Białko miedzi - Copper protein

Białka miedzi to białka zawierające jeden lub więcej jonów miedzi jako grupy prostetyczne . Białka miedzi znajdują się we wszystkich formach życia oddychającego powietrzem. Białka te są zwykle związane z przeniesieniem elektronów z udziałem tlenu (O 2 ) lub bez niego . Niektóre organizmy wykorzystują nawet białka miedzi do przenoszenia tlenu zamiast białek żelaza. Znaczącymi białkami miedzi u ludzi jest oksydaza cytochromu c (cco). Enzym cco pośredniczy w kontrolowanym spalaniu, które wytwarza ATP .

Klasy

Centra metaliczne w białkach miedzi można podzielić na kilka typów:

  • Centra miedzi typu I (T1Cu) charakteryzują się pojedynczym atomem miedzi koordynowanym przez dwie reszty histydyny i resztę cysteiny w strukturze trygonalnej planarnej oraz zmienny ligand osiowy . W białkach T1Cu klasy I (np. amicyjanina , plastocyjanina i pseudoazuryna) ligandem aksjalnym jest siarka metioniny , natomiast aminokwasy inne niż metionina (np. glutamina ) powodują powstanie białek miedzi T1Cu klasy II. Azurins zawierają trzeci rodzaj centrów T1Cu: oprócz metioniny w jednym położeniu osiowym, zawierają drugi osiowy ligand (ą grupę karbonylową z glicyny pozostałości). Białka zawierające T1Cu są zwykle nazywane „cupredoksynami” i wykazują podobne trójwymiarowe struktury, stosunkowo wysokie potencjały redukujące (> 250 mV) i silną absorpcję w pobliżu 600 nm (ze względu na przeniesienie ładunku SCu ), co zwykle powoduje kolor niebieski. Cupredoksyny są zatem często nazywane „niebieskimi białkami miedzi”. Może to być mylące, ponieważ niektóre centra T1Cu również absorbują około 460 nm i dlatego są zielone. W badaniach spektroskopowych EPR centra T1Cu wykazują małe, nadsubtelne rozszczepienia w równoległym obszarze widma (w porównaniu do zwykłych związków koordynacyjnych miedzi).
  • Centra miedzi typu II (T2Cu) wykazują kwadratową płaską koordynację przez ligandy N lub N/O . Wykazują osiowe widmo EPR z nadsubtelnym rozszczepieniem miedzi w obszarze równoległym, podobnym do obserwowanego w zwykłych związkach koordynacyjnych miedzi. Ponieważ nie występuje ligacja siarki, widma optyczne tych centrów nie mają charakterystycznych cech. Ośrodki T2Cu występują w enzymach , gdzie pomagają w utlenianiu lub utlenianiu.
  • Centra miedzi typu III (T3Cu) składają się z pary centrów miedzi, z których każde koordynowane jest przez trzy reszty histydynowe. Białka te nie wykazują sygnału EPR z powodu silnego sprzężenia antyferromagnetycznego (tj. parowania spinów) między dwoma jonami metalu S = 1/2 z powodu ich kowalencyjnego nakładania się z ligandem mostkującym . Ośrodki te są obecne w niektórych oksydazach i białkach transportujących tlen (np. hemocyjaninie i tyrozynazie ).
  • Dwujądrzaste centra miedzi i stopów miedzi ( A ) znajdują się w cytochromu c oksydazy i azotu, tlenku reduktazy ( EC 1.7.99.6 ). Dwa atomy miedzi są koordynowane przez dwie histydyny, jedną metioninę, tlenowy karbonylowy szkielet białka i dwie mostkujące reszty cysteiny.
  • Centra miedzi (Cu B B ) znajdują się w cytochromu c oksydazy . Atom miedzi jest koordynowany przez trzy histydyny w trójkątnej geometrii piramidy.
  • Czterojądrowe centrum miedzi Z (Cu Z ) znajduje się w reduktazie podtlenku azotu. Cztery atomy miedzi są koordynowane przez siedem reszt histydynowych i połączone mostkiem przez atom siarki.

