Κοινά ιόντα μετάλλων

• Τα ιόντα μετάλλων παίζουν ουσιαστικό ρόλο στις βιολογικές λειτουργίες πολλών ενζύμων. Τα σύμπλοκα μετάλλου, συνδέτη και γέφυρας ενζύμου είναι μερικοί από τους διαφορετικούς τύπους αλληλεπιδράσεων μετάλλου-πρωτεΐνης.
• Τα μέταλλα μπορούν να λειτουργήσουν ως δότες ή δέκτες ηλεκτρονίων, οξέα Lewis ή δομικοί ρυθμιστές, μεταξύ άλλων. Όσοι εμπλέκονται άμεσα στον καταλυτικό μηχανισμό έχουν μη φυσιολογικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά που αντιπροσωπεύουν την εντατική τους κατάσταση. Τα μέταλλα παίζουν διάφορους ρόλους στα μεταλλοένζυμα, όπως η καρβοξυπεπτιδάση Α, η ηπατική αλκοολική αφυδρογονάση, η ασπαρτική τρανσκαρβαμοϋλάση και η αλκαλική φωσφατάση, ενώ οι νουκλεοτιδικές πολυμεράσες υπογραμμίζουν τη σημασία του ψευδαργύρου στη φυσιολογική ανάπτυξη και ανάπτυξη.

Η αλληλεπίδραση μεταλλικών ιόντων με ένζυμα:

• Πρόκειται για αλληλεπιδράσεις μεταξύ του υποστρώματος και του μεταλλικού ιόντος που έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός συμπλόκου που χρησιμεύει ως πραγματικό υπόστρωμα.
• Η συμπλοκοποίηση υποστρώματος-μετάλλου μπορεί να συμβεί πριν ή μετά τον σχηματισμό του συμπλέγματος ενζύμου-υποστρώματος.
• Το δεύτερο μοντέλο δηλώνει ότι το μέταλλο προσκολλάται πρώτα στην πρωτεΐνη και στη συνέχεια χρησιμεύει ως τοποθεσία αλληλεπίδρασης υποστρώματος.
• Σε αυτήν την περίπτωση, το μέταλλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως σημείο δέσμευσης, ως συστατικό της καταλυτικής συσκευής του ενζύμου ή και τα δύο. Ο ρόλος του ψευδαργύρου στην καρβοξυπεπτιδάση Α είναι ένα παράδειγμα και των δύο αυτών πιθανοτήτων.
• Το άτομο ψευδάργυρου πιστεύεται ότι αλληλεπιδρά με ένα πεπτιδικό υπόστρωμα μέσω του τερματικού του ατόμου οξυγόνου καρβονυλίου. Αυτός που είναι ευαίσθητος στην υδρόλυση είναι ο πεπτιδικός δεσμός. Παρά τη δυνατότητα σχηματισμού σύνδεσης μετάλλου-υποστρώματος, το μέταλλο δεν φαίνεται να απαιτείται για τη σύνδεση του υποστρώματος πεπτιδίου.
• Αν και δεν υδρολύονται, τα πεπτίδια συνδέονται με το απαλλαγμένο από μέταλλα αποένζυμο καθώς και με το μεταλλοένζυμο. Ως αποτέλεσμα, το μέταλλο είναι πιθανό να λειτουργεί ως καταλυτική θέση για πεπτιδικά υποστρώματα.
• Τα υποστρώματα εστέρα καρβοξυπεπτιδάσης, από την άλλη πλευρά, δεν συνδέονται με το αποένζυμο.
• Οι διάφορες κινητικές αποκλίσεις που βρέθηκαν για την καρβοξυπεπτιδάση που λειτουργεί σε εστερικά και πεπτιδικά υποστρώματα έχουν αποδοθεί σε αλλαγές στον τρόπο αλληλεπίδρασης μεταξύ υποστρώματος και μετάλλου.
• Το μέταλλο θα δρούσε σε ένα μέρος του ενζύμου διαφορετικό από το ενεργό σημείο σε ένα τρίτο σενάριο. Σε τέτοιες περιπτώσεις, το μέταλλο μπορεί είτε να διατηρήσει τη δομή της πρωτεΐνης ενώ επηρεάζει μόνο έμμεσα την καταλυτική δραστηριότητα, είτε θα μπορούσε να ρυθμίσει τη δραστηριότητα σταθεροποιώντας περισσότερο ή λιγότερο ενεργές διαμορφώσεις της πρωτεΐνης.
• Το τελευταίο σενάριο είναι πιο πιθανό για ένζυμα που ενεργοποιούνται από μέταλλο, όπου η αλληλεπίδραση μετάλλου-πρωτεΐνης μπορεί να ελέγχεται καλύτερα ρυθμίζοντας τη συγκέντρωση ιόντων μετάλλου στο περιβάλλον. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτά τα σχήματα δεν είναι όλα αμοιβαία ασύμβατα και ότι ορισμένα μεταλλοένζυμα έχει βρεθεί ότι περιέχουν μεταλλικά ιόντα λειτουργικά διακριτών τύπων.

