Metaloproteína es un término genérico para una proteína que contiene un cofactor de ion metálico . [1] [2] Una gran proporción de todas las proteínas forman parte de esta categoría. Por ejemplo, al menos 1000 proteínas humanas (de aproximadamente 20 000) contienen dominios de proteínas de unión a zinc [3] , aunque puede haber hasta 3000 metaloproteínas de zinc humanas. [4]
Se estima que aproximadamente la mitad de todas las proteínas contienen un metal . [5] En otra estimación, se propone que entre un cuarto y un tercio de todas las proteínas requieran metales para llevar a cabo sus funciones. [6] Así, las metaloproteínas tienen muchas funciones diferentes en las células , como el almacenamiento y transporte de proteínas, enzimas y proteínas de transducción de señales , o enfermedades infecciosas. [7] La abundancia de proteínas que se unen a metales puede ser inherente a los aminoácidos que utilizan las proteínas, ya que incluso las proteínas artificiales sin historia evolutiva se unirán fácilmente a los metales. [8]
La mayoría de los metales del cuerpo humano están unidos a proteínas. Por ejemplo, la concentración relativamente alta de hierro en el cuerpo humano se debe principalmente al hierro de la hemoglobina .
En las metaloproteínas, los iones metálicos suelen estar coordinados por centros de nitrógeno , oxígeno o azufre que pertenecen a residuos de aminoácidos de la proteína. Estos grupos donantes suelen estar proporcionados por cadenas laterales en los residuos de aminoácidos. Especialmente importantes son el sustituyente imidazol en los residuos de histidina , los sustituyentes tiolato en los residuos de cisteína y los grupos carboxilato proporcionados por el aspartato . Dada la diversidad del metaloproteoma , se ha demostrado que prácticamente todos los residuos de aminoácidos se unen a centros metálicos. La estructura peptídica también proporciona grupos donantes; estos incluyen amidas desprotonadas y los centros de oxígeno amida carbonilo . Se ha revisado la unión del plomo (II) en proteínas naturales y artificiales. [10]
Además de los grupos donantes proporcionados por los residuos de aminoácidos, muchos cofactores orgánicos funcionan como ligandos. Quizás los más famosos sean los ligandos macrocíclicos N 4 tetradentados incorporados en la proteína hemo . También son comunes los ligandos inorgánicos como el sulfuro y el óxido.
Estos son el producto de la segunda etapa de la hidrólisis de proteínas obtenidos mediante el tratamiento con ácidos y álcalis ligeramente más fuertes.
La hemoglobina , que es el principal transportador de oxígeno en los seres humanos, tiene cuatro subunidades en las que el ion hierro (II) está coordinado por el ligando macrocíclico plano protoporfirina IX (PIX) y el átomo de nitrógeno imidazol de un residuo de histidina . El sexto sitio de coordinación contiene una molécula de agua o una molécula de dioxígeno . Por el contrario, la proteína mioglobina , que se encuentra en las células musculares , sólo tiene una de esas unidades. El sitio activo está ubicado en una bolsa hidrofóbica . Esto es importante ya que sin él el hierro (II) se oxidaría irreversiblemente a hierro (III). La constante de equilibrio para la formación de HbO 2 es tal que el oxígeno se capta o se libera dependiendo de la presión parcial de oxígeno en los pulmones o en los músculos. En la hemoglobina, las cuatro subunidades muestran un efecto de cooperatividad que permite una fácil transferencia de oxígeno de la hemoglobina a la mioglobina. [11]
Tanto en la hemoglobina como en la mioglobina a veces se afirma incorrectamente que la especie oxigenada contiene hierro (III). Ahora se sabe que la naturaleza diamagnética de estas especies se debe a que el átomo de hierro (II) se encuentra en un estado de bajo espín . En la oxihemoglobina, el átomo de hierro se encuentra en el plano del anillo de porfirina, pero en la desoxihemoglobina paramagnética el átomo de hierro se encuentra por encima del plano del anillo. [11] Este cambio en el estado de espín es un efecto cooperativo debido a la mayor división del campo cristalino y al menor radio iónico del Fe 2+ en el resto de oxihemoglobina.
