miniatura|dereita|A hemoglobina, un exemplo de metaloproteína, con grupos hemo que conteñen ferro en verde. Unha metaloproteína é unha proteína que contén un ión metálico como cofactor. As funcións das metaloproteínas son moi variadas nas células, actuando como encimas, proteínas de transporte e almacenamento, e na transdución de sinais. De feito, aproximadamente dun cuarto a un terzo de todas as proteínas requiren metais para levar a cabo as súas funcións, e algunhas estimacións indican que poderían chegar a case a metade."Bio-inorganic chemistry" Thomson A.J.; Gray H.B. Current Opinion in Chemical Biology, 1998, Volume 2, pp. 155-158. doi 10.1016/S1367-5931(98)80056-2 O metal adoita estar coordinado por átomos de nitróxeno, oxíxeno ou xofre pertencentes aos aminoácidos da cadea polipeptídica e/ou a un ligando macrocíclico incorporado á proteína. A presenza dos ións metálicos nos metaloencimas permítelles levar a cabo funcións tales como reaccións redox que non poden realizarse facilmente polo conxunto limitado de grupos funcionais que se encontran nos aminoácidos.
Química de coordinación nas metaloproteínas Nas metaloproteínas os ións metálicos están normalmente coordinados por centros de nitróxeno, oxíxeno ou xofre que pertencen a residuos de aminoácidos da proteína. Estes grupos doantes proporciónanos a miúdo as cadeas laterais dos aminoácidos. Son especialmente importantes os substituíntes imidazol da histidina, ou os tiolato da cisteína, e os grupos carboxilato do aspartato. Dada a gran diversidade do metaloproteoma, viuse que virtualmente todos os residuos de aminoácidos poden unirse a centros metálicos. O esqueleto do péptido tamén proporciona grupos doantes, que inclúen amidas desprotonadas e os centros amida oxíxeno do carbonilo.
Ademais dos grupos doantes proporcionados polos aminoácidos, funcionan tamén como ligandos un gran número de cofactores orgánicos. Quizais os máis famosos son os ligandos tetradentados N4 macrocíclicos incorporados nas hemoproteínas. Ligandos inorgánicos como o sulfuro e óxido son tamén comúns.
Metaloproteínas de almacenamento e transporte Transportadores de oxíxeno A hemoglobina (Hb) é o principal transportador de oxíxeno en humanos. Ten catro subunidades nas que o ión de ferro(II) está coordinado polo ligando plano macrocíclico protoporfirina IX (PIX) e o átomo de nitrógeno do imidazol dun residuo de histidina, formando un grupo hemo. O sesto sitio de coordinación contén unha molécula de auga ou unha molécula de dioxíxeno (O2). O sitio activo encóntrase nun peto hidrofóbico, o que é importante, xa que doutro modo o ferro(II) se oxidaría de forma irreversible a ferro(III). A constante de equilibrio para a formación de HbO2 ten un valor que permite que o oxíxeno sexa captado ou liberado en función da presión parcial de oxíxeno nos pulmóns ou nos músculos. Na hemoglobina as catro subunidades mostran un efecto cooperativo, que permite unha doada transferencia de oxíxeno da hemoglobina sanguínea á mioglobina muscular.
A hemeritrina é outro transportador de oxíxeno que contén ferro. O sitio de unión do oxíxeno é un centro de ferro binuclear. Os átomos de ferro están coordinados á proteína a través de carboxilatos das cadeas laterais de glutamato, aspartato e cinco residuos de histidina. A incorporación de O2 pola hemeritrina está acompañada da oxidación de dous electróns do centro reducido binuclear, coa produción de peróxido (OOH-). Os mecanismos de captura e liberación de oxíxeno coñécense en detalle.
As hemocianinas transportan oxíxeno no sangue da maioría dos moluscos e algúns artrópodos como o cangrexo ferradura (Limulus polyphemus). É o segundo encima transportador de oxíxeno máis abundante, despois da hemoglobina. Na oxixenación os dous átomos de cobre(I) do sitio activo oxídanse a cobre(II) e as moléculas de dioxíxeno (O2) redúcense a peróxido (O22-).
