Metaloproteinas PDF

Preview

Summary

metaloproteinas, sistemas complejos....

Description

METALOPROTEINAS 1.

DEFINICIÓN

Metaloproteína: proteína + metal. Es un término genérico para una proteína que contiene un ion metálico como cofactor. Las funciones de las metaloproteínas son muy variadas en las células, actuando como enzimas, proteínas de transporte y almacenamiento,

y

en

la

transducción

de

señales.

De

hecho,

aproximadamente un cuarto a un tercio de todas las proteínas requieren metales para llevar a cabo sus funciones. Las proteínas se coordinan con los iones metálicos a través de los grupos dadores de electrones presentes en los restos de aminoácido, que constituyen la cadena polipeptídica. Los ligandos más frecuentes son los grupos imidazol (histidina), tiolato (cisteína), carboxilato (glutamato, aspartato), fenolato (tirosinja) y tioéter (metionina). Estos mismos grupos son ligandos comunes en muchos complejos metálicos simples. Por lo tanto, desde el punto de vista de la naturaleza de los grupos dadores, las proteínas no tienen nada de particular, son ligandos bastante corrientes. El metal suele estar coordinado por átomos de nitrógeno, oxígeno o azufre pertenecientes a los aminoácidos de la cadena polipeptídica y/o un ligando macrocíclico incorporado en la proteína. La presencia de los iones metálicos en las metaloenzimas les permite llevar a cabo funciones tales como reacciones rédox que no pueden ser fácilmente realizadas por el conjunto limitado de grupos funcionales que se encuentran en los aminoácidos. 2. Función Bioquímica de las metaloproteínas A.

Metaloproteínas de almacenamiento y transporte

Algunas especies químicas pueden unirse reversiblemente al ion metálico de una metaloproteína, sin sufrir ningún cambio químico neto, por lo que pueden ser transportadas en el interior de un ser vivo, generalmente desde el punto donde se absorben del exterior hasta las células que las necesitan.

1

a. Transportadores de oxígeno La hemoglobina es el principal transportador de oxígeno en humanos tiene cuatro subunidades en las que el ion de hierro (II) es coordinado por el ligando plano macrocíclico protoporfirina IX (PIX) y el átomo de nitrógeno del imidazol de un residuo de histidina. El sexto sitio de coordinación contiene una molécula de agua o una molécula de dioxígeno. El sitio activo se encuentra en un bolsillo hidrofóbico; esto es importante, ya que de otro modo el hierro (II) se oxidaría de forma irreversible a hierro (III). La constante de equilibrio para la formación de HbO2 es tal que el oxígeno es tomado o liberado en función de la presión parcial de oxígeno en los pulmones o en los músculos. En la hemoglobina las cuatro subunidades muestran un efecto cooperativo que permite una fácil transferencia de oxígeno de la hemoglobina a la mioglobina. La hemoritrina es otro transportador de oxígeno que contiene hierro. El oxígeno sitio de unión a oxígeno es un centro de hierro binuclear. Los átomos de hierro están coordinados a la proteína a través de carboxilatos de las cadenas laterales de glutamato, aspartato y cinco residuos de histidina. La incorporación de O2 por la hemoritrina es acompañado por la oxidación de dos electrones del centro reducido binuclear, con la producción de peróxido (OOH-). Los mecanismos de captura y liberación de oxígeno son conocidos en detalle. Las hemocianinas transportan oxígeno en la sangre de la mayoría de los moluscos y algunos artrópodos como el cangrejo herradura. Le sigue a la hemoglobina en cuanto a abundancia como forma de transporte de oxígeno. En la oxigenación los dos átomos de cobre (I) del sitio activo se oxidan a cobre (II) y las moléculas de dioxígeno se reducen a peróxido, O22.

