stringtranslate.com

Железо-серный белок

Железо-серные белки — это белки, характеризующиеся наличием железо-серных кластеров, содержащих сульфид -связанные ди-, три- и тетражелезные центры в различных степенях окисления . Железо-серные кластеры обнаружены в различных металлопротеинах , таких как ферредоксины , а также NADH-дегидрогеназа , гидрогеназы , кофермент Q - цитохром c-редуктаза , сукцинат - кофермент Q-редуктаза и нитрогеназа . [1] Железо-серные кластеры наиболее известны своей ролью в окислительно-восстановительных реакциях электронного транспорта в митохондриях и хлоропластах . Как Комплекс I, так и Комплекс II окислительного фосфорилирования имеют несколько кластеров Fe-S. Они имеют много других функций, включая катализ, как показано на примере аконитазы , генерацию радикалов, как показано на примере SAM -зависимых ферментов, и в качестве доноров серы в биосинтезе липоевой кислоты и биотина . Кроме того, некоторые белки Fe–S регулируют экспрессию генов. Белки Fe–S уязвимы для атаки биогенного оксида азота , образуя динитрозильные комплексы железа . В большинстве белков Fe–S терминальные лиганды на Fe являются тиолятами , но существуют исключения. [2]

Распространенность этих белков в метаболических путях большинства организмов приводит к теориям о том, что соединения железа и серы сыграли значительную роль в происхождении жизни в теории железо-серного мира .

В некоторых случаях кластеры Fe–S являются окислительно-восстановительно-неактивными, но предполагается, что они играют структурную роль. Примерами являются эндонуклеаза III и MutY. [3] [4]

Структурные мотивы

Почти во всех белках Fe–S центры Fe являются тетраэдрическими, а терминальные лиганды представляют собой тиолатосерные центры из остатков цистеина. Сульфидные группы являются либо двух-, либо трехкоординированными. Наиболее распространены три различных типа кластеров Fe–S с этими характеристиками.

Принципы структуры и функции

Железо-серные белки участвуют в различных биологических процессах переноса электронов, таких как фотосинтез и клеточное дыхание, которые требуют быстрого переноса электронов для поддержания энергетических или биохимических потребностей организма. Для выполнения своих различных биологических функций железо-серные белки осуществляют быстрый перенос электронов и охватывают весь диапазон физиологических окислительно-восстановительных потенциалов от -600 мВ до +460 мВ.

Связи Fe 3+ -SR имеют необычно высокую ковалентность, что и ожидалось. [ по мнению кого? ] При сравнении ковалентности Fe 3+ с ковалентностью Fe 2+ , Fe 3+ имеет почти вдвое большую ковалентность, чем Fe 2+ (20% против 38,4%). [5] Fe 3+ также гораздо более стабилизирован, чем Fe 2+ . Жесткие ионы, такие как Fe 3+, обычно имеют низкую ковалентность из-за несоответствия энергии низшей свободной молекулярной орбитали металла с высшей занятой молекулярной орбиталью лиганда .

Внешние молекулы воды, расположенные близко к активному центру железо-сера, снижают ковалентность; это можно показать с помощью экспериментов по лиофилизации , в которых вода удаляется из белка. Это снижение происходит из-за того, что внешняя вода образует водородные связи с цистеином S, уменьшая донорство неподеленной пары электронов последнего к Fe 3+/2+ за счет оттягивания электронов S. [5] Поскольку ковалентность стабилизирует Fe 3+ больше, чем Fe 2+ , Fe 3+ больше дестабилизируется водородной связью HOH-S.

Энергии 3d-орбиталей Fe 3+ следуют «перевернутой» схеме связывания, в которой d-орбитали Fe 3+ по счастливой случайности близко совпадают по энергии с 3p-орбиталями серы, что обеспечивает высокую ковалентность в результирующей молекулярной орбитали связывания. [3] Эта высокая ковалентность снижает энергию реорганизации внутренней сферы [3] и в конечном итоге способствует быстрому переносу электронов.

Кластеры 2Fe–2S

Кластеры 2Fe–2S

Простейшая полиметаллическая система, кластер [Fe 2 S 2 ], состоит из двух ионов железа, соединенных двумя сульфид-ионами и координированных четырьмя цистеинильными лигандами (в ферредоксинах Fe 2 S 2 ) или двумя цистеинами и двумя гистидинами (в белках Риске ). Окисленные белки содержат два иона Fe 3+ , тогда как восстановленные белки содержат один ион Fe 3+ и один ион Fe 2+ . Эти виды существуют в двух степенях окисления, (Fe III ) 2 и Fe III Fe II . Домен серы железа CDGSH также связан с кластерами 2Fe-2S.

