Białko żelazowo-siarkowe

Białka żelazowo-siarkowe to białka charakteryzujące się obecnością klastrów żelazowo-siarkowych zawierających centra di-, tri- i tetraironowe połączone wiązaniami siarczkowymi na różnych stopniach utlenienia . Skupiska żelazowo-siarkowe znajdują się w różnych metaloproteinach , takich jak ferredoksyny , a także dehydrogenaza NADH , hydrogenazy , koenzym Q – reduktaza cytochromu c , bursztynian – reduktaza koenzymu Q i azotaza . Klastry żelazowo-siarkowe są najbardziej znane ze swojej roli w reakcjach utleniania-redukcji transportu elektronów w mitochondriach i chloroplastach . Zarówno kompleks I, jak i kompleks II fosforylacji oksydacyjnej mają wiele klastrów Fe – S. Mają wiele innych funkcji, w tym katalizę , co ilustruje akonitaza , wytwarzanie rodników, jak ilustrują enzymy zależne od SAM , oraz jako donory siarki w biosyntezie kwasu liponowego i biotyny . Ponadto niektóre białka Fe – S regulują ekspresję genów. Białka Fe – S są podatne na atak biogennego tlenku azotu , tworząc kompleksy dinitrozylowo-żelazowe . W większości białek Fe – S końcowymi ligandami Fe są tiolany , ale istnieją wyjątki.

Występowanie tych białek na szlakach metabolicznych większości organizmów prowadzi niektórych naukowców do wysuwania teorii, że związki żelaza i siarki odegrały znaczącą rolę w powstaniu życia w teorii świata żelaza i siarki .

Motywy strukturalne

W prawie wszystkich białkach Fe – S centra Fe są czworościenne, a końcowe ligandy to centra tiolatosiarkowe z reszt cysteinylowych. Grupy siarczkowe są dwu- lub trójskoordynowane. Najczęściej spotykane są trzy różne rodzaje klastrów Fe – S o tych cechach.

Zasady struktura-funkcja

Aby spełniać swoje różne role biologiczne, białka żelazowo-siarkowe powodują szybkie transfery elektronów i obejmują cały zakres fizjologicznych potencjałów redoks od -600 mV do +460 mV.

Białka żelazowo-siarkowe biorą udział w różnych biologicznych procesach transportu elektronów, takich jak fotosynteza i oddychanie komórkowe, które wymagają szybkiego transferu elektronów w celu podtrzymania potrzeb energetycznych lub biochemicznych organizmu.

Fe 3+ -SR mają niezwykle wysoką kowalencyjność, czego się oczekuje. Porównując kowalencyjność Fe 3+ z kowalencyjnością Fe 2+ , Fe 3+ ma prawie dwukrotnie większą kowalencyjność niż Fe 2+ (20% do 38,4%). Fe 3+ jest również znacznie bardziej ustabilizowany niż Fe 2+ . Twarde jony, takie jak Fe 3+ , zwykle mają niską kowalencyjność z powodu niedopasowania energetycznego najniższego niezajętego orbitalu molekularnego metalu z ligandem najwyższego zajętego orbitalu molekularnego.

Występuje wiązanie HO-H-S-Cys H z zewnętrznej H 2 O umieszczonej przez białko blisko miejsca aktywnego i to wiązanie H zmniejsza oddawanie wolnych par elektronów od donora Cys-S do Fe 3+/2 + . Użycie liofilizacji do usunięcia tych zewnętrznych H 2 O skutkuje zwiększoną kowalencyjnością Fe-S, co oznacza, że ​​H 2 O zmniejszają kowalencyjność, ponieważ wiązania wodorowe H 2 O przyciągają elektrony siarki. Ponieważ kowalencyjność stabilizuje Fe 3+ bardziej niż Fe 2+ , dlatego Fe 3+ jest bardziej destabilizowany przez wiązanie wodorowe HOH-S.

Fe 3+ 3d są zgodne z „odwróconym” schematem wiązań, który na szczęście ma orbitale d Fe 3+ ściśle dopasowane pod względem energii do orbitali siarki 3p, co daje wysoką kowalencyjność w powstałym orbicie molekularnym wiążącym. Ta wysoka kowalencyjność obniża energię reorganizacji sfery wewnętrznej i ostatecznie przyczynia się do szybkiego transferu elektronów.

Klastry 2Fe – 2S

Klastry 2Fe – 2S

Najprostszy układ polimetaliczny, klaster [Fe 2 S 2 ], składa się z dwóch jonów żelaza połączonych mostkiem przez dwa jony siarczkowe i koordynowanych przez cztery ligandy cysteinylowe (w ferredoksynach Fe 2 S 2 ) lub przez dwie cysteiny i dwie histydyny (w białkach Rieske ). Białka utlenione zawierają dwa jony Fe 3+ , podczas gdy białka zredukowane zawierają jeden jon Fe 3+ i jeden jon Fe 2+ . Gatunki te występują na dwóch stopniach utlenienia (Fe III ) 2 i Fe III Fe II . Domena żelaza i siarki CDGSH jest również powiązana z klastrami 2Fe-2S.

Rieske 2Fe-2S stany utlenienia klastra Fe 3+ i Fe 2+

Klastry 4Fe – 4S

Częstym motywem są cztery jony żelaza i cztery jony siarczkowe umieszczone na wierzchołkach klastra typu kubanowego . Centra Fe są zazwyczaj dodatkowo koordynowane przez ligandy cysteinylowe. Białka przenoszące elektrony [Fe 4 S 4 ] ([Fe 4 S 4 ] ferredoksyny ) można dalej podzielić na ferredoksyny o niskim potencjale (typ bakteryjny) io wysokim potencjale (HiPIP) . Ferredoksyny o niskim i wysokim potencjale są powiązane następującym schematem redoks:

Klastry 4Fe-4S służą jako przekaźniki elektronów w białkach.

