銅タンパク質

銅タンパク質は、補欠分子族として1 つ以上の銅イオンを含むタンパク質です。銅タンパク質は、空気呼吸するあらゆる生物に見られます。これらのタンパク質は通常、酸素(O ₂ )の有無にかかわらず、電子伝達に関連しています。一部の生物は、鉄タンパク質の代わりに銅タンパク質を使用して酸素を運びます。ヒトの顕著な銅タンパク質は、シトクロム c 酸化酵素(cco) です。この酵素 cco は、 ATP を生成する制御された燃焼を媒介します。^[1] その他の銅タンパク質には、フリーラジカルに対する防御に使用されるいくつかのスーパーオキシドディスムターゼ、ホルモンを生成するペプチジル-α-モノオキシゲナーゼ、および皮膚の色素沈着に影響を与えるチロシナーゼがあります。^[2]

銅タンパク質の金属中心はいくつかのタイプに分類できます。^[3]

• タイプ I 銅中心 (T1Cu) は、三角形の平面構造で2 つのヒスチジン残基と1 つのシステイン残基によって配位された単一の銅原子と、可変軸リガンドによって特徴付けられる。クラス I T1Cu タンパク質(アミシアニン、プラストシアニン、擬似アズリンなど) では軸リガンドはメチオニンの硫黄であるが、メチオニン以外のアミノ酸 (グルタミンなど) はクラス II T1Cu 銅タンパク質を生成する。アズリンは3 番目のタイプの T1Cu 中心を含む。1 つの軸位置のメチオニンに加えて、2 番目の軸リガンド (グリシン残基のカルボニル基) を含む。T1Cu 含有タンパク質は通常「キュプレドキシン」と呼ばれ、類似の 3 次元構造、比較的高い還元電位 (> 250 mV)、および 600 nm 付近の強い吸収 ( S → Cu電荷移動による) を示し、通常は青色を呈する。そのため、キュプレドキシンはしばしば「青い銅タンパク質」と呼ばれます。これは誤解を招く可能性があります。なぜなら、一部のT1Cu中心も約460 nmを吸収し、緑色になるからです。EPR分光法で研究すると、 T1Cu中心はスペクトルの平行領域で小さな超微細分裂を示します（一般的な銅配位化合物と比較して）。^[4]
• タイプ II 銅中心 (T2Cu) は、 N または N/Oリガンドによる平面正方配位を示す。これらは、通常の銅配位化合物で観察されるものと同様に、平行領域で銅の超微細分裂を伴う軸方向EPRスペクトルを示す。硫黄配位が存在しないため、これらの中心の光学スペクトルには特徴的な特徴がない。T2Cu 中心は酵素中に存在し、酸化または酸素化を補助する。^[5]
• タイプIII銅中心（T3Cu）は、それぞれ3つのヒスチジン残基で配位された一対の銅中心から構成されています。これらのタンパク質は、架橋リガンドとの共有結合による2つのS = 1/2金属イオン間の強い反強磁性結合（すなわちスピンペアリング）によりEPR信号を示さない。これらの中心は、一部の酸化酵素や酸素輸送タンパク質（ヘモシアニンやチロシナーゼなど）に存在します。^[6]
• 二核銅A中心（Cu _A）はシトクロムc酸化酵素と亜酸化窒素還元酵素（EC 1.7.99.6）に見られます。2つの銅原子は、2つのヒスチジン、1つのメチオニン、タンパク質骨格のカルボニル酸素、および2つの架橋システイン残基によって配位されています。^[7]
• 銅 B 中心 (Cu _B )はシトクロムc酸化酵素に見られます。銅原子は 3 つのヒスチジンによって三角錐状に配位されています。
• 亜酸化窒素還元酵素には四核銅Z 中心 (Cu _Z )が存在します。4 つの銅原子は 7 つのヒスチジン残基によって配位され、硫黄原子によって架橋されています。

青色銅タンパク質は、その鮮やかな青色 (Cu(II)) にちなんで名付けられました。青色銅タンパク質はしばしば「ムーンライトタンパク質」と呼ばれ、タンパク質が複数の機能を果たすことができることを意味します。これらは電子移動剤として機能し、活性部位は Cu(I) と Cu(II) の間を往復します。酸化状態の Cu ²⁺は、還元されたタンパク質で1 つの電子を受け取り、Cu ^{1+ を}形成できます。Cu 中心の形状は、その酸化還元特性に大きな影響を与えます。銅部位は対称性が低く、d 軌道多様体での縮退をサポートしないため、Jahn-Teller 歪みは青色銅タンパク質には適用されません。大きな再編成変化がないため、電子移動速度が向上します。タイプ I 青色銅タンパク質の活性部位。配位球に 2 つの 2-ヒスチジン、1 つのメチオニン、および 1 つのシステインが存在します。タイプ I 青色銅タンパク質の例としては、プラストシアニン、アズリン、亜硝酸還元酵素、 ヘモシアニン、チロシナーゼなどがあります。

ブルー銅タンパク質は、タイプ 1 銅タンパク質の一種で、キュプレドキシンフォールドと、2 つのヒスチジンN 供与体、システインチオレート S 供与体、およびメチオニンチオエーテル S 供与体によって配位された単一のタイプ I 銅イオンを含む小さなタンパク質です。^[8]酸化状態では、Cu ⁺²イオンは三方両錐または四面体配位を形成します。^{[8]タイプ 1 銅タンパク質は、}リガンドから金属への電荷移動により、600 nm に強いバンドが生じ、電子吸収スペクトルに濃い青色の特徴が現れるため、ブルー銅タンパク質として識別されます。^[9]

