بروتين معدني

يتكون الهيموجلوبين ، وهو الناقل الرئيسي للأكسجين في جسم الإنسان، من أربع وحدات فرعية، حيث يرتبط أيون الحديد (II) بالرابطة الحلقية الكبيرة المستوية بروتوبورفيرين IX (PIX) وذرة نيتروجين الإيميدازول لبقايا الهيستيدين . ويحتوي موقع الارتباط السادس على جزيء ماء أو جزيء أكسجين . في المقابل، يحتوي بروتين الميوغلوبين ، الموجود في خلايا العضلات ، على وحدة واحدة فقط من هذا النوع. يقع الموقع النشط في جيب كاره للماء ، وهذا مهم لأنه بدونه سيتأكسد الحديد (II) بشكل لا رجعة فيه إلى حديد (III). ثابت التوازن لتكوين HbO₂ _يسمح بامتصاص الأكسجين أو إطلاقه تبعًا للضغط الجزئي للأكسجين في الرئتين أو العضلات. في الهيموجلوبين، تُظهر الوحدات الفرعية الأربع تأثيرًا تعاونيًا يسمح بنقل الأكسجين بسهولة من الهيموجلوبين إلى الميوغلوبين. ^{[ 11 ]}

يُذكر أحيانًا خطأً أن الأنواع المؤكسجة في كل من الهيموجلوبين والميوجلوبين تحتوي على الحديد الثلاثي. ومن المعروف الآن أن الطبيعة المغناطيسية المعاكسة لهذه الأنواع تعود إلى وجود ذرة الحديد الثنائي في حالة دوران مغزلي منخفض . في الهيموجلوبين المؤكسج، تقع ذرة الحديد في مستوى حلقة البورفيرين، بينما في الهيموجلوبين غير المؤكسج البارامغناطيسي، تقع ذرة الحديد فوق مستوى الحلقة. ^{[ 11 ]} يُعد هذا التغير في حالة الدوران المغزلي تأثيرًا تعاونيًا ناتجًا عن زيادة انقسام المجال البلوري وصغر نصف القطر الأيوني لأيون الحديد ^{الثنائي} في جزء الهيموجلوبين المؤكسج.

الهيمريثرين هو ناقل أكسجين آخر يحتوي على الحديد. موقع ارتباط الأكسجين هو مركز حديدي ثنائي النواة. ترتبط ذرات الحديد بالبروتين عبر السلاسل الجانبية الكربوكسيلية لحمض الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك وخمسة بقايا من الهيستيدين . يترافق امتصاص الأكسجين _بواسطة الهيمريثرين مع أكسدة ثنائية الإلكترون للمركز ثنائي النواة المختزل لإنتاج بيروكسيد مرتبط (OOH⁻ ⁾ . تم شرح آلية امتصاص الأكسجين وإطلاقه بالتفصيل. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

تحمل الهيموسيانينات الأكسجين في دم معظم الرخويات ، وبعض المفصليات مثل سرطان حدوة الحصان . وهي تأتي في المرتبة الثانية بعد الهيموجلوبين من حيث شيوع استخدامها في نقل الأكسجين. عند الأكسجة، تتأكسد ذرتا النحاس (I) في الموقع النشط إلى نحاس (II) ^، وتُختزل جزيئات الأكسجين إلى بيروكسيد _، O₂⁻² . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

الكلوروكروورين (بصفته الناقل الأكبر إريثروكروورين ) هو بروتين هيمي مرتبط بالأكسجين موجود في بلازما الدم للعديد من الديدان الحلقية ، وخاصة بعض الديدان متعددة الأشواك البحرية .

