Metaloproteína

La hemoglobina , principal transportadora de oxígeno en humanos, posee cuatro subunidades en las que el ion hierro (II) está coordinado por el ligando macrocíclico planar 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 de dioxígeno . En contraste, la proteína mioglobina , presente en las células musculares , posee una sola unidad de este tipo. El sitio activo se encuentra en una cavidad hidrofóbica . Esto es importante, ya que sin ella el hierro (II) se oxidaría irreversiblemente a hierro (III). La constante de equilibrio para la formación de HbO₂ _es tal que el oxígeno se capta o libera dependiendo de la presión parcial de oxígeno en los pulmones o en el músculo. En la hemoglobina, las cuatro subunidades muestran un efecto cooperativo que facilita la transferencia de oxígeno de la hemoglobina a la mioglobina. ^{[ 11 ]}

En la hemoglobina y la mioglobina, a veces se afirma erróneamente que la especie oxigenada contiene hierro(III). Ahora se sabe que la naturaleza diamagnética de estas especies se debe a que el átomo de hierro(II) se encuentra en un estado de bajo espín . En la oxihemoglobina, el átomo de hierro se ubica en el plano del anillo de porfirina, pero en la desoxihemoglobina paramagnética, el átomo de hierro se encuentra por encima del plano del anillo. ^{[ 11 ]} Este cambio en el estado de espín es un efecto cooperativo debido al mayor desdoblamiento del campo cristalino y al menor radio iónico del Fe²⁺ ^en la porción de oxihemoglobina.

La hemeritrina es otro transportador de oxígeno que contiene hierro. El sitio de unión del oxígeno es un centro de hierro binuclear. Los átomos de hierro se coordinan a la proteína a través de las cadenas laterales de carboxilato de un residuo de glutamato y aspartato , y cinco residuos de histidina . La captación de O₂ _por la hemeritrina se acompaña de una oxidación de dos electrones del centro binuclear reducido para producir peróxido unido (OOH⁻ ⁾ . El mecanismo de captación y liberación de oxígeno se ha estudiado en detalle. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Las hemocianinas transportan oxígeno en la sangre de la mayoría de los moluscos y algunos artrópodos , como el cangrejo herradura . Su uso biológico en el transporte de oxígeno es el segundo más importante después de la hemoglobina. Durante la oxigenación, los dos ^átomos de cobre (I) en el sitio activo se oxidan a cobre (II) y las moléculas ^de dioxígeno se reducen a peróxido, O₂⁻ . ^{[ 14 ] [} ₁₅ ^]

La clorocruorina (al igual que la eritrocruorina, su transportador de mayor tamaño ) es una hemoproteína que se une al oxígeno y que está presente en el plasma sanguíneo de muchos anélidos , en particular de ciertos poliquetos marinos .

Las reacciones de oxidación y reducción no son comunes en química orgánica , ya que pocas moléculas orgánicas pueden actuar como agentes oxidantes o reductores . El hierro (II), por otro lado, puede oxidarse fácilmente a hierro (III). Esta funcionalidad se utiliza en los citocromos , que funcionan como vectores de transferencia de electrones . La presencia del ion metálico permite a las metaloenzimas realizar funciones como reacciones redox que no pueden ser realizadas fácilmente por el conjunto limitado de grupos funcionales que se encuentran en los aminoácidos . ^{[ 16 ]} El átomo de hierro en la mayoría de los citocromos está contenido en un grupo hemo . Las diferencias entre estos citocromos radican en las diferentes cadenas laterales. Por ejemplo, el citocromo a tiene un grupo prostético hemo a y el citocromo b tiene un grupo prostético hemo b . Estas diferencias dan como resultado diferentes potenciales redox Fe ²⁺ /Fe ³⁺ de tal manera que varios citocromos participan en la cadena de transporte de electrones mitocondrial . ^{[ 17 ]}

Las enzimas del citocromo P450 realizan la función de insertar un átomo de oxígeno en un enlace C−H, una reacción de oxidación. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

La rubredoxina es un transportador de electrones presente en bacterias y arqueas metabolizadoras de azufre . Su sitio activo contiene un ion hierro coordinado por los átomos de azufre de cuatro residuos de cisteína , formando un tetraedro casi regular . Las rubredoxinas realizan procesos de transferencia de un electrón. El estado de oxidación del átomo de hierro varía entre +2 y +3. En ambos estados, el metal presenta un alto espín , lo que ayuda a minimizar los cambios estructurales.

