メタロプロテイン

ヒトの主要な酸素運搬体であるヘモグロビンは、鉄(II)イオンが平面大環状配位子プロトポルフィリンIX (PIX)とヒスチジン残基のイミダゾール窒素原子によって配位された4つのサブユニットから構成されています。6番目の配位部位には水分子または酸素分子が含まれています。対照的に、筋肉細胞に存在するタンパク質ミオグロビンは、このようなユニットを1つしか持っていません。活性部位は疎水性ポケット内にあります。これは、これがないと鉄(II)が不可逆的に鉄(III)に酸化されるため重要です。HbO ₂の形成の平衡定数は、肺または筋肉内の酸素分圧に応じて酸素が取り込まれたり放出されたりするように設定されています。ヘモグロビンでは、4つのサブユニットが協同効果を示し、ヘモグロビンからミオグロビンへの酸素の容易な移動を可能にしています。^{[ 11 ]}

ヘモグロビンとミオグロビンの両方において、酸素化種には鉄(III)が含まれていると誤って述べられることがある。現在では、これらの種の反磁性は鉄(II)原子が低スピン状態にあるためであることがわかっている。オキシヘモグロビンでは鉄原子はポルフィリン環の平面内に位置しているが、常磁性デオキシヘモグロビンでは鉄原子は環の平面より上にある。^{[ 11 ]このスピン状態の変化は、オキシヘモグロビン部分のFe2 +}の結晶場分裂が大きくイオン半径が小さいことによる協同効果である。

ヘメリトリンは、鉄を含む酸素キャリアーです。酸素結合部位は二核鉄中心です。鉄原子は、グルタミン酸とアスパラギン酸のカルボキシル側鎖と5つのヒスチジン残基を介してタンパク質に配位しています。ヘメリトリンによるO ₂の取り込みは、還元された二核中心の2電子酸化を伴い、結合した過酸化物（OOH ⁻ ）を生成します。酸素の取り込みと放出のメカニズムは詳細に解明されています。^{[ 12 ] [ 13 ]}

ヘモシアニンは、ほとんどの軟体動物やカブトガニなどの一部の節足動物の血液中で酸素を運搬します。酸素輸送における生物学的利用において、ヘモグロビンに次いで2番目に人気があります。酸素化されると、活性部位の2つの銅(I)原子が銅(II)に酸化され、二酸素分子が過酸化物O ²⁻ ₂に還元されます。^{[ 14 ] [ 15 ]}

クロロクルオリン（より大きなキャリアであるエリスロクルオリン）は、多くの環形動物、特に特定の海洋多毛類の血漿中に存在する酸素結合ヘムタンパク質である。

有機化学では、酸化還元反応は一般的ではありません。酸化剤または還元剤として作用できる有機分子が少ないためです。一方、鉄(II)は容易に鉄(III)に酸化されます。この機能は、電子伝達ベクターとして機能するシトクロムで使用されています。金属イオンの存在により、メタロ酵素は、アミノ酸に見られる限られた官能基では容易に実行できない酸化還元反応などの機能を実行できます。^{[ 16 ]}ほとんどのシトクロムの鉄原子はヘム基に含まれています。これらのシトクロム間の違いは、異なる側鎖にあります。たとえば、シトクロムaはヘムa補欠分子族を持ち、シトクロムbはヘムb補欠分子族を持っています。これらの違いにより、Fe2 ⁺ /Fe3 ⁺酸化還元電位が異なり、さまざまなシトクロムがミトコンドリア電子伝達系に関与しています。^{[ 17 ]}

シトクロムP450酵素は、C-H結合に酸素原子を挿入する酸化反応の機能を果たします。^{[ 18 ] [ 19 ]}

ルブレドキシンは、硫黄代謝細菌および古細菌に見られる電子伝達体である。活性部位には、4つのシステイン残基の硫黄原子によって配位された鉄イオンがあり、ほぼ正四面体を形成している。ルブレドキシンは1電子移動プロセスを実行する。鉄原子の酸化状態は+2と+3の間で変化する。どちらの酸化状態においても金属は高スピン状態であり、構造変化を最小限に抑えるのに役立っている。

