Białko miedziowe
Białka miedzi to białka , które zawierają jeden lub więcej jonów miedzi jako grupy prostetyczne . Białka miedzi występują we wszystkich formach życia oddychającego powietrzem. Białka te są zwykle związane z przenoszeniem elektronów z lub bez udziału tlenu (O 2 ). Niektóre organizmy używają nawet białek miedzi do przenoszenia tlenu zamiast białek żelaza. Wybitnym białkiem miedzi u ludzi jest oksydaza cytochromu c (cco). Enzym cco pośredniczy w kontrolowanym spalaniu, w wyniku którego powstaje ATP .
Klasy
Centra metali 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 trygonalnej płaskiej strukturze oraz zmienny ligand osiowy . W białkach T1Cu klasy I (np. amicyjanina , plastocyjanina i pseudoazuryna) ligandem osiowym jest siarka metioniny , natomiast aminokwasy inne niż metionina (np. glutamina ) dają początek białkom miedzi klasy II T1Cu. Azuryny zawierają trzeci typ centrów T1Cu: poza metioniną w jednej pozycji osiowej zawierają drugi ligand osiowy (grupę karbonylową reszty glicyny ). Białka zawierające T1Cu są zwykle nazywane „kupredoksynami” i wykazują podobną trójwymiarową strukturę, stosunkowo wysokie potencjały redukcyjne (> 250 mV) oraz silną absorpcję w pobliżu 600 nm (ze względu na przeniesienie ładunku S → Cu) , co zwykle prowadzi do niebieski kolor. Dlatego kupredoksyny są często nazywane „białkami niebieskiej miedzi”. Może to być mylące, ponieważ niektóre centra T1Cu również absorbują około 460 nm i dlatego są zielone. Podczas badania za pomocą EPR centra T1Cu wykazują małe nadsubtelne rozszczepienia w równoległym obszarze widma (w porównaniu ze zwykłymi związkami koordynacyjnymi miedzi).
- Centra miedzi typu II (T2Cu) wykazują kwadratową płaską koordynację przez ligandy N lub N/O . Wykazują osiowe EPR z nadsubtelnym rozszczepieniem miedzi w obszarze równoległym, podobne do obserwowanego w regularnych związkach koordynacyjnych miedzi. Ponieważ nie występuje ligacja siarki, widma optyczne tych centrów nie mają charakterystycznych cech. Centra T2Cu występują w enzymach , gdzie biorą udział w utlenianiu lub utlenianiu.
- Centra miedzi typu III (T3Cu) składają się z pary centrów miedzi, z których każdy jest koordynowany przez trzy reszty histydynowe. Białka te nie wykazują sygnału EPR z powodu silnego sprzężenia antyferromagnetycznego (tj. parowania spinów) między dwoma jonami metali S = 1/2 z powodu ich kowalencyjnego nakładania się z ligandem mostkującym . Centra te są obecne w niektórych oksydazach i białkach transportujących tlen (np. hemocyjanina i tyrozynaza ).
- Dwujądrowe centra miedzi A (Cu A ) znajdują się w oksydazie cytochromu c i reduktazie podtlenku azotu ( EC 1.7.99.6 ). Dwa atomy miedzi są koordynowane przez dwie histydyny, jedną metioninę, tlen karbonylowy szkieletu białka i dwie mostkowe reszty cysteiny.
- Centra B miedzi (Cu B ) znajdują się w oksydazie cytochromu c . Atom miedzi jest koordynowany przez trzy histydyny w geometrii piramidy trygonalnej.