La hemeritrina es otro portador de oxígeno que contiene hierro. El sitio de unión del oxígeno es un centro de hierro binuclear. Los átomos de hierro están coordinados con la proteína a través de las cadenas laterales de carboxilato de un glutamato y aspartato y cinco residuos de histidina . La absorción de O 2 por la hemeritrina va acompañada de una oxidación de dos electrones del centro binuclear reducido para producir peróxido unido (OOH − ). Se ha estudiado en detalle el mecanismo de captación y liberación de oxígeno. [12] [13]
Las hemocianinas transportan oxígeno en la sangre de la mayoría de los moluscos y de algunos artrópodos como el cangrejo herradura . Ocupan el segundo lugar después de la hemoglobina en popularidad biológica de uso en el transporte de oxígeno. Durante la oxigenación, los dos átomos de cobre (I) en el sitio activo se oxidan a cobre (II) y las moléculas de dioxígeno se reducen a peróxido, O.2-2
. [14] [15]
La clorocruorina (como la eritrocruorina, el transportador más grande ) es una hemoproteína fijadora de oxígeno presente en el plasma sanguíneo de muchos anélidos , particularmente ciertos poliquetos marinos .
Las reacciones de oxidación y reducción no son comunes en la química orgánica ya que pocas moléculas orgánicas pueden actuar como agentes oxidantes o reductores . El hierro (II), por otro lado, puede oxidarse fácilmente a hierro (III). Esta funcionalidad se utiliza en los citocromos , que funcionan como vectores de transferencia de electrones . La presencia del ion metálico permite que las metaloenzimas realicen funciones como reacciones redox que el conjunto limitado de grupos funcionales que se encuentran en los aminoácidos no pueden realizar fácilmente . [16] El átomo de hierro en la mayoría de los citocromos está contenido en un grupo hemo . Las diferencias entre esos citocromos radican en las diferentes cadenas laterales. Por ejemplo, el citocromo a tiene un grupo protésico hemo a y el citocromo b tiene un grupo protésico hemo b . Estas diferencias dan como resultado diferentes potenciales redox de Fe 2+ /Fe 3+ , de modo que varios citocromos participan en la cadena de transporte de electrones mitocondrial . [17]
Las enzimas del citocromo P450 realizan la función de insertar un átomo de oxígeno en un enlace C-H, una reacción de oxidación. [18] [19]
La rubredoxina es un transportador de electrones que se encuentra en las bacterias y arqueas que metabolizan el azufre . El sitio activo contiene un ion hierro coordinado por los átomos de azufre de cuatro residuos de cisteína formando un tetraedro casi regular . Las rubredoxinas realizan procesos de transferencia de un electrón. El estado de oxidación del átomo de hierro cambia entre los estados +2 y +3. En ambos estados de oxidación el metal tiene alto espín , lo que ayuda a minimizar los cambios estructurales.
La plastocianina pertenece a la familia de proteínas de cobre azul que participan en reacciones de transferencia de electrones . El sitio de unión del cobre se describe como piramidal trigonal distorsionado . [20] El plano trigonal de la base piramidal está compuesto por dos átomos de nitrógeno (N 1 y N 2 ) de histidinas separadas y un azufre (S 1 ) de una cisteína. El azufre (S 2 ) de una metionina axial forma el ápice. La distorsión se produce en las longitudes de enlace entre los ligandos de cobre y azufre. El contacto Cu-S 1 es más corto (207 pm ) que el Cu-S 2 (282 pm). El enlace alargado Cu-S 2 desestabiliza la forma Cu(II) y aumenta el potencial redox de la proteína. El color azul (absorción máxima de 597 nm ) se debe al enlace Cu-S 1 donde se produce la transferencia de carga de S(pπ) a Cu(d x 2 − y 2 ). [21]
En la forma reducida de plastocianina, His -87 se protonará con una p K a de 4,4. La protonación le impide actuar como ligando y la geometría del sitio de cobre se vuelve plana trigonal .
