Bioinorgânica do zinco. Prof. Fernando R. Xavier

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1 Bioinorgânica do zinco Prof. Fernando R. Xavier UDESC 2017

2 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. 2

3 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 Oxidoredutases Transferases Hidrolases Liases Isomerase Ligases Enzima Alcool deshidrogenase; superóxido dismutase DNA polimerase; aspartato transcarbamoilase Carboxipeptidase A; termolisina Anidrase carbônica; frutose-1,6-bisfosfatase aldolase Fosfomanose isomerase Piruvato carboxilase; aminoacil-trna sintase 3

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5 A química bioinorgânica do zinco é governada por vários fatores Redox inativo; Configuração eletrônica d 10, 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 5

6 Três tipos básicos de sítios de zinco presentes em proteínas/enzimas são descritos na literatura até o presente momento: 6

7 Os mecanismos de ação das enzimas de zinco dependem da unidade estrutural Zn(2+) OH 2, a qual pode participar de três modos diferentes: 7

8 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. 8

9 Mecanismo proposto para a anidrase carbônica 9

10 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). 10

11 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: 11

12 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. 12

13 MPP-8 13

14 Mecanismo proposto para as MPPs 14

15 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. 15

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19 Outras enzimas de zinco 19

20 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 20

21 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. 21

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23 Sítio ativo das β-lactamases (B1, B2 e B3) 23

24 β-lactamase durante a catálise: penicilina cefalosporina carbapenem 24

25 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 9 unidades de aproximadamente 30 resíduos de aminoácidos em uma estrutura repetitiva. Cada unidade estrutural possui um centro de zinco(2+) em um ambiente tetraédrico. 25

26 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. 26

27 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; 27

28 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. 28

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