プラスチシアニンは、電子移動反応に関与する青色銅タンパク質ファミリーの1つです。銅結合部位は、歪んだ三角錐形と表現されます。^{[ 20 ]}ピラミッド底面の三角面は、別々のヒスチジンからの2つの窒素原子（N1とN2）とシステインからの硫黄（S1）で構成されています_。軸_方向のメチオニンからの硫黄（S2 ）が_頂点を形成します。歪みは、銅と硫黄リガンド間の結合長に生じます。Cu−S1_接触は、 Cu−S2（282 pm）よりも短く（207 pm）_、長く伸びたCu−S2_結合はCu（II）型を不安定化させ、タンパク質の酸化還元電位を上昇させます。青色（597 nmのピーク吸収）は、S（pπ）からCu（d _{x ² − y ²} ）への電荷移動が起こるCu−S1_{結合によるものです。} ^{[ 21 ]}   

還元型のプラスチシアニンでは、His -87 はp Ka_が4.4でプロトン化されます。プロトン化により、His -87 はリガンドとして機能しなくなり、銅部位の幾何構造は三角平面になります。

水溶液中では、二酸化炭素は炭酸を形成する。

CO₂ + _H₂O ⇌ H₂CO₃_​​_​​_​

この反応は触媒がないと非常に遅いが、水酸化物イオンが存在するとかなり速くなる。

CO₂ + _OH⁻ ^⇌ HCO₃⁻_​​^​

炭酸脱水酵素では、これと同様の反応がほぼ瞬時に起こります。炭酸脱水酵素の活性部位の構造は、多数の結晶構造からよく知られています。活性部位は、 3つのヒスチジン単位の3つのイミダゾール窒素原子によって配位された亜鉛イオンから構成されています。4番目の配位部位は水分子によって占められています。亜鉛イオンの配位圏はほぼ正四面体です。正に帯電した亜鉛イオンは配位した水分子を分極させ、負に帯電した水酸化物部分による二酸化炭素への求核攻撃が急速に進行します。触媒サイクルでは、平衡として重炭酸イオンと水素イオン^{[ 2 ]}が生成されます。

H₂CO₃ _⇌ HCO₃⁻ ⁺ _H⁺​​​​^​

生物学的pH値で炭酸の解離を促進する。^{[ 28 ]}

コバルトを含むビタミンB12（コバラミンとも呼ばれる）は、2つの分子間でメチル基（−CH3）を転移させる反応を触媒する。_この反応は_C −C結合の切断を伴うが、有機反応ではエネルギー的にコストがかかる。金属イオンは、一時的なCo−CH3結合を形成することで、この反応の活性化エネルギーを低下させる_。 [ 29 ]^{この補酵素}の構造は、ドロシー・ホジキンとその同僚によって決定され、彼女はノーベル化学賞を受賞したことで有名である。^{[ 30 ]}これは、コリン環の4つの窒素原子とイミダゾール基の5番目の窒素原子に配位したコバルト(II)イオンから構成されている。静止状態では、アデノシンの5′炭素原子との間にCo−Cシグマ結合が存在する。^{[ 31 ]}これは天然に存在する有機金属化合物であり、メチオニンシンターゼによって行われる反応などのトランスメチル化反応におけるその機能を説明する。

大気中の窒素の固定は、窒素原子間の非常に安定した三重結合を切断する必要があるため、エネルギー集約的なプロセスです。窒素固定酵素はこのプロセスを触媒します。そのような酵素の一つは、リゾビウム菌に存在します。その作用には3つの要素があります。活性部位のモリブデン原子、窒素還元に必要な電子の輸送に関与する鉄硫黄クラスター、そしてマグネシウムATPの形で豊富なエネルギー源です。この最後のエネルギー源は、細菌と宿主植物（多くの場合マメ科植物）との相利共生によって供給されます。この反応は、次のように記号で表すことができます。

