Рубредоксин

Класс железосодержащих белков

Рубредоксины — это класс низкомолекулярных железосодержащих белков, обнаруженных в серо-метаболизирующих бактериях и археях . Иногда рубредоксины классифицируются как железо-серные белки ; однако, в отличие от железо-серных белков, рубредоксины не содержат неорганического сульфида. Как и цитохромы , ферредоксины и белки Риске , рубредоксины, как полагают, участвуют в переносе электронов в биологических системах. Недавние исследования бактерий ^[1] и водорослей ^[2] привели к гипотезе, что некоторые рубредоксины могут вместо этого играть роль в доставке железа к металлопротеинам .

Структура

Были решены 3-D структуры ряда рубредоксинов. Складка принадлежит к классу α+β с 2 α-спиралями и 2-3 β-нитями. Активный центр рубредоксина содержит ион железа, который координируется серой четырех консервативных остатков цистеина, образуя почти правильный тетраэдр. Иногда это обозначается как система [1Fe-0S] или Fe ₁ S ₀ , по аналогии с номенклатурой железо-серных белков. В то время как подавляющее большинство рубредоксинов растворимы, в оксигенных фотоавтотрофах существует связанный с мембраной рубредоксин, называемый рубредоксином А. ^[3]

Рубредоксины выполняют процессы одноэлектронного переноса. Центральный атом железа переходит между степенями окисления +2 и +3 . В обеих степенях окисления металл остается высокоспиновым , что помогает минимизировать структурные изменения. Восстановительный потенциал рубредоксина обычно находится в диапазоне от +50 мВ до -50 мВ.

Этот железо-серный белок является переносчиком электронов, и легко различить изменения его металлического центра: окисленное состояние имеет красноватый оттенок (из-за переноса заряда металла лиганда), а восстановленное состояние бесцветно (поскольку электронный переход имеет энергию инфракрасного уровня, что незаметно для человеческого глаза).

Структурное представление активного центра рубредоксина

Рубредоксин в некоторых биохимических реакциях

• EC 1.14.15.2 камфора 1,2-монооксигеназа [(+)-камфора, восстановленная-рубредоксин: кислород оксидоредуктаза (1,2-лактонизация)]
  • (+)-борнан-2,5-дион + восстановленный рубредоксин + O ₂ = 5-оксо-1,2-камфолид + окисленный рубредоксин + H ₂ O
• EC 1.14.15.3 алкан-1-монооксигеназа (алкан, восстановленный рубредоксин: кислород-1-оксидоредуктаза)
  • октан + восстановленный рубредоксин + O ₂ = 1-октанол + окисленный рубредоксин + H ₂ O
• EC 1.15.1.2 супероксидредуктаза (рубредоксин:супероксидоксидоредуктаза)
  • восстановленный рубредоксин + супероксид + 2 H ⁺ = рубредоксин + H ₂ O ₂
• EC 1.18.1.1 рубредоксин—НАД ⁺ редуктаза (рубредоксин:НАД ⁺ оксидоредуктаза)
  • восстановленный рубредоксин + НАД ⁺ = окисленный рубредоксин + НАДН + Н ⁺
• EC 1.18.1.4 рубредоксин—НАД(Ф) ⁺ редуктаза (рубредоксин:НАД(Ф) ⁺ оксидоредуктаза)
  • восстановленный рубредоксин + НАД(Ф) ⁺ = окисленный рубредоксин + НАД(Ф)Н + Н ⁺

Скорость переноса электронов

Скорость электронного обмена точно определяется стандартными кинетиками измерений видимых спектров поглощения (490 нм). ^[4] Скорость электронного переноса имеет три параметра: электронная связь, энергия реорганизации и свободная энергия реакции (ΔG ° ).

Механизм и эффекты белка

Длины связей Fe-S и амида NH-S(Cys) при восстановлении

Механизм пропускания Leu41 в открытой конформации

Реакция переноса электронов рубредоксина осуществляется посредством обратимой окислительно-восстановительной связи Fe3 ⁺ /Fe2 ⁺ путем восстановления Fe3 ⁺ до Fe2 ⁺ и воротного механизма, вызванного конформационными изменениями Leu41. ^[5]

При восстановлении Fe ³⁺ до Fe ²⁺ четыре длины связей Fe-S увеличиваются, а амид-NH H-связь с S(Cys) становится короче. Восстановленная структура Fe ²⁺ рубредоксина приводит к небольшому увеличению электростатической стабилизации амид-NH H-связь с S-Cys, что приводит к более низкой энергии реорганизации, что позволяет более быстрый перенос электронов. ^[5]

