólise , como FeO (OH). O ferro é transportado pela transferrina, cujo sítio de ligação consiste em duas tirosinas , uma de ácido aspártico e uma de histidina . O corpo humano não possui mecanismo de excreção de ferro. Isso pode levar a problemas de sobrecarga de ferro em pacientes tratados com transfusões de sangue , como, por exemplo, com a β- talassemia . O ferro é excretado na urina e também se concentra na bile, que é excretada nas fezes.

Cobre

A ceruloplasmina é a principal proteína transportadora de cobre no sangue. A ceruloplasmina exibe atividade oxidase, que está associada à possível oxidação de Fe (II) em Fe (III), auxiliando no seu transporte no plasma sanguíneo em associação com a transferrina, que pode transportar ferro apenas no estado de Fe (III).

Cálcio

A Osteopontina está envolvida na mineralização nas matrizes extracelulares dos ossos e dentes.

Metaloenzimas

Todas as metaloenzimas têm uma característica em comum, a saber, que o íon metálico está ligado à proteína com um local de coordenação lábil . Como acontece com todas as enzimas , a forma do sítio ativo é crucial. O íon de metal geralmente está localizado em uma bolsa cuja forma se ajusta ao substrato. O íon metálico catalisa reações que são difíceis de alcançar em química orgânica .

Anidrase carbônica

Sítio ativo da anidrase carbônica . Os três resíduos de histidina coordenados são mostrados em verde, hidróxido em vermelho e branco e o zinco em cinza.

Em solução aquosa , o dióxido de carbono forma ácido carbônico

CO ₂ + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃

Esta reação é muito lenta na ausência de um catalisador, mas bastante rápida na presença do íon hidróxido

CO ₂ + OH ^- ⇌ HCO^-
₃

Uma reação semelhante a essa é quase instantânea com a anidrase carbônica . A estrutura do sítio ativo nas anidrases carbônicas é bem conhecida por uma série de estruturas cristalinas. Consiste em um íon zinco coordenado por três átomos de nitrogênio imidazol de três unidades de histidina . O quarto local de coordenação é ocupado por uma molécula de água. A esfera de coordenação do íon zinco é aproximadamente tetraédrica . O íon zinco carregado positivamente polariza a molécula de água coordenada e o ataque nucleofílico pela porção de hidróxido carregada negativamente sobre o dióxido de carbono (anidrido carbônico) ocorre rapidamente. O ciclo catalítico produz o íon bicarbonato e o íon hidrogênio como o equilíbrio

H ₂ CO ₃ ⇌ HCO^-
₃+ H ⁺

favorece a dissociação do ácido carbônico em valores de pH biológicos .

Enzimas dependentes de vitamina B ₁₂

A vitamina B ₁₂ contendo cobalto (também conhecida como cobalamina) catalisa a transferência de grupos metil (−CH ₃ ) entre duas moléculas, que envolve a quebra de ligações C − C , um processo que é energeticamente caro em reações orgânicas. O íon metálico diminui a energia de ativação do processo, formando uma ligação Co-CH ₃ transitória . A estrutura da coenzima foi determinada por Dorothy Hodgkin e colegas de trabalho, pelos quais ela recebeu o Prêmio Nobel de Química . Consiste em um íon cobalto (II) coordenado a quatro átomos de nitrogênio de um anel corrin e um quinto átomo de nitrogênio de um grupo imidazol . No estado de repouso, há uma ligação Co-C sigma com o átomo de carbono 5 ′ da adenosina . Esta é uma ocorrência natural organometálico composto, o que explica a sua função em trans reacções de metilação, tal como a reacção levada a cabo por sintase metionina .

Nitrogenase (fixação de nitrogênio)

A fixação de nitrogênio atmosférico é um processo que consome muita energia, pois envolve a quebra da ligação tripla muito estável entre os átomos de nitrogênio. A enzima nitrogenase é uma das poucas enzimas que podem catalisar o processo. A enzima ocorre em bactérias Rhizobium . Existem três componentes para sua ação: um átomo de molibdênio no sítio ativo, aglomerados de ferro-enxofre que estão envolvidos no transporte dos elétrons necessários para reduzir o nitrogênio e uma fonte de energia abundante na forma de ATP de magnésio . Este último é fornecido por uma relação simbiótica entre a bactéria e uma planta hospedeira, geralmente uma leguminosa . A relação é simbiótica porque a planta fornece a energia pela fotossíntese e se beneficia pela obtenção do nitrogênio fixado. A reação pode ser escrita simbolicamente como

N ₂ + 16 Mg ATP + 8 e ^- → 2  NH ₃ + 16 Mg ADP + 16 P _i + H ₂

onde P _i representa fosfato inorgânico . A estrutura precisa do site ativo é difícil de determinar. Parece conter um cluster MoFe ₇ S ₈ que é capaz de se ligar à molécula de dinitrogênio e, presumivelmente, permitir o início do processo de redução. Os elétrons são transportados pelo aglomerado "P" associado, que contém dois aglomerados cúbicos de Fe ₄ S ₄ unidos por pontes de enxofre.

