Медный белок - Copper protein

Медные белки находятся белки которые содержат один или несколько медь ионы как протезные группы. Белки меди присутствуют во всех формах жизни, дышащей воздухом. Эти белки обычно связаны с электронный перенос с участием или без участия кислород (O2). Некоторые организмы даже используют белки меди для переноса кислорода вместо белков железа. Важный белок меди в организме человека находится в цитохром с оксидаза (cco). Фермент cco обеспечивает контролируемое горение, которое производит АТФ.[1]

Классы

Металлические центры в белках меди можно разделить на несколько типов:[2]

  • Медные центры типа I (T1Cu) характеризуются одним атомом меди, координированным двумя гистидин остатки и цистеин остаток в тригонально плоский конструкции и переменной осевой лиганд. В белки T1Cu класса I (например. амицианин, пластоцианин и псевдоазурин) аксиальный лиганд представляет собой серу метионин, тогда как аминокислоты, отличные от метионина (например, глутамин ) дают начало медным белкам класса II T1Cu. Азурины содержат центры T1Cu третьего типа: помимо метионина в одной аксиальной позиции они содержат второй аксиальный лиганд (a карбонильная группа из глицин остаток). T1Cu-содержащие белки обычно называются «купредоксинами» и демонстрируют похожие трехмерные структуры, относительно высокие потенциалы восстановления (> 250 мВ) и сильное поглощение около 600 нм (из-за S →Cu перенос заряда ), который обычно дает синий цвет. Поэтому купредоксины часто называют «белками голубой меди». Это может ввести в заблуждение, поскольку некоторые центры T1Cu также поглощают около 460 нм и, следовательно, имеют зеленый цвет. При изучении EPR По данным спектроскопии, центры T1Cu показывают небольшие сверхтонкие расщепления в параллельной области спектра (по сравнению с обычными координационными соединениями меди).[3]
  • Медные центры типа II (T2Cu) Выставка квадратный плоский согласование N или N / O лиганды. Они демонстрируют осевую EPR спектр с медью сверхтонкое расщепление в параллельной области аналогично тому, что наблюдается в обычных координационных соединениях меди. Из-за отсутствия серного лигирования оптические спектры этих центров лишены каких-либо особенностей. Центры T2Cu встречаются в ферменты, где они способствуют окислению или оксигенации.[4]
  • Медные центры типа III (T3Cu) состоят из пары центров меди, каждый координирован тремя остатками гистидина. Эти белки не демонстрируют сигнала ЭПР из-за сильного антиферромагнитного взаимодействия (т. Е. Спинового спаривания) между двумя ионами металла S = 1/2 из-за их ковалентного перекрытия с мостиковый лиганд. Эти центры присутствуют в некоторых оксидазах и кислород-транспортирующие белки (например. гемоцианин и тирозиназа ).[5]
  • Биядерный Медные центры А (CuА) находятся в цитохром c оксидаза и закись азота редуктаза (EC 1.7.99.6 ). Два атома меди координированы двумя гистидинами, одним метионином, карбонильным кислородом основной цепи белка и двумя мостиковыми остатками цистеина.[6]
  • Медные центры B (CuB) находятся в цитохром c оксидаза. Атом меди координирован тремя гистидинами в геометрии тригональной пирамиды.
  • Четырехъядерный Медный центр Z (CuZ) содержится в редуктазе закиси азота. Четыре атома меди координированы семью остатками гистидина и связаны атомом серы.

Белки голубой меди

Белки голубой меди обязаны своим названием своей интенсивной синей окраске (Cu (II) ). Голубой медный белок часто называют «подрабатывающий белок ”, Что означает, что белок может выполнять более одной функции. Они служат в качестве агентов переноса электронов, при этом активный центр перемещается между Cu (I) и Cu (II). Cu2+ в окисленном состоянии может принять один электрон с образованием Cu1+ в пониженном протеине. Геометрия Cu-центра оказывает большое влияние на его окислительно-восстановительные свойства. Искажение Яна-Теллера не применимо к синим медным белкам, потому что медный сайт имеет низкую симметрию, которая не поддерживает вырождение в d-орбитальном многообразии. Отсутствие крупных реорганизационных изменений увеличивает скорость их переноса электронов. Активный центр синего медного белка I типа. В координационной сфере присутствуют два 2-гистидина, 1 метионин и 1 цистеин. Примером синего медного белка типа I являются пластоцианин , азурин, и нитритредуктаза. Тгемоцианин и тирозиназа .