2

b. Citocromos Los citocromos poseen un átomo de hierro que en la mayoría de los casos se encuentra coordinado a un grupo hemo. Los citocromos funcionan como vectores de transferencia de electrones oxidando hierro (II) a hierro (III). Las diferencias entre los citocromos radica en las distintas cadenas laterales; por ejemplo el citocromo a tiene un grupo prostético hemo a y un citocromo b tiene un grupo prostético hemo b. Estas diferencias se traducen en diferentes potenciales redox Fe 2+/Fe3+ de tal manera que son varios los citocromos que participan en la cadena de transporte de electrones mitocondrial. Las enzimas del citocromo P450 desempeñan la función de la inserción de un átomo de oxígeno en un enlace C-H, una reacción de oxidación.

c. Rubredoxina

La rubredoxina es un portador de electrones encontrado en bacterias y arqueas que metabolizan azufre. El sitio contiene un ion de hierro que es coordinado por los átomos de azufre de cuatro residuos de cisteína que forman un tetraedro casi regular. Las rubredoxinas realizan procesos de transferencia de un electrón. El estado de oxidación del átomo de hierro cambia entre los estados +2 y +3. En ambos estados de oxidación del metal hay un alto espín lo que ayuda a minimizar los cambios estructurales.

3

d. Almacenamiento y transferencia de hierro El hierro es almacenado como hierro (III) en la ferritina. La naturaleza exacta del sitio de unión no se ha determinado todavía. El hierro parece estar presente como un producto de hidrólisis, como FeO (OH) y es transportado por la transferrina cuyo sitio de unión consiste en dos tirosinas, un ácido aspártico y una histidina. El cuerpo humano no tiene ningún mecanismo de excreción de hierro, esto puede conducir a problemas de sobrecarga de hierro en pacientes tratados con transfusiones de sangre, como, por ejemplo, con β-talasemia

e. Ceruloplasmina La ceruloplasmina es la principal proteína portadora de cobre en la sangre. Exhibe actividad oxidasa, la cual está asociada con la posible oxidación del Fe2+ (ion ferroso) en Fe3+ (ion férrico), por lo tanto, ayuda en su transporte en el plasma, en asociación con la transferrina, que sólo pueden llevar el hierro en estado férrico.

4

B. Metaloenzimas Las metaloenzimas tienen una característica en común, que el ion metálico se une a la proteína con un sitio coordinación lábil. Como ocurre con todas las enzimas, la forma del sitio activo es crucial; el metal normalmente se encuentra en un bolsillo, cuya forma se adapta el sustrato. Los iones metálicos catalizan reacciones que son difíciles de lograr en la química orgánica. a. Anhidrasa carbónica CO2 + H2O H2CO3 Esta reacción es muy lenta en ausencia de un catalizador, pero rápida en presencia del ion hidróxido CO2 + OH- HCO3Una reacción similar a esta es casi instantánea con la anhidrasa carbónica. La estructura del sitio activo es bien conocida; se compone de un ion de zinc coordinado por tres átomos de nitrógeno del imidazol a partir de tres unidades de histidina. El cuarto sitio de coordinación está ocupado por una molécula de agua. Esta coordinación de iones de zinc es aproximadamente tetraédrica, la carga positiva de iones polariza la molécula de agua coordinada y ocurre un ataque nucleofílico por el hidróxido cargado negativamente del dióxido de carbono. El ciclo catalítico produce iones de bicarbonato y de hidrógeno ya que el equilibrio favorece la disociación del ácido carbónico a valores de pH fisiológico. H2CO3 HCO3- + H+