N₂ ₊ 16  Mg ATP ₊ 8  e⁻ ^→ 2 NH₃ + 16 _Mg ADP + 16 Pi + _H₂   

ここで P _{i は無機}リン酸を表します。活性部位の正確な構造を決定することは困難でした。二窒素分子を結合し、おそらく還元プロセスを開始できるMoFe ₇ S _{8クラスターが含まれているようです。} ^{[ 32 ]}一部の細菌種と古細菌種も、VFe ₃ S _{4クラスターを含む}バナジウム窒素固定酵素を持っていることが示されており、モリブデン欠乏条件下で窒素固定の代替経路を可能にします。^{[ 33 ]}電子は、硫黄架橋で結合された 2 つの立方体Fe ₄ S ₄クラスターを含む関連する「P」クラスターによって輸送されます。^{[ 34 ]}

スーパーオキシドイオンO ⁻ ₂は、分子状酸素の還元によって生物系で生成されます。不対電子を持つため、フリーラジカルとして振る舞います。強力な酸化剤です。これらの特性により、スーパーオキシドイオンは非常に毒性が強く、食細胞は侵入してきた微生物を殺すためにこれを有効活用します。そうでなければ、スーパーオキシドイオンは細胞内で不要な損傷を与える前に破壊されなければなりません。スーパーオキシドジスムターゼ酵素はこの機能を非常に効率的に実行します。^{[ 35 ]}

酸素原子の形式酸化状態は − 1 ⁄ 2です。中性pHの溶液中では、スーパーオキシドイオンは不均化して分子状酸素と過酸化水素になります。

2 O ⁻ ₂ + 2 H ⁺ → O ₂ + H ₂ O ₂ 

生物学では、この種の反応は不均化反応と呼ばれます。これは、スーパーオキシドイオンの酸化と還元の両方を含みます。スーパーオキシドジスムターゼ（SOD）酵素群は、反応速度を拡散律速速度に近いレベルまで増加させます。^{[ 36 ]}これらの酵素の作用の鍵は、酸化剤としても還元剤としても作用できる可変酸化状態の金属イオンです。

酸化: M ^{( n +1)+} + O ⁻ ₂ → M ^{n +} + O ₂

還元: M ^{n +} + O ⁻ ₂ + 2  H ⁺ → M ^{( n +1)+} + H ₂ O ₂。

ヒトSODでは、活性金属は銅(II)またはCu(I)であり、 4つのヒスチジン残基によって四面体状に配位されている。この酵素は安定化のために亜鉛イオンも含み、スーパーオキシドジスムターゼの銅シャペロン( CCS )によって活性化される。他のアイソザイムには鉄、マンガン、ニッケルが含まれる場合がある。Ni-SODの活性にはニッケル(III)が関与しており、これはこの元素としては珍しい酸化状態である。活性部位のニッケルの幾何構造は、チオラート(Cys ₂およびCys ₆ )と主鎖窒素(His ₁およびCys _{2 )配位子を持つ}正方形平面Ni(II)から、軸方向のHis ₁側鎖配位子が加わった四角錐Ni(III)へと変化する。^{[ 37 ]}

クロロフィルは光合成において重要な役割を果たします。クロロフィルには、クロリン環に囲まれたマグネシウムイオンが含まれています。しかし、マグネシウムイオンは光合成機能に直接関与するわけではなく、他の二価イオンに置き換えても活性はほとんど低下しません。むしろ、光子はクロリン環によって吸収されます。クロリン環の電子構造は、この目的に非常に適しているのです。

まず、光子の吸収によって電子が励起され、Qバンドの一重項状態になります。励起状態は項間交差を経て、スピンが平行な2つの電子が存在する三重項状態へと遷移します。この状態は実質的にフリーラジカルであり、非常に反応性が高く、葉緑体内のクロロフィルに隣接する電子受容体へ電子を移動させます。この過程でクロロフィルは酸化されます。光合成サイクルの後半では、クロロフィルは再び還元されます。この還元によって最終的に水から電子が引き抜かれ、最終的な酸化生成物として分子状酸素が生成されます。

水素化酵素は、活性部位の金属含有量に基づいて、鉄-鉄水素化酵素、ニッケル-鉄水素化酵素、鉄水素化酵素の3つの異なるタイプに分類されます。^{[ 38 ]} すべての水素化酵素は可逆的なH2取り込みを触媒しますが、[FeFe]および[NiFe]水素化酵素は真の酸化還元触媒であり、H2_の酸化とH ^+の還元を促進します_。

