stringtranslate.com

Ферредоксин

Ферредоксины (от латинского ferrum : железо + redox , часто сокращенно «fd») — это железо-серные белки , которые опосредуют перенос электронов в ряде метаболических реакций. Термин «ферредоксин» был придуман DC Wharton из DuPont Co. и применен к «железному белку», впервые очищенному в 1962 году Мортенсоном, Валентином и Карнаханом из анаэробной бактерии Clostridium pasteurianum . [1] [2]

Другой окислительно-восстановительный белок, выделенный из хлоропластов шпината , был назван «хлоропластным ферредоксином». [3] Хлоропластный ферредоксин участвует как в циклических, так и в нециклических реакциях фотофосфорилирования фотосинтеза . При нециклическом фотофосфорилировании ферредоксин является последним акцептором электронов, тем самым восстанавливая фермент НАДФ + редуктазу. Он принимает электроны, полученные от возбужденного солнечным светом хлорофилла , и передает их ферменту ферредоксину: НАДФ + оксидоредуктаза EC 1.18.1.2.

Ферредоксины — это небольшие белки, содержащие атомы железа и серы , организованные в виде железо-серных кластеров . Эти биологические « конденсаторы » могут принимать или разряжать электроны, что приводит к изменению степени окисления атомов железа между +2 и +3. Таким образом, ферредоксин действует как агент переноса электронов в биологических окислительно-восстановительных реакциях.

Другие бионеорганические системы электронного транспорта включают рубредоксины , цитохромы , голубые медные белки и структурно родственные белки Риске .

Ферредоксины можно классифицировать по природе их железо-серных кластеров и по сходству последовательностей.

Биоэнергетика ферредоксинов

Ферредоксины обычно осуществляют перенос одного электрона.

Фд0
быков+ е − Фд  −
красный

Однако несколько бактериальных ферредоксинов (типа 2[4Fe4S]) имеют два кластера железа и серы и могут осуществлять две реакции переноса электронов. В зависимости от последовательности белка, два переноса могут иметь почти идентичные восстановительные потенциалы или они могут существенно различаться. [4] [5]

Фд0
быков+ е − Фд  −
красный
Фд−
красный+ е − Фд  2−
красный

Ферредоксины являются одними из наиболее восстанавливающих биологических переносчиков электронов. Обычно они имеют средний потенциал -420 мВ. [6] Восстановительный потенциал вещества в клетке будет отличаться от его среднего потенциала в зависимости от концентраций его восстановленных и окисленных форм. Для одноэлектронной реакции потенциал изменяется примерно на 60 мВ для каждого изменения в степени десяти в соотношении концентрации. Например, если пул ферредоксина восстановлен примерно на 95%, восстановительный потенциал составит около -500 мВ. [7] Для сравнения, другие биологические реакции в основном имеют меньшие восстановительные потенциалы: например, первичный биосинтетический восстановитель клетки, НАДФН, имеет клеточный окислительно-восстановительный потенциал -370 мВ ( E
0= -320 мВ).

В зависимости от последовательности поддерживающего белка ферредоксины имеют восстановительный потенциал от около -500 мВ [6] [8] до -340 мВ. [9] Одна клетка может иметь несколько типов ферредоксинов, где каждый тип настроен на оптимальное выполнение различных реакций. [10]

Снижение ферредоксина

Высоковосстанавливающие ферредоксины восстанавливаются либо с помощью другого сильного восстановителя, либо с помощью какого-либо источника энергии для «переброски» электронов из менее восстанавливающих источников в ферредоксин. [11]

Прямое сокращение

Реакции, которые снижают Fd, включают окисление альдегидов до кислот, например, реакция глицеральдегида в глицерат (-580 мВ), реакция дегидрогеназы оксида углерода (-520 мВ) и реакции 2-оксокислоты: Fd оксидоредуктазы (-500 мВ) [12] [8], например, реакция, осуществляемая пируватсинтазой . [7]