Структура типов белка голубой меди

Белки синей меди, класс белков меди типа 1, представляют собой небольшие белки, содержащие купредоксиновую складку и один ион меди типа I, координируемый двумя гистидин N-доноры, a цистеин тиолат S-донор и метионин S-донор тиоэфира.[7] В окисленном состоянии Cu+2 ион образует либо тригонально-бипирамидальную, либо тетраэдрическую координацию.[7] Белки меди типа 1 идентифицируются как белки голубой меди из-за лиганд к переносу заряда на металл - интенсивная полоса при 600 нм, которая дает характерный темно-синий цвет, присутствующий в электронном спектре поглощения.[8]

Структура активного центра 1-го типа синего белка меди.

Белковая структура синего медного белка типа 1, амицианин, состоит из полипептидных складок, которые обычно встречаются в β-сэндвич-структуре белков голубой меди.[9] Структура очень похожа на пластоцианин и азурин поскольку они также идентифицируются как белки меди типа 1.[9] Они также похожи друг на друга из-за геометрии медного участка каждого медного белка. Белок азурин имеет тригонально-бипирамидную геометрию с удлиненными аксиальными лигандами глицина и метоиниона серы. Пластоцианы имеют дополнительный лиганд метионин-серы в аксиальном положении. Основное отличие каждого медного белка состоит в том, что каждый белок имеет разное количество и разновидности лиганда, координированного с медным центром.

Электронная структура медных комплексов синего белка меди I типа

Сильная связь между ионом меди и цистеиновой серой позволяет несвязанному электрону цистеиновой серы присутствовать как на низком, так и на высокоспиновом ионе меди, dИкс2-dy2 орбитальный и р-орбитальный цистеиновой серы.[8] Большинство комплексов меди (II) будут демонстрировать Эффект Яна-Теллера когда комплекс образует тетрагональную дисторсию восьмигранный сложная геометрия.[10] С белками синей меди искаженный тетраэдрический комплекс будет образовываться из-за сильного экваториального цистеинового лиганда и слабого аксиального метионинового лиганда.[10] Два нейтральных гистидиновых лиганда позиционируются белковым лигандом, поэтому геометрия искажается тетраэдрической. Это приведет к тому, что они не смогут идеально координироваться как тетраэдрические или квадратно-плоские.

Спектральные изменения с температурой

Понижение температуры может изменить переходы. Интенсивное поглощение около 16000 см−1 характеризовалась абсорбционной характеристикой голубой меди. Была вторая полоса с более низкой энергией и умеренной интенсивностью поглощения. Данные по поглощению поляризованного сигнала кристаллом на пластоцианин показали, что обе полосы имеют то же отношение поляризации, которое связано со связью Cu (II) -S (Cys). Это объясняется тем, что нормальный комплекс меди имеет высокоэнергетические сигма-сигма и низкоэнергетические слабые π-связи. Однако в случае с синим медным белком имеют низкоэнергетические интенсивные сигма и высокоэнергетические слабые π-связи, потому что интенсивность CT отражает перекрывание донорных и акцепторных орбиталей в процессе CT. Это потребовало, чтобы 3d(Икс2-у2 ) орбиталь участка голубой меди быть ориентирована так, чтобы ее доли пересекали Cu-S (Cys) связь, дающая доминирующее π перекрытие непосредственно с серой. Наконец, природа волновой функции основного состояния голубого медного белка богата электронным спектром поглощения.

Координация металла внутренней и внешней сферы

Ионная связь цистеин-серы-меди (II) составляет от 2,6 до 3,2 Å.[11] В уменьшенной форме, CuI белковые структуры по-прежнему образуются с удлиненными связями на 0,1 Å или меньше. с окисленной и восстановленной белковой структурой они накладываются друг на друга. С участием амицианин, существует исключение из-за того, что гистидин лигируется и не связывается с йодидом меди.[11] В азурин, то Цистеин 112 тиолат принимает водородные связи от амидной цепи Аспарагин 47, и Фенилаланин 114, и Гистидин 46 отдает водородную связь карбонильной основной цепи Аспарагин 10. Группа Цистеин 84 тиолат из пластоцианин принимает водородную связь от амидной цепи, Аспарагин 38, и Гистидин 37 сильно взаимодействует с карбонильной основой Аланин 33 и более слабо с карбонильным остовом Лейцин 5, Глицин 34, а амидный остов Фенилаланин 35.[11]

Энергетическая диаграмма, отображающая эффект поля синего белкового лиганда меди (Solomon et al., 2004)