タイプ1の青色銅タンパク質であるアミシアニンのタンパク質構造は、青色銅タンパク質のβサンドイッチ構造によく見られるポリペプチドの折り畳みから構築されています。^[10]この構造は、タイプ1銅タンパク質として識別されるプラストシアニンやアズリンと非常によく似ています。 ^[10]また、各銅タンパク質の銅部位の形状により、これらは互いに類似しています。タンパク質のアズリンは、細長い軸方向のグリシンおよびメチオニン硫黄リガンドを持つ三角両錐形状をしています。プラストシアニンには、軸方向の位置にメチオニン硫黄リガンドが追加されています。各銅タンパク質の主な違いは、各タンパク質が銅中心に配位するリガンドの数と種類が異なることです。

銅イオンとシステイン硫黄との強い結合により、システイン硫黄上の非結合電子は、低/高スピン状態の銅イオン、d _x ² -d _y ²軌道、およびシステイン硫黄のp軌道の両方に存在することができます。 ^[9]ほとんどの銅(II)錯体は、錯体が八面体錯体形状の四面体歪みを形成するときに、ヤーン・テラー効果を示します。^[11]青銅タンパク質では、強い赤道システイン配位子と弱い軸方向メチオニン配位子により、歪んだ四面体錯体が形成されます。^[11] 2つの中性ヒスチジン配位子はタンパク質配位子によって配置され、形状は歪んだ四面体になります。これにより、四面体または正方形平面として完全に配位できなくなります。

^{温度を下げると遷移が変化する可能性があります。約 16000 cm −1}での強い吸光度は、 青銅の吸収特性を特徴付けています。中程度の吸収強度を持つ 2 番目の低エネルギー特性バンドがありました。プラストシアニンの分極信号結晶吸収データは、両方のバンドが Cu(II)-S(Cys) 結合に関連するものと同じ分極比を持つことを示しました。これは、通常の銅錯体が高エネルギー強度のシグマ結合と低エネルギーの弱い π 結合を持つことで説明されます。ただし、青銅タンパク質の場合は、CT 強度が CT プロセスでのドナー軌道とアクセプター軌道の重なりを反映しているため、低エネルギー強度のシグマ結合と高エネルギーの弱い π 結合を持ちます。これには、青銅サイトの 3d _{(x ² -y ² )}軌道が、そのローブが Cu-S(Cys) 結合を二分し、硫黄と直接主要な π 重なりを与えるように配向されている必要がありました。最後に、青色銅タンパク質の基底状態波動関数の性質は、電子吸収スペクトルが豊富です。

システイン硫黄銅(II)イオン結合の範囲は2.6～3.2Åである。^[12]還元型CuIでは、タンパク質構造は依然として0.1Å以下の伸長した結合で形成される。酸化型と還元型のタンパク質構造では、これらを重ね合わせることができる。アミシアニンでは、ヒスチジンが連結されているため例外となり、ヨウ化銅に結合しない。^[12]アズリンでは、システイン112チオレートがアスパラギン47とフェニルアラニン114のアミド骨格から水素結合を受け取り、ヒスチジン46がアスパラギン10のカルボニル骨格に水素結合を供与する。プラストシアニンのシステイン84チオレートはアミド骨格であるアスパラギン38から水素結合を受け入れ、ヒスチジン37はアラニン33のカルボニル骨格と強く相互作用し、ロイシン5のカルボニル骨格、グリシン34、およびフェニルアラニン35のアミド骨格とはより弱く相互作用する。^[12]

Cu ²⁺錯体は移動速度が比較的遅い場合が多い。一例として Cu ^2+/+ aquo 錯体があり、これは 5 x 10 ⁻⁷ M ⁻¹ .sec ⁻¹であるのに対し、青色銅タンパク質は 1 ms ～ 01μs である。^[13]電子移動により、青色銅タンパク質の活性部位の酸化 Cu ²⁺状態は、ヤーン・テラー効果が最小化されるため最小化される。歪んだ形状はヤーン・テラー歪みを防ぐ。軌道の縮退は、非対称リガンド場により除去される。^[11]非対称リガンド場は、強いエクアトリアルシステインリガンドと弱いアキシャルメチオニンリガンドの影響を受ける。図 2 のエネルギー準位図は、3 つの異なる関連形状とそれらの d 軌道分裂を示しており、ヤーン・テラー効果は青で示されている。^[11] (i) は、縮退している四面体形状のエネルギー準位図を示している。四面体構造は、縮退した軌道のためにヤーン・テラー歪みを受ける可能性がある。 (ii) は、縮退した^{2 E 基底状態を持つ C} _3v対称構造のエネルギーレベル分割図を示している。C _3v構造は、還元されたサイトでの伸長したメチオニンチオエーテル結合によって形成された。不対電子はヤーン・テラー効果をもたらす。 (iii) は、より長いチオエステル結合とそれに続くより短いチオレート結合を持つ C _s構造の基底状態エネルギーレベル分割図を示している。これが青色銅タンパク質の適切な構造である。これは、ヤーン・テラー効果が存在しないことを示している。エネルギー図は、短い Cu-S(Cys) 結合の非対称性と大きく歪んだ Cu-L 結合角によって軌道の縮退が除去され、それによって Cu-S(Met) の弱いドナーと Cu-S(Met) の強いドナーによるヤーン・テラー効果が除去されることを示す。^[11]

• 健康における銅
• ステラシアニン