Zinc fingers

Bioinorgânica do zinco
Prof. Fernando R. Xavier
UDESC 2017
Características gerais
O zinco possui uma alta concentração de carga quando comparado ao seu raio
iônico (0,65 Å) se ligando modestamente em ânions tais como carboxilatos e fosfatos.
Outra característica importante é sua alta afinidade por elétrons, o que o torna um
excelente ácido de Lewis, similar ao níquel e o cobre.
Como não possui química redox, ele é muito utilizado por várias proteínas e/ou
enzimas pois não gera, no meio biológico radicais livres.
Após o ferro, o zinco é o elemento traço mais abundante no organismo humano.
Um adulto possui em média 3,0 g de zinco correspondendo a uma concentração de
0,6 mM. Cerca de 95% deste metal está no meio intracelular.
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O zinco é essencial a todas as formas de vida conhecidas! Estudos indicam que
sua presença pode prevenir doenças infecciosas e ainda encurtar resfriados.
O zinco pode ser encontrado em mais de 300 enzimas/proteínas atuando sob o ponto
de vista estrutural ou funcional (catalítico).
Considerando as 06 (seis) classes fundamentais de enzimas propostas pela IUBMB o
zinco é o único que está presente em todas! Seguem alguns exemplos de enzimas
de zinco:
Classe
Enzima
Oxidoredutases
Alcool deshidrogenase; superóxido dismutase
Transferases
DNA polimerase; aspartato transcarbamoilase
Hidrolases
Carboxipeptidase A; termolisina
Liases
Anidrase carbônica; frutose-1,6-bisfosfatase aldolase
Isomerase
Fosfomanose isomerase
Ligases
Piruvato carboxilase; aminoacil-tRNA sintase
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A química bioinorgânica do zinco é governada por vários fatores
•
Redox inativo;
•
Configuração eletrônica d10, portanto silencioso no UV-Visível;
•
Não possui EECC, logo não possui preferência por uma geometria
específica. A geometria e número de coordenação é ditada pelo tamanho
e carga dos ligantes;
•
No meio biológico a geometria mais recorrente é a tetraédrica distorcida;
•
Átomos de zinco pentacoordenados podem ocorrer em geometrias
bipiramidais trigonais;
Zinc fingers
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Três tipos básicos de sítios de zinco presentes em proteínas/enzimas são descritos na
literatura até o presente momento:
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Os mecanismos de ação das enzimas de zinco dependem da unidade estrutural
Zn(2+)–OH2, a qual pode participar de três modos diferentes:
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A anidrase carbônica (AC)
A AC extraída de eritrócitos de mamíferos tem sido objeto de intenso estudo nos
últimos 70 anos! A atua na hidratação catalítica do dióxido de carbono.
Seu sítio ativo fica no fundo de uma cavidade cônica de 15 Å onde o átomo de zinco
está coordenado em três resíduos de histidina.
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Mecanismo proposto para a anidrase carbônica
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Metaloproteinases
Enzimas que contem íons zinco são amplamente recorrentes em processos
hidrolíticos, e, frequentemente associados a clivagem de ligações peptídicas.
São exemplos destas enzimas as exopeptidades (carboxipeptidases A e B) que
removem os aminoácidos na ponta C-terminal de proteínas; endopeptidases, que
clivam ligações peptídicas no interior da proteína (termolisina, por exemplo).
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A carboxipeptidase-A bovina foi a terceira enzima (após a mioglobina e a lisozima) a
ter sua estrutura tridimensional resolvida por difração de raios x. Eis os mecanismos
propostos:
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Metalloproteinases de matriz extracelular (MPPs)
Também conhecidas como matrixinas, são endopeptidases que atuam na hidrólise
proteínas fora do ambiente celular. Foram descobertas a cerca de 50 anos como as
agentes que atuavam na queda do rabo de girinos quando transformavam-se em
sapos.
Atuam
ainda
no
reparo
de
tecidos,
embriogênese e angiogênese. Entretanto,
caso sua expressão não seja controlada
pode causar artrite, inflamações ou ainda
câncer.
Atualmente o ser humano possui 13 MPPs
estruturalmente caracterizadas, sendo todos
seus
domínios
com
alta
homologia
estrutural.
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MPP-8
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Mecanismo proposto para as MPPs
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Álcool deshidrogenases
Constitui um classe de enzimas de catalisa a oxidação de álcoois primários e
secundários aos respectivos aldeídos e cetonas pela transferência do íon hidreto (H-)
para o NAD+, com a liberação de um próton.
As deshidrogenases de cadeia-curta (SDRs) constituem uma família grande de
enzimas, sendo expressas por 82 genes do genoma humano.
De longe as mais estudadas são as presentes no fígado de mamíferos. São enzimas
binucleares de zinco porém apenas um destes sítios é funcional.
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Outras enzimas de zinco
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Enzimas multinucleares e cocatlíticas de zinco
São variados os exemplos de enzimas de zinco que contem dois ou mais centros
metálicos para que a mesma seja considerada completamente funcional.
Uma característica fundamental revelada pelas estruturas de raios x é que ligantes
exógenos participam do sítio ativo destas enzimas.
Outros metais associados ao zinco:
•
Cobre na superóxido dismutase (SOD);
•
Ferro na fosfatase ácida púrpura (PAPs);
•
Magnésio na fosfatase alcalina (AP).
SOD
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A SOD será discutida juntamente com as demais enzimas de cobre, pois o papel do
zinco neste caso é apenas estrutural.
Outra enzima, binuclear Zn(2+)Zn(2+) é a β-lactamase. Esta enzima é expressa por
muitas cepas de bactérias resistentes aos antibióticos derivados da penicilina.
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Sítio ativo das β-lactamases (B1, B2 e B3)
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β-lactamase durante a catálise:
penicilina
cefalosporina
carbapenem
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“Zinc fingers” e estruturas ligantes de ácidos nucleicos
Aaron Klug (Nobel, 1982) descobriu a primeira estrutura proteica que se liga ao DNA
em células eucarióticas. Esta proteína se ligava ao gene 5S rRNA. Esta estrutura
proteica foi chamada de fator de transcrição III (TFIIIA).
A
molécula
TFIIIA
possui
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unidades de aproximadamente 30
resíduos de aminoácidos em uma
estrutura repetitiva. Cada unidade
estrutural possui um centro de
zinco(2+)
em
um
ambiente
tetraédrico.
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Acredita-se que os íons Zn(2+) permitem a formação de domínios ligantes de DNA
globulares relativamente compactos, evitando assim a possibilidade de formação de
grandes porções hidrofóbicas.
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Estes “dedos” de zinco constituem uma superfamília de proteínas sendo que
aproximadamente 1% de todas as proteínas de mamífero contem estas estruturas.
Os detalhes estruturais de como estes dedos de zinco se ligam a dupla hélice do
DNA são bem conhecidos:
•
Estas estruturas se enrolam no entorno da
dupla hélice de DNA sob um sentido
horário;
•
Os contatos entre o dedo de zinco e o DNA
são feitos pelos nucleotídeos do sulco maior;
•
No dedo de zinco, os contatos são feitos
pelos resíduos de aminoácidos presentes a
α-hélice;
•
Tipicamente, Arg–G, Asp–A ou –C e Leu–T;
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De maneira geral o papel destes conjuntos de 9 unidades de dedos de zinco atua no
reconhecimento do início e fim de trechos de DNA (genes) que necessitam ser
lidos para a produção de RNA.
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