H₂ ⇌ 2H⁺ ⁺ 2e⁻_​ ​^​ 

[Fe]ヒドロゲナーゼはH2の可逆的_ヘテロリティック開裂を触媒する。

H ₂ ⇌ H ⁺ + H ⁻

1980年代初頭にトーマス・チェフとシドニー・アルトマンによってリボザイムが発見されて以来、リボザイムは金属酵素の明確なクラスであることが示されてきた。 ^{[ 39 ]}多くのリボザイムは化学触媒作用のために活性部位に金属イオンを必要とするため、金属酵素と呼ばれている。さらに、金属イオンはリボザイムの構造安定化に不可欠である。グループIイントロンは、触媒作用に3つの金属が関与する最もよく研​​究されているリボザイムである。^{[ 40 ]}他の既知のリボザイムには、グループIIイントロン、RNase P、およびいくつかの小型ウイルスリボザイム（ハンマーヘッド、ヘアピン、HDV、VSなど）、およびリボソームの大きなサブユニットが含まれる。いくつかのクラスのリボザイムが記述されている。^{[ 41 ]}

デオキシリボザイムは、DNAザイムまたは触媒DNAとも呼ばれ、1994年に初めて製造された人工DNAベースの触媒です。^{[ 42 ]}ほとんどすべてのDNAザイムは金属イオンを必要とします。リボザイムは主にRNA基質の切断を触媒しますが、DNAザイムはRNA/DNA切断、RNA/DNAライゲーション、アミノ酸のリン酸化と脱リン酸化、炭素-炭素結合形成など、さまざまな反応を触媒することができます。^{[ 43 ]}しかし、RNA切断反応を触媒するDNAザイムが最も広く研究されています。10-23 1997年に発見されたDNAザイムは、治療薬として臨床応用されている、最も研究されている触媒DNAの1つです。^{[ 44 ]} GR-5 DNAザイム（鉛特異的） ^{[ 45} ]、CA1-3 DNAザイム（銅特異的）、39E DNAザイム（ウラニル特異的）[46 ^] 、NaA43 DNAザイム（ナトリウム特異的）^{[ 47 ]}など、いくつかの金属特異的DNAザイムが報告さ^れている。

カルモジュリンはシグナル伝達タンパク質の一例である。これは4つのEFハンドモチーフを持つ小さなタンパク質であり、それぞれのEFハンドモチーフはCa2 ⁺イオンと結合することができる。

EFハンドループタンパク質ドメインでは、カルシウムイオンは五角両錐型構造で配位している。結合に関与する6つのグルタミン酸およびアスパラギン酸残基は、ポリペプチド鎖の1、3、5、7、9位に位置している。12位には、2つの酸素原子を提供する二座配位子として機能するグルタミン酸またはアスパラギン酸配位子が存在する。ループの9番目の残基は、主鎖の立体構造上の要件により、必然的にグリシンである。カルシウムイオンの配位圏には、カルボキシレート酸素原子のみが含まれており、窒素原子は含まれていない。これは、カルシウムイオンの硬い性質と一致する。

このタンパク質は、柔軟な「ヒンジ」領域によって隔てられた、ほぼ対称的な2つのドメインを持っています。カルシウムの結合により、タンパク質の構造変化が起こります。カルモジュリンは、最初の刺激に対する拡散性セカンドメッセンジャーとして作用することにより、細胞内シグナル伝達システムに関与します。 ^{[ 48 ] [ 49 ]}

心筋と骨格筋の両方において、筋力の発生は主に細胞内カルシウム濃度の変化によって制御されています。一般的に、カルシウム濃度が上昇すると筋肉は収縮し、低下すると筋肉は弛緩します。トロポニンは、アクチンやトロポミオシンとともに、カルシウムが結合して筋力発生の引き金となるタンパク質複合体です。

多くの転写因子は、亜鉛フィンガーと呼ばれる構造を含んでおり、これはタンパク質の領域が亜鉛イオンの周りに折り畳まれた構造モジュールである。亜鉛は、これらのタンパク質が結合するDNAに直接接触しない。代わりに、補因子は、しっかりと折り畳まれたタンパク質鎖の安定性に不可欠である。^{[ 50 ]}これらのタンパク質では、亜鉛イオンは通常、システインとヒスチジンの側鎖のペアによって配位されている。