Механизм пропускания, включающий конформационное изменение неполярной боковой цепи Leu41, дополнительно стабилизирует состояние окисления Fe ²⁺ . Сайт-направленный мутагенез Leu41 в аланин показывает сдвиг окислительно-восстановительного потенциала Fe ^3+/2+ на 50 мВ . ^[6] Замена меньшего CH ₃ показывает, что боковая цепь Leu41 стабилизирует состояние окисления Fe ²⁺ больше, чем состояние окисления Fe ^{3+ .} Рентгеновская структура в восстановленном состоянии Fe ²⁺ показывает, что боковая цепь Leu41 принимает две различные конформации с 40% в «открытой конформации» и 60% в «закрытой конформации». ^[5] Неполярная боковая цепь Leu41 контролирует доступ к окислительно-восстановительному участку, принимая либо открытую, либо закрытую конформацию. В восстановленном состоянии Fe ²⁺ боковая цепь Leu41 обращена в сторону от Cys 9 Sγ, обнажая Cys 9 Sγ и увеличивая полярность центра Fe ³⁺ /Fe ²⁺ . ^[1] Более низкое изменение катиона Fe ²⁺ восстановленного состояния оставляет более высокий отрицательный заряд на доноре Cys 9 Sγ, который сильно притягивает воду. В результате вода может проникать и образовывать водородные связи с тиолатом Cys 9 Sγ, который блокирует закрытие ворот, что приводит к открытой конформации. Напротив, окисленное состояние Fe ³⁺ производит менее отрицательно заряженный донор Cys 9 Sγ, который не сильно притягивает воду. Без водородной связи воды с Cys 9 Sγ ворота остаются закрытыми. Таким образом, конформация Leu41 определяется присутствием воды и степенью окисления рубредоксина. Близость воды к активному центру [Fe(S-Cys) ₄ ] ^2- стабилизирует более высокий чистый отрицательный заряд степени окисления Fe ²⁺ . ^[5] Стабилизация степени окисления Fe ²⁺ смещает восстановительный потенциал к более положительному значению E ^{0. [5]}

Смотрите также

• Бионеорганическая химия
• Железо-серный белок
• Ферредоксин
• Цитохром
• белок Риске

Ссылки

1. Лю, Ф.; Гэн, Дж.; Гампер, Р. Х.; Барман, А.; Озаровски, А.; Хамельберг, Д.; Лю, А. (июнь 2015 г.). «Резервуар железа для каталитического металла: железо рубредоксина в экстрадиолдиоксигеназе». Журнал биологической химии . 290 (25): 15621–15634. doi : 10.1074/jbc.M115.650259 . PMC 4505474.  PMID 25918158.  Получено 6 февраля 2023 г.
2. Calderon, RH; de Vitry, C; Wollman, FA; Niyogi, KK (февраль 2023 г.). «Рубредоксин 1 способствует правильному сворачиванию D1 и не требуется для сборки гема b559 в фотосистеме II Chlamydomonas». Журнал биологической химии . 299 (3). doi : 10.1016/j.jbc.2023.102968 . PMC 9986647. PMID 36736898.  Получено 6 февраля 2023 г. 
3. Calderon RH, García-Cerdán JG, Malnoë A, Cook R, Russell JJ, Gaw C, et al. (сентябрь 2013 г.). «Консервативный рубредоксин необходим для накопления фотосистемы II в разнообразных оксигенных фотоавтотрофах». Журнал биологической химии . 288 (37): 26688–26696. doi : 10.1074/jbc.M113.487629 . PMC 3772215. PMID  23900844 . 
4. Jacks CA, Bennett LE, Raymond WN, Lovenberg W (апрель 1974 г.). «Перенос электронов в клостридиальный рубредоксин: кинетика восстановления гексаамминрутением(II), ванадийными и хромовыми ионами». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 71 (4): 1118–1122. Bibcode : 1974PNAS...71.1118J. doi : 10.1073 /pnas.71.4.1118 . PMC 388174. PMID  4524621. 
5. Min T, Ergenekan CE, Eidsness MK, Ichiye T, Kang C (март 2001 г.). «Лейцин 41 — это ворота для входа воды при восстановлении рубредоксина Clostridium pasteurianum». Protein Science . 10 (3): 613–621. doi :10.1110/gad.34501. PMC 2374124 . PMID  11344329. 
6. Park IY, Youn B, Harley JL, Eidsness MK, Smith E, Ichiye T, Kang C (июнь 2004 г.). «Уникальная водородно-связанная вода в восстановленной форме рубредоксина Clostridium pasteurianum и ее возможная роль в переносе электронов». Журнал биологической неорганической химии . 9 (4): 423–428. doi :10.1007/s00775-004-0542-3. PMID  15067525.

Дальнейшее чтение

• Lippard SJ, Berg JM (1994). Принципы бионеорганической химии . Университетские научные книги. ISBN 978-0-935702-72-9.
• Фраусто да Силва Дж., Уильямс Р. (2001). Биологическая химия элементов: Неорганическая химия жизни (2-е изд.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850848-9.

Внешние ссылки

• PDB : 1IRO – Рентгеновская структура рубредоксина из Clostridium pasteurianum
• PDB : 1VCX – Нейтронная дифракционная структура рубредоксина из Pyrococcus furiosus
• InterPro :  IPR001052 – запись InterPro для рубредоксина
• Немного железо-серного белка