Связанное с мембранным потенциалом восстановление

Ферредоксин также можно восстановить с помощью НАДН (-320 мВ) или Н
2(-414 мВ), но эти процессы сопряжены с потреблением мембранного потенциала для обеспечения «подъема» электронов до более высокого энергетического состояния. [6] Комплекс Rnf является широко распространенным мембранным белком у бактерий , который обратимо переносит электроны между NADH и ферредоксином, одновременно перекачивая Na+
или Н+
ионы через клеточную мембрану . Хемиосмотический потенциал мембраны расходуется на питание неблагоприятного восстановления Fd
быкпо NADH. Эта реакция является основным источником Fd−
красныйво многих автотрофных организмах. Если клетка растет на субстратах , которые обеспечивают избыток Fd−
красный, комплекс Rnf может переносить эти электроны в НАД+
и сохранять полученную энергию в мембранном потенциале. [13] Энергопреобразующие гидрогеназы (Ech) представляют собой семейство ферментов , которые обратимо связывают перенос электронов между Fd и H
2при перекачке H+
ионы через мембрану, чтобы уравновесить разницу энергий. [14]

Фд0
быков+ НАДН + Na+
снаружи Фд2−
красный+ НАД+
+ На+
внутри
Фд0
быков+ Н
2+ Н+
снаружи Фд2−
красный+ Н+
+ Н+
внутри

Электронная бифуркация

Неблагоприятное восстановление Fd от менее восстанавливающего донора электронов может быть сопряжено одновременно с благоприятным восстановлением окислителя посредством реакции электронной бифуркации . [6] Примером реакции электронной бифуркации является генерация Fd−
красныйдля фиксации азота в некоторых аэробных диазотрофах . Обычно при окислительном фосфорилировании перенос электронов от NADH к убихинону (Q) сопряжен с зарядкой движущей силы протона. В Azotobacter энергия, высвобождаемая при переносе одного электрона от NADH к Q, используется для одновременного усиления переноса одного электрона от NADH к Fd. [15] [16]

Прямое восстановление высокопотенциальных ферредоксинов

Некоторые ферредоксины имеют достаточно высокий окислительно-восстановительный потенциал , чтобы их можно было напрямую восстановить с помощью НАДФН. Одним из таких ферредоксинов является адреноксин (-274 мВ), который участвует в биосинтезе многих стероидов млекопитающих . [17] Ферредоксин Fd3 в корнях растений, который восстанавливает нитрат и сульфит, имеет средний потенциал -337 мВ и также восстанавливается с помощью НАДФН. [10]

Фе2С2ферредоксины

Члены суперсемейства ферредоксинов 2Fe–2S ( InterPro :  IPR036010 ) имеют общую структуру ядра, состоящую из бета(2)-альфа-бета(2), которая включает путидаредоксин, терпредоксин и адренодоксин. [18] [19] [20] [ 21] Они представляют собой белки из примерно ста аминокислот с четырьмя консервативными остатками цистеина, с которыми связан кластер 2Fe–2S. Эта консервативная область также встречается в качестве домена в различных метаболических ферментах и ​​в многодоменных белках, таких как альдегидоксидоредуктаза ( N -концевая), ксантиноксидаза ( N -концевая), фталатдиоксигеназаредуктаза ( C -концевая), сукцинатдегидрогеназа железо-серный белок ( N -концевая) и метанмонооксигеназаредуктаза ( N -концевая).

Ферредоксины растительного типа

Одна группа ферредоксинов, первоначально обнаруженная в мембранах хлоропластов , была названа «хлоропластного типа» или «растительного типа» ( InterPro :  IPR010241 ). Ее активный центр представляет собой кластер [Fe 2 S 2 ], где атомы железа тетраэдрически координированы как неорганическими атомами серы, так и серой четырех консервативных остатков цистеина (Cys).

В хлоропластах ферредоксины Fe2S2 выполняют функции переносчиков электронов в фотосинтетической цепи переноса электронов и доноров электронов для различных клеточных белков, таких как глутаматсинтаза, нитритредуктаза, сульфитредуктаза и циклаза биосинтеза хлорофилла . [22] Поскольку циклаза является ферментом, зависимым от ферредоксина , это может обеспечить механизм координации между фотосинтезом и потребностью хлоропластов в хлорофилле, связывая биосинтез хлорофилла с фотосинтетической цепью переноса электронов. В гидроксилирующих бактериальных диоксигеназных системах они служат промежуточными переносчиками электронов между флавопротеинами редуктазы и оксигеназой.

