Az imidazolgyűrű hatása a peptidek komplexképzési folyamataira

A biológiai rendszerekben a fehérjék hisztidin imidazol oldalláncai a leggyakoribb kötődési helyek a réz-, cink- és nikkelionok számára. Így a hisztidint tartalmazó peptidek komplexképző sajátságainak tanulmányozása több évtized óta a koordinációs kémia egyik legintenzivebben kutatott területe, az eredményekből sok száz közlemény és számos összefoglaló munka született.^4-6,41-43 A terminális aminocsoportot és hisztidint tartalmazó kistagszámú peptideket tekintve az alábbi fő következtetések vonhatók le a kialakuló koordinációs módokra vonatkozóan:

N-terminális hisztidint tartalmazó peptidekben az aminocsoport és a hisztidin imidazol N(3) donoratomja kötődésével hattagú kelátgyűrű kialakulására van lehetőség, és a létrejövő ún. hisztaminszerű koordináció stabilis ML és ML2 (9.a ábra) összetételű komplexek képződéséhez vezet a réz(II)-, nikkel(II)- és cink(II)ionok esetén egyaránt. Ez a koordináció a peptidnitrogén deprotonálódását gátolja, de a réz(II) és nikkel(II) jelenlétében az egyszerű peptidekhez képest nagyobb pH-n lejátszódik a folyamat MH–1L komplex képződése közben.

Cink(II) jelenlétében más peptidekhez hasonlóan nem figyelhető meg ez a deprotonálódási folyamat, de a képződött komplex szélesebb pH tartományban oldatban tartja a fémiont, mint az egyszerű peptidek.

Ugyanakkor a hisztidin imidazolcsoportja egyfogú módon is képes kötődni a CuH–1L komplexhez telítve a fémion koordinációs szféráját, ami a HisXaa... szekvenciájú peptidet feleslegben tartalmazó oldatokban CuH–1L2 komplexek (9.b ábra) kialakulásához vezet, míg

3.2. Az oldalláncban koordinálódó donorcsoportot tartalmazó oligopeptidek koordinációs sajátságai

ekvimoláris oldatban kétmagvú, imidazolhidas Cu2H–2L2 szerkezetek (9.c ábra) keletkezését mutatták ki.^44-46

9. ábra Hisztidint tartalmazó peptidek lehetséges koordinációs módjai

A második helyen hisztidint tartalmazó peptidek amino-N, amid-N és imidazol-N(3) donoratomok révén csatolt kelátgyűrűk kialakítására képesek. Ennek a koordinációnak a kedvezményezettsége miatt nemcsak a réz(II)- és nikkel(II)ion, hanem a cink(II)ion is képes indukálni az amidnitrogén deprotonálódását és koordinálódását. Az így kialakuló MH–1L összetételű, ún. „GlyHis”-szerű koordinációjú komplexek uralkodóak a fiziológiás pH-tartományban (9.d ábra). Ez azt is jelenti, hogy a következő amidnitrogén deprotonálódási folyamatok gátoltak, további amidnitrogén koordinálódását nem mutatták ki. Ugyanakkor nagy pH-n réz(II) jelenlétében újabb lúgfogyasztó folyamatot figyeltek meg, amely (CuH–2L)n

összetételű komplexek képződésével értelmezhető. A spektroszkópiás (UV-látható, CD és ESR) vizsgálatok egyértelműen alátámasztották, hogy az n CuH–1L (CuH–2L)n + n H⁺ folyamatban a koordinálódott imidazol N(1)H, ún. „pirrol-típusú” nitrogénje deprotonálódik és koordinálódik egy tetramer Cu4H–8L4 összetételű négymagvú szerkezet kialakulását eredményezve (9.e ábra).^45-48 Ez a komplex azért jelentős, mert a réz(II)ionokat összekötő

M

imidazoláto-híd hasonló koordinációs környezetet eredményez a CuZnSOD enzim aktív centrumának fémkötő helyéhez, ahol a réz- és cinkionokat egy hisztidin oldalláncbeli imidazoláto-hídja köti össze. Az XaaHis.. szekvenciát tartalmazó di- és tripeptidekben az imidazol N(1)H csoportjának deprotonálódása és koordinálódása a mérhető pH tartományban lejátszódik, így ezek a CuZnSOD enzim egyik legegyszerűbb szerkezeti modelljeinek tekinthetők.

A harmadik helyen hisztidint tartalmazó peptidek fémionkötő képessége kiugró. Ezek az XaaYaaHis, illetve XaaYaaHisZaa... szekvenciájú peptidek „albumin modellek”. Az albumin a vérplazmában a legnagyobb mennyiségben előforduló protein, egyik legfontosabb feladata a kismolekulák és ionok, így a szervezetben előforduló réz(II)- és nikkel(II)ionok szállítása is. Emellett a nikkel(II)ion koordinálódása ugyanezen szekvenciához aktiválja a nikkel allergiáért felelős antigént is. Ennek a szekvenciának számos más élettani vonatkozása is van (HP21-15 – humán protamin amino terminális része,⁴⁹ SPARC – Secreted Protein, Acidic and Rich in Cystein peptidfragmense⁵⁰), így ezeknek a modellezésére igen nagyszámú vizsgálat történt. A réz(II) és nikkel(II)ionok esetén nagystabilitású MH–2L komplex képződését írták le, amelyben a terminális amino- és imidazol-N donoratom ugyanahhoz a fémionhoz tud kötődni a koordinatíve telített komplexben. Az (NH2,N^–,N^–,Im(N)) csoportokon keresztüli, ún. „GlyGlyHis-szerű” koordináció alakul ki a réz(II)-, nikkel(II)- és palládium(II)-komplexeiben is. Az amidnitrogének deprotonálódása kooperatív módon megy végbe, így egyidejűleg egy (5,5,6)-tagú csatolt kelátrendszer alakul ki (9.f ábra), és ez eredményezi a kiugróan nagy stabilitást.^46,51-57 A cink(II)ionok jelenlétében ebben az esetben is más peptidekhez hasonló komplexek képződnek, az amidnitrogén deprotonálódási folyamatait nem figyelték meg.

