Plastocianina

La plastocianina es una proteína que contiene cobre que media la transferencia de electrones. Se encuentra en una variedad de plantas, donde participa en la fotosíntesis. La proteína es un prototipo de las proteínas azules de cobre, una familia de metaloproteínas de color intensamente azul. Específicamente, entra en el grupo de pequeñas proteínas de cobre azul de tipo I llamadas “cupredoxinas”.

Función

En la fotosíntesis, la plastocianina funciona como un agente de transferencia de electrones entre el citocromo f del complejo citocromo b6f del fotosistema II y el P700+ del fotosistema I. El complejo citocromo b6f y el P700⁺ son proteínas unidas a membrana con residuos expuestos en el lado de la luz de la membrana tilacoide de los cloroplastos. El citocromo f actúa como donante de electrones, mientras que el P700+ acepta electrones de la plastocianina reducida.

Estructura

La plastocianina fue la primera de las proteínas de cobre azul que se caracterizó mediante cristalografía de rayos X. Cuenta con un barril β antiparalelo de ocho hebras que contiene un centro de cobre.

Se han caracterizado cristalográficamente las estructuras de la proteína de las plantas de álamo, algas, perejil, espinaca y frijol francés. En todos los casos, el sitio de unión generalmente se conserva. Unidos al centro de cobre hay cuatro ligandos: los grupos imidazol de dos residuos de histidina (His37 y His87), el tiolato de Cys84 y el tioéter de Met92. La geometría del sitio de unión del cobre se describe como una "piramidal trigonal distorsionada". El contacto Cu-S (cys) es mucho más corto (207 picómetros) que el enlace Cu-S (met) (282 pm). El enlace alargado Cu-tioéter parece desestabilizar el estado Cu^II, mejorando así su poder oxidante. El color azul (absorción máxima de 597 nm) se asigna a una transición de transferencia de carga de S_pπ a Cu_dx²-y² .

En la forma reducida de plastocianina, His-87 se protona.

Si bien la superficie molecular de la proteína cerca del sitio de unión de cobre varía ligeramente, todas las plastocianinas tienen una superficie hidrófoba que rodea la histidina expuesta del sitio de unión de cobre. En las plastocianinas vegetales, los residuos ácidos se encuentran a ambos lados de la tirosina-83 altamente conservada. Las plastocianinas de algas y las de plantas vasculares de la familia Apiaceae contienen residuos ácidos similares, pero tienen una forma diferente a la de las plastocianinas vegetales: carecen de los residuos 57 y 58. En las cianobacterias, la distribución de los residuos cargados en la superficie es diferente a la de las plastocianinas eucariotas. y las variaciones entre diferentes especies bacterianas son grandes. Muchas plastocianinas de cianobacterias tienen 107 aminoácidos. Aunque los parches ácidos no se conservan en las bacterias, el parche hidrofóbico siempre está presente. Se cree que estos parches hidrófobos y ácidos son los sitios de reconocimiento/unión de otras proteínas implicadas en la transferencia de electrones.

Reacciones

La plastocianina (Cu²⁺Pc) se reduce (se añade un electrón) por el citocromo f según la siguiente reacción:

Cu²⁺Pc + e⁻ → Cu⁺Pc

Después de la disociación, Cu⁺Pc se difunde a través del espacio luminal hasta que se produce el reconocimiento/unión con P700⁺, momento en el que P700⁺ se oxida. Cu⁺Pc según la siguiente reacción:

Cu⁺Pc → Cu²⁺Pc + e⁻

El potencial redox es de aproximadamente 370 mV y el pH isoeléctrico es de aproximadamente 4.

Estado entático

La función de un catalizador es aumentar la velocidad de la reacción de transferencia de electrones (redox). Se cree que la plastocianina funciona menos como una enzima, donde las enzimas disminuyen la energía de transición necesaria para transferir el electrón. La plastocianina funciona más según los principios de los estados entáticos donde aumenta la energía de los reactivos, disminuyendo la cantidad de energía necesaria para que ocurra la reacción redox. Otra forma de reformular la función de la plastocianina es que puede facilitar la reacción de transferencia de electrones al proporcionar una pequeña energía de reorganización, que se ha medido en alrededor de 16 a 28 kcal/mol (67 a 117 kJ/mol).

Para estudiar las propiedades de la reacción redox de la plastocianina, se utilizan métodos como la mecánica cuántica/mecánica molecular (QM/MM) y simulaciones de dinámica molecular. Este método se utilizó para determinar que la plastocianina tiene una energía de deformación entática de aproximadamente 10 kcal/mol (42 kJ/mol).

Los complejos de cobre de cuatro coordenadas a menudo exhiben una geometría plana cuadrada, sin embargo, la plastocianina tiene una geometría tetraédrica distorsionada trigonalmente. Esta geometría distorsionada es menos estable que la geometría tetraédrica ideal debido a su menor estabilización del campo del ligando como resultado de la distorsión trigonal. Esta geometría inusual es inducida por la conformación rígida "preorganizada" de los donantes de ligando por la proteína, que es un estado entático. La plastocianina realiza una transferencia de electrones con el redox entre Cu (I) y Cu (II), y se teorizó por primera vez que su estado entático era el resultado de que la proteína imponía una geometría tetraédrica no distorsionada preferida por los complejos de Cu (I) ordinarios sobre el Cu oxidado. (II) sitio. Sin embargo, se induce una geometría tetraédrica altamente distorsionada sobre el sitio de Cu (II) oxidado en lugar de una geometría tetraédrica perfectamente simétrica. Una característica del estado entático es un entorno proteico que es capaz de prevenir la disociación del ligando incluso a una temperatura lo suficientemente alta como para romper el enlace metal-ligando. En el caso de la plastocianina, se ha determinado experimentalmente mediante espectroscopia de absorción que existe un enlace Cu(I)-S_Met largo y débil que debería disociarse a temperatura fisiológica debido al aumento de entropía. Sin embargo, este enlace no se disocia debido a las limitaciones del entorno proteico que domina sobre las fuerzas entrópicas.

En los complejos de cobre ordinarios implicados en el acoplamiento redox Cu(I)/Cu(II) sin un entorno proteico restrictivo, la geometría de su ligando cambia significativamente y normalmente corresponde a la presencia de una fuerza distorsionante de Jahn-Teller. Sin embargo, la fuerza distorsionante de Jahn-Teller no está presente en la plastocianina debido a una gran división de los orbitales d_x2-y2 y d_xy (consulte Estado entático de la proteína de cobre azul).. Además, la estructura de la plastocianina exhibe un enlace largo Cu(I)-S_Met (2,9 Å) con una fuerza de donación de electrones disminuida. Este enlace también acorta el enlace Cu(I)-S_Cys (2,1 Å), aumentando su fuerza donadora de electrones. En general, la plastocianina exhibe una energía de reorganización más baja debido al estado entático del ligando proteico que impone la misma geometría tetraédrica distorsionada en los estados de oxidación de Cu (II) y Cu (I), lo que le permite realizar la transferencia de electrones a un ritmo más rápido. La energía de reorganización de las proteínas de cobre azul, como la plastocianina, de 0,7 a 1,2 eV (68-116 kJ/mol) en comparación con 2,4 eV (232 kJ/mol) en un complejo de cobre ordinario como [Cu(phen)₂]^2+/+.

En el océano

Por lo general, la plastocianina se puede encontrar en organismos que contienen clorofila b y cianobacterias, así como en algas que contienen clorofila c. También se ha encontrado plastocianina en la diatomea, Thalassiosira oceanica, que se puede encontrar en ambientes oceánicos. Fue sorprendente encontrar que estos organismos contienen la proteína plastocianina porque la concentración de cobre disuelto en el océano suele ser baja (entre 0,4 y 50 nM). Sin embargo, la concentración de cobre en los océanos es comparativamente mayor que la de otros metales como el zinc y el hierro. Otros organismos que viven en el océano, como el fitoplancton, se han adaptado a donde no necesitan estos metales de baja concentración (Fe y Zn) para facilitar la fotosíntesis y crecer.