Metaloproteinai, deguonies pernaša ir elektronų perdavimas

Baltymas yra daugiau nei metalo talpykla

Metaloproteino ligandai ir aplinkinė struktūra padeda reguliuoti substrato prieigą, surišimą, elektronines būsenas ir apykaitą. Hemas, Fe–S klasteris ir vario centras yra skirtingos cheminės aplinkos, net kai atlieka susijusias elektronų perdavimo funkcijas. Vien bendras elemento kiekis neaprašo jų funkcijos.

Suaugusio žmogaus hemoglobinas A turi dvi alfa ir dvi beta grandines su keturiais hemais. Mioglobinas savo baltyminėje aplinkoje turi vieną hemo deguonies surišimo vietą. Pagal pasirinktą nepažeistų funkcinių vietų skaičių, 0.0250 μmol HbA galėtų surišti daugiausia 0.100 μmol O₂, o toks pat mioglobino molekulių kiekis galėtų surišti 0.0250 μmol. Deguonies molekulių ir O atomų kiekiai skiriasi du kartus. Tai surišimo gebos skaičiavimai, o ne išmatuotas fiziologinis įsotinimas ar tiekimas.

Deguonies prisijungimui reikia ryšių modelio ir atomų skaičiaus

Pasirinktame deoksihemo kontaktų vaizde yra keturi porfirino N donorai ir vienas proksimalinio histidino donoras. Vienu galu prisijungęs deguonis prideda vieną tiesioginę Fe–O jungtį su O₂ vienetu: šešis donorinius kontaktus, nors tame vienete yra du O atomai. Distalinio histidino sąveika kišenėje šioje nurodytoje topologijoje nėra papildomas ašinis Fe–N donoras.

Su deguonimi susijusi elektroninė sandara pasižymi dideliu kovalentiškumu ir keliais elektroniniais indėliais. Originalus 2013 rentgeno spindulių absorbcijos tyrimas nustatė vyraujantį geležies(III)–superoksido pobūdį tirtam oksihemoglobinui tirpale ir stipresnį geležies(II)–molekulinio deguonies pobūdį kristaliniuose mėginiuose. Išsaugokite šias sąlygas ir skirtumą tarp elektroninio pobūdžio aprašymo bei tiksliai sveikuoju skaičiumi išmatuoto vietinio krūvio.

Todėl oksigenuoto hemo nereikėtų tapatinti su geležies(III) akvamethemoglobinu vien todėl, kad modelyje yra geležies(III) indėlis. Susieti partneriai ir elektroninės būsenos skiriasi. Universalus fiksuotas deguonies surišimo ciklas Fe(II)→Fe(III) arba be išlygų vien geležies(II) vaizdavimas pernelyg supaprastintų išnagrinėtus įrodymus.

Pritaikytas laipsnio rodiklis nėra tiesioginis vietų skaičius

Sąmoningai išgalvotam palyginimui pasirinkite pusinio įsotinimo slėgį P₅₀=30.0 kPa ir dalinį užpildą θ=(p/P₅₀)^n/[1+(p/P₅₀)^n]. Slėgių santykis yra bedimensis. Palyginkite n=2 su nepriklausomos vienos vietos n=1 išraiška, naudodami tą patį išgalvotą P₅₀. Laipsnio rodiklis 2 čia yra fenomenologinis, o ne teiginys apie dvi tikras surišimo vietas ar išmatuotą žmogaus kreivę.

Esant slėgiams 0, 15, 30, 60, 120 kPa, n=2 dalys yra 0, 0.200, 0.500, 0.800, 0.941176. n=1 vertės yra 0, 1/3, 1/2, 2/3, 0.800. Abiejų užpildas ties pasirinktu P₅₀ yra pusinis, tačiau jų formos skiriasi. Šie pradiniai duomenys nėra klinikiniai slėgiai, tikrieji hemoglobino ir mioglobino afinitetai ar dujų poveikio instrukcijos.

Gretimos hemoglobino vietos gali veikti viena kitą, tačiau keturių hemų skaičius neverčia išmatuoto Hill laipsnio rodiklio būti lygaus keturiems. Fenomenologinis pritaikymas apibendrina nurodytą duomenų režimą; išsamiam molekuliniam modeliui reikia savų parametrų ir struktūrinių įrodymų. Atskirkite didžiausią surišimo gebą nuo tikrosios užimtos dalies.

Bendra potencialo atskaita leidžia formaliai palyginti energijas

Citochromas c yra hemą turintis vieno elektrono nešiklis; baltyminė aplinka veikia atitinkamas redukcines savybes. Kiti biologiniai nešikliai naudoja Fe–S ar vario centrus. Perdavimas apima molekulinį susiejimą ir reorganizaciją; tai nėra vientiso metalo laidas per baltymą.

