Hemproteiner

Bindning av syre till en hemprotesgrupp, som skulle vara en del av ett hemoprotein.

Hemproteiner är en grupp protein som har en hemgrupp med järn kovalent eller icke-kovalent bundet till sig. De är en mycket stor klass av metalloproteiner. Hemgruppen ger funktionalitet, som kan vara syrebärande, syrereduktion, elektronöverföring och andra processer. Hem är bunden till proteinet antingen kovalent eller icke-kovalent eller båda.[1]

Hemen består av järnkatjon bunden i mitten av porfyrinens konjugatbas, liksom andra ligander fästa vid järnets "axiella platser". Porfyrinringen är en plan dianionisk, tetradentatligand. Järnet är typiskt Fe2+ eller Fe3+. En eller två ligander är fästa på de axiella platserna. Porfyrinringen har fyra kväveatomer som binder till järnet, vilket lämnar två andra koordinationspositioner av järnet tillgängliga för bindning till proteinets histidin och en tvåvärd atom.[1]

Hemeproteiner utvecklades troligen för att införliva järnatomen som finns i protoporfyrin IX-ringen av hem i proteiner. Eftersom det gör hemproteiner lyhörda för molekyler som kan binda tvåvärt järn, har denna strategi bibehållits under hela evolutionen eftersom den spelar viktiga fysiologiska roller. Syre (O2), kväveoxid (NO), kolmonoxid (CO) och vätesulfid (H2S) binder till järnatomen i hemproteiner. När de väl är bundna till proteshemgrupperna kan dessa molekyler modulera aktiviteten/funktionen hos dessa hemeproteiner, vilket ger signaltransduktion. Därför kallas dessa gasformiga molekyler gasotransmittorer när de produceras i biologiska system (celler).

En modell av Fe-protoporfyrin IX-underenheten av Heme B-kofaktorn.

På grund av deras olika biologiska funktioner och utbredda överflöd är hemproteiner bland de mest studerade biomolekylerna.[2] Data om hemproteinets struktur och funktion har samlats i The Heme Protein Database (HPD), en sekundär databas till Protein Data Bank.[3]

Roller

Hemproteiner har olika biologiska funktioner som syretransport, vilket utförs av hemproteiner som hemoglobin, myoglobin, neuroglobin, cytoglobin och leghemoglobin.[4]

Vissa hemproteiner -cytokrom P450s, cytokrom c-oxidas, ligninaser, katalas och peroxidaser - är enzymer. De aktiverar ofta O2 för oxidation eller hydroxylering.

Hemproteiner möjliggör också elektronöverföring eftersom de utgör en del av elektrontransportkedjan. Cytokrom a, cytokrom b och cytokrom c har sådana elektronöverföringsfunktioner. Det sensoriska systemet förlitar sig också på vissa hemproteiner som FixL, en syresensor, CooA, en kolmonoxidsensor och lösligt guanylylcyklas.

Hemoglobin och myoglobin

Hemoglobin och myoglobin är exempel på hemproteiner som respektive transporterar och lagrar syre hos däggdjur. Hemoglobin är ett kvartärt protein som förekommer i de röda blodkropparna, medan myoglobin är ett tertiärt protein som finns i muskelcellerna hos däggdjur. Även om de kan skilja sig åt i placering och storlek, är deras funktion liknande. Som hemproteiner innehåller de båda en hemoprotesgrupp.

Myoglobin och hemoglobin är globulära proteiner som tjänar till att binda och leverera syre med hjälp av en protesgrupp. Dessa globiner förbättrar dramatiskt koncentrationen av molekylärt syre som kan transporteras i de biologiska vätskorna hos ryggradsdjur och vissa ryggradslösa djur.

Myoglobin

Myoglobin finns i ryggradsdjurens muskelceller. Muskelceller, när de sätts i aktion, kan snabbt kräva en stor mängd syre för andning på grund av deras energibehov. Därför använder muskelceller myoglobin för att påskynda syrediffusion och fungera som lokaliserade syrereserver för tider med intensiv andning. Myoglobin lagrar också den erforderliga mängden syre och gör den tillgänglig för muskelcellens mitokondrier.

Hemoglobin

Hos ryggradsdjur finns hemoglobin i cytosolen hos röda blodkroppar. Hemoglobin kallas ibland syretransportproteinet för att kontrastera det med myoglobin, som är stationärt.