La plastocianina es una de las proteínas de cobre azules que participan en reacciones de transferencia de electrones . El sitio de unión del cobre se describe como una pirámide trigonal distorsionada . ^{[ 20 ]} El plano trigonal de la base piramidal está compuesto por dos átomos de nitrógeno (N ₁ y N ₂ ) de histidinas separadas y un azufre (S ₁ ) de una cisteína. El azufre (S ₂ ) de una metionina axial forma el vértice. La distorsión se produce en las longitudes de enlace entre los ligandos de cobre y azufre. El contacto Cu−S _{1 es más corto (207} pm ) que el Cu−S ₂ (282 pm ). El enlace Cu−S ₂ alargado desestabiliza la forma Cu(II) y aumenta el potencial redox de la proteína. El color azul (pico de absorción a 597 nm ) se debe al enlace Cu−S ₁ donde ocurre la transferencia de carga S(pπ) a Cu(d _{x ² − y ²} ). ^{[ 21 ]}   

En la forma reducida de la plastocianina, la His -87 se protonará con un p K _a de 4,4. La protonación impide que actúe como ligando y la geometría del sitio del cobre se vuelve trigonal plana .

En solución acuosa , el dióxido de carbono forma ácido carbónico.

CO ₂ + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃

Esta reacción es muy lenta en ausencia de un catalizador, pero bastante rápida en presencia del ion hidróxido.

CO ₂ + OH ⁻ ⇌ HCO ⁻ ₃

Una reacción similar a esta es casi instantánea con la anhidrasa carbónica . La estructura del sitio activo en las anhidrasas carbónicas es bien conocida a partir de varias estructuras cristalinas. Consiste en un ion zinc coordinado por tres átomos de nitrógeno imidazol de tres unidades de histidina . El cuarto sitio de coordinación está ocupado por una molécula de agua. La esfera de coordinación del ion zinc es aproximadamente tetraédrica . El ion zinc con carga positiva polariza la molécula de agua coordinada, y el ataque nucleofílico de la porción hidróxido con carga negativa sobre el dióxido de carbono procede rápidamente. El ciclo catalítico produce el ion bicarbonato y el ion hidrógeno ^{[ 2 ]} como el equilibrio :

H₂CO₃ _⇌ HCO₃⁻³ ⁺ _H⁺​​​​^​

favoreciendo la disociación del ácido carbónico a valores de pH biológicos . ^{[ 27 ]}

La vitamina B12 _que contiene cobalto (también conocida como cobalamina) cataliza la transferencia de grupos metilo (−CH3 ₎ entre dos moléculas, lo que implica la ruptura de enlaces C−C , un proceso que es energéticamente costoso en las reacciones orgánicas. El ion metálico reduce la energía de activación para el proceso al formar un enlace Co−CH3 transitorio _. [ ^{28 ] La} estructura de la coenzima fue determinada por Dorothy Hodgkin y sus colaboradores, por lo que recibió el Premio Nobel de Química . ^{[ 29 ]} Consiste en un ion cobalto(II) coordinado a cuatro átomos de nitrógeno de un anillo de corrina y un quinto átomo de nitrógeno de un grupo imidazol . En el estado de reposo hay un enlace sigma Co−C con el átomo de carbono 5′ de la adenosina . ^{[ 30 ]} Este es un compuesto organometálico que se encuentra en la naturaleza, lo que explica su función en las reacciones de transmetilación , como la reacción llevada a cabo por la metionina sintasa .

La fijación del nitrógeno atmosférico es un proceso que consume mucha energía, ya que implica la ruptura del enlace triple, muy estable , entre los átomos de nitrógeno. Las nitrogenasas catalizan este proceso. Una de estas enzimas se encuentra en la bacteria Rhizobium . Su acción consta de tres componentes: un átomo de molibdeno en el sitio activo, grupos hierro-azufre que participan en el transporte de los electrones necesarios para reducir el nitrógeno y una abundante fuente de energía en forma de ATP de magnesio . Este último es proporcionado por una simbiosis mutualista entre la bacteria y una planta huésped, a menudo una leguminosa . La reacción puede escribirse simbólicamente como