Pasirenkamam išsamesniam originaliam modeliui esant 298.15 K nurodykite donoro redukcijos potencialą −0.150 V ir akceptoriaus redukcijos potencialą +0.100 V pagal tą pačią atskaitą bei standartinių būsenų konvenciją. Vieno elektrono suminei reakcijai ΔE°=0.250 V. Faradėjaus konstanta F=N_Ae≈96485.3321 C mol⁻¹ naudoja tikslią Avogadro konstantą ir elementarųjį krūvį e=1.602176634×10⁻¹⁹ C. Δ_rG°=−FΔE°≈−24.1213 kJ mol⁻¹.

Naudojant molinę dujų konstantą R=N_Ak_B≈8.314462618 J mol⁻¹ K⁻¹ ir Bolcmano konstantą k_B=1.380649×10⁻²³ J K⁻¹, gaunama K=exp(FΔE°/RT)≈16821.9. Tai išgalvoti potencialai, o ne tikrosios citochromo vertės. Standartinės būsenos varomoji jėga nenustato tikro biologinio srauto ar vienintelio elektronų perdavimo kelio.

Trumpasis Fe–S žymėjimas gali neapimti išorinių ligandų

Pasirinktame [2Fe-2S] modelyje trumpasis klasterio žymėjimas skaičiuoja du Fe ir du neorganinio sulfido S atomus. Oksiduotos būsenos formaliajai apskaitai naudokite Fe(III), Fe(III) ir du S²⁻: branduolio krūvis +6−4=+2. Vienu elektronu redukuotos būsenos apskaita su Fe(III), Fe(II) duoda branduolio krūvį +5−4=+1. Vidutinis redukuoto Fe priskyrimas yra +2.5; jis vienareikšmiškai nepriskiria priimto elektrono vienam konkrečiam atomui.

Jei tas pats ligandais užbaigtas koordinacinis fragmentas taip pat apima keturis išorinius tiolato ligandus RS⁻, pridėkite jų −4 krūvį. Tuomet viso užrašyto Fe₂S₂(SR)₄ fragmento krūviai yra −2 ir −3. Branduolio žymenys +2/+1 ir viso fragmento −2/−3 aprašo tą patį pasirinktą elektrono pokytį pagal skirtingas ribas. Nė vienas nėra viso baltymo krūvis.

Kitose Fe–S aplinkose gali būti naudojami kitokie išoriniai donorai, įskaitant mišrų histidino ir tiolato koordinavimą. Fe–S centrai taip pat gali atlikti su redokso reakcijomis nesusijusias funkcijas. Įprastas trumpasis klasterio žymėjimas nepateikia kiekvieno ligando, funkcijos ar universalaus redukcijos potencialo. Nurodykite, kuriuos atomus ir krūvius apima skliaustai.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Koks didžiausias O₂ kiekis gaunamas iš 0.0400 μmol nepažeisto funkcinio keturių hemų HbA pagal pasirinktą vietų modelį?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   0.160 μmol O₂.

   Keturios vietos vienam baltymui duoda 4×0.0400; tikrajai užimtai daliai vis dar reikia surišimo modelio ar matavimo.

2. Pasirinkto Fe₂S₂ branduolio krūvis yra +1. Įtraukti keturi išoriniai RS⁻. Raskite ligandais užbaigto fragmento krūvį.

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   −3.

   +1+4(−1)=−3; tai nėra viso baltymo krūvis.

3. Ar keturių hemų skaičius reikalauja, kad pasirinktas ar išmatuotas Hill laipsnio rodiklis būtų 4?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Surišimo gebos skaičius ir fenomenologinės kreivės parametras yra skirtingi dydžiai.

4. Kodėl geležies(III)–superoksido indėlis oksiheme nereiškia tos pačios tapatybės kaip akvamethemoglobinas?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Jo surištas partneris ir elektroninė sandara skiriasi.

   Formalusis indėlis nepanaikina su O₂ susijusio kovalentiškumo ir nepakeičia jo ligandų aplinkos vandeniu.

Ką verta įsidėmėti

• Surišimo gebą skaičiuokite atskirai nuo užpildo.
• Atskirkite donorinius kontaktus nuo bendro ligandų atomų skaičiaus.
• Nurodykite elektroninio pobūdžio įrodymų sąlygas.
• Naudokite bendrą potencialo atskaitą ir standartines būsenas.
• Fe–S krūvio žymeniui reikia aiškios atomų ribos.