Металлопротеины представляют собой большую и разнообразную группу белков, в состав которых входят ионы металлов, выполняющие структурные или каталитические функции. Металлические центры в них играют ключевую роль в обеспечении уникальных свойств, которые недостижимы для белков, состоящих только из аминокислотных остатков. Металлопротеины встречаются во всех организмах — от бактерий до человека — и обеспечивают широкий спектр жизненно важных процессов: дыхание, фотосинтез, транспорт газов, детоксикацию, передачу электронов и активацию различных субстратов.
Металлопротеины подразделяются в зависимости от природы металла и выполняемых функций:
Металлический ион в металлопротеинах окружён лигандами, среди которых могут быть атомы кислорода карбоксильных групп, азот имидазольного кольца гистидина, тиольные группы цистеина или боковые цепи других аминокислот. Важную роль играют также экзогенные лиганды: молекулы воды, гидроксид-ионы, субстраты и кофакторы.
Координационная геометрия зависит от природы металла и числа лигандов. Встречаются тетраэдрические, октаэдрические, квадратные планарные и более сложные конфигурации. Такая структурная организация создаёт уникальные электронные свойства, позволяющие металлу участвовать в реакциях переноса электронов, связывании кислорода или катализе.
1. Транспорт и хранение газов. Гемоглобин и миоглобин связывают и транспортируют кислород, обеспечивая дыхание и энергетический обмен. Ферритин и гемосидерин аккумулируют железо в клетках.
2. Окислительно-восстановительные реакции. Цитохромы и железо-серные белки участвуют в дыхательных цепях, передавая электроны от донора к акцептору. Это обеспечивает генерацию АТФ в митохондриях и бактериальных мембранах.
3. Каталитическая активность. Металлопротеины проявляют свойства ферментов. Карбоангидраза катализирует гидратацию углекислого газа, супероксиддисмутаза разрушает активные формы кислорода, пероксидазы и каталаза нейтрализуют перекись водорода.
4. Фотосинтез. Белки с магнием (например, хлорофиллсодержащие комплексы) и железо-серные белки участвуют в процессах фотосинтетического переноса электронов.
5. Детоксикация и защита от окислительного стресса. Медсодержащие и марганецсодержащие ферменты разрушают токсичные продукты метаболизма и предотвращают повреждение клеточных структур.
Металлопротеины демонстрируют широкий спектр электронных состояний металлов, что позволяет им менять степень окисления и участвовать в многоэлектронных процессах. Свойства зависят от:
Белковая оболочка не только фиксирует металл в активном центре, но и регулирует доступ субстратов, стабилизирует переходные состояния и контролирует кинетику реакций.
Нарушения в содержании и функционировании металлопротеинов приводят к патологическим состояниям. Дефицит железа вызывает анемию, мутации в генах медсодержащих белков связаны с болезнью Вильсона и нарушениями обмена меди, а снижение активности цинксодержащих ферментов приводит к дефектам синтеза нуклеиновых кислот и белков. Металлопротеины также активно исследуются как мишени для лекарственных препаратов и как биомаркеры заболеваний.
Считается, что именно металлопротеины сыграли решающую роль в ранней эволюции живого. В дооксигенной атмосфере древней Земли ферменты с железо-серными кластерами обеспечивали каталитическую активность при отсутствии органических кофакторов. Развитие кислородного фотосинтеза сопровождалось усложнением металлопротеинового аппарата, что дало возможность живым организмам использовать кислород как эффективный акцептор электронов.