Белки меди - это белки, которые содержат один или несколько ионов меди в качестве простетических групп . Белки меди присутствуют во всех формах жизни, дышащей воздухом. Эти белки обычно связаны с переносом электронов с участием кислорода (O 2 ) или без него . Некоторые организмы даже используют белки меди для переноса кислорода вместо белков железа. Важным белком меди у человека является цитохром с оксидаза (cco). Фермент cco обеспечивает контролируемое горение, производящее АТФ . [1]
Классы
Металлические центры в белках меди можно разделить на несколько типов: [2]
- Центры меди типа I (T1Cu) характеризуются одним атомом меди, координированным двумя остатками гистидина и остатком цистеина в тригональной планарной структуре, и переменным аксиальным лигандом . В белках T1Cu класса I (например, амицианин , пластоцианин и псевдоазурин) аксиальный лиганд представляет собой серу метионина , тогда как аминокислоты, отличные от метионина (например, глутамин ), образуют белки меди T1Cu класса II. Azurins содержат третий тип T1Cu центров: кроме метионина в одном аксиальном положении, они содержат второй осевой лиганд (а карбонильную группу из глицина остатка). 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 переноса заряда S → Cu ), что обычно приводит к синий цвет. Поэтому купредоксины часто называют «белками голубой меди». Это может вводить в заблуждение, поскольку некоторые центры T1Cu также поглощают около 460 нм и поэтому имеют зеленый цвет. При исследовании методом ЭПР- спектроскопии центры T1Cu показывают небольшие сверхтонкие расщепления в параллельной области спектра (по сравнению с обычными координационными соединениями меди). [3]
- Центры меди типа II (T2Cu) демонстрируют плоскую квадратную координацию N- или N / O- лигандами . Они обладают аксиальным спектром ЭПР со сверхтонким расщеплением меди в параллельной области, аналогичным тому, что наблюдается в обычных координационных соединениях меди. Поскольку лигирование серы отсутствует, оптические спектры этих центров лишены каких-либо особенностей. Центры T2Cu присутствуют в ферментах , где они участвуют в окислении или оксигенации. [4]
- Центры меди типа III (T3Cu) состоят из пары центров меди, каждый из которых 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 мостиковым лигандом . Эти центры присутствуют в некоторых оксидазах и белках, переносящих кислород (например, гемоцианине и тирозиназе ). [5]
- Биядерные центры меди A (Cu A ) обнаружены в цитохром с оксидазе и редуктазе закиси азота ( 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 B-центры (Cu B ) находятся в цитохром- с- оксидазе . Атом меди координирован тремя гистидинами в геометрии тригональной пирамиды.
- Четырехъядерный центр Z меди (Cu Z ) обнаружен в редуктазе закиси азота. Четыре атома меди координированы семью остатками гистидина и соединены атомом серы.
Белки голубой меди
Белки голубой меди обязаны своим названием своей интенсивной синей окраске ( Cu (II) ). Белок голубой меди часто называют « подрабатывающим белком », 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). Cu 2+ в окисленном состоянии может принять один электрон с образованием Cu 1+ в восстановленном белке. Геометрия центра Cu имеет 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. Примерами синего медного белка типа I являются пластоцианин , азурин и нитритредуктаза. Т- гемоцианин и тирозиназа .
Структура типов синего медного белка
Белки синей меди, класс белков меди типа 1, представляют собой небольшие белки, содержащие купредоксиновую складку и один ион меди типа I, координируемый двумя N-донорами гистидина , S-донором тиолата цистеина и S-донором тиоэфира метионина . [7] В окисленном состоянии ион Cu +2 образует тригонально-бипирамидальную или тетраэдрическую координацию. [7] Медные белки типа 1 идентифицируются как синие медные белки из-за того, что лиганд переносит заряд металла на интенсивную полосу при 600 нм, которая дает характеристику темно-синего цвета в электронном спектре поглощения. [8]
Белковая структура белка голубой меди типа 1, амицианина , построена на полипептидных складках, 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 1 типа. [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. Пластоцианины имеют дополнительный лиганд метионин-серы в аксиальном положении. Основное различие 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
Прочная связь между ионом меди и серы цистеина позволяет несвязанные электрона на цистеина серы присутствовать на обоих низкой / высокой спиновое состояние ионов меди, д х 2 -d у 2 орбитали и р-орбитали из цистеиновая сера. [8] Большинство комплексов меди (II) будут демонстрировать эффект Яна-Теллера, когда комплекс образует тетрагональное искажение октаэдрической сложной геометрии. [10] С белками синей меди будет образовываться искаженный тетраэдрический комплекс из-за сильного экваториального цистеинового лиганда и слабого аксиального метионинового лиганда. [10] Два нейтральных гистидиновых лиганда расположены белковым лигандом, поэтому геометрия искажена 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 характеризует свойство поглощения голубой меди. Была вторая полоса с более низкой энергией и умеренной интенсивностью поглощения. Данные о поглощении поляризованным сигналом и кристаллом пластоцианина показали, что обе полосы имеют такое же отношение поляризации, которое связано со связью Cu (II) -S (Cys). Это объясняется тем, что нормальный комплекс меди имеет высокоэнергетичную сигма-сигму и низкоэнергетическую слабую π-связи. Однако в случае с синим медным белком есть низкоэнергетическая интенсивная сигма и высокоэнергетическая слабая π-связи, потому что интенсивность CT отражает перекрытие донорных и акцепторных орбиталей в процессе CT. Это требовало, чтобы орбиталь 3d (x 2 -y 2 ) голубого участка меди была ориентирована таким образом, чтобы его доли пересекали связь Cu-S (Cys) пополам, давая доминирующее π-перекрытие непосредственно с серой. Наконец, природа волновой функции основного состояния синего медного белка богата электронным спектром поглощения.
