Jump to content

Железо-серный белок

Железо-серные белки белки, характеризующиеся наличием железо-серных кластеров, содержащих сульфид -связанные ди-, три- и тетражелезные центры в переменных степенях окисления . Кластеры железа и серы встречаются в различных металлопротеинах , таких как ферредоксины , а также НАДН-дегидрогеназа , гидрогеназы , кофермент Q – цитохром с-редуктаза , сукцинат – кофермент Q-редуктаза и нитрогеназа . [ 1 ] Железо-серные кластеры наиболее известны своей ролью в окислительно-восстановительных реакциях транспорта электронов в митохондриях и хлоропластах . И Комплекс I, и Комплекс II окислительного фосфорилирования имеют множественные кластеры Fe-S. Они выполняют множество других функций, включая катализ, как показано на примере аконитазы , генерацию радикалов, как показано на примере SAM -зависимых ферментов, а также в качестве доноров серы в биосинтезе липоевой кислоты и биотина . Кроме того, некоторые белки Fe–S регулируют экспрессию генов. Белки Fe–S уязвимы для воздействия биогенного оксида азота , образуя динитрозильные комплексы железа . В большинстве белков Fe-S концевые лиганды Fe тиолатные , но существуют исключения. [ 2 ]

Преобладание этих белков в метаболических путях большинства организмов приводит к теориям о том, что соединения железа и серы сыграли значительную роль в возникновении жизни в теории мира железа и серы .

В некоторых случаях кластеры Fe-S неактивны в окислительно-восстановительном процессе, но предполагается, что они играют структурную роль. Примеры включают эндонуклеазу III и MutY. [ 3 ] [ 4 ]

Структурные мотивы

[ редактировать ]

Почти во всех белках Fe–S Fe-центры имеют тетраэдрическую форму, а концевые лиганды представляют собой тиолато-серные центры из остатков цистеинила. Сульфидные группы бывают двух- или трехкоординированными. Наиболее распространены три различных типа кластеров Fe-S с этими особенностями.

Структурно-функциональные принципы

[ редактировать ]

Белки железа и серы 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. Выполняя свою разнообразную биологическую роль, железо-серные белки осуществляют быстрый перенос электронов и охватывают весь диапазон физиологических окислительно-восстановительных потенциалов от -600 мВ до +460 мВ.

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

Внешние молекулы воды, расположенные близко к активному центру железа и серы, уменьшают ковалентность; это можно показать с помощью экспериментов по лиофилизации , при которых вода удаляется из белка. Это снижение происходит потому, что внешняя вода образует водородные связи с цистеином S, уменьшая донорство электронов неподеленной пары последнего Fe. 3+/2+ оттягивая S-электроны. [ 5 ] Поскольку ковалентность стабилизирует Fe 3+ больше, чем Fe 2+ , Фе 3+ более дестабилизирован водородной связью HOH-S.

Фе 3+ 3d-орбитальные энергии следуют «перевернутой» схеме связи, которая по счастливой случайности имеет Fe 3+ d-орбитали по энергии близко соответствуют 3p-орбиталям серы, что обеспечивает высокую ковалентность образующейся связывающей молекулярной орбитали. [ 3 ] Эта высокая ковалентность снижает энергию реорганизации внутренней сферы. [ 3 ] и в конечном итоге способствует быстрому переносу электронов.

Кластеры 2Fe–2S

[ редактировать ]
Кластеры 2Fe–2S

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

Риске 2Fe-2S Кластерные степени окисления Fe 3+ и Fe 2+

Белки Риске содержат кластеры Fe-S, которые координируются как структура 2Fe-2S и могут быть обнаружены в мембраносвязанном комплексе цитохрома bc1 III в митохондриях эукариот и бактерий. Они также входят в состав белков хлоропластов, таких как комплекс цитохрома b 6 f в фотосинтезирующих организмах. Эти фотосинтезирующие организмы включают растения, зеленые водоросли и цианобактерии , бактериальные предшественники хлоропластов. Оба являются частью цепи переноса электронов своих организмов, что является решающим шагом в сборе энергии для многих организмов. [ 6 ]

