Metalloenzyme: Struktur, Funktion und Bedeutung

Ein Metalloenzym ist ein enzymatisches Protein, das eine starke Verbindung zwischen seinem Proteinanteil und einem Metall hat, wobei das Metall innerhalb des Moleküls eingebettet ist. Das Metall ist normalerweise in Form eines Ions, und seine Hauptrolle ist es, in enzymatischen Reaktionen zu funktionieren. Das Metall spielt manchmal eine direkte Rolle bei der Bindung von Atomen; zu anderen Zeiten arbeitet es daran, das Protein nach der enzymatischen Reaktion zu stabilisieren. Viele Enzyme, die die biologischen Prozesse im Körper regulieren, sind Metalloenzyme.

Standort von Metallen

Metalle helfen bei dem Prozess des Elektronentransfers. Sie befinden sich an den aktiven Stellen der Enzyme, wo sie als Elektrophile – elektronliebende Substanzen – wirken, die Elektronen von anderen Substanzen ziehen, um eine Bindung zu bilden.

Funktion

Metalloenzyme benötigen die Anwesenheit anderer Metalle, um in Reaktionen zu funktionieren. Cynthia L. Lowry und Harry Le Vine III von den Glaxo Research Laboratories beobachteten 2004, dass die Anwesenheit der Metalle hilft, die Protein-Konformationen zu stabilisieren, die aus den Reaktionen resultieren. Diese Metalle wirken, indem sie weitere Reaktivität einfach verhindern, weil keine anderen Metalle vorhanden sind, mit denen sie reagieren können. Konkurrenz für die aktive Bindungsstelle durch andere Verbindungen schränkt auch die Aktivität von Metalloenzymen ein.

Typen

Es gibt mehrere Typen von Metalloenzymen, einschließlich Hämoglobin, Alkoholdehydrogenase und Cytochrome.
Das Eisenatom im Hämoglobin ist für die Bindung von Sauerstoff für den Transport im gesamten Körper verantwortlich. Alkoholdehydrogenase enthält Zink, das das NAD+-Coenzym verwendet, um Alkohole zu oxidieren. Das in Cytochromes – Membranproteine – enthaltene Eisen trägt Elektronen in der Elektronentransportkette und nimmt sie auf. Cytochromoxidase nutzt Kupferionen, um Elektronen an ein Sauerstoffmolekül von seinem ursprünglichen Substrat zu übertragen.
Einige andere Metalloenzyme umfassen Phosphotransferase, das ein Magnesiumion-Atom (Mg2+) hat, und Arginase, das ein Manganion (Mn2+) hat, die beide im Elektronentransfer funktionieren.
Carboxypeptidase A enthält Zink und ändert seine Form, um das Substrat an seine aktive Stelle in seinen enzymatischen Reaktionen anzubinden.

Regulierung

Metalloenzyme werden durch mehrere Methoden reguliert, einschließlich durch Ernährung, Wettbewerb mit Analoga und Änderungen der pH-Werte.
Die Ernährungsaufnahme von Zink kann die Menge und Funktion seiner Metalloenzyme stark regulieren oder einschränken. Andere Typen von Metalloenzymen sind durch die Ernährungsaufnahme ihrer Metalle begrenzt.
Analoga sind große Moleküle, die enzymatische Aktivitäten ähnlich denen von Metalloenzymen haben. Diese Analoga konkurrieren mit Metalloenzymen um die Bindung während des Übergangsstatus einer enzymatischen Reaktion. Dies verringert die Menge an Bindungen, die für die Metalloenzyme verfügbar sind.
Änderungen der pH-Werte können den Elektronaustausch zwischen den Atomen und Molekülen, die an der enzymatischen Reaktion beteiligt sind, verhindern. Die Metalle würden normalerweise helfen, diese Elektronen zu ihrem Ziel zu ziehen oder zu leiten, aber pH-Wert-Änderungen können diese Aktivität blockieren.

Zink und Metalloenzyme

Zink spielt eine wichtige Rolle sowohl in der Aktivität vieler lebenswichtiger Enzyme als auch in der Proteinbiosynthese und seinen Verwendungen innerhalb des Körpers. In Anwesenheit von Zink produziert der Körper Milchsäure sowie die Enzyme alkalische Phosphatase, Carboanhydrase und Carboxypeptidase. Zinkmangel hemmt viele biologische Prozesse stark und ist verantwortlich für Wachstumsverzögerung und vergrößerte Milz und Leber. Laut der American Association for the Advancement of Science und dem Center for Metalloenzyme Studies ist Zinks Metalloenzym-Rolle bei Alzheimer-Krankheit ein Forschungsthema.