Les métalloprotéines à cuivre : structure du site cuivre

Le maintien de l’homéostasie du cuivre repose sur des transporteurs membranaires et une famille de protéines appelées « chaperonnes à cuivre » qui distribuent le cuivre à des cibles spécifiques dans la cellule. Toutes ces protéines existent aussi bien chez les eucaryotes inférieurs que chez les mammifères ce qui suggère la conservation des systèmes de régulation du cuivre au cours de l’évolution. Les métalloprotéines à cuivre jouent un rôle important dans le transfert d’électrons ainsi que dans la liaison, l’activation et la réduction du dioxygène. Selon l’environnement de coordination et la géométrie du site contenant le cuivre, ces protéines ont été classées en trois groupes : les protéines de type 1 ou « blue proteins », les protéines de type 2, et les protéines de type 3.

♦ Les sites cuivre de type 1

Le cuivre de type 1 se situe au niveau du site actif des « blue proteins » où il est impliqué dans le transfert d’un électron via un ligand thiolate d’une cystéine, d’où l’intense couleur bleue de ces protéines. Les BCP (Blue Copper Proteins) se caractérisent par une faible masse moléculaire et se présentent sous la forme d’un tonneau formé de feuillets β. Elles sont stables sous la forme Cu(I) et Cu(II). La géométrie de coordination du métal correspond à une pyramide à base triangulaire légèrement déformée. L’ion cuivre est lié à l’atome de soufre S d’une cystéine et aux atomes d’azote N de deux histidines formant le plan de base. Généralement, le sommet de la pyramide est une méthionine (Banci, L. et al. 2002) (Fig. 4). Chez toutes les BCP, au moins l’un des ligands histidines est exposé au solvant et permettrait le transfert électronique intramoléculaire. Les BCP rassemblent les protéines telles que les azurines (premières protéines de type 1 bactériennes décrites), les amicyanines, les plastocyanines (présentes dans les plantes et les algues), la rusticyanine… (www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/etp/etp6t11.html#10)

Figure 4 : Modèle structural d’un site cuivre classique de type 1 (exemple de la

♦ Les sites cuivre de type 2

Les protéines cuivre de type 2 regroupent les superoxydes dismutases à cuivre et à zinc, les galactose oxydases, les dioxygénases et monoxygénases, les nitrite réductases… Au sein des sites cuivre de type 2, l’ion cuivre possède 4 ou 5 ligands azotés et/ou oxygénés formant un plan carré ou une pyramide à base carrée. Il ne confère pas de couleur bleue particulièrement

intense comme dans le cas des sites de type 1

(www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/etp/etp6t11.html#10). Les centres cuivre de type 2 possèdent ainsi un site de coordination vacant et peuvent intervenir dans des processus d’oxydation catalytiques, seuls ou de conserve avec un cuivre de type 3 par exemple (Cowan, J. A. 1993). Classiquement, les sites cuivre de type 2 sont plutôt tétragonaux, le cuivre étant lié à 3 atomes d’azote de résidus histidines et à un atome d’oxygène (appartenant à une molécule d’eau comme dans le cas de la nitrite réductase). Dans les superoxydes dismutases à cuivre et à zinc, l’ion Cu(II) est lié à quatre ligands histidine. L’une d’entre elles assure un pont entre le cuivre et le zinc, et une molécule d’eau. Le zinc est de son côté lié à trois histidines et un aspartate. Un réseau complexe de liaisons hydrogène maintient l’orientation des ligands métalliques (Fig. 5) (Banci, L. et al. 2002).

Figure 5 : Représentation des sites métalliques dans une superoxyde dismutase à cuivre et à zinc

♦ Caractéristiques physicochimiques des sites de type 1 et 2

Les spectres d’absorption des sites cuivre de type 1 sont caractérisés par une bande d’absorption intense à environ 16000 cm-1_{, c’est-à-dire vers 600 nm (}

ε

≈ 5000 M-1_.cm-1 _{au lieu} de 50 M-1.cm-1 caractérisant les complexes cuivre tétragonaux). La différence d’énergie entre les niveaux énergétiques des orbitales d du cuivre est plus grande dans le cas des complexes de type 1 vu la géométrie de coordination. Les transitions d → d dues à l’absorption d’un photon sont donc plus importantes (transfert de charge d’un électron d’une cystéine sur l’ion Cu(II)), ce qui explique la valeur du coefficient d’extinction molaire

_ε

, bien plus élevée que dans le cas des complexes de type 2.