Тиоредоксин-подобные ферредоксины

Ферредоксин Fe 2 S 2 из Clostridium pasteurianum ( Cp 2FeFd; P07324 ) был признан отдельным семейством белков на основе его аминокислотной последовательности, спектроскопических свойств его железо-серного кластера и уникальной способности к обмену лигандов двух цистеиновых лигандов с кластером [Fe 2 S 2 ]. Хотя физиологическая роль этого ферредоксина остается неясной, было обнаружено сильное и специфическое взаимодействие Cp 2FeFd с молибден-железным белком нитрогеназы . Были охарактеризованы гомологичные ферредоксины из Azotobacter vinelandii ( Av 2FeFdI; P82802 ) и Aquifex aeolicus ( Aa Fd; O66511 ). Кристаллическая структура Aa Fd была решена. Aa Fd существует в виде димера. Структура мономера Aa Fd отличается от других ферредоксинов Fe 2 S 2. Складка принадлежит к классу α+β, причем первые четыре β-тяжа и две α-спирали принимают вариант складки тиоредоксина . [23] UniProt классифицирует их как семейство «ферредоксинов типа 2Fe2S Shethna». [24]

Ферредоксины адренодоксинового типа

Адренодоксин (ферредоксин надпочечников; InterPro :  IPR001055 ), путидаредоксин и терпредоксин составляют семейство растворимых белков Fe2S2 , которые действуют как переносчики отдельных электронов, в основном встречающихся в эукариотических митохондриях и Pseudomonadota . Человеческий вариант адренодоксина называется ферредоксин-1 и ферредоксин-2 . В митохондриальных монооксигеназных системах адренодоксин переносит электрон от НАДФН: адренодоксинредуктазы к связанному с мембраной цитохрому P450 . У бактерий путидаредоксин и терпредоксин переносят электроны между соответствующими НАДН-зависимыми ферредоксинредуктазами и растворимыми P450. [26] [27] Точные функции других членов этого семейства неизвестны, хотя показано, что Fdx Escherichia coli участвует в биогенезе кластеров Fe–S. [28] Несмотря на низкое сходство последовательностей между ферредоксинами адренодоксинового и растительного типов, эти два класса имеют схожую топологию сворачивания.

Ферредоксин-1 у людей участвует в синтезе гормонов щитовидной железы. Он также переносит электроны от адренодоксинредуктазы к CYP11A1 , ферменту CYP450, ответственному за расщепление боковой цепи холестерина. FDX-1 обладает способностью связываться с металлами и белками. [29] Ферредоксин-2 участвует в синтезе гема А и железо-серного белка. [30]

Фе4С4и Fe3С4ферредоксины

Ферредоксины [Fe4S4 ] можно далее подразделить на ферредоксины с низким потенциалом (бактериального типа) и ферредоксины с высоким потенциалом (HiPIP) .

Низко- и высокопотенциальные ферредоксины связаны следующей окислительно-восстановительной схемой:

Формальные степени окисления ионов железа могут быть [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] или [1Fe 3+ , 3Fe 2+ ] в ферредоксинах с низким потенциалом. Степени окисления ионов железа в ферредоксинах с высоким потенциалом могут быть [3Fe 3+ , 1Fe 2+ ] или [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ].

Ферредоксины бактериального типа

Группа ферредоксинов Fe 4 S 4 , первоначально обнаруженных в бактериях, была названа «бактериальным типом». Ферредоксины бактериального типа, в свою очередь, могут быть подразделены на дополнительные группы на основе свойств их последовательности. Большинство из них содержат по крайней мере один консервативный домен, включая четыре остатка цистеина, которые связываются с кластером [Fe 4 S 4 ]. В ферредоксине Fe 4 S 4 Pyrococcus furiosus один из консервативных остатков Cys замещен аспарагиновой кислотой.

В ходе эволюции ферредоксинов бактериального типа произошли внутрипоследовательные генные дупликации, транспозиции и слияния, что привело к появлению белков с множественными железо-серными центрами. В некоторых бактериальных ферредоксинах один из дублированных доменов утратил один или несколько из четырех консервативных остатков Cys. Эти домены либо утратили свойство связывания железа с серой, либо связываются с кластером [Fe 3 S 4 ] вместо кластера [Fe 4 S 4 ] [31] и дикластерного типа. [32]

3-D структуры известны для ряда монокластерных и дикластерных ферредоксинов бактериального типа. Складка принадлежит к классу α+β с 2-7 α-спиралями и четырьмя β-тяжами, образующими бочкообразную структуру, и вытянутой петлей, содержащей три «проксимальных» лиганда Cys кластера железа и серы.

