Las proteínas de cobre son proteínas que contienen uno o más iones de cobre como grupos prostéticos . Las proteínas de cobre se encuentran en todas las formas de vida que respiran aire. Estas proteínas suelen estar asociadas con la transferencia de electrones con o sin la participación del oxígeno (O 2 ). Algunos organismos incluso utilizan proteínas de cobre para transportar oxígeno en lugar de proteínas de hierro. Una proteína de cobre prominente en los humanos está en la citocromo c oxidasa (cco). Esta enzima cco media la combustión controlada que produce ATP . [1] Otras proteínas de cobre incluyen algunas superóxido dismutasas utilizadas en la defensa contra los radicales libres, la peptidil-α-monooxigenasa para la producción de hormonas y la tirosinasa, que afecta la pigmentación de la piel. [2]
Los centros metálicos en las proteínas de cobre se pueden clasificar en varios tipos: [3]
Las proteínas de cobre azul deben su nombre a su coloración azul intensa (Cu(II)). La proteína de cobre azul a menudo se denomina " proteína moonlighting ", lo que significa que una proteína puede realizar más de una función. Sirven como agentes de transferencia de electrones, con el sitio activo yendo y viniendo entre Cu(I) y Cu(II). El Cu 2+ en el estado oxidado puede aceptar un electrón para formar Cu 1+ en la proteína reducida. La geometría del centro de Cu tiene un gran impacto en sus propiedades redox. La distorsión de Jahn-Teller no se aplica a las proteínas de cobre azul porque el sitio de cobre tiene una simetría baja que no admite la degeneración en la variedad de orbitales d. La ausencia de grandes cambios de reorganización mejora la velocidad de su transferencia de electrones. El sitio activo de una proteína de cobre azul tipo I. Dos 2-histidinas, 1 metionina y 1 cisteína presentes en la esfera de coordinación. Ejemplos de proteína de cobre azul tipo I son la plastocianina , la azurina , la nitrito reductasa, la hemocianina y la tirosinasa .
Las proteínas de cobre azul, una clase de proteínas de cobre tipo 1, son proteínas pequeñas que contienen un pliegue de cupredoxina y un único ion de cobre tipo I coordinado por dos donantes de N de histidina , un donante de S de tiolato de cisteína y un donante de S de tioéter de metionina . [8] En el estado oxidado, el ion Cu +2 formará una coordinación bipiramidal trigonal o tetraédrica. [8] Las proteínas de cobre tipo 1 se identifican como proteínas de cobre azul debido a la transferencia de carga del ligando al metal, una banda intensa a 600 nm que da la característica de un color azul profundo presente en el espectro de absorción de electrones. [9]
La estructura proteica de una proteína de cobre azul tipo 1, la amicianina , está construida a partir de pliegues polipeptídicos que se encuentran comúnmente en la estructura de sándwich β de las proteínas de cobre azul. [10] La estructura es muy similar a la plastocianina y la azurina , ya que también se identifican como proteínas de cobre tipo 1. [10] También son similares entre sí debido a la geometría del sitio de cobre de cada proteína de cobre. La proteína azurina tiene una geometría bipiramidal trigonal con ligandos de azufre de glicina y metionina axiales alargados. Las plastocianinas tienen un ligando de azufre de metionina adicional en la posición axial. La principal diferencia de cada proteína de cobre es que cada proteína tiene diferente número y especie de ligando coordinado al centro de cobre.
El fuerte enlace entre el ion cobre y el azufre de cisteína permite que el electrón no enlazado en el azufre de cisteína esté presente tanto en el ion cobre de estado de espín bajo/alto, orbital d x 2 -d y 2 como en el orbital p del azufre de cisteína. [9] La mayoría de los complejos de cobre (II) exhibirán el efecto Jahn-Teller cuando el complejo forme una distorsión tetragonal de una geometría compleja octaédrica . [11] Con proteínas de cobre azul, se formará un complejo tetraédrico distorsionado debido al fuerte ligando de cisteína ecuatorial y al débil ligando de metionina axial. [11] Los dos ligandos de histidina neutrales están posicionados por el ligando de proteína de modo que la geometría sea tetraédrica distorsionada. Esto hará que no puedan coordinarse perfectamente como tetraédricos o como un plano cuadrado.