Niebieskie białka miedzi

Niebieskie białka miedzi zawdzięczają swoją nazwę intensywnemu niebieskiemu zabarwieniu ( Cu(II) ). Niebieskie białko miedzi często nazywane jest „ białkiem księżyca ”, co oznacza, że ​​białko może pełnić więcej niż jedną funkcję. Służą one jako środki przenoszenia elektronów, z miejscem aktywnym przemieszczającym się między Cu(I) i Cu(II). Cu 2+ w stanie utlenionym może przyjąć jeden elektron, tworząc Cu 1+ w zredukowanym białku. Geometria centrum Cu ma duży wpływ na jego właściwości redoks. Zniekształcenie Jahna-Tellera nie dotyczy niebieskich białek miedzi, ponieważ miejsce miedzi ma niską symetrię, która nie wspiera degeneracji w rozgałęzieniu d-oczodołu. Brak dużych zmian reorganizacyjnych zwiększa tempo ich przenoszenia elektronów. Miejsce aktywne białka niebieskiej miedzi typu I. Dwie 2-histydyny, 1 metionina i 1 cysteina obecne w sferze koordynacji. Przykładami białka niebieskiej miedzi typu I są plastocyjanina , azuryna i reduktaza azotynowa, hemocyjanina i tyrozynaza .

Struktura niebieskich białek miedzi typu I centrów miedziowych

Białka Blue Copper, klasa białek miedzi typu 1, to małe białka zawierające fałd miedziowy i pojedynczy jon miedzi typu I koordynowany przez dwa N-donory histydyny , S-donor tiolanu cysteiny i S-donor tioeteru metioniny . W stanie utlenionym jon Cu +2 będzie tworzył koordynację trygonalną dwupiramidową lub czworościenną. Białka miedzi typu 1 są identyfikowane jako niebieskie białka miedzi ze względu na przeniesienie ładunku liganda do metalu intensywne pasmo przy długości fali 600 nm, które nadaje charakterystyczny ciemnoniebieski kolor obecny w widmie absorpcji elektronów.

Struktura miejsca aktywnego białka niebieskiej miedzi typu 1.

Struktura białkowa białka miedzi typu 1, amicyjanina , jest zbudowana z fałd polipeptydowych, które są powszechnie spotykane w strukturze kanapkowej niebieskich białek miedziowych β. Struktura jest bardzo podobna do plastocyjaniny i azuryny, ponieważ są one również identyfikowane jako białka miedzi typu 1. Są one również podobne do siebie ze względu na geometrię miejsca miedzi w każdym białku miedzi. Białkowa azuryna ma trygonalną dwupiramidową geometrię z podłużnymi osiowymi ligandami glicyny i metoinionowej siarki. Plastocyjaniny posiadają dodatkowy metioninowy ligand siarkowy w pozycji osiowej. Główną różnicą każdego białka miedzi jest to, że każde białko ma inną liczbę i rodzaj ligandu skoordynowanego z centrum miedzi.

Struktura elektronowa kompleksów miedzi typu I białka niebieskiej miedzi

Silne wiązanie pomiędzy jonami miedzi i siarki cysteiny umożliwia niezwiązanego elektronu na cysteinę siarki być obecny zarówno na niskie / wirowania, stan jonów miedzi, d x 2 -d Y 2 orbitalny i p-orbitalnym z siarka cysteinowa. Większość kompleksów miedzi (II) wykazuje efekt Jahna-Tellera, gdy kompleks tworzy tetragonalne zniekształcenie złożonej geometrii oktaedrycznej . W przypadku niebieskich białek miedzi powstanie zniekształcony kompleks czworościenny z powodu silnego równikowego ligandu cysteinowego i słabego aksjalnego ligandu metioninowego. Dwa obojętne ligandy histydynowe są pozycjonowane przez ligand białkowy, więc geometria jest zniekształcona czworościenna. To spowoduje, że nie będą w stanie idealnie koordynować jako czworościenne lub kwadratowe.