5

b. Enzimas dependientes de vitamina B12 La vitamina B12 cataliza la transferencia de metilo (-CH3) entre dos grupos de moléculas, lo que implica la ruptura de enlaces C-C, un proceso que es energéticamente caro en reacciones orgánicas. El ion de metal disminuye la energía de activación para el proceso de transición mediante la formación de un enlace transitorio Co-CH3. La estructura de esta coenzima la determinó Dorothy Hodgkin, para lo cual recibió un premio Nobel. Consiste de un ion de cobalto (II) coordinado por cuatro átomos de nitrógeno de un anillo de corrina y un quinto átomo de nitrógeno del grupo imidazol. En el estado de reposo hay un enlace σ Co-C con el carbono 5 ' de la adenosina. Este es un compuesto organometálico que se encuentra en la naturaleza, lo que explica su función en la transmetilación, como la llevada a cabo por la metionina sintasa. c. Nitrogenasa La enzima nitrogenasa es uno de los pocos enzimas que pueden catalizar el proceso de fijación de nitrógeno atmosférico. Posee un átomo de molibdeno en el sitio activo y centros de hierro-azufre grupos que participan en el transporte de los electrones necesarios para reducir el nitrógeno. La reacción puede ser escrita como: N2 +16 MgATP +8e- → 2NH3 + 16 MgADP +16 Pi + H2 La estructura exacta del sitio activo ha sido difícil de determinar. Parece contener un centro de MoFe7S8 que es capaz de unirse a la molécula de dinitrógeno y, probablemente, permitir que comience el proceso de reducción. Los electrones son transportados por el centro asociado "P", que contiene dos centros cúbicos Fe4S4 por unidos por puentes de azufre.

6

d. Superóxido dismutasa El ion superóxido, O2- se genera en los sistemas biológicos por la reducción de oxígeno molecular. Tiene un electrón desapareado, por lo que se comporta como un radical libre y es un poderoso agente oxidante. Estas propiedades hacen que el ion superóxido sea muy tóxico y lo utilicen los fagocitos para matar a microorganismos invasores. En caso contrario, el superóxido debe ser destruido antes de que haga daño no deseado a las células. La enzima superóxido dismutasa realiza esta función de manera muy eficiente. El estado de oxidación de los átomos de oxígeno es ½. En soluciones a pH neutro, el ion superóxido dismuta a oxígeno molecular y peróxido de hidrógeno: 2 O2− + 2 H+ → O2 + H2O2 El superóxido, abreviada como SOD, aumenta la tasa de reacción hasta casi el límite de difusión. La clave de acción de estas enzimas es el ion metálico con estados de oxidación variable que puede actuar como agente oxidante o como reductor. Oxidación: M(n+1)+ + O2− → Mn+ + O2 Reducción: Mn+ + O2− + 2H+ → M(n+1)+ + H2O2. En humanos el metal activo es cobre, como Cu2+ o Cu+, coordinado como tetraedro por residuos de histidina. Esa enzima tiene también iones de zinc. Otras isoenzimas pueden contener hierro, manganeso o níquel. Ni-SOD es particularmente interesante ya que involucra al níquel (III), un estado de oxidación inusual para este elemento. La geometría del sitio activo con N cicla de un cuadrado plano Ni (II), con tiolato (Cys2 y Cys6) y nitrógeno (His1 y Cys2), a un cuadrado piramidal con Ni (III) con una His1 axial como ligando.

7

e. Clorofila La clorofila desempeña un papel crucial en la fotosíntesis. Contiene un ion de magnesio encerrado en un anillo de clorina. Sin embargo, el ion magnesio no está directamente implicado en la función fotosintética y pueden ser sustituidos por otro ion divalente con solo un poco de pérdida de actividad. Por el contrario, el fotón es absorbido por el anillo de clorina, cuya estructura electrónica está adaptada para este fin. Inicialmente, la absorción de un fotón provoca que un electrón sea excitado a un estado singulete de la banda Q. El estado excitado se somete a un cruce intersistema de un estado singulete a un estado triplete en el que hay dos electrones con espín paralelo. Esta especie es un radical libre, por lo cual es muy reactivo y permite a un electrón ser transferidos a aceptores adyacentes a la clorofila en el cloroplasto. En este proceso la clorofila es oxidada. Luego en el ciclo fotosintético es reducida aceptando un electrón y el producto final de la oxidación es oxígeno molecular cuyos átomos provienen de moléculas de agua.

