Interacción Metal-Proteína

BIOQUIMICA DE MACROMOLECULAS
Monografía:
"Aspectos Estructurales de la Interacción
Metal-Proteína"
Nombre:
Legajo:
Fecha:
Patricia A. Garavaglia
2892
1° Cuatrimestre 2001
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Introducción
Los metales forman parte de la estructura de una gran variedad de
proteínas. Su unión estabiliza la conformación proteica requerida para
cumplir con determinadas funciones como procesos catalíticos, transporte,
reacciones redox, inducción de la expresión génica por factores
transcripcionales, etc. En el organismo pueden actuar como tóxicos o formar
parte de procesos bioquímicos. Los más comunes presentes en los
organismo vivos son: Na+, Ca+, K+, Mg+2, Zn+2, Cu+2, Fe+2, Fe+3 y Ni+2.
Los principales grupos aminoácidos de unión a M en las proteínas son:
*Carboxilos (Asp, Glu)
*Imidazol (Hys)
*Indol (Trp)
*Tiol (Cys)
*Tioéter (Met)
*Hidroxilo (Ser, Thr, Tyr)
Desarrollo
La interacción metal-proteína normalmente se estudia como una
interacción metal-ligando (M+n-nL-), donde los puntos principales a tener en
cuenta son:
1-Polarización de M y L: M actúa como ácido aceptando un par de ē, es de
pequeño tamaño y muy polarizable por los distintos L a los que está unido.
2-Nº de Coordinación: Este número varía según el tamaño de M en forma
directamente proporcional determinando un arreglo espacial, en el cual se
busca minimizar la repulsión entre M-L. Normalmente es 6 y es posible
obtenerlo exactamente por estudios de dispersión de rayos X sobre la
estructura cristalina de la proteína unida a M.
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3-Estereoquímica del arreglo: A partir del estudio de cristalografía de
rayos X sobre moléculas pequeñas, hay una gran información disponible en
Bancos de Datos sobre las distancias de enlaces M-O, M-N y M-S.
4-Competición y Selección de los metales: Ciertos M se complejan con
mayor facilidad obteniendo formaciones M-L más estables. En las enzimas
los M no se comportan exactamente de la misma forma, pero siguen ciertas
reglas generales, cuando una cadena polipeptídica se pliega ciertos grupos
funcionales forman parte del sitio de unión a M con preferencia sobre otros:
Grupos carboxilatos> Imidazol> Grupos que contienen S
a- Unión al grupo carboxilato: M se une entre ambos O sobre el plano del
carboxilato en dos posibles direcciones: anti y syn en preferencia.
b- Unión al grupo imidazol: Es un excelente donor de ē a pH fisiológico. Se
encuentra en una amplia variedad de enzimas y pueden unirse a él uno o
dos M. La rotación alrededor del enlace M-N(imidazol) se encuentra limitada
por el requerimiento estérico del resto del residuo; sin embargo, tiene cierta
flexibilidad que parece ser la razón por la cual se encuentra con alta
probabilidad en los dominios de unión a M de las proteínas.
c- Unión a los grupos que contienen S: Ciertos M se unen al S con
preferencia respecto al O formando enlaces fuertes.
A partir de información obtenida del Protein Data Bank se puede
conocer la estereoquímica de la unión M-L en varias proteínas para ciertos M
como Cu, Fe, Mn, Zn, Mg, Ca:
•Cu: es el M más abundante en humanos. Se encuentra en una gran
diversidad de proteínas con distintas funciones como transportador de O2,
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transportador de ē, sistemas redox, etc. Se ha clasificado según sus
propiedades espectroscópicas como Tipo I, II y III.
•Fe: se une a átomos de S estableciendo arreglos espaciales tetraédricos y
cúbicos. También puede unirse a grupos pirrólicos por medio del N formando
parte de estructuras complejas como en el caso de la hemoglobina.
Además puede actuar como importante inhibidor del Zn.
•Zn: se une a grupos imidazol y carboxilatos al mismo tiempo. Suele
competir por los sitios de unión a Cu+2, Ca+2, Mn+2 y sirve como estabilizador
de la carga negativa formada durante las reacciones de catálisis. Una
propiedad importante es la formación de Zinc fingers (estructura secundaria
asociada con el proceso de detoxificación de ciertas enzimas donde M tóxicos
como el Cd son reemplazados por el Zn).
•Mn: actúa en enzimas con funciones catalíticas estabilizando su estructura.
•Mg: interviene como cofactor en reacciones donde actuan enzimas acopladas a ATP. También puede reemplazar iones de Ca+2.
•Ca: se han identificado dos tipos de proteínas de unión a Ca+2: de unión
reversible (normalmente modulando la acción de otras enzimas) y de unión a
varios átomos de O de distintas regiones de la proteína, estabilizándola.
Conclusiones
Se puede determinar que la distancia del enlace M-L es más grande
cuanto mayor es el tamaño y el número de coordinación de L. Además,
teniendo en cuenta estos aspectos, es posible determinar un arreglo espacial
para la molécula, la cual puede ser asimétrica y variar al cambiar uno de los
ligandos, modificando totalmente las propiedades del enlace.
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Referencias
1-"Advances in Protein Chemistry. Volume 42. Metalloproteins: Structural
Aspects"; Anfinsen C. B., Richards Frederic M., Edsall John T., Eisenberg
David S.; 1991.
2-"Metals and cellular signaling in mammalian cells"; Cell Molecular Biology
(Noisy-le-grand); 2000 Mar, 46(2):367-381.
3-"Metal transfer as a mechanism for metallothionein-mediated metal
detoxification"; Cell Molecular Biology (Noisy-le-grand); 2000 Mar, 46(2):393405.
4-"Factors influencing susceptibility to metals"; Environ. Health Perspect;
1997 Jun, 105 Suppl 4:817-822.
5-"Physiological and toxicological changes in the skin resulting from the action
and interaction of metal ions"; Crit. Rev. Toxicol.; 1995, 25(5):397-462.
6-"Competitive interaction of iron and zinc in the diet: consequences for human
nutrition"; Journal Nutr.; 1986 Jun, 116(6):927-935.
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