El hierro se almacena como hierro (III) en ferritina . Aún no se ha determinado la naturaleza exacta del sitio de unión. El hierro parece estar presente como un producto de hidrólisis como FeO(OH). El hierro es transportado por la transferrina cuyo sitio de unión está formado por dos tirosinas , una de ácido aspártico y una de histidina . [22] El cuerpo humano no tiene ningún mecanismo para la excreción de hierro. [ cita necesaria ] Esto puede provocar problemas de sobrecarga de hierro en pacientes tratados con transfusiones de sangre , como, por ejemplo, con β- talasemia . En realidad, el hierro se excreta en la orina [23] y también se concentra en la bilis [24] , que se excreta en las heces. [25]
La ceruloplasmina es la principal proteína transportadora de cobre en la sangre. La ceruloplasmina exhibe actividad oxidasa, que está asociada con una posible oxidación de Fe (II) a Fe (III), por lo que ayuda en su transporte en el plasma sanguíneo en asociación con la transferrina, que puede transportar hierro sólo en el estado de Fe (III).
La osteopontina participa en la mineralización de las matrices extracelulares de huesos y dientes.
Todas las metaloenzimas tienen una característica en común: el ión metálico está unido a la proteína con un sitio de coordinación lábil . Como ocurre con todas las enzimas , la forma del sitio activo es crucial. El ion metálico suele estar situado en una bolsa cuya forma se adapta al sustrato. El ion metálico cataliza reacciones difíciles de lograr en química orgánica .
En solución acuosa , el dióxido de carbono forma ácido carbónico.
Esta reacción es muy lenta en ausencia de un catalizador, pero bastante rápida en presencia del ion hidróxido .
Una reacción similar a ésta es casi instantánea con la anhidrasa carbónica . La estructura del sitio activo en las anhidrasas carbónicas es bien conocida por varias estructuras cristalinas. Consiste en un ion zinc coordinado por tres átomos de nitrógeno de imidazol de tres unidades de histidina . El cuarto sitio de coordinación lo ocupa una molécula de agua. La esfera de coordinación del ion zinc es aproximadamente tetraédrica . El ion zinc cargado positivamente polariza la molécula de agua coordinada y el ataque nucleofílico de la porción de hidróxido cargada negativamente sobre el dióxido de carbono avanza rápidamente. El ciclo catalítico produce el ion bicarbonato y el ion hidrógeno [2] como equilibrio
Favorece la disociación del ácido carbónico a valores de pH biológico . [26]
La vitamina B 12 que contiene cobalto (también conocida como cobalamina) cataliza la transferencia de grupos metilo (-CH 3 ) entre dos moléculas, lo que implica la ruptura de enlaces C-C , un proceso energéticamente costoso en reacciones orgánicas. El ion metálico reduce la energía de activación del proceso formando un enlace Co-CH3 transitorio . [27] La estructura de la coenzima fue famosa por Dorothy Hodgkin y sus colaboradores, por lo que recibió el Premio Nobel de Química . [28] Consiste en un ion cobalto (II) coordinado con cuatro átomos de nitrógeno de un anillo de corrina y un quinto átomo de nitrógeno de un grupo imidazol . En estado de reposo existe un enlace sigma Co-C con el átomo de carbono 5' de la adenosina . [29] Se trata de un compuesto organometálico de origen natural , lo que explica su función en reacciones de transmetilación , como la reacción llevada a cabo por la metionina sintasa .
