Bugün öğrendim ki: Kurşun, vücudun onu kalsiyumla karıştırması nedeniyle insanları hasta eder
Etkilenen protein örneklerinden üçü Kalmodulin, PKC ve Sinaptotağmin'dir. Kalmodulin ve PKC, haberci proteinlerdir, oysa Sinaptotağmin bir zar taşıma proteini. Kurşun bağlanması, üç proteinin sinyal verme yeteneklerini de bozarak sinir sisteminde hasara yol açar.
Kurşun Bağlanması Kalsiyum Bağlama Yerlerine
Kurşun, biyolojik sinyalleşme ve metabolik süreçlerde kullanılan çinko ve kalsiyum gibi metal iyonlarının etkilerini taklit etme yeteneği nedeniyle önemli sağlık tehditleri oluşturur. Kalsiyumun kurşun tarafından nasıl etkilendiğine odaklanırsak, Pb2+ protein aktif bölgelerinde kalsiyumun yerini alarak kalsiyumun yerine bağlanır.2 Kurşun kalsiyumu taklit edebilir çünkü benzer özelliklere sahiptirler. +2 katyonik formunda kurşunun yarıçapı 132 pm iken kalsiyum katyonunun yarıçapı 106 pm'dir.3 Elementer hallerinde kurşunun yarıçapı 175 pm, kalsiyumun yarıçapı ise 197 pm'dir.3 Protein aktif bölgeleri, benzer yarıçapları ve ortak +2 katyonik formları nedeniyle kalsiyum yerine kurşunu barındırabilirler. Kalsiyumun salgılanmasını düzenleyen ve büyük ölçüde etkilenen iki protein, çok işlevli aracı kalsiyum bağlayıcı haberci protein olan kalmodulin ve kalsiyum aracılı sinyal iletimine katılan bir kinaz olan Protein Kinaz Cα (PKC)'dir.5
Protein Kinaz Cα (PKC) ve Kalmodulin
Şekil 1'de görüldüğü gibi, kurşun PKC'ye bağlandığında, PKC'nin çevresel zar bağlama bölgesi olan C2α'nın zar bağlama özelliklerini değiştirir.5 Normalde, Ca2+'nın PKC izoformuna bağlanması sonucunda, C2 alanı, lipit zarındaki ana enzimle bağlantılı hale gelir.2 Bu bağlanma, hücre çoğalması, farklılaşması ve hayatta kalması için gerekli olan sinyal yollarını kontrol eden kinaz aktivasyonu için gereklidir.2 Ancak, Pb2+ bağlanması PKC aktivitesini engeller. NMR deneyleri, Pb2+'nın Ca2+'dan daha yüksek bir afinite ile C2α'ya bağlandığını belirlemiştir.2 Ayrıca, FRET spektroskopisi sonuçları, Pb2+'nın zar dışı C2α ile yüksek afiniteli etkileşimler yoluyla Ca2+'yı C2α'dan uzaklaştırdığını göstermektedir.2
PKC ve kalmodulin gibi sinyal proteinleri, değişen kalsiyum seviyelerine yanıt vererek hücre aktivitesini düzenler.6 Kurşun, bu proteinlerin kalsiyum bağlama alanlarında kalsiyumun yerini aldığında, proteinler kalsiyum seviyelerine tepki veremez ve dolayısıyla proteinin elektrostatik özelliklerini bozar. PKC ve kalmodulin için yapısal olarak, aktif bölgeye Ca2+ veya Pb2+ bağlansa da, protein çok az bir konformasyon değişikliğine uğrar.7 PKC'deki amino asit kalıntılarının hassasiyeti nedeniyle, Ca2+ veya Pb2+ bağlanması, metal iyonu ligandı olarak görev yapan N-H omurgası veya karboksil yan zincirini değiştirerek yapısal bir değişikliğe neden olur.2 Küçük bir konformasyon değişikliğine rağmen, Şekil 1 ve 2'de görüldüğü gibi, bağlı ve bağlı olmayan PKC için kurşun ve kalsiyumun ve bağlı ve bağlı olmayan kalmodulin için kurşun ve kalsiyumun kristal yapıları neredeyse üst üste bindirilebilir. Bu, kurşun bağlanmasının önemli etkisinin PKC'deki bağlanma bölgesinin elektrostatik özellikleri olduğunu göstermektedir.
Sinaptotağmin I
Genel olarak, sinaptotağminler zar taşıma proteinleridir, yani zarın içine veya dışına neyin gireceğini veya çıkacağını kontrol ederler.12 Kalsiyum sinaptotağmine bağlandığında, nörotransmiterler salınır. Sinaptotağminler tarafından salınan çeşitli nörotransmiterler vardır, bu nedenle farklı proteinlerin bir ailesi olarak kabul edilirler.12 Sinaptotağmin I, SNARE kompleksi'ni sinyalleyen primer sinaptotağmindir.13 SNARE kompleksi, sinaptik veziküllerin nörotransmitter salınımını düzenleyen büyük bir protein ailesidir.14 Amaçlanan kalsiyum yerine kurşun bağlandığında, nöroiletimin senkronizasyonunu bozar.14 Bu, kendiliğinden nörotransmitter salınımının artarken, uyarılmış salınımın azaldığı anlamına gelir.
Sinaptotağmin I'ın Yapısı ve Bağlanma Yerleri
Sinaptotağmin I, proteini bir sinaptik veziküle bağlayan bir N-terminal segmenti ve bir zar geçitli heliks alanına sahiptir.13 Ayrıca, C2A ve C2B bölgelerinde bulunan iki sitozolik bağlanma yeri bulunur.13 Bu alanlar anyonik fosfolipidlere ve çevresel zamlara bağlanır.13
Beyinde, kurşun Sinaptotağmin I'a bağlanır.13 Bu proteinin C2A ve C2B olmak üzere iki alanı vardır.13 Kurşun, oksijen bakımından zengin olan Ca2+ koordinasyon bölgelerini hedef alır.13 Hem C2A hem de C2B'deki kurşun, yüksek afinitesi kurşun bağlanma yeri olan Bölge 1'e bağlanır. C2A bölgesinde C2B'den kurşunun bağlanma eğilimi daha fazladır.13 Bu eğilim, C2A bölgesindeki aspartat amino asit yan zincirlerinin metal iyonuna (bu durumda kurşun) doğru yönlendirilmesinden kaynaklanmaktadır.13 C2A ve C2B arasında var olan diğer konformasyon değişiklikleri minimum düzeydedir ve bağlanma tercihine etki etmez.13
Kurşun Bağlanması: Avantajlar ve Etkiler
Kurşun, kalsiyuma göre hem C2 alanları için artmış bir afiniteye sahiptir, yani kurşun kalsiyuma göre daha sıkı bağlanır.13,14. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, kurşun ve kalsiyumun eşdeğer kon değerleri varken, kurşunun koff değeri çok daha küçüktür.13 Hem kurşunun hızlı bağlanması hem de bağlanma yerinden yavaş ayrılması karışımı, kalsiyumun bağlanmasını engelleyen bir termodinamik ve kinetik tuzak oluşturur.13 Kurşunun bu alanlara bağlanması son derece egzotermiktir ve ΔG büyük bir negatif değer olduğu için elverişli bir entalpisi vardır. Bu, bu sürecin kendiliğinden gerçekleşeceği anlamına gelir.13 Ancak kalsiyum bağlanması için ΔG büyük ölçüde entropi tarafından etkilenir. Bağlanma yalnızca hafifçe egzotermik olduğu için entalpi büyük bir katkıda bulunmaz.13 Kalsiyum bağlanma deneylerinde, kalsiyumun fazlalığı durumunda bile kurşunun Bölge 1'den uzaklaştırılmadığı gözlemlenmiştir.13