لا تُعدّ تفاعلات الأكسدة والاختزال شائعة في الكيمياء العضوية ، إذ أن عددًا قليلًا من الجزيئات العضوية قادر على العمل كعوامل مؤكسدة أو مختزلة . في المقابل، يمكن أكسدة الحديد الثنائي (Fe²⁺) بسهولة إلى حديد ثلاثي (Fe³⁺). تُستخدم هذه الخاصية في السيتوكرومات ، التي تعمل كناقلات للإلكترونات . يسمح وجود أيون المعدن للإنزيمات المعدنية بأداء وظائف مثل تفاعلات الأكسدة والاختزال التي يصعب على المجموعة المحدودة من المجموعات الوظيفية الموجودة في الأحماض الأمينية القيام بها . ^{[ 16 ]} توجد ذرة الحديد في معظم السيتوكرومات ضمن مجموعة الهيم . يكمن الاختلاف بين هذه السيتوكرومات في السلاسل الجانبية المختلفة. على سبيل المثال، يحتوي السيتوكروم أ على مجموعة هيم أ، بينما يحتوي السيتوكروم ب على مجموعة هيم ب . تؤدي هذه الاختلافات إلى اختلاف جهود الأكسدة والاختزال ^Fe²⁺ /Fe³⁺ ^، مما يجعل السيتوكرومات المختلفة تشارك في سلسلة نقل الإلكترون في الميتوكوندريا . ^{[ 17 ]}

تؤدي إنزيمات السيتوكروم P450 وظيفة إدخال ذرة أكسجين في رابطة C-H، وهو تفاعل أكسدة. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

الروبيريدوكسين هو ناقل إلكتروني يوجد في البكتيريا والعتائق التي تستقلب الكبريت . يحتوي الموقع النشط على أيون حديد مرتبط بذرات الكبريت لأربعة بقايا سيستين ، مكونًا شكلًا رباعي الأوجه شبه منتظم . يقوم الروبيريدوكسين بعمليات نقل إلكترون واحد. تتغير حالة أكسدة ذرة الحديد بين +2 و+3. في كلتا حالتي الأكسدة، يكون المعدن ذو دوران مغزلي عالٍ ، مما يساعد على تقليل التغيرات الهيكلية.

البلاستوسيانين هو أحد أفراد عائلة البروتينات النحاسية الزرقاء التي تشارك في تفاعلات نقل الإلكترون . يوصف موقع ارتباط النحاس بأنه هرمي ثلاثي مشوه . [ 20 ] يتكون المستوى الثلاثي لقاعدة الهرم من ذرتي نيتروجين (N1 و N2 ) من هيستيدينين منفصلين وذرة كبريت (S1 ) من سيستين. تشكل ذرة الكبريت (S2 ) من ميثيونين محوري قمة الهرم. يحدث التشوه في أطوال الروابط بين النحاس والكبريت. رابطة Cu−S1 أقصر (207 بيكومتر ) من رابطة Cu−S2 ( 282 بيكومتر). يؤدي طول رابطة Cu−S2 إلى زعزعة استقرار شكل Cu(II) وزيادة جهد الأكسدة والاختزال للبروتين. يعود اللون الأزرق (ذروة الامتصاص عند 597 نانومتر ) إلى الرابطة Cu−S 1 حيث يحدث انتقال الشحنة من S(pπ) إلى Cu(d x 2 − y 2 ). [ 21 ]   

في الشكل المختزل للبلاستوسيانين، سيصبح الهيستيدين -87 بروتونياً _بقيمة pKa تبلغ 4.4. يمنع البروتون عمله كرابطة ويصبح شكل موقع النحاس مثلثياً مستوياً .

في المحلول المائي ، يشكل ثاني أكسيد الكربون حمض الكربونيك

CO₂ + _H₂O ⇌ H₂CO₃_​​_​​_​

يكون هذا التفاعل بطيئًا جدًا في غياب عامل مساعد، ولكنه سريع جدًا في وجود أيون الهيدروكسيد.