Zmiany spektralne wraz z temperaturą

Obniżenie temperatury może zmienić przejścia. Intensywną absorbancję przy około 16000 cm- 1 charakteryzowała cecha absorpcyjna miedzi niebieskiej. Istniało drugie pasmo cech o niższej energii z umiarkowaną intensywnością absorpcji. Dane dotyczące absorpcji spolaryzowanych kryształów sygnału na plastocyjaninie wykazały, że oba pasma mają ten sam stosunek polaryzacji, co związane z wiązaniem Cu(II)-S(Cys). Wyjaśnia to, że normalny kompleks miedziowy ma wysokoenergetyczną sigma i niskoenergetyczne słabe wiązania π. Jednak w przypadku niebieskiego białka miedzi mają sigma o niskiej energii i słabe wiązania π o wysokiej energii, ponieważ intensywność CT odzwierciedla nakładanie się orbitali donorowych i akceptorowych w procesie CT. Wymaga to, 3D (x 2 -y 2 ) orbitalnej niebieskiego miejscu miedzi być tak zorientowany, że jego płaty przepoławiać Cu-S (Cys) wiązania, dając dominującą gatunku nakładania się siarkę bezpośrednio. Wreszcie, natura funkcji falowej stanu podstawowego białka niebieskiej miedzi jest bogata w widmo absorpcji elektronów.

Koordynacja metalowa sfery wewnętrznej i zewnętrznej

Wiązania jonów cysteinowo-siarkowo-miedziowych (II) mieszczą się w zakresie od 2,6 do 3,2 Å. W postaci zredukowanej, CuI , struktury białkowe są nadal tworzone z wiązaniami wydłużonymi o 0,1 Å lub mniej. dzięki utlenionym i zredukowanym strukturom białkowym można je nakładać. W przypadku amicyjaniny istnieje wyjątek, ponieważ histydyna jest poddawana ligacji i nie jest związana z jodkiem miedzi. W Azurin The cysteina 112 tiolanu przyjmuje wiązań wodorowych ze szkieletu amidowej asparaginy 47 i fenyloalaniny 114 i histydyny 46 przekazuje wiązania wodorowego ze szkieletem karbonylowej Asparagine10. Cysteine84 tiolanowy z plastocyjaniny przyjmuje wiązania wodorowego ze szkieletem amidowej, asparaginy 38 i Histidine37 wchodzą mocno w interakcje ze szkieletem karbonylowej Alanina 33 i słabiej ze szkieletem karbonylowej leucyny 5, glicyna 34 i szkieletem amidowej Phenylalanine35.

Diagram energetyczny przedstawiający efekt pola niebieskiego liganda białka miedzi (Solomon et al., 2004)

Białko Niebieskiej Miedzi "Stan brzuszny"

Degeneracja orbitalna jest usuwana z powodu asymetrycznego pola ligandów. Na asymetryczne pole ligandów wpływa silny ekwatorialny ligand cysteinowy i słaby aksjalny ligand metioninowy. Reorganizacja stanu utlenionego Cu +2 w miejscu aktywnym białka miedzi w kolorze niebieskim będzie zminimalizowana ze względu na fakt, że w stanie utlenionym Cu +2 efekt Jahna-Tellera będzie nieskuteczny. Na rysunku 2 przedstawiono diagram poziomów energii, który pokazuje trzy różne idealne geometrie i ich stany zdegenerowane. (I) przedstawia schemat poziom energii o czworościennej strukturze geometrycznej z T 2 zdegenerowanego stanu podstawowego. Wynika to ze zniekształceń Jahna-Tellera spowodowanych utlenianiem. (ii) stanowi wykres poziomu energię C 3V strukturze symetrycznej o 2 E stanie zdegenerowany gruntu. Wynikało to z wydłużenia wiązania tioeterowego w miejscu redukcji niebieskiego białka miedzi. Niesparowane elektrony prowadzą do efektu Jahna-Tellera. (iii) przedstawia diagram poziomów energetycznych stanów podstawowych, które nie są na równym poziomie. To pokazuje, że nie występuje efekt Jahna-Tellera. Wynika to z silnych interakcji donorów równikowych i słabych donorów osiowych. (iv) reprezentuje różnicę odległości między d xy i d x 2 −y 2 .

Zobacz też

Bibliografia