Kopparprotein
Kopparproteiner är proteiner som innehåller en eller flera kopparjoner som protesgrupper . Kopparproteiner finns i alla former av luft-andningsliv. Dessa proteiner är vanligtvis associerade med elektronöverföring med eller utan inblandning av syre (O 2 ). Vissa organismer använder till och med kopparproteiner för att transportera syre istället för järnproteiner. Ett framträdande kopparprotein hos människor finns i cytokrom c-oxidas (cco). Enzymet cco förmedlar den kontrollerade förbränningen som producerar ATP .
Klasser
Metallcentra i kopparproteinerna kan klassificeras i flera typer:
- Kopparcentra av typ I (T1Cu) kännetecknas av en enkel kopparatom koordinerad av två histidinrester och en cysteinrest i en trigonal plan struktur och en variabel axiell ligand . I klass I T1Cu-proteiner (t.ex. amicyanin , plastocyanin och pseudoazurin) är den axiella liganden svavlet av metionin , medan andra aminosyror än metionin (t.ex. glutamin ) ger upphov till klass II T1Cu-kopparproteiner. Azuriner innehåller den tredje typen av T1Cu-centra: förutom en metionin i en axiell position innehåller de en andra axiell ligand (en karbonylgrupp av en glycinrest ). T1Cu-innehållande proteiner brukar kallas "cupredoxiner", och uppvisar liknande tredimensionella strukturer, relativt höga reduktionspotentialer (> 250 mV), och stark absorption nära 600 nm (på grund av S → Cu charge transfer ), vilket vanligtvis ger upphov till en blå färg. Cupredoxiner kallas därför ofta för "blå kopparproteiner". Detta kan vara missvisande, eftersom vissa T1Cu-centra också absorberar runt 460 nm och därför är gröna. När de studeras med EPR- spektroskopi visar T1Cu-centra små hyperfina splittringar i den parallella regionen av spektrumet (jämfört med vanliga kopparkoordinationsföreningar).
- Kopparcentra av typ II (T2Cu) uppvisar en kvadratisk plan koordination av N- eller N/O- ligander . De uppvisar ett axiellt EPR- spektrum med hyperfin delning av koppar i den parallella regionen liknande den som observeras i vanliga kopparkoordinationsföreningar. Eftersom ingen svavelligering är närvarande saknar de optiska spektra för dessa centra distinkta egenskaper. T2Cu-centra förekommer i enzymer , där de hjälper till med oxidationer eller syresättningar.
- Kopparcentra av typ III (T3Cu) består av ett par kopparcentra, var och en koordinerad av tre histidinrester. Dessa proteiner uppvisar ingen EPR-signal på grund av stark antiferromagnetisk koppling (dvs. spinnparning) mellan de två S = 1/2 metalljonerna på grund av deras kovalenta överlappning med en överbryggande ligand . Dessa centra finns i vissa oxidaser och syretransporterande proteiner (t.ex. hemocyanin och tyrosinas ).
- Binukleära koppar A-centra (Cu A ) finns i cytokrom c- oxidas och dikväveoxidreduktas ( EC 1.7.99.6 ). De två kopparatomerna är koordinerade av två histidiner, en metionin, en proteinryggrad karbonylsyre och två överbryggande cysteinrester.
- Koppar B-centra (CuB ) finns i cytokrom c- oxidas . Kopparatomen koordineras av tre histidiner i trigonal pyramidal geometri.
- Ett tetranukleärt koppar Z-centrum (Cu Z ) finns i dikväveoxidreduktas. De fyra kopparatomerna koordineras av sju histidinrester och överbryggas av en svavelatom.
Blå kopparproteiner
De blå kopparproteinerna har sitt namn tack vare sin intensiva blå färg ( Cu(II)) . Det blå kopparproteinet kallas ofta för " månskensprotein ", vilket betyder att ett protein kan utföra mer än en funktion. De fungerar som elektronöverföringsmedel, med den aktiva platsen som växlar mellan Cu(I) och Cu(II). Cu 2+ i det oxiderade tillståndet kan acceptera en elektron för att bilda Cu 1+ i det reducerade proteinet. Cu-centrets geometri har stor inverkan på dess redoxegenskaper. Jahn-Teller-distorsionen gäller inte för de blå kopparproteinerna eftersom kopparstället har låg symmetri som inte stöder degeneration i d-orbitals grenrör. Frånvaron av stora omorganisationsförändringar ökar hastigheten för deras elektronöverföring. Det aktiva stället för ett blått kopparprotein av typ I. Två 2-histidiner, 1 metionin och 1 cystein finns i koordinationssfären. Exempel på blått kopparprotein av typ I är plastocyanin , azurin och nitritreduktas, hemocyanin och tyrosinas .
Struktur av blå kopparproteiner Typ I kopparcentra
Blå kopparproteinerna, en klass av kopparproteiner av typ 1, är små proteiner som innehåller en cupredoxinveck och en enkel kopparjon av typ I koordinerade av två histidin N-donatorer, en cysteintiolat S-donator och en metionintioeter S-donator. I det oxiderade tillståndet Cu +2 -jonen att bilda antingen en trigonal bipyramidal eller tetraedrisk koordination. Kopparproteinerna av typ 1 identifieras som blå kopparproteiner på grund av att liganden till metallladdning överför ett intensivt band vid 600 nm som ger karaktäristiken av en djupblå färg som finns i elektronabsorptionsspektrat.