CO₂ + _OH⁻ ^⇌ HCO⁻³_​​^​

يحدث تفاعل مشابه لهذا التفاعل بشكل فوري تقريبًا مع إنزيم الأنهيدراز الكربوني . بنية الموقع النشط في هذا الإنزيم معروفة جيدًا من خلال عدد من البنى البلورية. يتكون من أيون زنك مرتبط بثلاث ذرات نيتروجين من الإيميدازول من ثلاث وحدات هيستيدين . يشغل جزيء ماء موقع الارتباط الرابع. مجال ارتباط أيون الزنك رباعي الأوجه تقريبًا . يعمل أيون الزنك الموجب الشحنة على استقطاب جزيء الماء المرتبط به، مما يؤدي إلى هجوم نيوكليوفيلي سريع من قِبل مجموعة الهيدروكسيد سالبة الشحنة على ثاني أكسيد الكربون. تُنتج الدورة التحفيزية أيون البيكربونات وأيون الهيدروجين ^{[ 2 ]} في حالة اتزان .

H₂CO₃ _⇌ HCO₃⁻ ⁺ _H⁺​​​​^​

تفضيل تفكك حمض الكربونيك عند قيم الأس الهيدروجيني البيولوجية . ^{[ 28 ]}

يحفز فيتامين ب ₁₂ المحتوي على الكوبالت ( المعروف أيضًا باسم الكوبالامين) نقل مجموعات الميثيل (-CH3 ₎ بين جزيئين، وهو ما يتضمن كسر روابط الكربون-كربون ، وهي عملية مكلفة طاقيًا في التفاعلات العضوية. يُخفّض أيون المعدن طاقة التنشيط لهذه العملية بتكوين رابطة Co-CH3 عابرة _. [ ^{29 ] وقد} حُدِّدت بنية الإنزيم المساعد بنجاح كبير على يد دوروثي هودجكين وزملاؤها، وحصلت بفضل ذلك على جائزة نوبل في الكيمياء . ^{[ 30 ]} ويتكون من أيون كوبالت (II) مرتبط بأربع ذرات نيتروجين من حلقة الكورين وذرة نيتروجين خامسة من مجموعة الإيميدازول . وفي الحالة المستقرة، توجد رابطة سيجما Co-C مع ذرة الكربون 5′ للأدينوزين . ^{[ 31 ]} هذا مركب عضوي فلزي طبيعي ، مما يفسر وظيفته في تفاعلات الميثيل العابر ، مثل التفاعل الذي يقوم به إنزيم ميثيونين سينثاز .

تثبيت النيتروجين الجوي عمليةٌ كثيفة الاستهلاك للطاقة، إذ تتضمن كسر الرابطة الثلاثية شديدة الاستقرار بين ذرات النيتروجين. وتحفز إنزيمات النيتروجيناز هذه العملية. يوجد أحد هذه الإنزيمات في بكتيريا الريزوبيوم . يتكون عمله من ثلاثة عناصر: ذرة موليبدينوم في الموقع النشط، وتجمعات من الحديد والكبريت تُشارك في نقل الإلكترونات اللازمة لاختزال النيتروجين، ومصدر طاقة وفير على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) من المغنيسيوم . يُوفر هذا الأخير من خلال علاقة تكافلية بين البكتيريا ونبات مضيف، غالبًا ما يكون من البقوليات . يمكن كتابة التفاعل رمزيًا على النحو التالي:

N₂ + 16 _Mg ATP ₊ 8 e⁻ ^→ 2 NH₃ + ₁₆ Mg ADP + 16 Pi + _H₂     

حيث يرمز Pi _إلى الفوسفات غير العضوي . وقد كان من الصعب تحديد البنية الدقيقة للموقع النشط. ويبدو أنه يحتوي على عنقود MoFe₇S₈ _{قادر على} الارتباط بجزيء النيتروجين، ومن المفترض أنه يُمكّن عملية الاختزال من البدء. ^{[ 32 ]} كما تبين أن بعض أنواع البكتيريا والعتائق تمتلك نيتروجينازات الفاناديوم ، التي تحتوي على عنقود VFe₃S₄ _{، مما} يسمح بمسار بديل لتثبيت النيتروجين في ظروف نقص الموليبدينوم. ^{[ 33 ]} يتم نقل الإلكترونات بواسطة عنقود "P" المرتبط، والذي يحتوي على عنقودين مكعبين _من Fe₄S₄ متصلين بجسور كبريتية _. ^{[ 34 ]}