La fijación del nitrógeno atmosférico es un proceso que consume mucha energía, ya que implica romper el triple enlace muy estable entre los átomos de nitrógeno. Las nitrogenasas catalizan el proceso. Una de esas enzimas se encuentra en la bacteria Rhizobium . Su acción tiene tres componentes: un átomo de molibdeno en el sitio activo, grupos de hierro y azufre que participan en el transporte de los electrones necesarios para reducir el nitrógeno y una abundante fuente de energía en forma de magnesio ATP . Esto último es proporcionado por una simbiosis mutualista entre la bacteria y una planta huésped, a menudo una leguminosa . La reacción se puede escribir simbólicamente como
donde Pi representa fosfato inorgánico . Ha sido difícil determinar la estructura precisa del sitio activo. Parece contener un grupo de MoFe 7 S 8 que es capaz de unirse a la molécula de dinitrógeno y, presumiblemente, permitir que comience el proceso de reducción. [30] Los electrones son transportados por el grupo "P" asociado, que contiene dos grupos cúbicos de Fe 4 S 4 unidos por puentes de azufre. [31]
El ion superóxido , O−
2Se genera en sistemas biológicos por reducción del oxígeno molecular . Tiene un electrón desapareado , por lo que se comporta como un radical libre . Es un poderoso agente oxidante . Estas propiedades hacen que el ion superóxido sea muy tóxico y los fagocitos lo utilizan con ventaja para matar microorganismos invasores . De lo contrario, el ion superóxido debe destruirse antes de que cause daños no deseados en una célula. Las enzimas superóxido dismutasa realizan esta función de manera muy eficiente. [32]
El estado de oxidación formal de los átomos de oxígeno es −1 ⁄ 2 . En soluciones a pH neutro , el ion superóxido es desproporcionado con respecto al oxígeno molecular y al peróxido de hidrógeno .
En biología, este tipo de reacción se llama reacción de dismutación . Implica tanto la oxidación como la reducción de iones superóxido. El grupo de enzimas superóxido dismutasa (SOD) aumenta la velocidad de reacción hasta casi la velocidad limitada por difusión. [33] La clave para la acción de estas enzimas es un ion metálico con estado de oxidación variable que puede actuar como agente oxidante o como agente reductor.
En la SOD humana, el metal activo es el cobre , como Cu(II) o Cu(I), coordinado tetraédricamente por cuatro residuos de histidina . Esta enzima también contiene iones de zinc para la estabilización y es activada por la chaperona de cobre para la superóxido dismutasa ( CCS ). Otras isoenzimas pueden contener hierro , manganeso o níquel . La actividad de Ni-SOD involucra al níquel (III), un estado de oxidación inusual para este elemento. La geometría del níquel del sitio activo pasa de Ni(II) plano cuadrado , con ligandos de tiolato (Cys 2 y Cys 6 ) y nitrógeno de cadena principal (His 1 y Cys 2 ), a Ni(III) piramidal cuadrado con una cadena lateral His 1 axial añadida. ligando. [34]
La clorofila juega un papel crucial en la fotosíntesis . Contiene magnesio encerrado en un anillo de cloro . Sin embargo, el ion magnesio no participa directamente en la función fotosintética y puede ser reemplazado por otros iones divalentes con poca pérdida de actividad. Más bien, el fotón es absorbido por el anillo de cloro, cuya estructura electrónica está bien adaptada para este fin.
Inicialmente, la absorción de un fotón hace que un electrón se excite a un estado singlete de la banda Q. El estado excitado sufre un cruce entre sistemas desde el estado singlete a un estado triplete en el que hay dos electrones con espín paralelo . Esta especie es, en efecto, un radical libre , y es muy reactiva y permite transferir un electrón a aceptores que se encuentran adyacentes a la clorofila en el cloroplasto . En el proceso se oxida la clorofila. Más adelante en el ciclo fotosintético, la clorofila se reduce nuevamente. Esta reducción finalmente extrae electrones del agua, produciendo oxígeno molecular como producto final de oxidación.
Las hidrogenasas se subclasifican en tres tipos diferentes según el contenido de metal del sitio activo: hierro-hierro hidrogenasa, níquel-hierro hidrogenasa y hierro hidrogenasa. [35] Todas las hidrogenasas catalizan la absorción reversible de H2 , pero las hidrogenasas [FeFe] y [NiFe] son verdaderos catalizadores redox , impulsando la oxidación de H2 y la reducción de H + .
las [Fe] hidrogenasas catalizan la escisión heterolítica reversible de H 2 .