Степени окисления кластера Риске 2Fe-2S Fe 3+ и Fe 2+

Белки Риске содержат кластеры Fe–S, которые координируются как структура 2Fe–2S и могут быть обнаружены в связанном с мембраной цитохромном комплексе III bc1 в митохондриях эукариот и бактерий. Они также являются частью белков хлоропласта, таких как комплекс цитохрома b 6 f в фотосинтетических организмах. Эти фотосинтетические организмы включают растения, зеленые водоросли и цианобактерии , бактериальных предшественников хлоропластов. Оба являются частью цепи переноса электронов соответствующих организмов, что является решающим шагом в сборе энергии для многих организмов. [6]

Кластеры 4Fe–4S

Обычный мотив включает четыре иона железа и четыре иона сульфида, размещенных в вершинах кластера кубанового типа . Центры Fe обычно дополнительно координируются цистеинильными лигандами. Белки переноса электронов [Fe 4 S 4 ] ( ферредоксины [Fe 4 S 4 ] ) могут быть далее подразделены на ферредоксины с низким потенциалом (бактериального типа) и с высоким потенциалом (HiPIP) . Ферредоксины с низким и высоким потенциалом связаны следующей окислительно-восстановительной схемой:

Кластеры 4Fe-4S выполняют функцию электронных реле в белках.

В HiPIP кластер перемещается между [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ) и [3Fe 3+ , Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 3+ ). Потенциалы для этой окислительно-восстановительной пары варьируются от 0,4 до 0,1 В. В бактериальных ферредоксинах пара окислительно-восстановительных состояний — [Fe 3+ , 3Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 + ) и [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ). Потенциалы для этой окислительно-восстановительной пары варьируются от −0,3 до −0,7 В. Два семейства кластеров 4Fe–4S разделяют окислительное состояние Fe 4 S 4 2+ . Разница в окислительно-восстановительных парах объясняется степенью водородных связей, которые сильно изменяют основность цистеинилтиолатных лигандов. [ необходима цитата ] Еще одна окислительно-восстановительная пара, которая является еще более восстановительной, чем бактериальные ферредоксины, участвует в нитрогеназе .

Некоторые кластеры 4Fe–4S связывают субстраты и, таким образом, классифицируются как кофакторы ферментов. В аконитазе кластер Fe–S связывает аконитат в одном центре Fe, в котором отсутствует тиолатный лиганд. Кластер не подвергается окислительно-восстановительным процессам, но служит катализатором кислоты Льюиса для превращения цитрата в изоцитрат . В радикальных ферментах SAM кластер связывает и восстанавливает S-аденозилметионин , образуя радикал, который участвует во многих биосинтезах. [7]

4Fe-4S Степени окисления Fe 3+ , Fe 2,5+ и Fe 2+ .

Второй кубан, показанный здесь со смешанными валентными парами (2 Fe3+ и 2 Fe2+), имеет большую стабильность за счет ковалентной связи и сильной ковалентной делокализации «лишнего» электрона из восстановленного Fe2+, что приводит к полной ферромагнитной связи.

Кластеры 3Fe–4S

Известно также, что белки содержат центры [Fe 3 S 4 ], которые содержат на один атом железа меньше, чем более распространенные ядра [Fe 4 S 4 ]. Три сульфидных иона связывают два иона железа каждый, в то время как четвертый сульфид связывает три иона железа. Их формальные состояния окисления могут варьироваться от [Fe 3 S 4 ] + ( форма полностью Fe 3+ ) до [Fe 3 S 4 ] 2− (форма полностью Fe 2+ ). В ряде железо-серных белков кластер [Fe 4 S 4 ] может быть обратимо преобразован путем окисления и потери одного иона железа в кластер [Fe 3 S 4 ]. Например, неактивная форма аконитазы обладает [Fe 3 S 4 ] и активируется добавлением Fe 2+ и восстановителя.

Другие кластеры Fe–S

Примерами служат активные центры ряда ферментов:

Диапазоны восстановительных потенциалов, E o (мВ), охватываемые различными классами железо-серных белков, гем-белков и медных белков. (HiPIP = высокопотенциальные железо-серные белки, Rdx = рубредоксины, Fdx = ферредоксины, Cyt = цитохромы.)