يتولد أيون السوبرأكسيد، O₂⁻، في الأنظمة البيولوجية عن طريق اختزال الأكسجين الجزيئي . يحتوي هذا الأيون ^على إلكترون منفرد ، لذا فهو يتصرف كجذر حر . وهو عامل مؤكسد قوي . هذه الخصائص تجعل أيون السوبرأكسيد شديد السمية _، وتستغله الخلايا البلعمية للقضاء على الكائنات الدقيقة الغازية . وإلا، يجب تدمير أيون السوبرأكسيد قبل أن يُلحق ضررًا غير مرغوب فيه بالخلية. وتؤدي إنزيمات ديسموتاز السوبرأكسيد هذه الوظيفة بكفاءة عالية. ^{[ 35 ]}

حالة الأكسدة الرسمية لذرات الأكسجين هي − 1 ⁄ 2. في المحاليل ذات الرقم الهيدروجيني المتعادل، يتفكك أيون فوق الأكسيد إلى أكسجين جزيئي وبيروكسيد الهيدروجين .

2 O ⁻ ₂ + 2 H ⁺ → O ₂ + H ₂ O ₂ 

في علم الأحياء، يُطلق على هذا النوع من التفاعلات اسم تفاعل عدم التناسب . وهو يشمل أكسدة واختزال أيونات السوبرأكسيد. تعمل مجموعة إنزيمات سوبرأكسيد ديسموتاز (SOD) على زيادة معدل التفاعل إلى ما يقارب معدل الانتشار المحدود. ^{[ 36 ]} يكمن سر عمل هذه الإنزيمات في أيون معدني ذي حالة أكسدة متغيرة، قادر على العمل كعامل مؤكسد أو كعامل مختزل.

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

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

في إنزيم سوبرأكسيد ديسميوتاز البشري (SOD)، يكون المعدن النشط هو النحاس ، إما في صورة Cu(II) أو Cu(I)، ويرتبط بأربعة بقايا هيستيدين برابطة رباعية الأوجه . يحتوي هذا الإنزيم أيضًا على أيونات الزنك لتحقيق الاستقرار، ويتم تنشيطه بواسطة بروتين مرافق النحاس لإنزيم سوبرأكسيد ديسميوتاز ( CCS ). قد تحتوي الإنزيمات المتماثلة الأخرى على الحديد أو المنغنيز أو النيكل . يتضمن نشاط إنزيم Ni-SOD وجود النيكل في حالة أكسدة غير معتادة لهذا العنصر. يتغير شكل النيكل في الموقع النشط من شكل مربع مستوٍ Ni(II)، مع روابط ثيولاتية (Cys ₂ وCys ₆ ) وروابط نيتروجينية في السلسلة الرئيسية (His ₁ وCys ₂ )، إلى شكل هرمي مربع Ni(III) مع إضافة رابطة جانبية محورية His _1. ^{[ 37 ]}

يلعب الكلوروفيل دورًا حاسمًا في عملية التمثيل الضوئي . فهو يحتوي على أيون مغنيسيوم محاط بحلقة كلورين . مع ذلك، لا يشارك أيون المغنيسيوم بشكل مباشر في عملية التمثيل الضوئي، ويمكن استبداله بأيونات ثنائية التكافؤ أخرى دون فقدان يُذكر للفعالية. بل يتم امتصاص الفوتون بواسطة حلقة الكلورين، التي يتميز تركيبها الإلكتروني بتكيفه الأمثل لهذا الغرض.

