thumb|right|250px|Struktura hemoglobina. Kofaktor hem sadrži željezo (zeleno osijenčeno).
Metaloprotein je generička oznaka za protein koji sadrži metalni ion kao kofaktor.electronic-book electronic- Ovoj kategoriji pripada veliki broj proteina.
Funkcija Procjenjuje se da oko polovine svih proteina sadrže metal. Prema jednoj drugoj procjeni, oko jednoj četvrtini do jednoj trećini svih proteina je potreban metal za obavljanje njihovih funkcija. Stoga, metaloproteini imaju mnogo različitih funkcija u ćelijama, kao što su skladištenje i transport proteina, enzima i signalizacijski proteini. Uočena je i uloga metalnih iona u zaraznih bolestima.
Principi hemijske koordinacije U metaloproteinima, metalni ioni su obično koordinirani centrima dušika, kisika ili sumpor a, koji pripadaju aminokiselinskim ostacima proteina. Ove grupe donora često daju bočni lanci na ostacima aminokiselina. Posebno su značajni supstituenti imidazola u ostacima histidina, tiolata u cisteinil ostatacima i karboksilna grupa aspartata. S obzirom na raznolikost metaloproteoma, gotovo svi ostatkak aminokiseline ispoljava afinitet da se veže sa metanim l centrima. Peptidna okosnica pruža donorske grupe, gdje spadaju deprotonisani amidi i amidni karbonil centri kisika.
Osim grupe donora koje daju ostataci aminokiselina, veliki broj organskih kofaktora funkcionira kao ligandi. Možda su najpoznatiji tetradentat N4 makrociklički n ligandi uključeni u protein hem. Također su česti i neorganski ligandi kao što su sulfidi i oksidi.Hall J. E., Guyton A. C. (2006): Textbook of medical physiology, 11th edition. Elsevier Saunders, St. Louis, Mo, .Warrell D. A., Cox T. M., Firth J. D. (2010): The Oxford Textbook of Medicine (5th ed.). Oxford University Press.Alberts B. (2002)ː Molecular biology of the cell. Garland Science, New York, .
Skladištenja i transport metaloproteina
Prenosnici kisika Hemoglobin, koji je glavni prenosioc kisika kod ljudi, ima četiri pod-jedinice u kojima je željezo (II) ion koordiniran planarnim, makrocikličnim ligandom protoporfirina IX (PIX) i imidazolskog atoma dušika iz histidinskih ostataka. Šesto koordinacijako mjesto sadrži molekule vode ili kisika. Za razliku od proteina mioglobina, koji se nalazi u mišićnim ćelijama, ima samo jednu takvu jedinicu. Aktivno mjesto se nalazi u hidrofobnom džepu. To je važno, jer bez njega željezo (II) će biti nepovratno oksidirano u željezo (III).Konstanta stabilnosti kompleksa za formiranje HBO2 je takva da se kisik više uzima ili otpušta, zavisno od parcijalnog pritiska kisika u plućima ili u mišićima. Hemoglobinske četiri podjedinice pokazuju efekt kooperativnosti koji omogućava jednostavno prenošenje kisika iz hemoglobina u mioglobin.
Za oba, hemoglobin i mioglobin se ponekad pogrešno navodi da oksidirani oblik sadrži željezo (III). Sada je poznato da se dijamagnetna priroda ovih oblika javlja zato što je atom željeza (II) u stanju niskog spina. U oksihemoglobinu, atom gvožđa se nalazi u ravni porfirinakog prstena, ali u paramagnetnom deoksihemoglobinu, atom željeza je iznad ravni prstena. Ova promjena stanja spina je združeni efekt zbog većeg polja kristalnog cijepanja i manjeg ionskog radijusa Fe2+ u polovini kisika.
Hemeritrin je drugi nosač kisika koji sadrži gvožđe. Mjesto vezanja kisika je binuklearni centar željeza. Atomi željeza koordiniraju protein preko karboksilnih bočnih lanaca pet glutamatskih i aspartatskih histidinskih ostataka. Uzimanje O 2 iz hemerythrin je skupa sa dva-elektrona oksidira reducirani binuklearni centar, vezan za peroksid (OOH-). Mehanizam otpuštanja kisika razrađen je u detalje
Hemocjanin je prenosnik kisika u krvi većine mehkušaca i nekiih člankonožaca (Arthropoda), kao što su rakovi. Oni su drugi pigmenti za vezanje kisika, samo je hemoglobin u "biološkoj popularnosti" obično pominje kao transporter kiseonika. Uz oksigenaciju dva atoma bakra (I) na aktivnom mjestu, oni oksiduju u bakar (II), a molekula kisika se svodi na peroksid, O22–
Hlorokruorin (kao veći nosač ertrokruorina) je hemeprotein vezanja kisika u krvnoj plazmi mnogih Annelida (prstenastih glista), posebno određenih morskih poliheta.