Высокопотенциальные железо-серные белки

Высокопотенциальные железо-серные белки (HiPIP) образуют уникальное семейство ферредоксинов Fe 4 S 4 , которые функционируют в анаэробных цепях переноса электронов. Некоторые HiPIP имеют окислительно-восстановительный потенциал выше, чем любой другой известный железо-серный белок (например, HiPIP из Rhodopila globiformis имеет окислительно-восстановительный потенциал около -450 мВ). Несколько HiPIP к настоящему времени были структурно охарактеризованы, их складки принадлежат к классу α+β. Как и в других бактериальных ферредоксинах, единица [Fe 4 S 4 ] образует кластер кубанового типа и лигируется с белком через четыре остатка Cys.

Человеческие белки семейства ферредоксинов

Ссылки

  1. ^ Mortenson LE, Valentine RC, Carnahan JE (июнь 1962 г.). «Фактор переноса электронов из Clostridium pasteurianum». Biochemical and Biophysical Research Communications . 7 (6): 448–52. doi :10.1016/0006-291X(62)90333-9. PMID  14476372.
  2. ^ Valentine RC (декабрь 1964). «Бактериальный ферредоксин». Bacteriological Reviews . 28 (4): 497–517. doi :10.1128/MMBR.28.4.497-517.1964. PMC 441251. PMID  14244728 . 
  3. ^ Тагава К, Арнон ДИ (август 1962). «Ферредоксины как переносчики электронов в фотосинтезе и в биологическом производстве и потреблении водорода». Nature . 195 (4841): 537–43. Bibcode :1962Natur.195..537T. doi :10.1038/195537a0. PMID  14039612. S2CID  4213017.
  4. ^ Maiocco SJ, Arcinas AJ, Booker SJ, Elliott SJ (январь 2019 г.). «Анализ окислительно-восстановительных потенциалов пяти ферредоксинов, обнаруженных в Thermotoga maritima». Protein Science . 28 (1): 257–266. doi : 10.1002/pro.3547 . PMC 6295886 . PMID  30418685. 
  5. ^ Gao-Sheridan HS, Pershad HR, Armstrong FA, Burgess BK (март 1998). «Открытие нового ферредоксина из Azotobacter vinelandii, содержащего два кластера [4Fe-4S] с сильно различающимися и очень отрицательными восстановительными потенциалами». Журнал биологической химии . 273 (10): 5514–9. doi : 10.1074/jbc.273.10.5514 . PMID  9488675.
  6. ^ abcd Buckel W, Thauer RK (2018). "Бифуркация электронов на основе флавина, ферредоксин, флаводоксин и анаэробное дыхание с протонами (Ech) или NAD+ (Rnf) в качестве акцепторов электронов: исторический обзор". Frontiers in Microbiology . 9 : 401. doi : 10.3389/fmicb.2018.00401 . PMC 5861303. PMID  29593673 . 
  7. ^ ab Huwiler SG, Löffler C, Anselmann SE, Stärk HJ, von Bergen M, Flechsler J, et al. (февраль 2019 г.). «Комплекс металлоферментов весом в один мегадальтон в Geobacter metallireducens, участвующий в восстановлении бензольного кольца за пределами биологического окислительно-восстановительного окна». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 116 (6): 2259–2264. Bibcode : 2019PNAS..116.2259H. doi : 10.1073/pnas.1819636116 . PMC 6369795. PMID  30674680 . 
  8. ^ ab Li B, Elliott SJ (2016). «Каталитическое смещение 2-оксокислоты: ферредоксин оксидоредуктазы в CO2: эволюция и восстановление посредством опосредованного ферредоксином электрокаталитического анализа». Electrochimica Acta . 199 : 349–356. doi : 10.1016/j.electacta.2016.02.119 .