N₂ + 16 Mg ATP _{+ 8} e⁻ → ² NH₃ + 16 _Mg ADP + 16 Pi + _H₂     

donde P _i representa el fosfato inorgánico . La estructura precisa del sitio activo ha sido difícil de determinar. Parece contener un clúster MoFe ₇ S _{8 que es capaz de unirse a la molécula de dinitrógeno y, presumiblemente, permitir que comience el proceso de reducción.} ^{[ 31 ]} También se ha demostrado que algunas especies de bacterias y arqueas tienen nitrogenasas de vanadio , que contienen un clúster VFe ₃ S ₄ y permiten una vía alternativa de fijación de nitrógeno en condiciones de deficiencia de molibdeno. ^{[ 32 ]} Los electrones son transportados por el clúster "P" asociado, que contiene dos clústeres cúbicos Fe ₄ S ₄ unidos por puentes de azufre. ^{[ 33 ]}

El ion superóxido , O⁻₂ ^, se genera en los sistemas biológicos por reducción del oxígeno molecular . Posee un electrón desapareado , por lo que se comporta como un radical libre . Es un potente agente oxidante . Estas propiedades hacen que el ion superóxido sea muy _tóxico y los fagocitos lo utilizan para eliminar microorganismos invasores . De lo contrario, el ion superóxido debe ser destruido antes de que cause daños indeseados en la célula. Las enzimas superóxido dismutasa realizan esta función de manera muy eficiente. ^{[ 34 ]}

El estado de oxidación formal de los átomos de oxígeno es − 1 ⁄ 2 . En soluciones a pH neutro , el ion superóxido se desproporciona en oxígeno molecular y peróxido de hidrógeno .

2 O ⁻ ₂ + 2 H ⁺ → O ₂ + H ₂ O ₂ 

En biología, este tipo de reacción se denomina reacción de dismutación . Implica tanto la oxidación como la reducción de iones superóxido. El grupo de enzimas superóxido dismutasa (SOD) aumenta la velocidad de reacción hasta casi alcanzar la velocidad limitada por difusión. ^{[ 35 ]} La clave de la acción de estas enzimas reside en un ion metálico con estado de oxidación variable que puede actuar como agente oxidante o como agente reductor.

Oxidación: M ^{( n +1)+} + O ⁻ ₂ → M ^{n +} + O ₂

Reducción: M ^{n +} + O ⁻ ₂ + 2  H ⁺ → M ^{( n +1)+} + H ₂ O ₂ .

En la SOD humana, el metal activo es el cobre , como Cu(II) o Cu(I), coordinado tetraédricamente por cuatro residuos de histidina . Esta enzima también contiene iones de zinc para su estabilización y es activada por la chaperona de cobre para la superóxido dismutasa ( CCS ). Otras isoenzimas pueden contener hierro , manganeso o níquel . La actividad de la Ni-SOD implica níquel(III), un estado de oxidación inusual para este elemento. La geometría del sitio activo del níquel varía desde Ni(II) plano cuadrado , con ligandos tiolato (Cys ₂ y Cys ₆ ) y nitrógeno del esqueleto (His ₁ y Cys ₂ ), hasta Ni(III) piramidal cuadrado con un ligando de cadena lateral His ₁ axial añadido . ^{[ 36 ]}

La clorofila desempeña un papel crucial en la fotosíntesis . Contiene un átomo de magnesio encapsulado en un anillo de clorina . Sin embargo, el ion magnesio no participa directamente en la fotosíntesis y puede ser reemplazado por otros iones divalentes con una mínima pérdida de actividad. En cambio, el fotón es absorbido por el anillo de clorina, cuya estructura electrónica está bien adaptada para este fin.

Inicialmente, la absorción de un fotón excita un electrón a un estado singlete de la banda Q. Este estado excitado experimenta un cruce entre sistemas, pasando del estado singlete a un estado triplete con dos electrones de espín paralelo . Esta especie actúa como un radical libre , altamente reactivo, que permite la transferencia de electrones a aceptores adyacentes a la clorofila en el cloroplasto . En este proceso, la clorofila se oxida. Posteriormente, en el ciclo fotosintético, la clorofila se reduce nuevamente. Esta reducción extrae electrones del agua, generando oxígeno molecular como producto final de la oxidación.

Las hidrogenasas se subclasifican en tres tipos diferentes según el contenido de metal en el sitio activo: hidrogenasa hierro-hierro, hidrogenasa níquel-hierro e hidrogenasa hierro. ^{[ 37 ]} Todas las hidrogenasas catalizan la captación reversible de H ₂ , pero mientras que las hidrogenasas [FeFe] y [NiFe] son ​​verdaderos catalizadores redox , impulsan la oxidación de H ₂ y la reducción de H ⁺

H₂ ⇌ 2 H⁺ ⁺ 2 ^e⁻_​ 

Las hidrogenasas [Fe] catalizan la escisión heterolítica reversible del H ₂ .