في البداية، يؤدي امتصاص الفوتون إلى إثارة إلكترون إلى حالة مفردة في نطاق Q. تخضع هذه الحالة المثارة لانتقال بين الأنظمة من الحالة المفردة إلى حالة ثلاثية تحتوي على إلكترونين متوازيين في الدوران . هذا النوع، في الواقع، هو جذر حر ، وهو شديد التفاعل، ويسمح بانتقال إلكترون إلى مستقبلات مجاورة للكلوروفيل في البلاستيدة الخضراء . خلال هذه العملية، يتأكسد الكلوروفيل. لاحقًا في دورة التمثيل الضوئي، يُختزل الكلوروفيل مرة أخرى. يؤدي هذا الاختزال في النهاية إلى سحب إلكترونات من الماء، مُنتجًا الأكسجين الجزيئي كناتج نهائي للأكسدة.

تُصنَّف إنزيمات الهيدروجيناز إلى ثلاثة أنواع فرعية بناءً على محتوى المعدن في الموقع النشط: هيدروجيناز الحديد-الحديد، وهيدروجيناز النيكل-الحديد، وهيدروجيناز الحديد. ^{[ 38 ]} تُحفِّز جميع إنزيمات الهيدروجيناز امتصاص الهيدروجين (H₂ ₎ بشكل عكسي ، ولكن في حين أن هيدروجيناز [FeFe] و[NiFe] هما محفزان حقيقيان للأكسدة والاختزال ، فإنهما يُحفِّزان أكسدة الهيدروجين ( _H₂) واختزال أيونات الهيدروجين (H⁺ ^{) .}

H₂ ⇌ 2 H⁺ ⁺ 2 ^e⁻_​ 

تقوم إنزيمات الهيدروجين [Fe] بتحفيز الانشطار غير المتجانس العكسي لـ _H2 .

H ₂ ⇌ H ⁺ + H ⁻

منذ اكتشاف الريبوزيمات على يد توماس سيش وسيدني ألتمان في أوائل ثمانينيات القرن العشرين، تبيّن أن الريبوزيمات تُشكّل فئةً متميزةً من الإنزيمات المعدنية. ^{[ 39 ]} تتطلب العديد من الريبوزيمات أيونات معدنية في مواقعها النشطة للتحفيز الكيميائي؛ ولذلك تُسمى بالإنزيمات المعدنية. إضافةً إلى ذلك، تُعدّ الأيونات المعدنية ضروريةً للاستقرار البنيوي للريبوزيمات. يُعدّ إنترون المجموعة الأولى أكثر الريبوزيمات دراسةً، إذ تشارك فيه ثلاثة معادن في التحفيز. ^{[ 40 ]} تشمل الريبوزيمات الأخرى المعروفة إنترون المجموعة الثانية ، وRNase P ، والعديد من الريبوزيمات الفيروسية الصغيرة (مثل رأس المطرقة ، ودبوس الشعر ، وفيروس التهاب الكبد دلتا ، وفيروس التهاب الكبد الوبائي سي )، والوحدة الفرعية الكبيرة للريبوسومات. وقد وُصفت عدة فئات من الريبوزيمات. ^{[ 41 ]}