  9. ^ Thamer W, Cirpus I, Hans M, Pierik AJ, Selmer T, Bill E и др. (март 2003 г.). «Ферредоксин, содержащий два [4Fe-4S]-кластера, как альтернативный донор электронов для 2-гидроксиглутарил-КоА-дегидратазы из Acidaminococcus fermentans». Архив микробиологии . 179 (3): 197–204. Bibcode : 2003ArMic.179..197T. doi : 10.1007/s00203-003-0517-8. PMID  12610725. S2CID  23621034.
  10. ^ ab Hanke GT, Kimata-Ariga Y, Taniguchi I, Hase T (январь 2004 г.). "Постгеномная характеристика ферредоксинов Arabidopsis". Plant Physiology . 134 (1): 255–64. doi :10.1104/pp.103.032755. PMC 316305 . PMID  14684843. 
  11. ^ Boyd ES, Amenabar MJ, Poudel S, Templeton AS (февраль 2020 г.). «Биоэнергетические ограничения происхождения автотрофного метаболизма». Philosophical Transactions. Серия A, Математические, физические и инженерные науки . 378 (2165): 20190151. Bibcode : 2020RSPTA.37890151B . doi : 10.1098/rsta.2019.0151 . PMC 7015307. PMID  31902344. 
  12. ^ Gibson MI, Chen PY, Drennan CL (декабрь 2016 г.). «Структурная филогения для понимания функции оксидоредуктазы 2-оксокислот». Current Opinion in Structural Biology . 41 : 54–61. doi : 10.1016/j.sbi.2016.05.011. PMC 5381805. PMID 27315560  . 
  13. ^ Westphal L, Wiechmann A, Baker J, Minton NP, Müller V (ноябрь 2018 г.). «Комплекс Rnf — это энергетически связанная трансгидрогеназа, необходимая для обратимого связывания клеточных пулов NADH и ферредоксина в ацетогене Acetobacterium woodii». Журнал бактериологии . 200 (21). doi : 10.1128/JB.00357-18 . PMC 6182241. PMID  30126940 . 
  14. ^ Schoelmerich MC, Müller V (апрель 2020 г.). «Энергопреобразующие гидрогеназы: связь между метаболизмом H 2 и сохранением энергии». Cellular and Molecular Life Sciences . 77 (8): 1461–1481. doi :10.1007/s00018-019-03329-5. PMID  31630229. S2CID  204786346.
  15. ^ Ledbetter RN, Garcia Costas AM, Lubner CE, Mulder DW, Tokmina-Lukaszewska M, Artz JH и др. (август 2017 г.). «Электронный бифурцирующий комплекс белка FixABCX из Azotobacter vinelandii: генерация низкопотенциальных восстанавливающих эквивалентов для катализа нитрогеназы». Биохимия . 56 (32): 4177–4190. doi :10.1021/acs.biochem.7b00389. PMC 7610252. PMID  28704608 . 
  16. ^ Poudel S, Colman DR, Fixen KR, Ledbetter RN, Zheng Y, Pence N и др. (Май 2018 г.). «Перенос электронов на нитрогеназу в различных геномных и метаболических фонах». Журнал бактериологии . 200 (10). doi : 10.1128/JB.00757-17 . PMC 5915786. PMID  29483165 . 
  17. ^ Ewen KM, Ringle M, Bernhardt R (июнь 2012 г.). «Адренодоксин — универсальный ферредоксин». IUBMB Life . 64 (6): 506–12. doi : 10.1002/iub.1029 . PMID  22556163.
  18. ^ Armengaud J, Sainz G, Jouanneau Y, Sieker LC (февраль 2001 г.). «Кристаллизация и предварительный рентгенодифракционный анализ [2Fe-2S] ферредоксина (FdVI) из Rhodobacter capsulatus». Acta Crystallographica. Раздел D, Биологическая кристаллография . 57 (Pt 2): 301–3. doi :10.1107/S0907444900017832. PMID  11173487.
  19. ^ Sevrioukova IF (апрель 2005). "Редокс-зависимая структурная реорганизация в путидаредоксине, ферредоксине позвоночного типа [2Fe-2S] из Pseudomonas putida". Журнал молекулярной биологии . 347 (3): 607–21. doi :10.1016/j.jmb.2005.01.047. PMID  15755454.