Desde el descubrimiento de las ribozimas por Thomas Cech y Sidney Altman a principios de la década de 1980, se ha demostrado que las ribozimas son una clase distinta de metaloenzimas. [36] Muchas ribozimas requieren iones metálicos en sus sitios activos para la catálisis química; de ahí que se les llame metaloenzimas. Además, los iones metálicos son esenciales para la estabilización estructural de las ribozimas. El intrón del grupo I es la ribozima más estudiada y tiene tres metales que participan en la catálisis. [37] Otras ribozimas conocidas incluyen el intrón del grupo II , la RNasa P y varias ribozimas virales pequeñas (como la cabeza de martillo , la horquilla , HDV y VS ) y la subunidad grande de los ribosomas. Se han descrito varias clases de ribozimas. [38]
Las desoxirribozimas , también llamadas ADNzimas o ADN catalítico, son catalizadores artificiales basados en ADN que se produjeron por primera vez en 1994. [39] Casi todas las ADNzimas requieren iones metálicos. Aunque las ribozimas catalizan principalmente la escisión de sustratos de ARN, las ADNzimas pueden catalizar una variedad de reacciones, incluida la escisión de ARN/ADN, la ligadura de ARN/ADN, la fosforilación y desfosforilación de aminoácidos y la formación de enlaces carbono-carbono. [40] Sin embargo, las ADNzimas que catalizan la reacción de escisión del ARN son las más exploradas. 10-23 DNAzyme, descubierta en 1997, es uno de los ADN catalíticos más estudiados con aplicaciones clínicas como agente terapéutico. [41] Se han informado varias ADNzimas específicas de metales, incluida la ADNzima GR-5 ( específica de plomo ), [42] las ADNzimas CA1-3 ( específicas de cobre ), la ADNzima 39E ( específica de uranilo ) [43] y la ADNzima NaA43 ( específica de sodio ). [44]
La calmodulina es un ejemplo de una proteína de transducción de señales. Es una pequeña proteína que contiene cuatro motivos de mano EF , cada uno de los cuales es capaz de unirse a un ion Ca 2+ .
En un dominio proteico de bucle manual EF , el ion calcio está coordinado en una configuración bipiramidal pentagonal. Seis residuos de ácido glutámico y ácido aspártico implicados en la unión se encuentran en las posiciones 1, 3, 5, 7 y 9 de la cadena polipeptídica. En la posición 12, hay un ligando de glutamato o aspartato que se comporta como (ligando bidentado), proporcionando dos átomos de oxígeno. El noveno residuo en el bucle es necesariamente glicina debido a los requisitos conformacionales de la columna vertebral. La esfera de coordinación del ion calcio contiene sólo átomos de oxígeno carboxilato y ningún átomo de nitrógeno. Esto es consistente con la naturaleza dura del ion calcio.
La proteína tiene dos dominios aproximadamente simétricos, separados por una región "bisagra" flexible. La unión del calcio provoca un cambio conformacional en la proteína. La calmodulina participa en un sistema de señalización intracelular actuando como un segundo mensajero difusible de los estímulos iniciales. [45] [46]
Tanto en los músculos cardíacos como en los esqueléticos , la producción de fuerza muscular está controlada principalmente por cambios en la concentración de calcio intracelular . En general, cuando el calcio aumenta, los músculos se contraen y, cuando el calcio baja, los músculos se relajan. La troponina , junto con la actina y la tropomiosina , es el complejo proteico al que se une el calcio para desencadenar la producción de fuerza muscular.
Muchos factores de transcripción contienen una estructura conocida como dedo de zinc , este es un módulo estructural donde una región de proteína se pliega alrededor de un ion zinc. El zinc no entra en contacto directamente con el ADN al que se unen estas proteínas. En cambio, el cofactor es esencial para la estabilidad de la cadena proteica fuertemente plegada. [47] En estas proteínas, el ion zinc generalmente está coordinado por pares de cadenas laterales de cisteína e histidina.
Hay dos tipos de monóxido de carbono deshidrogenasa : uno contiene hierro y molibdeno, el otro contiene hierro y níquel. Se han revisado los paralelos y diferencias en las estrategias catalíticas. [48]
Pb 2+ (plomo) puede reemplazar Ca 2+ (calcio) como, por ejemplo, con calmodulina o Zn 2+ (zinc) como con metalocarboxipeptidasas [49]
Algunas otras metaloenzimas se dan en la siguiente tabla, según el metal involucrado.
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