Superoxido dismutação

Estrutura de um tetrâmero de superóxido dismutase 2 humano

O íon superóxido , O^-
₂é gerado em sistemas biológicos por redução do oxigênio molecular . Tem um desemparelhado de electrões , de modo que ele se comporta como um radical livre . É um poderoso agente oxidante . Essas propriedades tornam o íon superóxido muito tóxico e são utilizadas com vantagem pelos fagócitos para matar microorganismos invasores . Caso contrário, o íon superóxido deve ser destruído antes que cause danos indesejados em uma célula. As enzimas superóxido dismutase desempenham esta função de forma muito eficiente.

O estado de oxidação formal dos átomos de oxigênio é - 1 ⁄ 2 . Em soluções com pH neutro , o íon superóxido é desproporcional ao oxigênio molecular e ao peróxido de hidrogênio .

2  O^-
₂+ 2 H ⁺ → O ₂ + H ₂ O ₂

Em biologia, esse tipo de reação é denominado reação de dismutação . Envolve a oxidação e a redução dos íons superóxido. O grupo de enzimas superóxido dismutase (SOD) aumenta a taxa de reação para perto da taxa de difusão limitada. A chave para a ação dessas enzimas é um íon metálico com estado de oxidação variável que pode atuar como um agente oxidante ou como um agente redutor.

Oxidação: M ^{( n +1) +} + O^-
₂→ M ^{n +} + O ₂

Redução: M ^{n +} + O^-
₂+ 2 H ⁺ → H ^{( n + 1) +} + H ₂ O ₂ .

Na SOD humana, o metal ativo é o cobre , como Cu (II) ou Cu (I), coordenado tetraedricamente por quatro resíduos de histidina . Esta enzima também contém íons zinco para estabilização e é ativada por chaperona de cobre para superóxido dismutase ( CCS ). Outras isoenzimas podem conter ferro , manganês ou níquel . Ni-SOD é particularmente interessante porque envolve níquel (III), um estado de oxidação incomum para este elemento. Os ciclos de geometria do níquel do sítio ativo de Ni planar quadrado (II), com tiolato (Cys ₂ e Cys ₆ ) e ligantes de nitrogênio de base (His ₁ e Cys ₂ ), para Ni piramidal quadrado (III) com uma cadeia lateral axial de His ₁ adicionada ligando.

Proteínas contendo clorofila

A hemoglobina (à esquerda) e a clorofila (à direita), duas moléculas extremamente diferentes quando se trata de funcionar, são bastante semelhantes quando se trata de sua forma atômica. Existem apenas três diferenças estruturais principais; um átomo de magnésio (Mg) na clorofila, em oposição ao ferro (Fe) na hemoglobina. Além disso, a clorofila tem uma cauda isoprenóide estendida e uma estrutura cíclica alifática adicional fora do macrociclo.

A clorofila desempenha um papel crucial na fotossíntese . Ele contém um magnésio encerrado em um anel de cloro . No entanto, o íon magnésio não está diretamente envolvido na função fotossintética e pode ser substituído por outros íons divalentes com pouca perda de atividade. Em vez disso, o fóton é absorvido pelo anel de clorina, cuja estrutura eletrônica é bem adaptada para esse propósito.

Inicialmente, a absorção de um fóton faz com que um elétron seja excitado em um estado singlete da banda Q. O estado excitado passa por um cruzamento intersistema do estado singlete para um estado tripleto no qual há dois elétrons com spin paralelo . Esta espécie é, com efeito, um radical livre e é muito reativa e permite que um elétron seja transferido para aceitadores que são adjacentes à clorofila no cloroplasto . No processo, a clorofila é oxidada. Mais tarde no ciclo fotossintético, a clorofila é reduzida novamente. Essa redução, em última análise, extrai elétrons da água, gerando oxigênio molecular como produto final da oxidação.

Hidrogenase

As hidrogenases são subclassificadas em três tipos diferentes com base no conteúdo de metal do sítio ativo: ferro-ferro hidrogenase, níquel-ferro hidrogenase e ferro hidrogenase. Todas as hidrogenases catalisam a absorção reversível de H ₂ , mas enquanto as hidrogenases [FeFe] e [NiFe] são verdadeiros catalisadores redox , conduzindo a oxidação de H ₂ e a redução de H ⁺

H ₂ ⇌ 2 H ⁺ + 2 e ^-

as [Fe] hidrogenases catalisam a clivagem heterolítica reversível de H ₂ .

H ₂ ⇌ H ⁺ + H ^-

As estruturas do sítio ativo dos três tipos de enzimas hidrogenase.

