Metalloproteine: funzioni enzimatiche

Le metalloproteine sono proteine contenenti uno o più ioni metallici uguali o diversi come ferritina, emoglobina e mioglobina. L’associazione dei metalli con le proteine fu riconosciuta fin da quando le proteine iniziarono ad essere individuate chimicamente.

Ad esempio, già nel XIX secolo era stata accertata la presenza di rame nella emocianina dei molluschi e del ferro nella emoglobina dei cani. Successivamente fu scoperto che i metalli partecipano al trasporto di ossigeno e alla catalisi enzimatica.
Il 1950 costituisce una data importante per lo studio delle metalloproteine infatti fu indagata per la prima volta la struttura di una proteina tramite la tecnica dei raggi X che rivelò la presenza di un metallo.

Attualmente si stima che circa la metà delle proteine naturali contengano un metallo. I siti in cui sono presenti i metalli sono i responsabili dell’azione catalitica di processi biologici importanti quali, ad esempio, la fotosintesi clorofilliana e la respirazione. Nelle metalloproteine lo ione metallico è usualmente coordinato ad atomi di azoto, ossigeno e zolfo.

I complessi dei metalli con le proteine sono classificati come metalloproteine o complessi metallo-proteina in base alla stabilità termodinamica dei loro aggregati.

Gli atomi metallici sono così fortemente  legati da non essere allontanati dalla proteina durante i processi di isolamento e purificazione della proteina presentando una costante di associazione > 10⁵. Quando il metallo è legato debolmente la sua associazione alla proteina è biologicamente e chimicamente meno importante e a tali composti viene dato il nome di metallo-proteina.

Funzioni enzimatiche

Le metalloproteine costituiscono una porzione sostanziale del proteoma umano e sono essenziali per la vitalità sia delle singole cellule che dell’intero organismo

Quando la metalloproteina è un metallo cataliticamente attivo, l’associazione di un particolare metallo con l’apoenzima ovvero l’enzima senza metallo suggerisce un ruolo biologico  specifico per il metallo nel sistema. Infatti, dializzando, per esempio, un metalloenzima con leganti specifici si riesce a sequestrare il metallo e l’apoenzima rimasto non ha più attività catalitica. Talvolta in questo processo l’apoenzima si modifica strutturalmente in maniera irreversibile e, aggiungendo nuovamente lo ione metallico, non si instaura nuovamente la funzione catalitica.

Altre volte basta aggiungere un sale dell’appropriato metallo alla soluzione contenente l’apoenzima per riottenere il metalloenzima. Spesso è possibile rimpiazzare lo ione “nativo” di un metalloenzima con altri ioni ottenendo così un altro metalloenzima ancora cataliticamente attivo. Ciò accade, in particolare, per sostituzione dello zinco (II) nativo con Co(II) come nel caso della carbossipeptidasi, anidrasi carbonica e le deidrogenasi alcolica, malica ecc.

Questi due ioni in effetti sono molto simili dal punto di vista della chimica di coordinazione, in quanto hanno dimensioni e costanti di stabilità simili e la stessa preferenza per le coordinazioni tetraedrica, ottaedrica e pentacoordinata nell’ordine. Lo ione metallico può essere sostituito anche in metalloproteine enzimaticamente non attive senza apparenti cambiamenti.

Gruppi donatori

Un problema di fondamentale importanza in bioinorganica è quello di individuare i gruppi donatori della proteina e la geometria intorno al metallo per comprendere al meglio il ruolo del metallo nel processo enzimatico. I metalli delle metalloproteine possono partecipare al trasporto di ossigeno e nell’attivazione di uno zimogeno ovvero di un precursore inattivo di un enzima.

Per esempio ferro e rame possono agire come trasportatori di ossigeni rispettivamente nelle emeritrine, pigmenti respiratori, e nella emocianina, proteina utilizzata da artropodi e molluschi come proteina respiratoria contenente due atomi di rame che sono in grado di legare reversibilmente una molecola di O₂. Sia questi ioni, sia il molibdeno possono accettare elettroni e trasferirli a un altro gruppo come nel caso delle ferrodossine, dei cuproenzimi e delle metalloflavoproteine. Le transferrine e le conalbumine trasportano ferro.

Esempi e funzioni

Alcune proteine sono riportate nella seguente tabella:

Attività enzimatica

I meccanismi dell’attività enzimatica del metallo si esplicano:

1)      Nel legare substrati, cofattori o ambedue

2)      Nell’attivazione del complesso enzima-substrato una volta formato

3)      Nel mantenimento della struttura quaternaria, terziaria o secondaria delle proteine

4)      Nel trasferimento di elettroni in processi ossidativi