Citohromi
Oksidacijske i redoks reakcije nisu uobičajene u organskoj hemiji uz sudjelovanje nekoliko organskih molekula kao oksidujućih ili reducirajućih agenata. Željezo (II), s druge strane, može se lahko oksidirati na željezo (III). Ova funkcionalnost se koristi u citohromima, koji funkcioniraju kao vektori transfera elektron. Prisustvo iona metala omogućavaju metaloenzimima obavljanje njihovih funkcija, kao što su redoks reakcije koje ne mogu lahko da se odvijaju ograničenim setom funkcijskih grupa koje se nalaze u aminokiselinama.
Atom željeza u većini citohroma je sadržan u hem grupi. Razlike između onih citohroma leže u drugostranom lancu. Naprimjer, citohrom ima protetsku grupu hem a, a citokroma b ima hem b grupu. Te razlike rezultiraju iz različitosti Fe2+/Fe3+ redoks potencijala, tako da su razni citohromi uključeni u mitohondrijske elektrone transportnog lanca.
P450 enzim obavlja funkciju ubacivanja atoma kisika u C-H veze, što je oksidacijska reakcija.
Rubredoksin mini |200px |desno| Aktivno mjesto rubredoksina Rubredoksin je nosač elektrona koji se nalazi u metaboliziranju sumpornih bakterija i archaea. Aktivno mjesto sadrži ion željeza koje koordinira atome sumpora četiri cisteinska ostatka, formirajući gotovo tetraedar. Rubredoksini obavljaju procese transfera jednog elektrona. U oksidaciji se stanje atoma željeza mijenja između stanja +2 i +3. U oba oksidacijska stanja, metal je u visokom spinu, koji pomaže da se smanje strukturne promjene.
Plastocijanin
Plastocijanin je jedan iz porodice plavog bakarnog proteina koji su uključeni u u reakcijama prijenosa elektrona. Mjesto veze bara je opisan kao "iskrivljeni trigonalni piramidni". Trigonalne ravni piramidnih baza se sastoje od dva atoma dušika (N1 i N2) iz odvojenih histidina i sumpora (S1) cisteina. Sumpor (S2) iz aksijalnog metionin čini vrh. U dužim veza između liganada bakra i sumpora, javlja se 'distorzija'. Kontakt Cu-S1 je kraći (207 pikometra) Cu-S2.
Izdužena Cu-S2 veza destabilizira CuII formu i povećava redoks potencijal proteina. Plava boja (597 nm apsorpcijskog vrha) je zbog Cu-S1 veza, gdje se javlja Spπ na Cudx2-y2 prijenos.
U reduciranom obliku plastocijanina, njegov-87 će postati protoniziran sa pKa forme 4.4. Protonacija sprečava da djeluje kao ligand, a geometrija mjesta bakra postaje trigonalna planarna.
Skladištenje i prijenos metalnih iona Željezo U feritinu, željezo je pohranjeno kao željezo (III). Prava priroda njgovog vezivanja još nije utvrđena. Izgleda da je prisutan kao proizvod hidrolize, kao što je željezo FeO(OH) . Željezo prenosi transferin čija se veza sastoji od dva tirozina, jedan asparaginske kiseline i jedan histidina. Ljudsko tijelo nema mehanizam za izlučivanje željeza. To može dovesti do problema sa preopterećenjem željeza u pacijenata liječenih transfuzijom krvi, kao, na primjer, s β - talasemijom.
Bakar
Ceruloplazmin je glavni protein s bakarnim prenosnikom u krvi. Ceruloplazmin ispoljava aktivnost oksidaza, što je povezano sa mogućnošću oksidacije Fe2+ (fero-željezo) u Fe3+ (feri-željezo), što pomaže u transportu u plazmi u saradnji sa transferinom, koji može nositi željezo samo u feri stanju.
Metaloenzimi Metaloenzimi svi imaju jednu zajedničku funkciju, a to je da je metalni ion vezan za proteine sa jednim labilnim koordinacijim mjestom. Kao i kod svih enzima, oblik aktivnog mjesta je od ključnog značaja. Metalni ion se obično nalazi u džepu čiji oblik se uklapa u podlogu. On katalizira reakcije koje je teško postići u organskoj hemiji.