Кластеры 4Fe–4S

[ редактировать ]

Распространенным мотивом являются четыре иона железа и четыре иона сульфида, расположенные в вершинах кластера кубанского типа . Центры Fe обычно дополнительно координируются цистеинильными лигандами. Белки-переносчики электронов [Fe 4 S 4 ] ([Fe 4 S 4 ] ферредоксины ) можно подразделить на низкопотенциальные (бактериального типа) и высокопотенциальные (HiPIP) ферредоксины . Низко- и высокопотенциальные ферредоксины связаны следующей окислительно-восстановительной схемой:

Кластеры 4Fe-4S служат электронными реле в белках.

В HiPIP кластер перемещается между [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ) и [3Fe 3+ , Фе 2+ ] (Fe 4 S 4 3+ ). Потенциалы этой окислительно-восстановительной пары колеблются от 0,4 до 0,1 В. В бактериальных ферредоксинах пара степеней окисления: [Fe 3+ , 3Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 + ) и [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ). Потенциалы этой окислительно-восстановительной пары варьируются от -0,3 до -0,7 В. Два семейства кластеров 4Fe–4S имеют общий Fe 4 S 4 2+ степень окисления. Различие в окислительно-восстановительных парах объясняется степенью водородной связи, которая сильно изменяет основность цистеинилтиолатных лигандов. [ нужна ссылка ] Еще одна окислительно-восстановительная пара, которая еще более восстанавливающая, чем бактериальные ферредоксины, участвует в нитрогеназе .

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

4Fe-4S степени окисления железа 3+ , Фе 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 сильную ковалентную делокализацию «лишнего» электрона от восстановленного Fe2+, что приводит к полной ферромагнитной связи.

Кластеры 3Fe–4S

[ редактировать ]

Известно также, что белки содержат центры [Fe 3 S 4 ], в которых на одно железо меньше, чем в более распространенных ядрах [Fe 4 S 4 ]. Три сульфид-иона связывают по два иона железа каждый, а четвертый сульфид связывает три иона железа. Их формальные степени окисления могут варьироваться от [Fe 3 S 4 ] + (все-Fe 3+ форма) до [Fe 3 S 4 ] 2− (все-Fe 2+ форма). В ряде железо-серных белков кластер [Fe 4 S 4 ] может обратимо превращаться за счет 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 восстановитель.

Другие кластеры Fe–S

[ редактировать ]

Примеры включают активные центры ряда ферментов:

Диапазоны потенциалов восстановления, Е тот (мВ), охватываемый различными классами железо-серных белков, гемовых белков и медных белков. (HiPIP = железо-серные белки с высоким потенциалом, Rdx = рубредоксины, Fdx = ферредоксины, Cyt = цитохромы.)

Биосинтез

[ редактировать ]

Биосинтез кластеров Fe–S хорошо изучен. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] Биогенез железо-серных кластеров наиболее подробно изучен у бактерий E. coli и A. vinelandii и дрожжей S. cerevisiae . К настоящему времени идентифицированы по крайней мере три различные биосинтетические системы, а именно системы nif, suf и isc, которые впервые были идентифицированы у бактерий. Система nif отвечает за кластеры фермента нитрогеназы. Системы suf и isc являются более общими.

Лучше всего описана дрожжевая система isc. Несколько белков составляют биосинтетический аппарат ISC-пути. Этот 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 Поэтому у высших организмов кластеры транспортируются из митохондрий и включаются во внемитохондриальные ферменты. Эти организмы также обладают набором белков, участвующих в процессах транспорта и включения кластеров Fe/S, которые не гомологичны белкам, обнаруженным в прокариотических системах.