Ribozima e desoxirribozima

Desde a descoberta das ribozimas por Thomas Cech e Sidney Altman no início da década de 1980, foi demonstrado que as ribozimas são uma classe distinta de metaloenzimas. Muitas ribozimas requerem íons metálicos em seus locais ativos para a catálise química; portanto, eles são chamados de metaloenzimas. Além disso, os íons metálicos são essenciais para a estabilização estrutural das ribozimas. O íntron do grupo I é a ribozima mais estudada, que possui três metais que participam da catálise. Outras ribozimas conhecidas incluem íntron do grupo II , RNase P e várias pequenas ribozimas virais (como cabeça de martelo , grampo de cabelo , HDV e VS ) e a subunidade grande de ribossomos. Recentemente, quatro novas classes de ribozimas foram descobertas (denominadas twister , twister sister, pistola e machadinha) que são todas ribozimas autocliváveis.

As desoxirribozimas , também chamadas de DNAzimas ou DNA catalítico, são moléculas de DNA catalítico artificiais que foram produzidas pela primeira vez em 1994 e ganharam um rápido aumento de interesse desde então. Quase todas as DNAzimas requerem íons metálicos para funcionar; portanto, eles são classificados como metaloenzimas. Embora as ribozimas catalisem principalmente a clivagem de substratos de RNA, uma variedade de reações podem ser catalisadas por DNAzimas, incluindo clivagem de RNA / DNA, ligação de RNA / DNA, fosforilação e desfosforilação de aminoácidos e formação de ligações carbono-carbono. No entanto, as DNAzimas que catalisam a reação de clivagem do RNA são as mais amplamente exploradas. O 10-23 DNAzyme, descoberto em 1997, é um dos DNAs catalíticos mais estudados com aplicações clínicas como agente terapêutico. Foram relatadas várias DNAzimas específicas de metal, incluindo GR-5 DNAzyme ( específico para chumbo ), CA1-3 DNAzyme ( específico para cobre ), 39E DNAzyme ( específico para uranil ) e NaA43 DNAzyme ( específico para sódio ).

Metaloproteínas de transdução de sinal

Calmodulin

EF-hand motif

A calmodulina é um exemplo de proteína de transdução de sinal. É uma pequena proteína que contém quatro motivos EF-hand , cada um dos quais é capaz de se ligar a um íon Ca ²⁺ .

Em um loop manual EF, o íon cálcio é coordenado em uma configuração bipiramidal pentagonal. Seis resíduos de ácido glutâmico e ácido aspártico envolvidos na ligação estão nas posições 1, 3, 5, 7 e 9 da cadeia polipeptídica. Na posição 12, há um ligante de glutamato ou aspartato que se comporta como um (ligante bidentado), fornecendo dois átomos de oxigênio. O nono resíduo no loop é necessariamente glicina devido aos requisitos conformacionais do backbone. A esfera de coordenação do íon cálcio contém apenas átomos de oxigênio carboxilato e nenhum átomo de nitrogênio. Isso é consistente com a natureza dura do íon cálcio.

A proteína tem dois domínios aproximadamente simétricos, separados por uma região flexível "dobradiça". A ligação do cálcio causa uma mudança conformacional na proteína. A calmodulina participa de um sistema de sinalização intracelular , agindo como um segundo mensageiro difusível para os estímulos iniciais.

Troponina

Tanto nos músculos cardíacos quanto nos esqueléticos , a produção de força muscular é controlada principalmente por mudanças na concentração de cálcio intracelular . Em geral, quando o cálcio sobe, os músculos se contraem e, quando o cálcio cai, os músculos relaxam. A troponina , junto com a actina e a tropomiosina , é o complexo proteico ao qual o cálcio se liga para desencadear a produção de força muscular.

Fatores de transcrição

Dedo de zinco . O íon zinco (verde) é coordenado por dois resíduos de histidina e dois resíduos de cisteína .

Muitos fatores de transcrição contêm uma estrutura conhecida como dedo de zinco , este é um módulo estrutural onde uma região de proteína se dobra em torno de um íon de zinco. O zinco não entra em contato direto com o DNA ao qual essas proteínas se ligam. Em vez disso, o cofator é essencial para a estabilidade da cadeia de proteína fortemente dobrada. Nessas proteínas, o íon zinco é geralmente coordenado por pares de cadeias laterais de cisteína e histidina.

Outras metaloenzimas

Existem dois tipos de monóxido de carbono desidrogenase : um contém ferro e molibdênio, o outro contém ferro e níquel. Paralelos e diferenças nas estratégias catalíticas foram revisados.

Pb ²⁺ (chumbo) pode substituir Ca ²⁺ (cálcio) como, por exemplo, com calmodulina ou Zn ²⁺ (zinco) como com metalocarboxipeptidases

Algumas outras metaloenzimas são fornecidas na tabela a seguir, de acordo com o metal envolvido.

Veja também

Referências

links externos

• Metaloproteína na Biblioteca Nacional de Medicina dos Estados Unidos ( Medical Subject Headings) (MeSH)
• Seminário de Catherine Drennan: Instantâneos de Metaloproteínas