Karboanhidraze
CO2 + H2O ⇌ H2CO3. Ova reakcija je vrlo spora u odsustvu katalizatora, ali prilično brza u prisustvu hidroksidnog iona; CO2 + OH– ⇌ HCO3–. Ta reakcija slična skoro instantant reakciji sa karboanhidrazama. Struktura aktivnog mjesta u ugljik anhidrazama je dobro poznata iz broja kristalnih struktura. Sastoji se od iona cinka koji koordinira tri imidazolska atoma dušika iz tri histidinske jedinice. Četvrto koordinacijsko mjesto zauzima molekula vode. Koordinacijska sfera cinkovog iona je oko tetraedralne. Pozitivno nabijeni cinkov ion polarizira koordinirane molekule vode i nukleofilni napad negativno napunjenog hidoksidnog dijela ugljendioksida (ugljične kiseline), što je odvija brzo. Katalitski ciklusa proizvodi po jedan ion bikarbonata i vodika, kao ravnotežu: H2CO3 ⇌ HCO3– + H + pogoduje disocijaciji ugljene kiseline na biološkoj pH vrijednosti.
Vitamin B12 zavisni enzim Vitamin B12 katalizira prijenos metil (-CH3) grupe između dva molekula, što uključuje razbijanje C-Z veza, proces koji je energetski negativan u organskim reakcijama. Metalni ion smanjuje energiju aktivacije za proces formiranja prolaznog Co-CH3 veza. Strukturu koenzima su slavno odredili Dorothy Hodgkin i kolege, za koju je dobila Nobelovu nagradu za hemiju, 1964.http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1964/index.html. Sastoji se od iona kobalta (II) koji koordinira četiri atoma dušika korinskih prstenova i peti atom dušika iz imidazolne grupe. U stanju ostatka se nalazi Co-Cσ veza sa 5' atomom ugljika u adenozinu. Ovo je organometalni prirodni spoj, što objašnjava njegovu funkciju u reakciji trans-metilacije, kao što je reakcija koja se odvija u sintezi 5-metiltetrahidrofolat-homocistein metiltransferaza.
Nitrogenaza (fiksacija dušika) Fiksacija atmosferskog dušika je energetski vrlo intenzivan proces, jer uključuje razbijanje vrlo stabilne trostruke veze između atoma dušika. Nitrogenaza je jedan od nekoliko enzima koji mogu katalizirati taj proces. Enzim se javlja u određenim bakterijama roda Rhizobium. Postoje tri komponente te akcije: atom molibdena na aktivnom mjestu, željezo-sumpor klasteri koji su uključeni u transport elektrona potrebnih za redukciju dušika, i obilan izvor energije. Energiju obezbeđuje simbiotski odnos između bakterija i biljaka domaćina, često mahunarki. Odnos je simbiotski jer biljka doprinosi energiju fotosinteze i koristi dobijeni fiksirani dušik bakterija. Reakcija se može simbolički izraziti kao: N216MgATP + 8e– → 2NH3 + 16Mg ADP +16Pi + H2, gdje Pi označava anorganski fosfat. Preciznu strukturu aktivnog mjesta je bilo teško odrediti. Čini se da sadrži Mo7S8 klaster koji je u stanju da veže molekuku dušika i, po svoj prilici, omogućava proces početne redukcije.
Superoksid dismutaza mini|right|250px|Aktivno mjesto ugljik anhidraze. koordinirajuća histidinska ostatka so osijenčena zeleno, hidroksid crveno i bijelo, a cink sivo. mini|250px|desno|Mjesto bakra u plastocijaninu thumb|250px|Struktura tetramera ljudske superoksid dismutaze 2
Superoksidni ion, O2– nastaje u biološkim sistemima, redukcijom molekulskog kisika. On ima neuparene elektrone, tako se ponaša kao slobodni radikal. To je moćan oksidujući agens. Ova svojstva čine superoksidni ion vrlo toksičnim i usmjerenim na fagocite da ubije invadirane mikroorganizame. Inače, superoksidni ion mora biti uništen prije nego što to učini neželjene štete u ćeliji. Enzim superoksid dismutaza vrlo efikasno obavlja ovu funkciju.
Formalno oksidacijsko stanje atoma kisika je ½. Rastvori na neutralnom pH, ione superoksida deproportoniziraju do molekulskog kisika i vodik-peroksida:
2O2– + 2H+ → O2 + H2O2.
U biologiji, ove vrste reakcija se nazivaju dismutaza reakcije. To uključuje i oksidaciju i redukciju superoksidnih iona. Grupa enzima superoksid dismutaza, skraćeno SOD, povećava stopu reakcije u blizini ograničene stope difuzije Ključ za akciju ovih enzima je metalni ion sa varijabilnim oksidacijskim stanjem koje mogu djelovati kao oksidirajuće ili kao redukcijsko sredstvo:
Oksidacija M(n+1)++O2– → Mn++O2.
Redukcija Mn++ O2–+ 2H+ → M(n+1)+ + H2O2.