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A6. Affinités de liaison extrêmes - Biologie

A6. Affinités de liaison extrêmes - Biologie



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Une interaction de liaison incroyablement étroite a récemment été rapportée pour la liaison de Cu1+ à la protéine CueR de E. Coli. Les ions Cu1+ sont généralement maintenus à une très faible concentration dans les cellules afin de prévenir la toxicité. Pourtant, certaines enzymes nécessitent du Cu. Des ions de cuivre libres doivent être présents dans la cellule pour permettre la liaison aux sites appropriés dans les protéines. Comment ces préoccupations concurrentes sont-elles régulées dans la cellule ? La concentration totale en Cu dans E. Coli est d'environ 10 M (10 000 nM), ce qui, compte tenu de la petite taille de la bactérie, représente environ 10 000 ions cuivre par cellule.

Les cellules ont développé de nombreux mécanismes pour contrôler et délivrer des ions Cu. Les ions cuivre peuvent être délivrés aux protéines cibles par des chaperons de cuivre (analogues des protéines chaperons qui guident le repliement des protéines). CueR dans E. Coli semble réguler l'expression induite par le cuivre de gènes impliqués dans la biochimie du cuivre (y compris une enzyme qui oxyde Cu1+ en Cu2+ qui est moins toxique). Un gène particulier qui est régulé à la hausse est copA. CueR augmente la transcription de copA en présence d'ions Cu, Ag et Au (métal de monnaie). Changela et al. ont développé un essai in vitro qui a déterminé l'étendue de l'expression des gènes régulés par CueR, sous divers types et concentrations d'ions. Dans l'essai, CueR purifié a été ajouté à une construction de gène contenant le promoteur (une section d'ADN immédiatement en amont d'un site de départ de gène où l'ARN polymérase se lie) pour la copA. Initialement, ils ont découvert que la transcription était toujours active, même en présence d'un ligand, le glutathion, qui se lie avidement à Cu1+ et devrait maintenir les niveaux de Cu1+ libre très bas. Ils sont passés à un coordinateur Cu1+ à liaison encore plus étroite, le cyanure (CN-), pour réduire les niveaux de Cu1+ libre à des niveaux encore plus bas. Des niveaux extrêmement élevés de CN- (millimolaire) ont arrêté l'activation transcriptionnelle, mais si du Cu1+ supplémentaire était ajouté, l'activation s'ensuivait, suggérant que la liaison du cuivre à la protéine était réversible. A 1 mM CN-, la transcription augmente avec l'ajout d'ions cuivre jusqu'à une concentration TOTAL Cu1+ de 60 m. Dans ces conditions, les concentrations de Cu1+ libre étaient bien moindres. Compte tenu de la présence de concentrations de CN- utilisées, une activation semi-maximale s'est produite à une concentration TOTAL Cu1+ de 0,7 M. Une activation similaire a été observée par Ag1+ et Au1+, mais pas par les ions Zn et Hg, montrant la spécificité des cations monovalents par rapport aux cations divalents.

Connaissant le pKa de HCN, les constantes de stabilité pour les complexes Cu1+:CN- et les concentrations en CN-, Changela et al ont produit une série de solutions tamponnées dans FREE Cu1+ qui s'étendaient de 10-18 à 10-23 M (pH 8,0). (Par exemple, le log de la constante de liaison β, logβ, pour le

[ce{Cu^{1+} + 2CN- <=> [Cu(CN)2]^{-}}]

est 21.7. Vous avez résolu des problèmes comme celui-ci impliquant un équilibre lié si vous avez suivi des cours de chimie analytique.) La concentration en Cu1+ libre à l'activation semi-maximale de la transcription du rapporteur de gènes, une mesure de la constante de dissociation, Kd, ​​était d'environ 1 x 10-21 M (zeptomolaire ) ! Supposons maintenant que le volume du contenu d'une cellule d'E. Coli est de 1,5 x 10-15 L. S'il n'y avait qu'un seul ion de Cu1+ dans la cellule, il aurait une concentration de 10-9 M. Les valeurs suggèrent qu'il y a n'y a pas d'ions Cu1+ libres dans la cellule, et que seul 1 ion Cu+1 dans la cellule est suffisant pour assurer sa liaison à CueR et l'activation transcriptionnelle ultérieure de copA.

Jmol : Mise à jour de la forme Cu(I) de E. Coli Cuer, un régulateur d'efflux de cuivre Jmol14 (Java) | JSMol (HTML5)

Il est essentiel pour la survie que les cellules bactériennes obtiennent le bon métal pour les métalloprotéines. Une revue récente de Waldron et Robinson illustre comment. La cellule possède de nombreux mécanismes de restriction de sites de liaison spécifiques afin que les métaux puissent atteindre les bonnes protéines. De plus, l'ordre naturel de stabilité des complexes de métaux de transition doit être pris en compte dans la compréhension des affinités métalliques. Cette stabilité est donnée par la série Irving - William qui est illustrée ci-dessous (avec les ions métalliques du groupe 2A). La tendance est parallèle à la taille du cation (allant du plus grand au plus petit) :

Mn2+ < Fe2+ < Co2+ < Ni2+ < Cu2+ > Zn2+ (reliure la plus serrée)

  • La capacité d'une protéine à changer de forme lors de la liaison au ligand permet à différents métaux de se lier. Par exemple, la cyanobactérie a une forte demande de cuivre et de manganèse. Le manganèse est autorisé à se lier d'abord, puis la protéine est repliée et le manganèse est piégé à l'intérieur de la protéine. Ce métal très instable ne peut plus être remplacé par le cuivre, qui concurrencerait normalement le Mn2+ pour le site.
  • Les transporteurs de métaux aident à réguler le nombre d'ions de chaque métal dans la cellule. Les capteurs de métaux sont sous le contrôle de ces transporteurs de métaux, régulant l'expression des gènes. Une fois qu'un métal spécifique a une concentration suffisante pour se lier, les capteurs de métaux ciblent l'ARNm pour réprimer certains gènes et arrêter la transcription
  • Une autre enzyme peut également être activée pour l'exportation du métal. En limitant les concentrations des métaux concurrents, des sites de liaison aux métaux plus faibles restent disponibles
  • Les capteurs de métaux peuvent également aider à réguler la protéine utilisée par certains métaux en fonction de ce qui est disponible. Par exemple, E. coli modifie le métabolisme pour minimiser le nombre de protéines nécessitant du fer qui sont exprimées lorsque le fer est moins abondant
  • Les métaux sont fournis par de multiples voies (au cas où une enzyme spécifique n'est pas présente) et sont « traficés » vers la bonne protéine par le biais de nombreuses réactions d'échange de ligands.
  • Certaines enzymes se lient à des métaux spécifiques qui provoquent des changements conformationnels préférentiels. Par conséquent, si un métal se lie plus étroitement mais n'est pas préféré par l'enzyme, il ne déclenchera pas l'enzyme car il se lie d'une manière différente.