Proteinstrukturen för ett blått kopparprotein av typ 1, amicyanin , är byggt av polypeptidveck som vanligtvis finns i blå kopparproteiner β sandwichstruktur. Strukturen är mycket lik plastocyanin och azurin eftersom de också identifieras som kopparproteiner av typ 1. De liknar också varandra på grund av geometrin hos kopparstället för varje kopparprotein. Proteinet azurin har en trigonal bipyramidal geometri med långsträckta axiella glycin- och metoinion-svavelligander. Plastocyaniner har en extra metioninsvavelligand på den axiella positionen. Den största skillnaden för varje kopparprotein är att varje protein har olika antal och arter av ligand koordinerade till kopparcentrum.
Elektronisk struktur för kopparkomplexen av blå kopparprotein typ I
Den starka bindningen mellan kopparjonen och cysteinsvaveln gör att den obundna elektronen på cysteinsvaveln kan finnas på både låg-/högspinntillståndskopparjonen, d x 2 -d y 2 orbital och p - orbital av cysteinsvaveln. De flesta koppar(II)-komplex kommer att uppvisa Jahn-Teller-effekten när komplexet bildar en tetragonal förvrängning av en oktaedrisk komplexgeometri. Med blå kopparproteiner kommer ett förvrängt tetraedriskt komplex att bildas på grund av den starka ekvatoriska cysteinliganden och den svaga axiella metioninliganden. De två neutrala histidinliganderna är placerade av proteinliganden så att geometrin är förvrängd tetraedriskt. Detta kommer att göra att de inte kan koordinera perfekt som tetraedriska eller kvadratiska plana.
Spektrala förändringar med temperaturen
Att sänka temperaturen kan förändra övergångarna. Den intensiva absorbansen vid cirka 16000 cm −1 karakteriserades av absorptionsegenskapen hos blå koppar. Det fanns ett andra lägre energifunktionsband med måttlig absorptionsintensitet. Polariserad signalkristallabsorptionsdata på plastocyanin visade att båda banden har samma polarisationsförhållande som förknippas med Cu(II)-S(Cys)-bindning. Detta förklaras att det normala kopparkomplexet har hög energiintensiv sigma och lågenergisvaga π-bindningar. I det blå kopparproteinfallet har dock lågenergiintensiv sigma och högenergisvaga π-bindningar eftersom CT-intensiteten återspeglar överlappning av donator- och acceptororbitaler i CT-processen. Detta krävde att 3d (x 2 -y 2 ) omloppsbanan för det blå kopparstället orienterades så att dess lober delar Cu-S(Cys) -bindningen som ger dominant π överlappning med svavel direkt. Slutligen är naturen hos grundtillståndsvågfunktionen hos det blå kopparproteinet rik på elektronabsorptionsspektrum.
Metallkoordination av inre och yttre sfär
Cysteinsvavelkoppar(II)jonbindningarna sträcker sig från 2,6 till 3,2 Å. Med den reducerade formen, CuI , bildas fortfarande proteinstrukturer med förlängda bindningar med 0,1 Å eller mindre. med de oxiderade och reducerade proteinstrukturerna är de överlagrade. Med amicyanin finns ett undantag på grund av att histidinet ligeras och det är inte bundet till kopparjodid. I azurin accepterar Cysteine 112 tiolatet vätebindningarna från amidryggraden i Asparagine 47 och Phenylalanine 114 , och Histidin 46 donerar en vätebindning till karbonylryggraden i Asparagine10. Cysteine84 tiolatet av plastocyanin accepterar en vätebindning från en amidryggrad, Asparagine 38, och Histidin37 interagerar starkt med karbonylryggraden i Alanine 33 och svagare med karbonylryggraden i Leucin 5, Glycin 34 och amidryggraden i Phenylalanine.
Blue Copper Protein "Entatic State"
Cu 2+ -komplex har normalt långsamma överföringshastigheter. Ett exempel är Cu 2+/+ aquo, som är 5 x 10 −7 M −1 .sec −1 jämfört med det blå kopparproteinet som är 1ms-01μs. Vid elektronöverföring kommer det oxiderade Cu 2+ -tillståndet vid det blå kopparproteinets aktiva ställe att minimeras eftersom Jahn-Teller-effekten minimeras. Den förvrängda geometrin förhindrar Jahn-Teller-distorsion. Den orbitala degenerationen tas bort på grund av det asymmetriska ligandfältet. Det asymmetriska ligandfältet påverkas av den starka ekvatoriska cysteinliganden och den svaga axiella metioninliganden. I figur 2 visar ett energinivådiagram tre olika relevanta geometrier och deras d-orbitaldelning och Jahn-Teller-effekten visas i blått. (i) visar energinivådiagrammet för tetraedrisk geometri med en som är degenererad. Den tetraedriska strukturen kan genomgå Jahn-Teller-distorsion på grund av de degenererade orbitalen. energinivådelningsdiagrammet för C 3v symmetrisk geometri med ett 2 E grundtillstånd som är degenererat. C3v- geometrin bildades av den långsträckta metionintioeterbindningen vid det reducerade stället. De oparade elektronerna leder till Jahn-Teller-effekten. (iii) visar grundtillståndets energinivådelningsdiagram för C: s geometri med en längre tioesterbindning och en därefter kortare tiolatbindning. Detta är den rätta geometrin för det blå kopparproteinet. Detta visar att det inte finns någon närvaro av Jahn-Teller-effekten. Energidiagrammet visar att asymmetrin hos den korta Cu-S(Cys)-bindningen och de kraftigt förvrängda Cu-L-bindningsvinklarna gör att orbitalernas degeneration avlägsnas och därigenom tar bort Jahn-Teller-effekten, som beror på den svaga donator vid en Cu-S(Met) och stark donator vid Cu-S(Met).