En résonance paramagnétique électronique (RPE), quatre raies sont observées dans la zone g//, le spin I du cuivre étant égal à 3/2. Les spectres RPE des BCP sont caractérisés par une constante de couplage spin électronique – spin nucléaire A// réduite d’un facteur supérieur à 2 par rapport aux complexes cuivre tétragonaux (A// ≈ 6×10-3 cm-1 pour les complexes de type 1 et A// ≈ 17×10-3 cm-1 pour les complexes de type 2). Les 4 raies observées dans la zone g// sont donc beaucoup plus resserrées (Fig. 6).

Concernant leurs potentiels d’oxydoréduction, les sites cuivre de type 1 sont caractérisés par des potentiels inférieurs à ceux des sites de type 2 (Cowan, J. A. 1993).

Enfin, dans le cas des complexes cuivre de type 1, la liaison Cu-Ligand est plutôt de type π, alors qu’elle est de type σ dans les complexes cuivre de type 2 (Solomon, E. I. et al. 2006).

Figure 6 : Spectres d’absorption UV-visible (à gauche) et spectres RPE (à droite) d’un complexe cuivre

tétragonal (de type 2) (normal copper – exemple du complexe CuCl42-), et d’un complexe cuivre de type 1 (blue

♦ Les sites de type 3

Les sites cuivre de type 3 contiennent 2 ions cuivre, non détectables par RPE du fait du couplage antiferromagnétique des ions cuivre. Ces sites sont caractéristiques des transporteurs de dioxygène comme l’hémocyanine, et des oxydases comme la tyrosinase. Les deux ions cuivre sont coordinés par 3 histidines. Différents ligands (oxygène, hydroxyde…) relient les deux ions métalliques Cu(II) - Cu(II) (Banci, L. et al, 2002). Les sites de type 3 se trouvent souvent dans les protéines possédant également un site cuivre de type 1 et/ou de type 2.

Certaines protéines, comme la laccase ou la céruloplasmine, peuvent contenir des sites cuivre de type 1, 2 et 3 avec différentes stoechiométries.

Enfin, deux sites uniques existent dans la cytochrome c oxydase. CuA correspond à un site cuivre binucléaire ([Cu(II)Cu(I)] ou [Cu(I)Cu(I)] suivant l’état redox du site). Il joue le rôle de premier accepteur d’électrons chez les oxydases. Les électrons sont ensuite conduits vers un autre centre métallique. CuB fait partie d’un centre binucléaire (www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/etp/etp6t11.html#10) .

Type 1 Type 2 Type 3

Géométrie L = N, O Potentiel redox E0 _à pH 7 190 – 400 mV 400 – 800 mV 400 – 600 mV ε à 600 nm ≈ 5000 M-1.cm-1 ≈ 50 M-1.cm-1 ε non caractéristique Paramètres RPE g// ≈ 2.22 – 2.29 g⊥ ≈ 2.053 A// ≈ 6×10-3 cm-1 g// ≈ 2.23 – 2.25 g⊥ ≈ 2.053 A// ≈ 17×10-3 cm-1

Signal RPE non détectable

Fonction

Transfert d’électrons (sans rôle catalytique

spécifique) Transfert de cuivre, oxydation catalytique Accepteurs d’électrons, réduction de O2 en O22- Exemples Azurines, plastocyanines… Superoxyde dismutase, nitrite réductase… Hémocyanine, tyrosinase…

Masse moléculaire ≈ 15 kDa ≈ 30 – 80 kDa ≈ 30 – 80 kDa

Dans le document Homéostasie et résistance au cuivre chez Cupriavidus metallidurans CH34 : la protéine CopH et les transporteurs membranaires CusA et CzcA (Page 56-60)