Ha a peptidek több hisztidint is tartalmaznak, alapvetően az első, második, illetve harmadik helyen hisztidint tartalmazó peptideknél kimutatott koordinációs módok jelennek meg. Így például a legegyszerűbb két hisztidint tartalmazó peptid a HisHis, amelynél az (NH2,Im(N)) koordinációjú ML, míg a pH emelésével az XaaHis.. szekvenciánál megfigyelt (NH2,N^–,Im(N)) koordináció alakul ki. Ugyanakkor a molekulában jelen levő másik imidazolgyűrű hídként képes kapcsolódni egy másik GlyHis-koordinációjú egységhez és kétmagvú M2H–2L2 komplex képződik a fiziológiás pH tartományban.^58,59 Hasonló megfigyeléseket tettek a több hisztidint különböző helyzetben tartalmazó peptidek esetén, a hisztidin helyzetétől függően hisztamin, GlyHis-szerű, illetve GlyGlyHis-szerű koordinációs módok jönnek létre, de a szabadon maradó imidazolgyűrű kötődését is számos esetben

3.2. Az oldalláncban koordinálódó donorcsoportot tartalmazó oligopeptidek koordinációs sajátságai

kimutatták. Így például a GlyHisGlyHis⁶⁰ esetén a képződő CuH–1L komplexben az (NH2,N^–,Im(N)) ekvatoriális koordinációja mellett a másik imidazolgyűrű axiális kötődését írták le, míg a CuH–2L komplexben (NH2,N^–,N^–)ekv és (Im(N),Im(N))ax donorcsoportok vannak jelen a fémion koordinációs szférájában. Hasonlóan a szabadon maradt imidazol kötődését tapasztalták a HisValHis komplexeiben,⁶¹ a hisztaminszerű koordinációt tartalmazó ML komplexben a láncvégi imidazolgyűrű makrokelátot képezve kötődik, míg a GlyGlyHis-szerű koordinációt tartalmazó MH–2L komplexben az imidazol nitrogén donoratomja axiálisan kapcsolódik. Ezek a kölcsönhatások a szabályos geometria torzulását és így a jellemző spektroszkópiás paraméterek módosulását eredményezik.

A hisztidinek számának növelése a peptidben további igen változatos összetételű és szerkezetű komplexek képződéséhez vezet.^62-64 Ezek részletezése nélkül általánosan az a következtetés fogalmazható meg, hogy ha a hisztidint tartalmazó peptidekben szabad N-terminális aminocsoport van jelen, akkor ez jelenti az elsődleges horgonycsoportot a fémion indukálta peptidnitrogén deprotonálódáshoz, a jelenlevő oldalláncbeli imidazolgyűrűk a helyzetüktől függően gátolhatják (N-terminális hisztidin), illetve elősegíthetik (második és harmadik helyen levő hisztidin) az amidnitrogén deprotonálódását, és a fémion alapvetően a peptidvázhoz koordinálódik. Az oldalláncbeli imidazolgyűrű ezekben a peptidekben általában nem jelent elsődleges horgonycsoportot, a terminális kötőhelytől távolabb levő hisztidin azonban egy második fémion megkötését is lehetővé teszi, horgonycsoportként elősegítve a megelőző amidnitrogének deprotonálódását.

A prion proteinek és a β-amiloid peptidek, illetve fragmenseik fémkomplexeinek tanulmányozása az imidazolgyűrű horgonycsoportként való viselkedésről átfogó képet ad.

Ezek között részletesen vizsgálták azokat a peptideket, amelyek szekvenciájukban egymástól távol tartalmazzák a hisztidin aminosavakat.^65-68 A védett peptidek gyengén savas tartományban kizárólag az imidazol-N donoratomon való kötődéssel hoznak létre 2N-4N koordinációjú komplexeket. Ezek a szerkezetek nem akadályozzák meg a peptidnitrogének deprotonálódását a pH 6-7 tartományban, és az imidazol, mint horgonycsoport vesz részt ezekben a folyamatokban. Az egymástól távol elhelyezkedő hisztidinek egy-egy kötőhelyet jelentenek a fémionok számára, így a ligandum általában annyi fémiont képes koordinálni (N^–,N^–,Im(N)), illetve a lúgosabb tartományban (N^–,N^–,N^–,Im(N)) koordinációval, ahány hisztidin található a molekulában.

Így az imidazolgyűrűről, mint elsődleges fémionkötőhelyről és horgonycsoportról további információkat olyan peptid- és peptidszármazékok vizsgálatával nyerhetünk, amelyek

dc_586_12

terminális aminocsoportja védett vagy más egyéb funkcionalizált csoport formájában tartalmazzák az imidazolgyűrűt.

3.2.6. Az oldalláncbeli donorcsoportok hatásának általános tendenciái a peptidek