Координация металла внутренней и внешней сферы
Ионные связи цистеина серы и меди (II) находятся в диапазоне от 2,6 до 3,2 Å. [11] В восстановленной форме CuI белковые структуры все еще образуются с удлиненными связями на 0,1 Å или меньше. с окисленными и восстановленными белковыми структурами они накладываются друг на друга. В случае амицианина есть исключение, поскольку гистидин лигируется и не связывается с йодидом меди. [11] В azurin , то цистеин 112 тиолит принимают водородные связи с амидной основной цепи аспарагина 47, и фенилаланином 114 и Гистидин 46 жертвует водородную связь с карбонильной основой Asparagine10. Cysteine84 тиолят из пластоцианина принимает водородную связь от амидного позвоночника, аспарагина 38, и Histidine37 взаимодействует сильно с карбонильной основой аланина 33 и более слабо с карбонильной основой лейцина 5, глицин 34, и амидной основой Phenylalanine35. [11]
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 окисленного состояния Cu +2 в активном центре синего медного белка будет минимизирована из-за того, что в окисленном состоянии Cu +2 эффект Яна-Теллера будет неэффективным. [10] На рисунке 2 представлена диаграмма энергетических уровней, показывающая три различных идеальных геометрии и ее вырожденные состояния. [10] (i) представляет диаграмму энергетических уровней тетраэдрической геометрической структуры с вырожденным основным состоянием T 2 . Это происходит из-за искажения Яна-Теллера в результате окисления. (ii) представляет диаграмму энергетических уровней симметричной структуры C 3v с вырожденным основным состоянием 2 E. Это произошло из-за удлинения тиоэфирной связи в участке восстановления синего медного белка. Наличие неспаренных электронов приводит к эффекту Яна-Теллера. (iii) представляет диаграмму уровней энергии основных состояний, не находящихся на одном уровне. Это показывает отсутствие эффекта Яна-Теллера. Это связано с сильным экваториальным донорным и слабым аксиальным донорным взаимодействием. (iv) представляет собой разницу в расстоянии между d xy и d x 2 -y 2 . [10]
Смотрите также
- Медь в здоровье
- Стеллацианин
Рекомендации
- ^ Lontie R, ed. (2018). Белки меди и ферменты меди . III . CRC Press. ISBN 9781315891798.
- ^ Holm RH , Kennepohl P, Solomon EI (ноябрь 1996 г.). «Структурные и функциональные аспекты металлических сайтов в биологии». Химические обзоры . 96 (7): 2239–2314. DOI : 10.1021 / cr9500390 . PMID 11848828 .
- ^ Аркос-Лопес, Тринидад; Шут, Нильс; Кинтанар, Лилиана (2020), «Глава 3: Синяя медная площадка типа 1: от переноса электронов к биологической функции», в Соса Торрес, Марта Э .; Кронек, Питер М.Х. (ред.), Переходные металлы и сера: сильная взаимосвязь для жизни , ионы металлов в науках о жизни (редакторы серии Астрид Сигель, Ева Фрайзингер и Роланд К.О. Сигель), 20 , Берлин / Бостон: de Gruyter, doi : 10.1515 / 9783110589757-003
- ^ Клинман Дж. П. (ноябрь 1996 г.). «Механизмы, посредством которых мононуклеарные белки меди функционируют в органических субстратах». Химические обзоры . 96 (7): 2541–2562. DOI : 10.1021 / cr950047g . PMID 11848836 ..
- ^ Льюис Е.А., Толман В.Б. (2004). «Реакционная способность кислородно-медных систем». Химические обзоры . 104 (2): 1047–1076. DOI : 10.1021 / cr020633r . PMID 14871149 .
- ^ Соломон Э.И., Сундарам У.М., Мачонкин Т.Е. (ноябрь 1996 г.). «Многократные оксидазы меди и оксигеназы». Химические обзоры . 96 (7): 2563–2606. DOI : 10.1021 / cr950046o . PMID 11848837 .
- ^ а б Мальмстрём Б.Г. (1994). «Стойка-индуцированное связывание в белках синей меди». Обзоры EJB 1994 . Берлин Гейдельберг: Springer. С. 157–164. DOI : 10.1007 / 978-3-642-79502-2_12 . ISBN 978-3-540-58830-6.
- ^ а б Бертини I (1 июля 2007 г.). «Биологическая неорганическая химия: строение и реакционная способность». Выборочные обзоры в Интернете . 44 (11): 44–6242–44-6242. DOI : 10.5860 / CHOICE.44-6242 . ISSN 0009-4978 . S2CID 93183803 .
- ^ а б Де Риенцо Ф., Габдуллин Р.Р., Мензиани М.С., Уэйд Р.К. (август 2000 г.). «Белки голубой меди: сравнительный анализ их свойств молекулярного взаимодействия» . Белковая наука . 9 (8): 1439–54. DOI : 10.1110 / ps.9.8.1439 . PMC 2144732 . PMID 10975566 .
- ^ а б в г д е Соломон Э.И., Хадт Р.Г. (апрель 2011 г.). «Последние достижения в понимании белков голубой меди». Обзоры координационной химии . 255 (7–8): 774–789. DOI : 10.1016 / j.ccr.2010.12.008 .
- ^ а б в Уоррен Дж. Дж., Ланкастер К. М., Ричардс Дж. Х., Грей Х. Б. (октябрь 2012 г.). «Внутренняя и внешняя координация металлов в голубых медных белках» . Журнал неорганической биохимии . 115 : 119–26. DOI : 10.1016 / j.jinorgbio.2012.05.002 . PMC 3434318 . PMID 22658756 .