Синтетические аналоги

[ редактировать ]

О синтетических аналогах встречающихся в природе кластеров Fe-S впервые сообщили Холм и его коллеги. [ 18 ] Обработка солей железа смесью тиолатов и сульфида дает такие производные, как ( Et 4 N ) 2 Fe 4 S 4 (SCH 2 Ph) 4 ]. [ 19 ] [ 20 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ С. Дж. Липпард, Дж. М. Берг «Принципы биоинорганической химии» Университетские научные книги: Милл-Вэлли, Калифорния; 1994. ISBN   0-935702-73-3 .
  2. ^ Бак, Д.В.; Эллиотт, SJ (2014). «Альтернативные лиганды кластера FeS: настройка окислительно-восстановительного потенциала и химия». Курс. Мнение. хим. Биол . 19 :50–58. дои : 10.1016/j.cbpa.2013.12.015 . ПМИД   24463764 .
  3. ^ Jump up to: а б с Кеннеполь, Пьер; Соломон, Эдвард И. (16 января 2003 г.). «Вклад электронной структуры в реакционную способность электронного переноса в железо-серных активных центрах: 3. Кинетика электронного переноса» . Неорганическая химия . 42 (3): 696–708. дои : 10.1021/ic0203320 . ISSN   0020-1669 . ПМИД   12562183 .
  4. ^ Гуань, Ю.; Мануэль, Р.К.; Арваи, А.С.; Парих, СС; Мол, CD; Миллер, Дж. Х.; Ллойд, С.; Тайнер, Дж. А. (декабрь 1998 г.). «Каталитическое ядро ​​MutY, мутантные и связанные адениновые структуры определяют специфичность суперсемейства ферментов репарации ДНК». Структурная биология природы . 5 (12): 1058–1064. дои : 10.1038/4168 . ISSN   1072-8368 . ПМИД   9846876 . S2CID   22085836 .
  5. ^ Jump up to: а б Сунь, Нин; Дей, Абхишек; Сяо, Чжигуан; Уэдд, Энтони Г.; Ходжсон, Кейт О.; Хедман, Бритт; Соломон, Эдвард И. (20 августа 2010 г.). «Эффекты сольватации на XAS-спектры S K-Edge белков Fe-S: нормальные и обратные эффекты на WT и мутантный рубредоксин» . Журнал Американского химического общества . 132 (36): 12639–12647. дои : 10.1021/ja102807x . ISSN   0002-7863 . ПМЦ   2946794 . ПМИД   20726554 .
  6. ^ БИОЛОГИЧЕСКАЯ НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ: строение и реакционная способность . [Sl]: УНИВЕРСИТЕТСКИЕ НАУЧНЫЕ КНИГИ. 2018. ISBN  978-1-938787-96-6 . OCLC   1048090793 .
  7. ^ Сьюзан К. Ван; Перри А. Фрей (2007). «S-аденозилметионин как окислитель: радикальное суперсемейство SAM». Тенденции биохимических наук . 32 (3): 101–10. дои : 10.1016/j.tibs.2007.01.002 . ПМИД   17291766 .
  8. ^ Эйнсл, Оливер; Рис, Дуглас К. (2020). «Структурная энзимология ферментов нитрогеназы» . Химические обзоры . 120 (12): 4969–5004. doi : 10.1021/acs.chemrev.0c00067 . ПМЦ   8606229 . ПМИД   32538623 .
  9. ^ Может, Мехмет; Армстронг, Фрейзер А.; Рэгсдейл, Стивен В. (2014). «Структура, функция и механизм никелевых металлоферментов, CO-дегидрогеназы и ацетил-КоА-синтазы» . Химические обзоры . 114 (8): 4149–4174. дои : 10.1021/cr400461p . ПМК   4002135 . ПМИД   24521136 .
  10. ^ Стрипп, Свен Т.; Даффус, Бенджамин Р.; Фурмонд, Винсент; Леже, Кристоф; Леймкюлер, Силке; Хирота, Шун; Ху, Илинь; Ясневский, Эндрю; Огата, Хидеаки; Риббе, Маркус В. (2022). «Эффекты второй и внешней координационной сферы в нитрогеназе, гидрогеназе, формиатдегидрогеназе и CO-дегидрогеназе» . Химические обзоры . 122 (14): 11900–11973. doi : 10.1021/acs.chemrev.1c00914 . ПМЦ   9549741 . ПМИД   35849738 .