Hos ryggradsdjur tas syre in i kroppen av lungvävnaderna och överförs till de röda blodkropparna i blodomloppet. Syre distribueras sedan till alla vävnader i kroppen och avlastas från de röda blodkropparna till respirerande celler. Hemoglobinet tar sedan upp koldioxid som ska återföras till lungorna. Således binder och avlastar hemoglobin både syre och koldioxid vid lämpliga vävnader, som tjänar till att leverera det syre som behövs för cellulär metabolism och avlägsna den resulterande avfallsprodukten, CO2.

Cytokrom c-oxidas

Cytokrom c-oxidas är ett enzym inbäddat i mitokondriernas inre membran. Dess huvudsakliga funktion är att oxidera cytokrom c-proteinet. Cytokrom c-oxidas innehåller flera metallaktiva platser.

Designade hemoproteiner

Pincer-1:[5] En designad hembindande peptid som antar en allbeta sekundär struktur. Övre: Topologisk representation av Pincer-1 som visar sekundärstrukturen och utformade interagerande rester. Nedre: Allatom 3-dimensionell modell av Pincer-1. Denna modell bekräftades delvis med NMR.

På grund av hemmolekylens olika funktioner: som en elektrontransportör, en syrebärare och som en enzymkofaktor har hembindande proteiner konsekvent lockat uppmärksamheten hos proteindesigners. Initiala designförsök fokuserade på α-spiralformade hembindande proteiner, delvis på grund av den relativa enkelheten att designa självmonterande spiralformade buntar. Hembindningsställen utformades inuti de interspiralforma hydrofoba spåren. Exempel på sådana mönster inkluderar:

Senare designförsök fokuserade på att skapa funktionella hembindande spiralformade buntar, som:

Designtekniken har mognat i en sådan utsträckning att det nu är möjligt att generera hela bibliotek av hembindande spiralformade proteiner.[21]

De senaste designförsöken har inriktats på att skapa allbeta-hembindande proteiner, vars nya topologi är mycket sällsynt i naturen. Sådana mönster är:

  • Pincer-1[5]
  • β-hårnålspeptider[22]
  • β-flak miniproteiner[23]
  • Multisträngade β-flakpeptider[24]

Referenser

Den här artikeln är helt eller delvis baserad på material från engelskspråkiga Wikipedia, Hemoprotein, 26 augusti 2022.