Эффект поля синего медного белкового лиганда

Вырождение орбиты снимается за счет асимметричного поля лигандов.[10] На поле асимметричного лиганда влияет сильный экваториальный цистеиновый лиганд и слабый аксиальный метиониновый лиганд. Реорганизация окисленных Cu+2, состояние на активном центре синего белка меди будет минимизировано за счет того, что в окисленном состоянии Cu+2, состояние, эффект Яна-Теллера будет неэффективным.[10] На рисунке 2 представлена ​​диаграмма уровней энергии, показывающая три различных идеальных геометрии и их вырожденные состояния.[10] (i) представляет диаграмму энергетических уровней тетраэдрической геометрической структуры с T2 вырожденное основное состояние. Это происходит из-за искажения Яна-Теллера в результате окисления. (ii) представляет диаграмму уровней энергии C3в симметричная конструкция с 2E вырожденное основное состояние. Это происходило из-за того, что тиоэфирная связь удлинялась в участке восстановления синего медного белка. Непарные электроны приводят к эффекту Яна-Теллера. (iii) представляет диаграмму уровней энергий основных состояний, находящихся на разных уровнях. Это показывает отсутствие эффекта Яна-Теллера. Это связано с сильным экваториальным донорным и слабым аксиальным донорным взаимодействием. (iv) представляет собой разницу в расстоянии между dху и гИкс2-у2.[10]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Lontie R, ed. (2018). Медные протеины и медные ферменты. III. CRC Press. ISBN  9781315891798.
  2. ^ Holm RH, Kennepohl P, Solomon EI (ноябрь 1996 г.). «Структурные и функциональные аспекты металлических сайтов в биологии». Химические обзоры. 96 (7): 2239–2314. Дои:10.1021 / cr9500390. PMID  11848828.
  3. ^ Аркос-Лопес, Тринидад; Шут, Нильс; Кинтанар, Лилиана (2020), «Глава 3: Синяя медная площадка 1 типа: от переноса электронов к биологической функции», в Соса Торрес, Марта Э .; Кронек, Питер М. (ред.), Переходные металлы и сера: прочная связь на всю жизнь, Ионы металлов в науках о жизни (редакторы серии Астрид Сигель, Ева Фрайзингер и Роланд К.О. Сигель), 20, Берлин / Бостон: де Грюйтер, Дои:10.1515/9783110589757-003
  4. ^ Клинман Дж. П. (ноябрь 1996 г.). «Механизмы, посредством которых мононуклеарные белки меди функционируют в органических субстратах». Химические обзоры. 96 (7): 2541–2562. Дои:10.1021 / cr950047g. PMID  11848836..
  5. ^ Льюис Э.А., Толман ВБ (2004). «Реакционная способность кислородно-медных систем». Химические обзоры. 104 (2): 1047–1076. Дои:10.1021 / cr020633r. PMID  14871149.
  6. ^ Соломон Э.И., Сундарам У.М., Мачонкин Т.Е. (ноябрь 1996 г.). «Мультиоксидазы и оксигеназы меди». Химические обзоры. 96 (7): 2563–2606. Дои:10.1021 / cr950046o. PMID  11848837.
  7. ^ а б Мальмстрём Б.Г. (1994). «Стойка-индуцированное связывание в белках синей меди». Обзоры EJB 1994. Берлин Гейдельберг: Springer. С. 157–164. Дои:10.1007/978-3-642-79502-2_12. ISBN  978-3-540-58830-6.
  8. ^ а б Бертини I (1 июля 2007 г.). «Биологическая неорганическая химия: строение и реакционная способность». Выбор обзоров в Интернете. 44 (11): 44–6242–44-6242. Дои:10.5860 / CHOICE.44-6242. ISSN  0009-4978. S2CID  93183803.
  9. ^ а б Де Риенцо Ф., Габдуллин Р.Р., Мензиани М.С., Уэйд Р.К. (август 2000 г.). «Белки голубой меди: сравнительный анализ свойств их молекулярного взаимодействия». Белковая наука. 9 (8): 1439–54. Дои:10.1110 / пс. 9.8.1439. ЧВК  2144732. PMID  10975566.
  10. ^ а б c d е ж Соломон Э.И., Хадт Р.Г. (апрель 2011 г.). «Последние достижения в понимании белков голубой меди». Обзоры координационной химии. 255 (7–8): 774–789. Дои:10.1016 / j.ccr.2010.12.008.
  11. ^ а б c Уоррен Дж. Дж., Ланкастер К. М., Ричардс Дж. Х., Грей Х. Б. (октябрь 2012 г.). «Внутренняя и внешняя координация металлов в белках голубой меди». Журнал неорганической биохимии. 115: 119–26. Дои:10.1016 / j.jinorgbio.2012.05.002. ЧВК  3434318. PMID  22658756.