Citocromos Os citocromos posúen un átomo de ferro que na maioría dos casos se encontra coordinado a un grupo hemo. Os citocromos funcionan como vectores de transferencia de electróns oxidando ferro(II) a ferro(III). As diferenzas entre os citocromos están nas distintas cadeas laterais; por exemplo o citocromo a ten un grupo prostético hemo A e un citocromo b ten un grupo prostético hemo B. Estas diferenzas tradúcense en diferentes potenciais redox Fe2+/Fe3+ de tal maneira que son varios os citocromos que participan na cadea de transporte de electróns mitocondrial. miniatura|130px| Sitio activo da rubredoxina.
Os encimas do citocromo P450 desempeñan a función de inserción dun átomo de oxíxeno nun enlace C-H, unha reacción de oxidación.
Rubredoxina A rubredoxina é un portador de electróns encontrado en bacterias e arqueas que metabolizan xofre. O sitio contén un ión de ferro que é coordinado polos átomos de xofre de catro residuos de cisteína, que forman un tetraedro case regular. As rubredoxinas realizan procesos de transferencia dun electrón. O estado de oxidación do átomo de ferro muda entre os estados +2 e +3. En ambos os estados de oxidación do metal hai un spin alto o que axuda a minimizar os cambios estruturais.
Plastocianina miniatura|180px|Sitio do cobre da plastocianina. A familia da plastocianina está formada por proteínas do cobre azuis implicadas en reaccións de transferencia de electróns. O sitio de unión ao cobre descríbese como "piramidal trigonal distorsionado". O plano trigonal da base piramidal está composto por dous átomos de nitróxeno (N1 e N2) de dúas histidinas distintas e un xofre (S1) dunha cisteína. O xofre (S2) dunha metionina axial forma o ápice. A "distorsión" ocorre nas lonxitudes dos enlaces entre os ligandos cobre e o xofre. O contacto Cu-S1 é máis curto (207 picómetros) ca o Cu-S2 (282 pm). O enlace alongado Cu-S2 desestabiliza a forma do CuII e incrementa o potencial redox da proteína. A cor azul (pico de absorción de 597 nm) débese ao enlace Cu-S1, no que ocorre unha transferencia de carga do Spπ ao Cudx2-y2.
Na forma reducida da plastocianina, a His-87 está protonada cunha pKa de 4,4. A protonación evita que actúe como un ligando e a xeometría do sitio do cobre faise trigonal planar.
Almacenamento e transferencia de ferro O ferro é almacenado como ferro(III) na ferritina. A natureza exacta do sitio de unión non se determinou aínda. O ferro parece estar presente como un produto de hidrólise, como FeO(OH) e é transportado pola transferrina cuxo sitio de unión consiste en dúas tirosinas, un ácido aspártico e unha histidina.
O corpo humano non ten ningún mecanismo de excreción de ferro, e isto pode orixinar problemas de sobrecarga de ferro en pacientes tratados con transfusións de sangue, como, por exemplo, os pacientes de β-talasemia.
Ceruloplasmina A ceruloplasmina é a principal proteína portadora de cobre do sangue. Mostra actividade oxidase, o cal está asociado coa posible oxidación do Fe2+ (ión ferroso) en Fe3+ (ión férrico), polo tanto, axuda no seu transporte no plasma, en asociación coa transferrina, a cal só pode transportar ferro en estado férrico.
Metaloencimas Os metaloencimas teñen unha característica en común: o ión metálico únese á proteína cun sitio de coordinación lábil. Como ocorre con todos os encimas, a forma do sitio activo é crucial; o metal encóntrase normalmente nun peto da molécula, a cuxa forma se adapta o substrato. Os ións metálicos catalizan reaccións que son difíciles de conseguir en química orgánica.