H ₂ ⇌ H ⁺ + H ⁻

Desde el descubrimiento de las ribozimas por Thomas Cech y Sidney Altman a principios de la década de 1980, se ha demostrado que las ribozimas constituyen una clase distinta de metaloenzimas. ^{[ 38 ]} Muchas ribozimas requieren iones metálicos en sus sitios activos para la catálisis química; por lo tanto, se denominan metaloenzimas. Además, los iones metálicos son esenciales para la estabilización estructural de las ribozimas. El intrón del grupo I es la ribozima más estudiada, la cual cuenta con tres metales que participan en la catálisis. ^{[ 39 ]} Otras ribozimas conocidas incluyen el intrón del grupo II , la RNasa P y varias ribozimas virales pequeñas (como cabeza de martillo , horquilla , HDV y VS ) y la subunidad grande de los ribosomas. Se han descrito varias clases de ribozimas. ^{[ 40 ]}

Las desoxirribozimas , también llamadas ADNzimas o ADN catalítico, son catalizadores artificiales basados ​​en ADN que se produjeron por primera vez en 1994. ^{[ 41 ]} Casi todas las ADNzimas requieren iones metálicos. Aunque las ribozimas catalizan principalmente la escisión de sustratos de ARN, las ADNzimas pueden catalizar una variedad de reacciones que incluyen la escisión de ARN/ADN, la ligación de ARN/ADN, la fosforilación y desfosforilación de aminoácidos y la formación de enlaces carbono-carbono. ^{[ 42 ]} Sin embargo, las ADNzimas que catalizan la reacción de escisión de ARN son las más exploradas. 10-23 La ADNzima, descubierta en 1997, es uno de los ADN catalíticos más estudiados con aplicaciones clínicas como agente terapéutico. ^{[ 43 ]} Se han descrito varias ADNzimas específicas de metales, entre ellas la ADNzima GR-5 ( específica de plomo ), ^{[ 44 ]} las ADNzimas CA1-3 ( específicas de cobre ), la ADNzima 39E ( específica de uranilo ) ^{[ 45 ]} y la ADNzima NaA43 ( específica de sodio ). ^{[ 46 ]}

La calmodulina es un ejemplo de proteína de transducción de señales. Es una proteína pequeña que contiene cuatro motivos EF-hand , cada uno de los cuales es capaz de unirse a un ion Ca ²⁺ .

En un dominio proteico de bucle EF-hand , el ion calcio se coordina en una configuración bipiramidal pentagonal. Seis residuos de ácido glutámico y ácido aspártico implicados en la unión se encuentran en las posiciones 1, 3, 5, 7 y 9 de la cadena polipeptídica. En la posición 12, hay un ligando de glutamato o aspartato que actúa como ligando bidentado , aportando dos átomos de oxígeno. El noveno residuo del bucle es necesariamente glicina debido a los requisitos conformacionales de la cadena principal. La esfera de coordinación del ion calcio contiene únicamente átomos de oxígeno carboxilato y ningún átomo de nitrógeno. Esto concuerda con la naturaleza rígida del ion calcio.

La proteína posee dos dominios aproximadamente simétricos, separados por una región de "bisagra" flexible. La unión del calcio provoca un cambio conformacional en la proteína. La calmodulina participa en un sistema de señalización intracelular actuando como un segundo mensajero difusible ante los estímulos iniciales. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

Tanto en el músculo cardíaco como en el esquelético , la producción de fuerza muscular está controlada principalmente por cambios en la concentración intracelular de calcio . En general, cuando el calcio aumenta, los músculos se contraen y, cuando disminuye, se relajan. La troponina , junto con la actina y la tropomiosina , es el complejo proteico al que se une el calcio para desencadenar la producción de fuerza muscular.

Muchos factores de transcripción contienen una estructura conocida como dedo de zinc , un módulo estructural en el que una región de la proteína se pliega alrededor de un ion de zinc. El zinc no entra en contacto directo con el ADN al que se unen estas proteínas. En cambio, el cofactor es esencial para la estabilidad de la cadena proteica plegada de forma compacta. ^{[ 49 ]} En estas proteínas, el ion de zinc suele estar coordinado por pares de cadenas laterales de cisteína e histidina.