Биосинтез

Биосинтез кластеров Fe–S хорошо изучен. [15] [16] [17] Биогенез кластеров железа и серы наиболее подробно изучен у бактерий E. coli и A. vinelandii и дрожжей S. cerevisiae . На данный момент идентифицировано по крайней мере три различных биосинтетических системы, а именно системы nif, suf и isc, которые впервые были идентифицированы у бактерий. Система nif отвечает за кластеры в ферменте нитрогеназе. Системы suf и isc являются более общими.

Лучше всего описана система isc дрожжей. Несколько белков составляют биосинтетический аппарат через путь isc. Процесс происходит в два основных этапа: (1) кластер Fe/S собирается на каркасном белке с последующей (2) передачей предварительно сформированного кластера белкам-реципиентам. Первый этап этого процесса происходит в цитоплазме прокариотических организмов или в митохондриях эукариотических организмов. В высших организмах кластеры, таким образом, транспортируются из митохондрий для включения во внемитохондриальные ферменты. Эти организмы также обладают набором белков , участвующих в процессах транспортировки и включения кластеров Fe/S, которые не гомологичны белкам, обнаруженным в прокариотических системах.

Синтетические аналоги

Синтетические аналоги природных кластеров Fe–S были впервые описаны Холмом и его коллегами. [18] Обработка солей железа смесью тиолятов и сульфида дает производные, такие как ( Et4N ) 2Fe4S4 ( SCH2Ph ) 4 ] . [ 19 ] [ 20 ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ SJ Lippard, JM Berg «Принципы бионеорганической химии» University Science Books: Mill Valley, CA; 1994. ISBN  0-935702-73-3 .
  2. ^ Бак, Д. В.; Эллиотт, С. Дж. (2014). «Альтернативные лиганды кластера FeS: настройка окислительно-восстановительных потенциалов и химии». Curr. Opin. Chem. Biol . 19 : 50–58. doi :10.1016/j.cbpa.2013.12.015. PMID  24463764.
  3. ^ abc Kennepohl, Pierre; Solomon, Edward I. (2003-01-16). "Вклад электронной структуры в реакционную способность переноса электронов в активных центрах железо-сера: 3. Кинетика переноса электронов". Неорганическая химия . 42 (3): 696–708. doi :10.1021/ic0203320. ISSN  0020-1669. PMID  12562183.
  4. ^ Guan, Y.; Manuel, RC; Arvai, AS; Parikh, SS; Mol, CD; Miller, JH; Lloyd, S.; Tainer, JA (декабрь 1998 г.). «MutY catalytic core, mutant and linked adenine structures determines specifiity for DNA repair genetics superfamily». Nature Structural Biology . 5 (12): 1058–1064. doi :10.1038/4168. ISSN  1072-8368. PMID  9846876. S2CID  22085836.
  5. ^ ab Sun, Ning; Dey, Abhishek; Xiao, Zhiguang; Wedd, Anthony G.; Hodgson, Keith O.; Hedman, Britt; Solomon, Edward I. (2010-08-20). "Эффекты сольватации в спектрах рентгеновской абсорбции S K-Edge белков Fe−S: нормальные и обратные эффекты в диком типе и мутантном рубредоксине". Журнал Американского химического общества . 132 (36): 12639–12647. doi :10.1021/ja102807x. ISSN  0002-7863. PMC 2946794. PMID 20726554  . 
  6. ^ БИОЛОГИЧЕСКАЯ НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ: структура и реакционная способность . [Sl]: УНИВЕРСИТЕТСКИЕ НАУЧНЫЕ КНИГИ. 2018. ISBN 978-1-938787-96-6. OCLC  1048090793.
  7. ^ Сьюзан С. Ванг; Перри А. Фрей (2007). «S-аденозилметионин как окислитель: радикальное суперсемейство SAM». Тенденции в биохимических науках . 32 (3): 101–10. doi :10.1016/j.tibs.2007.01.002. PMID  17291766.
  8. ^ Эйнсл, Оливер; Риз, Дуглас К. (2020). «Структурная энзимология ферментов нитрогеназы». Chemical Reviews . 120 (12): 4969–5004. doi :10.1021/acs.chemrev.0c00067. PMC 8606229. PMID  32538623 . 
