Metallothioneine, in Tieren, Pflanzen und Pilzen vorkommende Polypeptide mit einem hohen Cysteingehalt (20-30 %) und zahlreichen Cys-Xaa-Cys-Sequenzen. Man unterteilt die M. in drei Klassen ein. Zur Klasse I gehören die M. der Säugetiere und Pilze. Die Proteine der Tiere sind aus etwa 60 Aminosäureresten aufgebaut und besitzen höhere relative Molekülmassen (M_r 6-7kDa) als die der Pilze (M_r 2,5kDa). Die 20 freien SH-Gruppen der Cysteinbausteine findet man in Cys-Xaa-Cys-Sequenzen oder in Cys-Cys-Clustern. Die tierischen M. können bis zu sieben bi- und 12 monovalente Metallionen pro Molekül M. binden, wie z.B. Cd²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Sn²⁺. Die M. dieser Klasse sind gekennzeichnet durch jeweils eine N- und C-terminale Cystein-haltige Domäne, die Metallionen als Metallthiolate gebunden enthalten. Die meisten Säugetiere enthalten eine Reihe von Isoformen, von denen M. I und M. II (jeweils 61 Aminosäurebausteine) vorrangig in der Leber bzw. in den Nieren, aber auch in anderen Geweben vorkommen. In selektierten, Cd-resistenten tierischen Zell-Linien konnte eine 3-60fache Amplifikation von M.-Genen nachgewiesen werden. Die Biosynthese der M. wird durch Schwermetallionen, Gewebsverletzungen, Glucagon, Cytokine, Interferone, Glucocorticoide u.a. induziert. Das nach Entfernung der Metallionen verbleibende Apothionein ist stark oxidationsempfindlich. Die M. sind an Transport, Stoffwechsel, Entgiftung des Körpers von Schwermetallen sowie der Inaktivierung von Radikalen beteiligt. Die physiologische Funktion ist noch nicht vollständig geklärt. Sie besteht bei Tieren vermutlich sowohl in einer Aufrechterhaltung der normalen zellulären Metallionen-Homöostase, insbesondere im Fall von Zinkionen, aber auch in der Entgiftung toxischer Mengen an Metallionen.

Die Klasse II der M. umfasst M. aus Cyanobakterien, Hefe, Caenorhabditis elegans u.a. Die Anordnung der Cysteinreste (12-18) ist nicht identisch mit der der M. der Klasse I.

Die Klasse III der M. kommt in Pflanzen vor. Diese Moleküle werden auch als Phytochelatine, teilweise auch als Cadystine oder γ-Glutamyl-Peptide bezeichnet. Die Synthese erfolgt an cytoplasmatischen Protein-Komplexen aus Glutathion unter Katalyse der Phytochelatin-Synthase. Das dominierende Strukturelement ist (γ-Glu-Cys)_2-7Gly.