الديوكسي ريبوزيمات ، وتُسمى أيضًا دي إن إيه زيمات أو الحمض النووي المحفز، هي محفزات اصطناعية قائمة على الحمض النووي، وقد أُنتجت لأول مرة عام 1994. ^{[ 42 ]} تتطلب جميع الدي إن إيه زيمات تقريبًا أيونات معدنية. على الرغم من أن الريبوزيمات تحفز في الغالب انشطار ركائز الحمض النووي الريبي، إلا أن مجموعة متنوعة من التفاعلات يمكن أن تحفزها الدي إن إيه زيمات، بما في ذلك انشطار الحمض النووي الريبي/الحمض النووي، وربط الحمض النووي الريبي/الحمض النووي، وفسفرة الأحماض الأمينية وإزالة الفسفرة منها، وتكوين روابط الكربون-كربون. ^{[ 43 ]} ومع ذلك، فإن الدي إن إيه زيمات التي تحفز تفاعل انشطار الحمض النووي الريبي هي الأكثر دراسة. [10-23] يُعد الدي إن إيه زيم، الذي اكتُشف عام 1997، أحد أكثر أنواع الحمض النووي المحفز دراسةً، وله تطبيقات سريرية كعامل علاجي. ^{[ 44 ]} تم الإبلاغ عن العديد من إنزيمات الحمض النووي المتخصصة بالمعادن، بما في ذلك إنزيم الحمض النووي GR-5 ( المتخصص بالرصاص )، ^{[ 45 ]} وإنزيمات الحمض النووي CA1-3 ( المتخصصة بالنحاس )، وإنزيم الحمض النووي 39E ( المتخصص باليورانيل )، ^{[ 46 ]} وإنزيم الحمض النووي NaA43 ( المتخصص بالصوديوم ). ^{[ 47 ]}

الكالمودولين مثال على بروتين نقل الإشارة. وهو بروتين صغير يحتوي على أربعة أنماط EF-hand ، كل منها قادر على الارتباط بأيون Ca ²⁺ .

في نطاق بروتيني حلقي من نوع EF-hand ، يرتبط أيون الكالسيوم بتكوين هرمي ثنائي خماسي. تقع ستة بقايا من حمض الجلوتاميك وحمض الأسبارتيك ، المشاركة في الارتباط، في المواضع 1 و3 و5 و7 و9 من سلسلة الببتيد. في الموضع 12، يوجد ليجاند من الجلوتامات أو الأسبارتات يعمل كليجاند ثنائي السن ، موفرًا ذرتي أكسجين. البقية التاسعة في الحلقة هي بالضرورة جليسين نظرًا لمتطلبات التكوين الهيكلي للسلسلة الرئيسية. لا تحتوي كرة التناسق لأيون الكالسيوم إلا على ذرات أكسجين الكربوكسيلات، ولا تحتوي على ذرات نيتروجين. وهذا يتوافق مع طبيعة أيون الكالسيوم الصلبة .

يحتوي البروتين على نطاقين متناظرين تقريبًا، يفصل بينهما منطقة "مفصلية" مرنة. يؤدي ارتباط الكالسيوم إلى حدوث تغيير في بنية البروتين. يشارك الكالمودولين في نظام إشارات داخل الخلايا من خلال العمل كناقل ثانٍ قابل للانتشار للمحفزات الأولية. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

في كل من عضلة القلب والعضلات الهيكلية ، تُتحكم عملية إنتاج القوة العضلية بشكل أساسي عن طريق تغيرات تركيز الكالسيوم داخل الخلايا . عمومًا، عندما يرتفع مستوى الكالسيوم، تنقبض العضلات، وعندما ينخفض، تسترخي. يُعد التروبونين ، إلى جانب الأكتين والتروبوميوسين ، المركب البروتيني الذي يرتبط به الكالسيوم لتحفيز إنتاج القوة العضلية.

تحتوي العديد من عوامل النسخ على بنية تُعرف باسم " إصبع الزنك" ، وهي وحدة هيكلية تلتف فيها منطقة من البروتين حول أيون الزنك. لا يتصل الزنك مباشرةً بالحمض النووي الذي ترتبط به هذه البروتينات. بدلاً من ذلك، يُعد هذا العامل المساعد ضروريًا لاستقرار سلسلة البروتين المطوية بإحكام. ^{[ 50 ]} في هذه البروتينات، عادةً ما يتم تنسيق أيون الزنك بواسطة أزواج من السلاسل الجانبية للسيستين والهيستيدين.