Cadmium Carbonic Anhydrase (CdCA): Sustaining Life Using a Toxic Metal Ion

Slide1Cadmium Carbonic Anhydrase  (CdCA) Cadmium  Carbonic Anhydrase  (CdCA) Sustaining  Life  Using  a  Toxic  Metal  Ion Sustaining  Life  Using  a  Toxic  Metal  Ion www.ionicviper.org

Slide2Cadmium in  Biological Systems Cadmium  in  Biological Systems Group  12  metal  ions  are  considered  essential  (Zn 2+ )   or toxic  (Cd 2+   and  Hg 2+ )   to  biological  systems Group  12  metal  ions  are  considered  essential  (Zn 2+ )   or toxic  (Cd 2+   and  Hg 2+ )   to  biological  systems Typically,  Cd 2+   ion  presence  in  biological  systems triggers  glutathione  (pictured  below)  and metallothionein  sequestration Typically,  Cd 2+   ion  presence  in  biological  systems triggers  glutathione  (pictured  below)  and metallothionein  sequestration www.ionicviper.org

Slide3Carbonic Anhydrases Carbonic  Anhydrases Catalytic  metalloproteins  that interconvert  CO 2   and  H 2 O  to  HCO 3 - and  H + Catalytic  metalloproteins  that interconvert  CO 2   and  H 2 O  to  HCO 3 - and  H + Used  in  animals  to  transport  CO 2   out of  muscles  and  maintain  blood  pH balance Used  in  animals  to  transport  CO 2   out of  muscles  and  maintain  blood  pH balance Used  by  plants  to  concentrate  CO 2 prior  to  photosynthesis Used  by  plants  to  concentrate  CO 2 prior  to  photosynthesis Typically  the  active  site  comprises  a tetrahedrally  coordinated  Zn 2+   ion surrounded  by  three  histidine residues  and  one  aqua  or bicarbonato  ligand Typically  the  active  site  comprises  a tetrahedrally  coordinated  Zn 2+   ion surrounded  by  three  histidine residues  and  one  aqua  or bicarbonato  ligand Figure generated from PDB file 1CAM using Ligand Explorer www.ionicviper.org

Slide4CdCAs in  Marine Phytoplankton CdCAs  in  Marine Phytoplankton Oceanic  environment  of  diatoms  is  Zn 2+   deficient Oceanic  environment  of  diatoms  is  Zn 2+   deficient Some  diatom  CAs  have  adapted  to  incorporate  Cd 2+   in  place  of  Zn 2+ based  on  bioavailability Some  diatom  CAs  have  adapted  to  incorporate  Cd 2+   in  place  of  Zn 2+ based  on  bioavailability In  accordance  with  HSAB  theory,  to  accommodate  the comparatively  soft  acid  Cd 2+ ,  the  CA  “ligand”  now  incorporates cysteine  in  place  of  two  of  the  histidine  residues In  accordance  with  HSAB  theory,  to  accommodate  the comparatively  soft  acid  Cd 2+ ,  the  CA  “ligand”  now  incorporates cysteine  in  place  of  two  of  the  histidine  residues Figure generated from PDB file 3BOB using Ligand Explorer www.ionicviper.org

Slide5SummarySummary HASB  theory  is  exemplified  by  CA  “ligands”  that adapt  to  accommodate  alternate  active  site  metal ions  ( Zn 2+   vs.  Cd 2+ ) HASB  theory  is  exemplified  by  CA  “ligands”  that adapt  to  accommodate  alternate  active  site  metal ions  ( Zn 2+   vs.  Cd 2+ ) Tetrahedrally  coordinated  active  sites  persist  for  CAs: Tetrahedrally  coordinated  active  sites  persist  for  CAs: Zn 2+   =  3  histidine  residues  and  aqua  or  bicarbonato ligands Zn 2+   =  3  histidine  residues  and  aqua  or  bicarbonato ligands Cd 2+   =  1  histidine  and  2  cysteine  residues,  and  aqua  or bicarbonato  ligands Cd 2+   =  1  histidine  and  2  cysteine  residues,  and  aqua  or bicarbonato  ligands The  resulting  CAs  are  sufficiently  robust  to  prevent metal  ion  release  and  subsequent  toxicity The  resulting  CAs  are  sufficiently  robust  to  prevent metal  ion  release  and  subsequent  toxicity www.ionicvziper.org