  9. ^ Кан, Мехмет; Армстронг, Фрейзер А.; Рэгсдейл, Стивен У. (2014). «Структура, функция и механизм действия никелевых металлоферментов, CO-дегидрогеназы и ацетил-КоА-синтазы». Chemical Reviews . 114 (8): 4149–4174. doi :10.1021/cr400461p. PMC 4002135 . PMID  24521136. 
  10. ^ Stripp, Sven T.; Duffus, Benjamin R.; Fourmond, Vincent; Léger, Christophe; Leimkühler, Silke; Hirota, Shun; Hu, Yilin; Jasniewski, Andrew; Ogata, Hideaki; Ribbe, Markus W. (2022). «Эффекты второй и внешней координационной сферы в нитрогеназе, гидрогеназе, формиатдегидрогеназе и дегидрогеназе CO». Chemical Reviews . 122 (14): 11900–11973. doi :10.1021/acs.chemrev.1c00914. PMC 9549741 . PMID  35849738. 
  11. ^ Рао, Годонг; Паттеноуд, Скотт А.; Алван, Кэтрин; Блэкберн, Ниниан Дж.; Бритт, Р. Дэвид; Раухфус, Томас Б. (15 октября 2019 г.). «Биядерный кластер гидрогеназы [FeFe] образован серой, предоставленной цистеином металлоорганического предшественника [Fe(Cys)(CO) 2 (CN)]. Труды Национальной академии наук . 116 (42): 20850–20855. Bibcode : 2019PNAS..11620850R. doi : 10.1073/pnas.1913324116 . PMC 6800375. PMID  31570604 . 
  12. ^ Fritsch, J; Scheerer, P; Frielingsdorf, S; Kroschinsky, S; Friedrich, B; Lenz, O; Spahn, CMT (2011-10-16). «Кристаллическая структура кислородоустойчивой гидрогеназы раскрывает новый железо-серный центр». Nature . 479 (7372): 249–252. Bibcode :2011Natur.479..249F. doi :10.1038/nature10505. PMID  22002606. S2CID  4411671.
  13. ^ Шомура, Y; Юн, KS; Нишихара, H; Хигучи, Y (2011-10-16). "Структурная основа кластера [4Fe-3S] в кислородоустойчивой мембраносвязанной [NiFe]-гидрогеназе". Nature . 479 (7372): 253–256. Bibcode :2011Natur.479..253S. doi :10.1038/nature10504. PMID  22002607. S2CID  4313414.
  14. ^ Jeoung, JH; Martins, BM; Dobbek, H (15 июня 2020 г.). «Двойные кубановые [8Fe9S] кластеры: новый кофактор, связанный с нитрогеназой, в биологии». ChemBioChem . 21 (12): 1710–1716. doi :10.1002/cbic.202000016. PMC 7317905 . PMID  32187824. 
  15. ^ Джонсон Д., Дин Д. Р., Смит А. Д., Джонсон М. К. (2005). «Структура, функция и формирование биологических железо-серных кластеров». Annual Review of Biochemistry . 74 (1): 247–281. doi :10.1146/annurev.biochem.74.082803.133518. PMID  15952888.
  16. ^ Джонсон, М.К. и Смит, А.Д. (2005) Железо-серные белки в: Энциклопедия неорганической химии (ред. Кинг, Р.Б.), 2-е изд., John Wiley & Sons, Чичестер.
  17. ^ Lill R, Mühlenhoff U (2005). «Биогенез железа–серы-белка у эукариот». Trends in Biochemical Sciences . 30 (3): 133–141. doi : 10.1016/j.tibs.2005.01.006 . PMID  15752985.
  18. ^ T. Herskovitz; BA Averill; RH Holm; JA Ibers; WD Phillips; JF Weiher (1972). «Структура и свойства синтетического аналога бактериальных железо-серных белков». Труды Национальной академии наук . 69 (9): 2437–2441. Bibcode : 1972PNAS...69.2437H. doi : 10.1073 /pnas.69.9.2437 . PMC 426959. PMID  4506765. 
  19. ^ Холм, Р. Х.; Ло, В. (2016). «Структурные превращения синтетических и связанных с белками железо-серных кластеров». Chem. Rev. 116 ( 22): 13685–13713. doi :10.1021/acs.chemrev.6b00276. PMID  27933770.
  20. ^ Ли, СК; Ло, В.; Холм, Р.Х. (2014). «Разработки в области биомиметической химии кластеров железа и серы кубанового типа и более высокой нуклеарности». Chemical Reviews . 114 (7): 3579–3600. doi :10.1021/cr4004067. PMC 3982595 . PMID  24410527. 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки