Las proteínas de cobre son proteínas que contienen uno o más iones de cobre como grupos protésicos . 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 de 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 se encuentra 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 de las proteínas de cobre se pueden clasificar en varios tipos: [3]
Las proteínas azules de cobre deben su nombre a su intensa coloración azul (Cu(II)). La proteína azul de cobre a menudo se denomina " proteína pluriempleo ", lo que significa que una proteína puede realizar más de una función. Sirven como agentes de transferencia de electrones, con el sitio activo yendo entre Cu(I) y Cu(II). El Cu 2+ en estado oxidado puede aceptar un electrón para formar Cu 1+ en la proteína reducida. La geometría del centro de Cu tiene un impacto importante en sus propiedades redox. La distorsión de Jahn-Teller no se aplica a las proteínas azules de cobre porque el sitio de cobre tiene una baja simetría que no respalda la degeneración en la variedad orbital d. La ausencia de grandes cambios reorganizativos aumenta 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 de tipo I son la plastocianina , la azurina y la nitrito reductasa, la hemocianina y la tirosinasa .
Las proteínas azules de cobre, una clase de proteínas de cobre de tipo 1, son pequeñas proteínas que contienen un pliegue de cupredoxina y un único ion de cobre de tipo I coordinado por dos donantes N de histidina , un donante S de tiolato de cisteína y un donante S de tioéter de metionina . [8] En el estado oxidado, el ion Cu +2 formará una coordinación trigonal bipiramidal o tetraédrica. [8] Las proteínas de cobre Tipo 1 se identifican como proteínas de cobre azul debido a que el ligando al metal transfiere 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 de tipo 1, la amicianina , se construye a partir de pliegues polipeptídicos que se encuentran comúnmente en la estructura 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 de 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 axiales alargados de glicina y azufre de metoiniona. 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 con el 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 de cobre de estado de espín bajo/alto, en el orbital d x 2 -d y 2 como en el orbital p de el azufre de cisteína. [9] La mayoría de los complejos de cobre (II) exhibirán el efecto Jahn-Teller cuando el complejo forma una distorsión tetragonal de una geometría compleja octaédrica . [11] Con las 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 neutros están colocados por el ligando de proteína de modo que la geometría sea tetraédrica distorsionada. Esto hará que no puedan coordinarse perfectamente como tetraédrico o cuadrado plano.
Bajar la temperatura puede cambiar las transiciones. La intensa absorbancia a aproximadamente 16000 cm -1 se caracterizó como la característica de absorción del cobre azul. Hubo una segunda banda de características de energía más baja con una intensidad de absorción moderada. Los datos de absorción de cristal de señal polarizada en plastocianina mostraron que ambas bandas tienen la misma relación de polarización que la asociada con el enlace Cu (II) -S (Cys). Esto se explica porque 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, tiene sigma intenso de baja energía y enlaces π débiles de alta energía porque la intensidad de CT refleja la superposición de los orbitales donante y aceptor en el proceso de CT. Esto requirió que el orbital 3d (x 2 -y 2 ) del sitio de cobre azul estuviera orientado de manera que sus lóbulos bisectaran 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 iónicos cisteína azufre cobre (II) oscilan entre 2,6 y 3,2 Å. [12] Con la forma reducida, CuI , las estructuras proteicas todavía se forman 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 e histidina37 interactúa fuertemente con la cadena principal de carbonilo de alanina 33 y más débilmente con la cadena principal de carbonilo de leucina 5, glicina 34 y la cadena principal de amida de fenilalanina35. [12]
Los complejos de Cu 2+ suelen tener velocidades de transferencia relativamente lentas. Un ejemplo es el complejo acuoso 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 de 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 orbitaria se elimina debido al campo de ligando asimétrico. [11] El campo de ligando asimétrico está influenciado por el ligando de cisteína ecuatorial fuerte y el ligando de metionina axial débil. En la Figura 2, un diagrama de niveles de energía muestra tres geometrías relevantes diferentes y su división de orbitales d y el efecto Jahn-Teller se muestra en azul. [11] (i) muestra el diagrama de niveles de energía de la geometría tetraédrica con a degenerada. La estructura tetraédrica puede sufrir una distorsión de Jahn-Teller debido a los orbitales degenerados. (ii) muestra el diagrama de división del nivel de energía de geometría simétrica C 3v con un estado fundamental 2 E que está degenerado. La geometría C 3v se formó mediante el enlace alargado de tioéter de metionina 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. Ésta es la geometría adecuada de la proteína de cobre azul. Esto demuestra 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 provocan que se elimine la degeneración de los orbitales y, por tanto, se elimine el efecto Jahn-Teller, que se debe a la débil donante en Cu-S(Met) y donante fuerte en Cu-S(Met). [11]