8

Otras metaloenzimas:

Ion

Ejemplos de enzimas conteniendo este ion

Magnesio

Glucosa 6-fosfatasa Hexoquinasa ADN polimerasa

Vanadio

Vanabina

Manganeso Arginasa Hierro

Catalasa Hidrogenasa IRE-BP Aconitasa

Níquel

Ureasa Hidrogenasa

Cobre

Citocromo oxidasa Plastocianina Lacasa

Zinc

Alcohol deshidrogenasa Carboxipeptidasa Aminopeptidasa

Molibdeno

Nitrato reductasa Sulfito Oxidasa Xantina Oxidasa Nitrogenasa (Mo y Fe)

Selenio Varios

Glutatión peroxidasa Metalotioneina Fosfatasa

9

C. Metaloproteínas de transducción de señal a. Calmodulina La calmodulina es un ejemplo de transducción de señal de proteínas. Se trata de una pequeña proteína que contiene cuatro motivos mano EF, cada uno de los cuales puede unirse a un ion de Ca2+. En un bucle de mano EF los iones de calcio son coordinados en una configuración

pentagonal

bipiramidal.

Seis

residuos

de ácido

glutámico y ácido aspártico participan en la unión en las posiciones 1, 3, 5, 7, 9, de la cadena del polipéptido. En la posición 12 hay un ligando de glutamato o aspartato, que se comporta como un (ligando bidentado), proveyendo de dos átomos de oxígeno. El noveno residuo en el bucle debe ser necesariamente una glicina debido a exigencias conformacionales de la cadena polipeptídica. La esfera de coordinación del calcio contiene sólo átomos de oxígeno del carboxilato y ningún átomo de nitrógeno. La proteína tiene dos dominios de aproximadamente simétricos, separados por una región "bisagra" flexible. La unión de calcio provoca un cambio conformacional en la proteína. La calmodulina participa en los sistemas de señalización intracelular al actuar como un segundo mensajero ante los primeros estímulos.

b. Factores de transcripción Muchos factores de transcripción contienen una estructura conocida como dedo de zinc, se trata de un módulo estructural donde una región de la proteína se pliega en torno a un ion de zinc. El zinc no toma contacto con el ADN al cual se unen estas proteínas, en su lugar el cofactor es esencial

10

para la estabilidad de la cadena de la proteína ajustadamente plegada. En estas proteínas el ion de zinc generalmente se encuentra coordinado por pares de cisteína e histidina de las cadenas laterales. La estructura exacta del sitio activo ha sido difícil de determinar. Parece contener un centro de MoFe 7S8 que es capaz de unirse a la molécula de dinitrógeno y, probablemente, permitir que comience el proceso de reducción. Los electrones son transportados por el centro asociado "P", que contiene dos centros cúbicos Fe4S4por unidos por puentes de azufre.

3.PROPIEDADES DE LOS IONES METÁLICOS Y SUS LIGANDOS EN SISTEMAS BIOLÓGICOS Los cationes di y tri-valentes que son usados en sistemas biológicos suelen manejarse como ácidos σ, que generalmente se desempeñan como aceptores electrónicos por vía σ. En los cationes divalentes, la acidez sigue la orden de la serie de Irving y Williams: Mg < Mn < Fe < Co < Ni < Cu > Zn De esta serie, sólo el Zinc (II) es usado en base a esta propiedad. Por otro lado, las variaciones de acidez también están influenciadas por los ligandos y, en sistemas biológicos, hay ligandos que tienen la capacidad de modificar sustancialmente estas propiedades. Como, por ejemplo, cuando