Ρόλος μεταλλικών ιόντων:

• Τα πιο κοινά μέταλλα που βρίσκονται σε ένζυμα που καταλύουν τις διεργασίες οξειδωτικής αναγωγής είναι ο σίδηρος, ο χαλκός και το μολυβδαίνιο.
• Το μεταλλικό ιόν συμμετέχει άμεσα στη διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων στην πλειονότητα των περιπτώσεων και υφίσταται μια κυκλική μετατόπιση στην κατάσταση οξείδωσης. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όπως η διάσπαση του υπεροξειδίου του υδρογόνου που προάγεται από τον σίδηρο, το ελεύθερο μέταλλο είναι ικανό να καταλύεται από μόνο του, αν και η καταλάση είναι τουλάχιστον ένα εκατομμύριο φορές πιο ισχυρή από τον σίδηρο μόνο.
• Σαν αποτέλεσμα, πολλά από τα σημαντικά χαρακτηριστικά της καταλυτικής διαδικασίας συνεισφέρονται από το πρωτεϊνικό συστατικό ενός μεταλλοενζύμου. Παρόλο που ο ψευδάργυρος συμμετέχει σε αντιδράσεις οξειδωτικής αναγωγής, όπως ένα συστατικό της αλκοολικής αφυδρογονάσης, δεν υφίσταται αλλαγή κατάστασης οξείδωσης κατά την ενζυματική κατάλυση.
• Η ηλεκτρική διαμόρφωση του κατιόντος ψευδαργύρου είναι d10 και έχει ελάχιστη τάση να δέχεται ή να δίνει μεμονωμένα ηλεκτρόνια. Αντίθετα, δρα ως οξύ Lewis, αλληλεπιδρώντας με ηλεκτραρνητικούς δότες για να αυξήσει την πολικότητα των χημικών δεσμών, επιτρέποντας τη μεταφορά ατόμων ή ομάδων. Οι απλές διαδικασίες υποκατάστασης χηλικών μετάλλων συνήθως περιλαμβάνουν ενδιάμεσα με ανοιχτή θέση συντονισμού ή παραμορφωμένη σφαίρα συντονισμού. Ο ψευδάργυρος (και επίσης το κοβάλτιο) μπορεί εύκολα να πάρει μια παραμορφωμένη γεωμετρία, καθιστώντας τον καλό υποψήφιο για συμμετοχή σε διαδικασίες υποκατάστασης όπως η καρβονική ανυδράση, η καρβοξυπεπτιδάση και η αλκαλική φωσφατάση.

Συμπέρασμα:

• Τα ιόντα μετάλλων απαιτούνται για ορισμένα ένζυμα να καταλύουν τις αντιδράσεις τους. Η ικανότητα των μεταλλικών ιόντων να προσελκύουν ή να δωρίζουν ηλεκτρόνια συμβάλλει στην καταλυτική διαδικασία. Οι συνδέσεις συντονισμού συνδέουν ορισμένα μέταλλα στο υπόστρωμα.
• Άλλα βοηθούν στο να διατηρηθούν ανέπαφες οι τριτοταγείς και τεταρτοταγείς δομές του μορίου του ενζύμου.