Noter

  1. ^ [a b] Lehninger, Principles of Biochemistry (3rd). New Yorkm: Worth Publishing. 2000. ISBN 1-57259-153-6. 
  2. ^ ”Development of a heme protein structure-electrochemical function database”. Nucleic Acids Research 36 (Database issue): sid. D307–D313. January 2008. doi:10.1093/nar/gkm814. PMID 17933771. 
  3. ^ ”Heme Protein Database”. Heme Protein Database. Brooklyn, NY: Brooklyn College. http://hemeprotein.info/heme.php. 
  4. ^ Principles of Bioinorganic Chemistry. Mill Valley, CA: University Science Books. 1994. ISBN 0-935702-73-3. 
  5. ^ [a b] ”Design of a heme-binding peptide motif adopting a β-hairpin conformation” (på english). The Journal of Biological Chemistry 293 (24): sid. 9412–9422. June 2018. doi:10.1074/jbc.RA118.001768. PMID 29695501. 
  6. ^ ”Helichrome: synthesis and enzymic activity of a designed hemeprotein” (på engelska). Journal of the American Chemical Society 111 (1): sid. 380–381. 1989-01-01. doi:10.1021/ja00183a065. ISSN 0002-7863. 
  7. ^ ”Synthesis and structural stability of helichrome as an artificial hemeproteins”. Biopolymers 29 (1): sid. 79–88. January 1990. doi:10.1002/bip.360290112. PMID 2328295. 
  8. ^ ”Design and synthesis of a globin fold”. Biochemistry 38 (23): sid. 7431–7443. June 1999. doi:10.1021/bi983006y. PMID 10360940. 
  9. ^ ”De novo designed cyclic-peptide heme complexes”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100 (23): sid. 13140–13145. November 2003. doi:10.1073/pnas.2231273100. PMID 14595023. Bibcode: 2003PNAS..10013140R. 
  10. ^ ”Design and synthesis of multi-haem proteins”. Nature 368 (6470): sid. 425–432. March 1994. doi:10.1038/368425a0. PMID 8133888. Bibcode: 1994Natur.368..425R. 
  11. ^ ”Design of a heme-binding four-helix bundle” (på engelska). Journal of the American Chemical Society 116 (3): sid. 856–865. 1994-02-01. doi:10.1021/ja00082a005. ISSN 0002-7863. 
  12. ^ ”Design of amphiphilic protein maquettes: controlling assembly, membrane insertion, and cofactor interactions”. Biochemistry 44 (37): sid. 12329–12343. September 2005. doi:10.1021/bi050695m. PMID 16156646. 
  13. ^ ”Designed di-heme binding helical transmembrane protein”. ChemBioChem 15 (9): sid. 1257–1262. June 2014. doi:10.1002/cbic.201402142. PMID 24829076. 
  14. ^ ”De novo design and molecular assembly of a transmembrane diporphyrin-binding protein complex”. Journal of the American Chemical Society 132 (44): sid. 15516–15518. November 2010. doi:10.1021/ja107487b. PMID 20945900. 
  15. ^ [a b] ”Elementary tetrahelical protein design for diverse oxidoreductase functions”. Nature Chemical Biology 9 (12): sid. 826–833. December 2013. doi:10.1038/nchembio.1362. PMID 24121554. 
  16. ^ ”The HP-1 maquette: from an apoprotein structure to a structured hemoprotein designed to promote redox-coupled proton exchange”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 101 (15): sid. 5536–5541. April 2004. doi:10.1073/pnas.0306676101. PMID 15056758. 
  17. ^ ”De novo design, synthesis and characterisation of MP3, a new catalytic four-helix bundle hemeprotein”. Chemistry 18 (50): sid. 15960–15971. December 2012. doi:10.1002/chem.201201404. PMID 23150230. 
  18. ^ ”Directed evolution of a fungal peroxidase”. Nature Biotechnology 17 (4): sid. 379–384. April 1999. doi:10.1038/7939. PMID 10207888. 
  19. ^ ”Constructing a man-made c-type cytochrome maquette in vivo: electron transfer, oxygen transport and conversion to a photoactive light harvesting maquette”. Chemical Science 5 (2): sid. 507–514. February 2014. doi:10.1039/C3SC52019F. PMID 24634717. 
  20. ^ ”Design and engineering of an O(2) transport protein”. Nature 458 (7236): sid. 305–309. March 2009. doi:10.1038/nature07841. PMID 19295603. Bibcode: 2009Natur.458..305K. 
  21. ^ ”Midpoint reduction potentials and heme binding stoichiometries of de novo proteins from designed combinatorial libraries”. Biophysical Chemistry. Walter Kauzmann`s 85th Birthday 105 (2–3): sid. 231–239. September 2003. doi:10.1016/S0301-4622(03)00072-3. PMID 14499895. 
  22. ^ ”β-Hairpin peptides: heme binding, catalysis, and structure in detergent micelles”. Angewandte Chemie 52 (25): sid. 6430–6434. June 2013. doi:10.1002/anie.201300241. PMID 23640811. 
  23. ^ ”Designed Heme-Cage β-Sheet Miniproteins”. Angewandte Chemie 56 (21): sid. 5904–5908. May 2017. doi:10.1002/anie.201702472. PMID 28440962. 
  24. ^ ”Designed multi-stranded heme binding β-sheet peptides in membrane”. Chemical Science 7 (4): sid. 2563–2571. April 2016. doi:10.1039/C5SC04108B. PMID 28660027. 

Externa länkar

Auktoritetsdata

Media som används på denna webbplats

Mboxygenation.png
Författare/Upphovsman: Smokefoot, Licens: CC BY-SA 4.0
Oxygenation of heme protein
Pincer-1 beta heme peptide.png
Författare/Upphovsman: Vader1941, Licens: CC BY-SA 4.0
Pincer-1: A designed heme-binding peptide adopting an all-beta secondary structure. ABOVE: Topological representation of Pincer-1 showing secondary structure and designed interacting residues. BELOW: All-atom 3-dimensional model of Pincer-1. This model was partially confirmed using NMR