11

el Fe (II) se incorpora a la porfina o el Co (II) a la corrina, se produce una disminución de su acidez σ, la cual es muy notable, generándose también un notable poder donador π, de tal forma que el Fe (II) en la mioglobina no logra interaccionar con el agua. La aparición de esta capacidad donora π es fundamental para que se pueda realizar ciertas funciones como la activación y transporte de oxígeno en la interacción del hierro porfirínico con O2 . Pero, asi como hay átomos o grupo de átomos que pueden interactuar con centros metálicos también hay posible interacción de cationes con el agua o con sus formas deprotonadas (OH− y O2 ), asi como con el anión S 2− , fosfatos y otras especies orgánicas. Actualmente, se conoce poco acerca de la interacción de metales con lípidos e hidratos de carbono en seres viviente, a pesar de que estas moléculas posean sitios de coordinación adecuados para la formación de estos complejos metálicos y existe menos información aún de la interacción de metales con hormonas, vitaminas y otras coenzimas. Las cadenas laterales de proteínas, contienen grupos con gran afinidad por los centros metálicos biológicamente relevantes como restos carboxilato, grupos hidroxilo, N-imidazolínico, etc. Las bases nucleicas también poseen una gran capacidad de coordinación, la cual está exaltada por las variadas posibilidades tautoméricas que poseen. Asu vez, los grupos fosfatos y las pentosas de los nucleótidos son los ligandos apropiados para muchos centros metálicos. Sin embargo, los sistemas biológicos han generado otra serie de ligandos particulares, los cuales son capaces de impartir a los centros metálicos a los que acomplejan, propiedades sumamente importantes e interesantes. Estos ligandos son esencialmente macrociclos tertrapirrólicos, los cuales actúan como quelantes tetradentados, de los cuales los más importantes y ampliamente difundidos son las porfirinas. Las porfirinas pueden generar complejos cuadrados planos, piramidales u octaédricos, llamados también coordinación 5 y 6 respectivamente,

12

ampliando así la variedad de sus posibilidades como ligandos. Uno de los más importantes y frecuentes en la llamada Protoporfirina IX, la cual forma complejo con el hierro.

Estructura de la Fe-protoporfirina IX

Asi mismo las porfirinas en sus formas deprotonadas, cargado negativamente, el ligando es apto para complejar aún a especies metálicas relativamente lábiles. Asimismo, poseen un sistema de uniones π conjugadas, los cuales están fuertemente delocalizados, lo cual permite la reactividad y propiedades generales de sus complejos. METALOPORFINAS: Las metaloporfirinas son derivados de las porfirinas donde por lo menos un par de electrones de los átomos de nitrógeno centrales de la porfirina se coordina con un ácido de lewis (usualmente un catión divalente Mg (II), Ca (II),

Zn

(II),

Mn

(II),

Co

(II),

Fe

(II),

El ión metálico ocupa el centro de la cavidad de la porfirina.

13

Cu

(II)).

4. LIGANDOS A. CONCEPTO En términos muy generales se puede definir un ligando como una molécula capaz de ser reconocida por otra provocando una respuesta biológica. Por ejemplo, podemos encontrar ligandos como las hormonas implicados en la señalización intercelular, o ligandos que actúan como reguladores de la actividad enzimática uniéndose a las enzimas que modulan. En la transmisión de información biológica mediante el reconocimiento molecular se podría decir que el ligando es el agente pasivo. En el reconocimiento molecular interviene tanto la topología de las moléculas como sus características físico-químicas que permiten la formación de enlaces no covalentes reversibles. La actividad que desencadena el reconocimiento de un ligando puede variar desde la apertura o cierre de un canal iónico a la regulación de la acción de una enzima o el inicio de una cascada de señalización intracelular. El reconocimiento de ligandos por receptores de membrana es un evento clave en la señalización celular. La unión del ligando a su receptor generalmente provoca un cambio conformacional del receptor que puede favorecer la apertura de un canal iónico (como ocurre en la sinapsis) o la síntesis de un segundo mensajero al favorecer una reacción enzimática (como ocurre en las cascadas de señalización intracelular). Las hormonas son un ejemplo de ligandos que necesitan de la unión a un receptor de membrana para completar el proceso de transmisión de información entre células.

14

El término ligando también se emplea con pequeñas moléculas que se unen a enzimas de forma no covalente regulando su actividad. A diferencia de los sustratos y los cofactores los ligandos no participan en la reacción. Existen casos en que el ligando y el sustrato de una enzima pueden ser la misma molécula. Este es el caso de la enzima fosfofructoquinasa (PFK) que usa el ATP como sustrato a baja...