W HiPIP klaster porusza się między [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ) a [3Fe 3+ , Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 3+ ). Potencjały tej pary redoks wahają się od 0,4 do 0,1 V. W bakteryjnych ferredoksynach para stopni utlenienia to [Fe 3+ , 3Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 + ) i [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ). Potencjały tej pary redoks wahają się od -0,3 do -0,7 V. Dwie rodziny klastrów 4Fe – 4S mają wspólny stopień utlenienia Fe 4 S 4 2+ . Różnicę w parach redoks przypisuje się stopniowi wiązania wodorowego, który silnie modyfikuje zasadowość ligandów tiolanowych cysteinylu. [ Potrzebne źródło ] Kolejna para redoks, która wciąż jest bardziej redukująca niż ferredoksyny bakteryjne, jest zaangażowana w azotazę .

Niektóre klastry 4Fe – 4S wiążą substraty i dlatego są klasyfikowane jako kofaktory enzymów. W akonitazie klaster Fe – S wiąże akonitynian w jednym centrum Fe, w którym brakuje ligandu tiolanowego. Klaster nie ulega redoks, ale służy jako kwasu Lewisa do konwersji cytrynianu w izocytrynian . W radykalnych enzymach SAM klaster wiąże i redukuje S-adenozylometioninę , tworząc rodnik, który bierze udział w wielu biosyntezach.

4Fe-4S Stany utlenienia Fe 3+ , Fe 2,5+ i Fe 2+ .

Drugi kuban pokazany tutaj z mieszanymi parami walencyjnymi (2 Fe3+ i 2 Fe2+) ma większą stabilność dzięki komunikacji kowalencyjnej i silnej kowalencyjnej delokalizacji „dodatkowego” elektronu ze zredukowanego Fe2+, co skutkuje pełnym sprzężeniem ferromagnetycznym.

Gromady 3Fe – 4S

Wiadomo również, że białka zawierają centra [Fe 3 S 4 ], które zawierają o jedno żelazo mniej niż bardziej powszechne rdzenie [Fe 4 S 4 ]. Trzy jony siarczkowe łączą po dwa jony żelaza, podczas gdy czwarty siarczek łączy trzy jony żelaza. Ich formalne stopnie utlenienia mogą wahać się od [Fe 3 S 4 ] + (forma all-Fe 3+ ) do [Fe 3 S 4 ] 2− (forma all-Fe 2+ ). W wielu białkach żelazowo-siarkowych [Fe 4 S 4 Klaster ] można odwracalnie przekształcić przez utlenienie i utratę jednego jonu żelaza w klaster [Fe 3 S 4 ]. Np. nieaktywna postać akonitazy posiada [Fe 3 S 4 ] i jest aktywowana przez dodanie Fe 2+ i środka redukującego.

Inne gromady Fe – S

Powszechne są bardziej złożone systemy polimetaliczne. Przykłady obejmują klastry zarówno 8Fe, jak i 7Fe w azotazie . Dehydrogenaza tlenku węgla i [FeFe] -hydrogenaza również zawierają niezwykłe klastry Fe – S. Specjalny klaster [Fe 4 S 3 ] skoordynowany z cysteiną został znaleziony w wodorazach błonowych [NiFe] tolerujących tlen.

Struktura klastra FeMoco w azotazie . Klaster jest połączony z białkiem przez reszty aminokwasowe cysteinę i histydynę .
Zakresy potencjałów redukcyjnych, E o (mV), objęte różnymi klasami białek żelazowo-siarkowych, hemowych i miedziowych. (HiPIP = białka żelazowo-siarkowe o wysokim potencjale, Rdx = rubredoksyny, Fdx = ferredoksyny, Cyt = cytochromy.)

Biosynteza

Zobacz także: Rodzina białek biosyntezy klastrów żelaza i siarki

Biosynteza klastrów Fe – S została dobrze zbadana. Biogenezę skupisk siarki żelaza badano najszerzej w bakteriach E. coli i A. vinelandii oraz drożdżach S. cerevisiae . Do tej pory zidentyfikowano co najmniej trzy różne systemy biosyntetyczne, a mianowicie systemy nif, suf i isc, które po raz pierwszy zidentyfikowano u bakterii. System nif jest odpowiedzialny za klastry w enzymie azotazie. Systemy suf i isc są bardziej ogólne.

Najlepiej opisany jest system isc drożdży. Kilka białek tworzy maszynerię biosyntetyczną poprzez szlak isc. Proces przebiega w dwóch głównych etapach: (1) klaster Fe/S jest montowany na białku rusztowania, po czym następuje (2) przeniesienie wstępnie utworzonego klastra do białek biorcy. Pierwszy etap tego procesu zachodzi w cytoplazmie organizmów prokariotycznych lub w mitochondriach organizmów eukariotycznych organizmy. W organizmach wyższych klastry są zatem transportowane z mitochondrium w celu włączenia ich do enzymów pozamitochondrialnych. Organizmy te posiadają również zestaw białek zaangażowanych w procesy transportu i włączania klastrów Fe/S, które nie są homologiczne do białek występujących w systemach prokariotycznych.

Syntetyczne analogi

Syntetyczne analogi naturalnie występujących klastrów Fe – S zostały po raz pierwszy opisane przez Holma i współpracowników. Traktowanie soli żelaza mieszaniną tiolanów i siarczków daje pochodne, Et4N takie jak ( ) 2Fe4S4 ( SCH2Ph ) 4 ] .

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Iron-sulfur_protein&oldid=1138334144 ”