Anhidrase carbónica miniatura|250px|Sitio activo da anhidrase carbónica. Os tres residuos de histidina de coordinación móstranse en verde, o hidróxido en vermello e branco, e o cinc en cor cincenta. CO2 + H2O ←→ H2CO3 Esta reacción é moi lenta en ausencia dun catalizador, mais é rápida en presenza do ión hidróxido CO2 + OH- ←→ HCO3-
Unha reacción semellante a esta é case instantánea coa anhidrase carbónica. A estrutura do sitio activo coñécese ben; componse dun ión cinc coordinado por tres átomos de nitróxeno do imidazol de tres unidades de histidina. O cuarto sitio de coordinación está ocupado por unha molécula de auga. Esta coordinación de ións cinc é aproximadamente tetraédrica, a carga positiva dos ións cinc polariza a molécula de auga coordinada e prodúcese un ataque nucleofílico pola porción hidróxido cargado negativamente sobre o dióxido de carbono. O ciclo catalítico produce ións de bicarbonato e de hidróxeno, xa que o equilibrio favorece a disociación do ácido carbónico a valores de pH fisiolóxico. H2CO3 ←→ HCO3- + H+
Encimas dependentes da vitamina B12 A vitamina B12 cataliza a transferencia de metilo (-CH3) entre dous grupos de moléculas, o que implica a rotura de enlaces C-C, un proceso que é enerxeticamente custoso en reaccións orgánicas. Os ións de metal diminúen a enerxía de activación para o proceso de transición por medio da formación dun enlace transitorio Co-CH3. A estrutura deste coencima determinouna Dorothy Hodgkin, polo cal recibiu o premio Nobel. Consta dun ión cobalto (II) coordinado por catro átomos de nitróxeno dun anel de corrina e un quinto átomo de nitróxeno do grupo imidazol. No estado de repouso hai un enlace σ Co-C co carbono 5 ' da adenosina. Este é un composto organometálico que se encontra na natureza, o que explica a súa función na transmetilación, como a levada a cabo pola metionina sintase.
Nitroxenase O encima bacteriano nitroxenase é un dos poucos encimas que poden catalizar o proceso de fixación do nitróxeno atmosférico. Posúe un átomo de molibdeno no sitio activo e grupos de ferro-xofre que participan no transporte dos electróns que cómpren para reducir o nitróxeno. A reacción pode escribirse así: N2 +16 MgATP +8e- → 2NH3 + 16 MgADP +16 Pi + H2
A estrutura exacta do sitio activo foi difícil de determinar. Parece conter un centro de MoFe7S8 que pode unirse á molécula de dinitróxeno e, probablemente, permitir que comece o proceso de redución. Os electróns son transportados polo centro asociado "P", que contén dous centros cúbicos Fe4S4 unidos por pontes de xofre.
Superóxido dismutase miniatura|250px|Estrutura dun tetrámero de superóxido dismutase 2 humana. O ión superóxido, O2- xérase nos sistemas biolóxicos por redución do oxíxeno molecular. Ten un electrón desapareado, polo que se comporta como un radical libre e é un poderoso axente oxidante. Estas propiedades fan que o ión superóxido sexa moi tóxico e o utilicen os fagocitos para mataren microorganismos invasores. En caso contrario, o superóxido debe ser destruído antes de que cause danos non desexados ás células. O encima superóxido dismutase realiza esta función de maneira moi eficiente.
O estado de oxidación dos átomos de oxíxeno é ½. En solucións a pH neutro, o ión superóxido dismuta a oxíxeno molecular e peróxido de hidróxeno:
2 O2− + 2 H+ → O2 + H2O2
As superóxido dismutases, abreviadas como SOD, aumentan a taxa de reacción ata case o límite de difusión.Heinrich, Peter; Georg Löffler; Petro E. Petrides (2006). Biochemie und Pathobiochemie (Springer-Lehrbuch) (German Edition). Berlin: Springer. pp. 123. ISBN 3-540-32680-4. A chave para explicar a acción destes encimas é o seu ión metálico con estados de oxidación variables, que pode actuar como axente oxidante ou como redutor.
Oxidación: M(n+1)+ + O2− → Mn+ + O2 Redución: Mn+ + O2− + 2H+ → M(n+1)+ + H2O2.
En humanos o metal activo é cobre, en forma de Cu2+ ou de Cu+, coordinado tetraedricamente por residuos de histidina. Este encima ten tamén ións cinc. Outras isoencimas poden conter ferro, manganeso ou níquel. A Ni-SOD é especialmente interesante, xa que presenta níquel(III), o que é un estado de oxidación infrecuente para dito elemento. A xeometría do sitio activo de Ni cíclase desde o Ni(II) cadrado plano, con tiolato (Cys2 e Cys6) e nitróxeno (His1 e Cys2), a un Ni(III) cadrado piramidal cunha cadea lateral His1 axial como ligando.
Proteínas que conteñen clorofila