Metalloproteine

Appartengono a questa categoria di composti le proteine contenenti uno o più ioni metallici uguali o diversi. Nelle metalloproteine gli ioni metallici costituiscono parte integrante della struttura proteica e non possono essere rimossi senza alterare le funzioni delle stesse. A questo gruppo appartengono i metalloenzimi, che per la loro attività catalitica utilizzano uno o più ioni metallici come la superossidismutasi contenente rame, zinco, manganese o ferro e la glutationeperossidasi.

L’associazione dei metalli con le proteine fu riconosciuta fin da quando le proteine cominciarono ad essere chimicamente individuate. Per esempio già nel XIX secolo era stata accertata la presenza di rame nella emocianina dei molluschi e di ferro nell’emoglobina dei cani. Poi fu scoperto che i metalli partecipano al trasporto di ossigeno e alla catalisi enzimatica.

I complessi dei metalli con proteine sono classificati come metalloproteine o complessi metallo-proteina in base alla stabilità termodinamica dei loro aggregati. Gli atomi metallici delle metalloproteine sono legati così fortemente da non essere allontanati dalla proteina durante i processi di isolamento e purificazione della proteina ( costanti di associazione  > 105) . Quando il metallo è legato debolmente la sua associazione alla proteina è chimicamente e biologicamente meno importante e questi composti si chiamano complesso metallo-proteina.

Quando la metalloproteina è un metallo-enzima cataliticamente attivo, l’associazione di un particolare metallo con l’apoenzima cioè l’enzima senza il metallo suggerisce un ruolo biologico specifico per il metallo nel sistema. Infatti dializzando, per esempio un metalloenzima con leganti specifici si riesce a sequestrare il metallo e l’apoenzima rimasto non ha più alcuna attività catalitica. Talvolta in questo processo l’apoenzima si modifica strutturalmente in maniera irreversibile e per riaggiunta dello ione metallico non si ripristina l’attività catalitica. Altre volte basta aggiungere un sale dell’appropriato metallo alla soluzione contenente l’apoenzima per riottenere il metalloenzima. Spesso è possibile anche rimpiazzare lo “ione nativo” di un metalloenzima con altri ioni ottenendo un altro metalloenzima ancora cataliticamente attivo. Ciò accade particolarmente per sostituzione dello ione Zn(II) nativo con Co (II) come nel caso della carbossipeptidasi, anidrasi carbonica e le deidrogenasi alcolica, malica ecc. Questi due ioni in effetti sono molto simili dal punto di vista della chimica di  coordinazione, in quanto hanno dimensioni e costanti di stabilità simili e la stessa preferenza per le coordinazioni tetraedrica, ottaedrica e pentacoordinata nell’ordine. Lo ione metallico può essere sostituito anche in metalloproteine non attive senza apparenti cambiamenti.

Un problema di fondamentale importanza in bioinorganica è quello di individuare i gruppi donatori della proteina e la geometria intorno al metallo che evidentemente sono importanti per capire il ruolo del metallo nel processo enzimatico. I metalli nelle metalloproteine possono partecipare al trasporto di ossigeno, alle funzioni catalitiche e all’attivazione zimogenica. Un proenzima (zimogeno) è infatti un precursore inattivo di un enzima. Esso richiede la rottura di uno o più legami peptidici specifici per divenire enzima attivo. Tale attivazione può avvenire o a determinati valori di pH o per l’intervento di alcuni ioni metallici come calcio, magnesio e ferro. Ad esempio ferro o rame possono agire come trasportatori di ossigeno rispettivamente nelle emeritrine e nella emocianina. Sia questi ioni, sia il molibdeno possono accettare elettroni e trasferirli a un altro gruppo come nelle ferrodossine, nei cuproenzimi e delle metalloflavoproteine. Le transferrine e la conalbumina trasportano ferro e probabilmente altri ioni. Alcune metalloproteine sono riportate nella tabella insieme al peso molecolare e con il numero di ioni metallici presenti nella molecola.

Proteine Metallo Peso molecolare Rapporto metallo- proteine Fonte Funzione o attività catalitica
Transferrina Fe (Mn, Cu) 80.000 2 Siero umano Trasporta ferro
Conalbumina Fe 67.000 2 Siero di ratto Trasporta ferro
Emeritrina Fe 107.000 16 Sangue di brachiopodi Proteina respiratoria
Emocianina Cu 25-75.000 2 Sangue di molluschi Proteina respiratoria
Anidrasi carbonica Zn 30.000 1 Eritrociti Catalizza l’idratazione di CO2 e la deidratazione del bicarbonato
Carbossipeptidasi A Zn 34.000 1 Pancreas bovino Catalizza l’idrolisi degli amminoacidi dei peptidi
Deidrogenasi alcolica Zn 80.000 4 Fegato di cavallo Ossida l’etanolo o riduce l’acetaldeide

 

I meccanismi dell’attività enzimatica del metallo si esplicano:

1) nel legare substrati, cofattori o ambedue

2) nell’attivazione del complesso enzima-substrato una volta formato

3) nel mantenimento della struttura secondaria, ternaria o quaternaria delle proteine

4) nel trasferimento di elettroni nei processi ossidativi

Le proprietà chimico-fisiche di una metalloproteina sono simili a quelle di un complesso con molecole piccole se gli atomi donatori e la geometria sono gli stessi

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Author: Chimicamo

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