- 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) ). Białko niebieskiej miedzi często nazywane jest „ białkiem księżycowym ”, co oznacza, że białko może pełnić więcej niż jedną funkcję. Służą jako środki przenoszące elektrony, 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 ma zastosowania do białek niebieskiej miedzi, ponieważ miejsce miedzi ma niską symetrię, która nie obsługuje degeneracji w rozmaitości d-orbitalnej. Brak dużych zmian reorganizacyjnych zwiększa szybkość ich przenoszenia elektronów. Miejsce aktywne białka niebieskiej miedzi typu I. W sferze koordynacyjnej obecne są dwie 2-histydyny, 1 metionina i 1 cysteina. Przykładem niebieskiego białka miedziowego typu I są plastocyjanina , azuryna i reduktaza azotynowa, hemocyjanina i tyrozynaza .
Struktura centrów miedzi typu I niebieskich białek miedzi
Białka niebieskiej miedzi, klasa białek miedzi typu 1, to małe białka zawierające fałd kupredoksyny i pojedynczy jon miedzi typu I koordynowany przez dwóch N-donorów histydyny , tiolanu cysteiny S-donora i tioeteru metioniny S-donora. W stanie utlenionym Cu +2 utworzy trygonalną koordynację bipiramidalną lub czworościenną. Białka miedzi typu 1 są identyfikowane jako niebieskie białka miedzi, ponieważ ligand przenosi ładunek metalu na intensywne pasmo przy 600 nm, które daje charakterystyczny ciemnoniebieski kolor obecny w widmie absorpcji elektronów.
Struktura białkowa białka niebieskiej miedzi typu 1, amicyjaniny , jest zbudowana z fałdów polipeptydowych, które są powszechnie spotykane w strukturze warstwowej β białek niebieskiej miedzi. Struktura jest bardzo podobna do plastocyjaniny i azuryny , ponieważ identyfikują je również jako białka miedzi typu 1. Są również do siebie podobne ze względu na geometrię miejsca miedzi w każdym białku miedzi. Białko azuryna ma trygonalną geometrię bipiramidalną z wydłużonymi osiowymi ligandami glicynowymi i metoinionowymi. Plastocyjaniny mają dodatkowy ligand siarki metioniny w pozycji osiowej. Główną różnicą każdego białka miedzi jest to, że każde białko ma inną liczbę i gatunek ligandu skoordynowanego z centrum miedzi.
Struktura elektronowa kompleksów miedzi typu I z niebieskim białkiem miedzi
Silne wiązanie między jonem miedzi a siarką cysteiny pozwala na obecność niezwiązanego elektronu na siarce cysteiny zarówno na jonie miedzi w stanie niskiego/wysokiego spinu, orbicie d x 2 -dy y 2 , jak i orbicie p siarka cysteinowa. Większość kompleksów miedzi (II) będzie wykazywać efekt Jahna-Tellera , gdy kompleks tworzy tetragonalne zniekształcenie ośmiościennej złożonej geometrii. W przypadku białek niebieskiej miedzi powstanie zniekształcony czworościenny kompleks z powodu silnego równikowego liganda cysteiny i słabego osiowego liganda metioniny. Dwa neutralne ligandy histydynowe są ustawione przez ligand białkowy, więc geometria jest zniekształcona czworościennie. Spowoduje to, że nie będą w stanie idealnie koordynować jako czworościenny lub kwadratowy planarny.
Widmowe zmiany wraz z temperaturą
Obniżenie temperatury może zmienić przejścia. Intensywna absorbancja przy około 16000 cm -1 charakteryzowała się cechą absorpcji niebieskiej miedzi. Istniało drugie pasmo cech o niższej energii z umiarkowaną intensywnością absorpcji. Dane dotyczące absorpcji spolaryzowanego kryształu sygnałowego na plastocyjaninie wykazały, że oba pasma mają taki sam współczynnik polaryzacji, jak związany z wiązaniem Cu(II)-S(Cys). Wyjaśnia to, że normalny kompleks miedziowy ma sigma o wysokiej energii i słabe wiązania π o niskiej energii. Jednak w przypadku niebieskiego białka miedzi mają niskoenergetyczne wiązania sigma i wysokoenergetyczne słabe wiązania π, ponieważ intensywność CT odzwierciedla nakładanie się orbitali donorowych i akceptorowych w procesie CT. Wymagało to, aby orbital 3d (x 2 -y 2 ) miejsca niebieskiej miedzi był zorientowany tak, że jego płaty przecinają wiązanie Cu-S(Cys) na pół, dając dominujące π nakładanie się bezpośrednio z siarką. Wreszcie, natura funkcji falowej stanu podstawowego białka niebieskiej miedzi jest bogata w widmo absorpcji elektronów.