  11. ^ Рао, Годун; Паттенод, Скотт А.; Алван, Кэтрин; Блэкберн, Ниниан Дж.; Бритт, Р. Дэвид; Раухфусс, Томас Б. (15 октября 2019 г.). «Биядерный кластер гидрогеназы [FeFe] образуется из серы, пожертвованной цистеином металлоорганического предшественника [Fe(Cys)(CO) 2 (CN)]» . Труды Национальной академии наук . 116 (42): 20850–20855. Бибкод : 2019PNAS..11620850R . дои : 10.1073/pnas.1913324116 . ПМК   6800375 . ПМИД   31570604 .
  12. ^ Фрич, Дж; Ширер, П; Фрилингсдорф, С; Крощинский С; Фридрих, Б; Ленц, О; Спан, CMT (16 октября 2011 г.). «Кристаллическая структура толерантной к кислороду гидрогеназы обнаруживает новый железо-серный центр». Природа . 479 (7372): 249–252. Бибкод : 2011Natur.479..249F . дои : 10.1038/nature10505 . ПМИД   22002606 . S2CID   4411671 .
  13. ^ Шомура, Ю; Юн, Канзас; Нишихара, Х; Хигучи, Ю (16 октября 2011 г.). «Структурная основа кластера [4Fe-3S] в кислородтолерантной мембраносвязанной [NiFe]-гидрогеназе». Природа . 479 (7372): 253–256. Бибкод : 2011Natur.479..253S . дои : 10.1038/nature10504 . ПМИД   22002607 . S2CID   4313414 .
  14. ^ Юнг, Дж. Х.; Мартинс, Б.М.; Доббек, Х. (15 июня 2020 г.). «Двойные кубиновые [8Fe9S] кластеры: новый кофактор, связанный с нитрогеназой, в биологии» . ХимБиоХим . 21 (12): 1710–1716. дои : 10.1002/cbic.202000016 . ПМК   7317905 . ПМИД   32187824 .
  15. ^ Джонсон Д., Дин Д.Р., Смит А.Д., Джонсон М.К. (2005). «Структура, функции и образование биологических железо-серных кластеров». Ежегодный обзор биохимии . 74 (1): 247–281. doi : 10.1146/annurev.biochem.74.082803.133518 . ПМИД   15952888 .
  16. ^ Джонсон, М.К. и Смит, А.Д. (2005) Железо-серные белки в: Энциклопедия неорганической химии (Кинг, Р.Б., Ред.), 2-е изд., John Wiley & Sons, Чичестер.
  17. ^ Лилль Р., Мюленхофф У (2005). «Железо-серо-белковый биогенез у эукариот» . Тенденции биохимических наук . 30 (3): 133–141. дои : 10.1016/j.tibs.2005.01.006 . ПМИД   15752985 .
  18. ^ Т. Херсковиц; Б. А. Аверилл; Р. Х. Холм; Дж. А. Иберс; У. Д. Филлипс; Дж. Ф. Вейхер (1972). «Структура и свойства синтетического аналога бактериальных железо-серных белков» . Труды Национальной академии наук . 69 (9): 2437–2441. Бибкод : 1972PNAS...69.2437H . дои : 10.1073/pnas.69.9.2437 . ПМК   426959 . ПМИД   4506765 .
  19. ^ Холм, Р.Х.; Ло, В. (2016). «Структурные преобразования синтетических и белковосвязанных железо-серных кластеров». хим. Преподобный . 116 (22): 13685–13713. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00276 . ПМИД   27933770 .
  20. ^ Ли, Южная Каролина; Низкий.; Холм, Р.Х. (2014). «Развития биомиметической химии железо-серных кластеров кубинского типа и с более высокой ядерностью» . Химические обзоры . 114 (7): 3579–3600. дои : 10.1021/cr4004067 . ПМЦ   3982595 . ПМИД   24410527 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2a5fad9b84817c54b29c4b83b0d3438a__1706419860
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2a/8a/2a5fad9b84817c54b29c4b83b0d3438a.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Iron-sulfur protein - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)