La reducción de la temperatura puede cambiar las transiciones. La intensa absorbancia a unos 16000 cm −1 caracterizó la característica de absorción del cobre azul. Hubo una segunda banda característica de energía más baja con intensidad de absorción moderada. Los datos de absorción de cristal de señal polarizada sobre plastocianina mostraron que ambas bandas tienen la misma relación de polarización que la asociada con el enlace Cu(II)-S(Cys). Esto se explica por el hecho de que el complejo cúprico normal tiene enlaces sigma intensos de alta energía y enlaces π débiles de baja energía. Sin embargo, en el caso de la proteína de cobre azul tienen enlaces sigma intensos de baja energía y enlaces π débiles de alta energía porque la intensidad de CT refleja la superposición de los orbitales donador y aceptor en el proceso de CT. Esto requirió que el orbital 3d (x 2 -y 2 ) del sitio de cobre azul se orientara de manera tal que sus lóbulos bisecaran el enlace Cu-S(Cys) dando una superposición π dominante con el azufre directamente. Finalmente, la naturaleza de la función de onda del estado fundamental de la proteína de cobre azul es rica en espectro de absorción de electrones.
Los enlaces de iones de azufre y cobre (II) de cisteína varían de 2,6 a 3,2 Å. [12] Con la forma reducida, CuI , las estructuras proteicas se siguen formando con enlaces alargados de 0,1 Å o menos. Con las estructuras proteicas oxidadas y reducidas, son superponibles. Con la amicianina , hay una excepción debido a que la histidina está ligada y no está unida al yoduro de cobre. [12] En la azurina , el tiolato de cisteína 112 acepta los enlaces de hidrógeno de la cadena principal de amida de la asparagina 47 y la fenilalanina 114, y la histidina 46 dona un enlace de hidrógeno a la cadena principal de carbonilo de la asparagina 10. El tiolato de cisteína84 de la plastocianina acepta un enlace de hidrógeno de una cadena principal de amida, asparagina 38, y la histidina37 interactúa fuertemente con la cadena principal de carbonilo de la alanina 33 y más débilmente con la cadena principal de carbonilo de la leucina 5, la glicina 34 y la cadena principal de amida de la fenilalanina 35. [12]
Los complejos Cu 2+ a menudo tienen tasas de transferencia relativamente lentas. Un ejemplo es el complejo aquo Cu 2+/+ , que es 5 x 10 −7 M −1 .sec −1 en comparación con la proteína de cobre azul, que está entre 1 ms y 01 μs. [13] Tras la transferencia de electrones, el estado oxidado Cu 2+ en el sitio activo de la proteína de cobre azul se minimizará porque se minimiza el efecto Jahn-Teller. La geometría distorsionada evita la distorsión de Jahn-Teller. La degeneración orbital se elimina debido al campo de ligando asimétrico. [11] El campo de ligando asimétrico está influenciado por el fuerte ligando de cisteína ecuatorial y el débil ligando de metionina axial. En la Figura 2, un diagrama de niveles de energía muestra tres geometrías relevantes diferentes y su división orbital d y el efecto Jahn-Teller se muestra en azul. [11] (i) muestra el diagrama de niveles de energía de geometría tetraédrica con un que está degenerado. La estructura tetraédrica puede sufrir distorsión de Jahn-Teller debido a los orbitales degenerados. (ii) muestra el diagrama de división del nivel de energía de la geometría simétrica C 3v con un estado fundamental 2 E que está degenerado. La geometría C 3v se formó por el enlace tioéter de metionina alargado en el sitio reducido. Los electrones desapareados conducen al efecto Jahn-Teller. (iii) muestra el diagrama de división del nivel de energía del estado fundamental de la geometría C s con un enlace tioéster más largo y un enlace tiolato posteriormente más corto. Esta es la geometría adecuada de la proteína de cobre azul. Esto muestra que no hay presencia del efecto Jahn-Teller. El diagrama de energía muestra que la asimetría del enlace corto Cu-S(Cys) y los ángulos de enlace Cu-L altamente distorsionados hacen que se elimine la degeneración de los orbitales y, por lo tanto, se elimine el efecto Jahn-Teller, que se debe al donante débil en un Cu-S(Met) y al donante fuerte en Cu-S(Met). [11]