Metalowa koordynacja sfery wewnętrznej i zewnętrznej
Wiązania jonowe cysteiny z siarką i miedzią (II) mieszczą się w zakresie od 2,6 do 3,2 Å. W postaci zredukowanej CuI struktury białkowe są nadal tworzone z wydłużonymi wiązaniami o 0,1 Å lub mniej. z utlenionymi i zredukowanymi strukturami białkowymi można je nakładać. W przypadku amicyjaniny istnieje wyjątek, ponieważ histydyna jest zligowana i nie jest związana z jodkiem miedzi. W azurynie tiolan cysteiny 112 przyjmuje wiązania wodorowe ze szkieletu amidowego asparaginy 47 i fenyloalaniny 114, a histydyna 46 przekazuje wiązanie wodorowe do karbonylowego szkieletu asparaginy10. Cysteine84 tiolan plastocyjaniny przyjmuje wiązanie wodorowe ze szkieletu amidowego, asparaginy 38 i histydyny37 silnie oddziałuje z karbonylowym szkieletem alaniny 33 i słabiej z karbonylowym szkieletem leucyny 5, glicyny 34 i szkieletem amidowym fenyloalaniny35.
Białko niebieskiej miedzi „stan entatyczny”
Kompleksy Cu 2+ zwykle mają niskie szybkości transferu. Przykładem jest Cu 2+/+ aquo, które wynosi 5 x 10-7 M - 1 .sec -1 w porównaniu z białkiem niebieskiej miedzi, które wynosi 1ms-01μs. Po przeniesieniu elektronów utleniony stan Cu 2+ w miejscu aktywnym białka niebieskiej miedzi zostanie zminimalizowany, ponieważ zminimalizowany zostanie efekt Jahna-Tellera. Zniekształcona geometria zapobiega zniekształceniom Jahna-Tellera. Degeneracja orbity jest usuwana z powodu asymetrycznego pola liganda. Na asymetryczne pole liganda wpływa silny równikowy ligand cysteiny i słaby osiowy ligand metioniny. Na rycinie 2 diagram poziomów energii pokazuje trzy różne odpowiednie geometrie i ich rozszczepienie d-orbitalne, a efekt Jahna-Tellera jest pokazany na niebiesko. (i) pokazuje diagram poziomów energii w geometrii czworościennej z a, które jest zdegenerowane. Struktura czworościenna może ulec zniekształceniu Jahna-Tellera z powodu zdegenerowanych orbitali. (ii) pokazuje diagram rozszczepienia poziomu energii w symetrycznej geometrii C3v ze stanem podstawowym 2E , który jest zdegenerowany. Geometria C3v wydłużone wiązanie tioeterowe metioniny w miejscu zredukowanym. Niesparowane elektrony prowadzą do efektu Jahna-Tellera. (iii) przedstawia schemat podziału energii stanu podstawowego geometrii Cs z dłuższym wiązaniem tioestrowym i kolejno krótszym wiązaniem tiolanowym. To jest właściwa geometria białka niebieskiej miedzi. To pokazuje, że nie ma obecności efektu Jahna-Tellera. Diagram energetyczny pokazuje, że asymetria krótkiego wiązania Cu-S(Cys) i mocno zniekształcone kąty wiązania Cu-L powodują usunięcie degeneracji orbitali, a tym samym usunięcie efektu Jahna-Tellera, który jest spowodowany słabym donor przy Cu-S(Met) i silny dawca przy Cu-S(Met).