  20. ^ Mo H, Pochapsky SS, Pochapsky TC (апрель 1999). "Модель структуры раствора окисленного терпредоксина, ферредоксина Fe2S2 из Pseudomonas". Биохимия . 38 (17): 5666–75. CiteSeerX 10.1.1.34.4745 . doi :10.1021/bi983063r. PMID  10220356. 
  21. ^ Beilke D, Weiss R, Löhr F, Pristovsek P, Hannemann F, Bernhardt R и др. (июнь 2002 г.). «Новый механизм переноса электронов в системах митохондриальной стероидгидроксилазы на основе структурных изменений при восстановлении адренодоксина». Биохимия . 41 (25): 7969–78. doi :10.1021/bi0160361. PMID  12069587.
  22. ^ Stuart D, Sandström M, Youssef HM, Zakhrabekova S, Jensen PE, Bollivar DW и др. (сентябрь 2020 г.). "Аэробная циклаза монометилового эфира магния-протопорфирина IX ячменя питается электронами от ферредоксина". Растения . 9 (9): 1157. doi : 10.3390/plants9091157 . PMC 7570240 . PMID  32911631. 
  23. ^ Yeh AP, Ambroggio XI, Andrade SL, Einsle O, Chatelet C, Meyer J, et al. (сентябрь 2002 г.). «Высокоразрешающие кристаллические структуры дикого типа и варианты Cys-55→Ser и Cys-59→Ser тиоредоксин-подобного [2Fe-2S] ферредоксина из Aquifex aeolicus». Журнал биологической химии . 277 (37): 34499–507. doi : 10.1074/jbc.M205096200 . PMID  12089152.
  24. ^ семейство:"семейство ферредоксинов типа 2fe2s shethna"
  25. ^ PDB : 3P1M ​; Chaikuad A, Johansson, C, Krojer, T, Yue, et al. (2010). "Кристаллическая структура человеческого ферредоксина-1 (FDX1) в комплексе с железо-серным кластером". Всемирный банк данных белков . doi :10.2210/pdb3p1m/pdb.
  26. ^ Peterson JA, Lorence MC, Amarneh B (апрель 1990 г.). «Путидаредоксинредуктаза и путидаредоксин. Клонирование, определение последовательности и гетерологичная экспрессия белков». Журнал биологической химии . 265 (11): 6066–73. doi : 10.1016/S0021-9258(19)39292-0 . PMID  2180940.
  27. ^ Peterson JA, Lu JY, Geisselsoder J, Graham-Lorence S, Carmona C, Witney F и др. (Июль 1992 г.). «Цитохром P-450terp. Выделение и очистка белка, клонирование и секвенирование его оперона». Журнал биологической химии . 267 (20): 14193–203. doi : 10.1016/S0021-9258(19)49697-X . PMID  1629218.
  28. ^ Tokumoto U, Takahashi Y (июль 2001 г.). «Генетический анализ оперона isc в Escherichia coli, участвующего в биогенезе клеточных железо-серных белков». Журнал биохимии . 130 (1): 63–71. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a002963. PMID  11432781.
  29. ^ "Ген Энтреза: FDX1 ферредоксин 1".
  30. ^ "FDX2 ферредоксин 2 [Homo sapiens (человек)] - Ген - NCBI". www.ncbi.nlm.nih.gov . Получено 8 апреля 2019 г. .
  31. ^ Fukuyama K, Matsubara H, Tsukihara T, Katsube Y (ноябрь 1989 г.). «Структура [4Fe-4S] ферредоксина из Bacillus thermoproteolyticus, уточненная с разрешением 2,3 А. Структурные сравнения бактериальных ферредоксинов». Журнал молекулярной биологии . 210 (2): 383–98. doi :10.1016/0022-2836(89)90338-0. PMID  2600971.
  32. ^ Дуэ ЭД, Фанчон Э, Викат Дж, Зикер Л.С., Мейер Дж, Мулис Дж.М. (ноябрь 1994 г.). «Уточненная кристаллическая структура ферредоксина 2[4Fe-4S] из Clostridium acidurici при разрешении 1,84 А». Журнал молекулярной биологии . 243 (4): 683–95. дои : 10.1016/0022-2836(94)90041-8. ПМИД  7966291.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки