Proteína de cobre

Las proteínas de cobre son proteínas que contienen uno o más iones de cobre como grupos prostéticos. Las proteínas de cobre se encuentran en todas las formas de vida que respiran aire. Estas proteínas suelen estar asociadas con la transferencia de electrones con o sin la participación del oxígeno (O2). Algunos organismos incluso utilizan proteínas de cobre para transportar oxígeno en lugar de proteínas de hierro. Una proteína de cobre importante en los seres humanos se encuentra en la citocromo c oxidasa (cco). Esta enzima cco media la combustión controlada que produce ATP. Otras proteínas de cobre incluyen algunas superóxido dismutasas utilizadas en la defensa contra los radicales libres, la peptidil-α-monooxigenasa para la producción de hormonas y la tirosinasa, que afecta la pigmentación de la piel.

Los centros metálicos en las proteínas de cobre se pueden clasificar en varios tipos:

• Centros de cobre tipo I (T1Cu) se caracterizan por un solo átomo de cobre coordinado por dos residuos de histidina y un residuo de cisteína en una estructura planar trigonal, y un ligand axial variable. En la clase I T1Cu proteínas (por ejemplo, amicyanina, plastocyanina y pseudoazurín) el ligando axial es el sulfuro de metionina, mientras que los aminoácidos distintos de la metionina (por ejemplo, glutamina) dan lugar a proteínas de cobre T1Cu clase II. Las azuurinas contienen el tercer tipo de centros T1Cu: además de una metionina en una posición axial, contienen un segundo ligando axial (un grupo de carbonilo de un residuo de glicina). Las proteínas que contienen T1Cu se denominan generalmente "cupredoxinas", y muestran estructuras similares de tres dimensiones, potenciales de reducción relativamente altos (conejo 250 mV), y fuerte absorción cerca de 600 nm (debido a S→Transferencia de carga), que generalmente da lugar a un color azul. Por lo tanto, las Cupredoxinas se llaman "proteínas de cobre azul". Esto puede ser engañoso, ya que algunos centros T1Cu también absorben alrededor de 460 nm y por lo tanto son verdes. Los centros T1Cu muestran pequeñas divisiones hiperfinales en la región paralela del espectro (en comparación con los compuestos comunes de coordinación de cobre).
• Centros de cobre tipo II (T2Cu) exhibir una coordinación plana cuadrada por ligands N o N/O. Muestran un espectro EPR axial con hiperfinamiento de cobre dividido en la región paralela similar a la observada en compuestos regulares de coordinación de cobre. Dado que no hay ligadura de azufre, el espectro óptico de estos centros carece de características distintivas. Los centros T2Cu se presentan en enzimas, donde ayudan en oxidaciones o o oxigenaciones.
• Centros de cobre tipo III (T3Cu) consiste en un par de centros de cobre, cada uno coordinado por tres residuos de histidina. Estas proteínas no muestran ninguna señal de EPR debido a un fuerte acoplamiento antiferromagnético (es decir, pareado de espinas) entre los dos iones de metal S = 1/2 debido a su superposición covalente con un ligand de borde. Estos centros están presentes en algunas oxidaciones y proteínas que transportan oxígeno (por ejemplo, hemocianina y tirosinasa).
• Binuclear Centros de cobre A (Cu_A) se encuentran en citocromo c oxidasa y óxido nitroso-reductasa (EC 1.7.99.6). Los dos átomos de cobre están coordinados por dos histidinas, una metionina, una proteína espina dorsal oxigeno de carbono, y dos residuos de cisteína brillantes.
• Centros de cobre B (Cu_B) se encuentran en citocromo c oxidasa. El átomo de cobre está coordinado por tres histidinas en geometría tridimensional piramidal.
• Un tetranuclear Centro de cobre Z (Cu_Z) se encuentra en la reductasa de óxido nitroso. Los cuatro átomos de cobre son coordinados por siete residuos de histidina y puenteados por un átomo de azufre.

Las proteínas de cobre azul deben su nombre a su coloración azul intensa (Cu(II)). La proteína de cobre azul a menudo se denomina "proteína moonlighting", lo que significa que una proteína puede realizar más de una función. Actúan como agentes de transferencia de electrones, con el sitio activo yendo y viniendo entre Cu(I) y Cu(II). El Cu²⁺ en el estado oxidado puede aceptar un electrón para formar Cu¹⁺ en la proteína reducida. La geometría del centro de Cu tiene un gran impacto en sus propiedades redox. La distorsión de Jahn-Teller no se aplica a las proteínas de cobre azul porque el sitio de cobre tiene una simetría baja que no admite la degeneración en la variedad de orbitales d. La ausencia de grandes cambios de reorganización mejora la velocidad de su transferencia de electrones. El sitio activo de una proteína de cobre azul tipo I. Dos 2-histidinas, 1 metionina y 1 cisteína presentes en la esfera de coordinación. Ejemplos de proteína de cobre azul de tipo I son la plastocianina azurina, la nitrito reductasa, la hemocianina y la tirosinasa.

Las proteínas de cobre azul, una clase de proteínas de cobre de tipo 1, son proteínas pequeñas que contienen un pliegue de cupredoxina y un único ion de cobre de tipo I coordinado por dos donantes de N de histidina, un donante de S de tiolato de cisteína y un donante de S de tioéter de metionina. En el estado oxidado, el ion Cu+2 formará una coordinación bipiramidal trigonal o tetraédrica. Las proteínas de cobre de tipo 1 se identifican como proteínas de cobre azul debido a la transferencia de carga del ligando al metal, una banda intensa a 600 nm que da la característica de un color azul profundo presente en el espectro de absorción de electrones.

La estructura proteica de una proteína de cobre azul de tipo 1, la amicianina, está formada por pliegues polipeptídicos que se encuentran comúnmente en la estructura de sándwich β de las proteínas de cobre azul. La estructura es muy similar a la de la plastocianina y la azurina, ya que también se identifican como proteínas de cobre de tipo 1. También son similares entre sí debido a la geometría del sitio de cobre de cada proteína de cobre. La proteína azurina tiene una geometría bipiramidal trigonal con ligandos de azufre de glicina y metionina axiales alargados. Las plastocianinas tienen un ligando de azufre de metionina adicional en la posición axial. La principal diferencia de cada proteína de cobre es que cada proteína tiene una cantidad y una especie diferentes de ligando coordinados con el centro de cobre.

El fuerte enlace entre el ion cobre y el azufre de cisteína permite que el electrón no enlazado en el azufre de cisteína esté presente tanto en el ion cobre de estado de espín alto/bajo, el orbital d_x²-d_y² como en el orbital p del azufre de cisteína. La mayoría de los complejos de cobre (II) exhibirán el efecto Jahn-Teller cuando el complejo forme una distorsión tetragonal de una geometría compleja octaédrica. Con las proteínas de cobre azul, se formará un complejo tetraédrico distorsionado debido al fuerte ligando de cisteína ecuatorial y al débil ligando de metionina axial. Los dos ligandos de histidina neutros están posicionados por el ligando de proteína de modo que la geometría sea tetraédrica distorsionada. Esto hará que no puedan coordinarse perfectamente como tetraédricos o como un plano cuadrado.

La reducción de la temperatura puede cambiar las transiciones. La intensa absorbancia a unos 16000 cm⁻¹ se caracterizó por la característica de absorción del cobre azul. Hubo una segunda banda característica de menor energía con una intensidad de absorción moderada. Los datos de absorción de cristal de señal polarizada sobre plastocianina mostraron que ambas bandas tienen la misma relación de polarización que la asociada con el enlace Cu(II)-S(Cys). Esto se explica por el hecho de que el complejo cúprico normal tiene enlaces sigma intensos de alta energía y enlaces π débiles de baja energía. Sin embargo, en el caso de la proteína de cobre azul, los enlaces sigma intensos de baja energía y los enlaces π débiles de alta energía se deben a que la intensidad de CT refleja la superposición de los orbitales donante y aceptor en el proceso de CT. Esto requirió que el orbital 3d_(x²-y²) del sitio de cobre azul estuviera orientado de tal manera que sus lóbulos bisequen el enlace Cu-S(Cys) dando lugar a una superposición π dominante con el azufre directamente. Finalmente, la naturaleza de la función de onda del estado fundamental de la proteína de cobre azul es rica en espectro de absorción de electrones.

Los enlaces de los iones de azufre y cobre (II) de cisteína varían de 2,6 a 3,2 Å. Con la forma reducida, CuI, las estructuras proteínicas se siguen formando con enlaces alargados de 0,1 Å o menos. Con las estructuras proteínicas oxidadas y reducidas, son superponibles. Con la amicianina, hay una excepción debido a que la histidina está ligada y no está unida al yoduro de cobre. En la azurina, el tiolato de cisteína112 acepta los enlaces de hidrógeno de la cadena principal de amida de la asparagina47 y la fenilalanina114, y la histidina46 dona un enlace de hidrógeno a la cadena principal de carbonilo de la asparagina10. El tiolato de cisteína84 de la plastocianina acepta un enlace de hidrógeno de una cadena principal de amida, la asparagina38, y la histidina37 interactúa fuertemente con la cadena principal de carbonilo de la alanina33 y más débilmente con la cadena principal de carbonilo de la leucina5, la glicina34 y la cadena principal de amida de la fenilalanina35.

Los complejos de Cu²⁺ suelen tener velocidades de transferencia relativamente lentas. Un ejemplo es el complejo acuoso Cu^2+/+, que es de 5 x 10⁻⁷ M⁻¹.sec⁻¹ en comparación con la proteína de cobre azul, que está entre 1 ms y 0,1 μs. Tras la transferencia de electrones, el estado oxidado de Cu²⁺ en el sitio activo de la proteína de cobre azul se minimizará porque se minimiza el efecto Jahn-Teller. La geometría distorsionada evita la distorsión de Jahn-Teller. La degeneración orbital se elimina debido al campo de ligando asimétrico. El campo de ligando asimétrico está influenciado por el fuerte ligando de cisteína ecuatorial y el débil ligando de metionina axial. En la Figura 2, un diagrama de niveles de energía muestra tres geometrías relevantes diferentes y su división de orbitales d y el efecto Jahn-Teller se muestra en azul. (i) muestra el diagrama de niveles de energía de geometría tetraédrica con un que está degenerado. La estructura tetraédrica puede sufrir distorsión de Jahn-Teller debido a los orbitales degenerados. (ii) muestra el diagrama de división de niveles de energía de geometría simétrica C3v con un estado fundamental ²E que está degenerado. La geometría C3v se formó por el enlace tioéter de metionina alargado en el sitio reducido. Los electrones desapareados conducen al efecto Jahn-Teller. (iii) muestra el diagrama de división de niveles de energía del estado fundamental de la geometría Cs con un enlace tioéster más largo y un enlace tiolato posteriormente más corto. Esta es la geometría adecuada de la proteína de cobre azul. Esto muestra que no hay presencia del efecto Jahn-Teller. El diagrama de energía muestra que la asimetría del enlace corto Cu-S(Cys) y los ángulos de enlace Cu-L altamente distorsionados hacen que se elimine la degeneración de los orbitales y, por lo tanto, se elimine el efecto Jahn-Teller, que se debe al donante débil en Cu-S(Met) y al donante fuerte en Cu-S(Met).

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