Кіріспе
Метаболизмілік реакцияларда электрон көшіруді қамтамасыз ететін темір-күкірт ақуыздары. Ферредоксиндер (латынша ferrum: темір + редокс, жиі "fd" деп қысқартылады) – әртүрлі метаболизмілік реакцияларда электрон көшіруді қамтамасыз ететін темір-күкірт ақуыздары. "Ферредоксин" термині DuPont компаниясының Д.К. Уортон есімді ғалымымен енгізілді және 1962 жылы Мортенсон, Валентайн және Карнахан Clostridium pasteurianum анаэробты бактериясынан тазартылған "темір ақуызына" қолданылды. Шпинат хлоропластарынан бөліп алынған тағы бір редокс протеині "хлоропласт ферредоксині" деп аталды. Хлоропласт ферредоксині фотосинтездің циклдік және циклдік емес фотофосфорилирлеу реакцияларына қатысады. Циклдік емес фотофосфорилирлеу кезінде ферредоксин соңғы электронды қабылдаушы болып табылады, осылайша NADP+ редуктаза ферментін тотықтырады. Ол күн сәулесімен қозған хлорофилльден түзілген электрондарды қабылдайды және оларды ферредоксин: NADP+ оксидоредуктаза ферментіне жеткізеді. Ферредоксиндер – темір және күкірт атомдарын темір-күкірт кластерлері түрінде ұйымдастырылған шағын ақуыздар. Бұл биологиялық "конденсаторлар" темір атомдарының тотығу күйін +2 және +3 аралығында өзгертіп, электрондарды қабылдай немесе бөліп шығара алады. Осылайша ферредоксин биологиялық редокс реакцияларында электрон тасымалдаушы агент ретінде әрекет етеді. Басқа биоинорганикалық электрон тасымалдау жүйелеріне рубредоксиндер, цитохромдар, көк мыс ақуыздары және құрылымдық жағынан ұқсас Риске ақуыздары жатады. Ферредоксиндерді олардың темір-күкірт кластерлерінің сипаты және тізбектелген ұқсастығы бойынша жіктеуге болады.
Ferredoxins (from Latin ferrum: iron + redox, often abbreviated "fd") are iron–sulfur proteins that mediate electron transfer in a range of metabolic reactions. The term "ferredoxin" was coined by D. C. Wharton of the DuPont Co. and applied to the "iron protein" first purified in 1962 by Mortenson, Valentine, and Carnahan from the anaerobic bacterium Clostridium pasteurianum. Another redox protein, isolated from spinach chloroplasts, was termed "chloroplast ferredoxin". The chloroplast ferredoxin is involved in both cyclic and non cyclic photophosphorylation reactions of photosynthesis. In non cyclic photophosphorylation, ferredoxin is the last electron acceptor thus reducing the enzyme NADP+ reductase. It accepts electrons produced from sunlight excited chlorophyll and transfers them to the enzyme ferredoxin: NADP+ oxidoreductase
Ferredoxins are small proteins containing iron and sulfur atoms organized as iron–sulfur clusters. These biological "capacitors" can accept or discharge electrons, with the effect of a change in the oxidation state of the iron atoms between +2 and +3. In this way, ferredoxin acts as an electron transfer agent in biological redox reactions. Other bioinorganic electron transport systems include rubredoxins, cytochromes, blue copper proteins, and the structurally related Rieske proteins. Ferredoxins can be classified according to the nature of their iron–sulfur clusters and by sequence similarity.
Электрондық бифуркация
Төмендейтін күйіндегі электрон донорынан Fd-нің қолайсыз азаюы, электрондық бифуркация реакциясы арқылы тотықтырғыш заттың қолайлы азаюымен бірдей уақытта байланыса алады.
Жоғары потенциалды ферродоксиндерді тікелей азайту
Кейбір ферродоксиндердің жеткілікті жоғары тотығу-тотығу потенциалы бар, сондықтан оларды NADPH тікелей тотықтыра алады. Мұндай ферродоксиндердің бірі – адреноксин (274 мВ), ол көптеген сүтқоректілердің стероидтерінің биосинтезіне қатысады. Өсімдіктердің тамырындағы нитратты және сульфитті тотықтыратын ферродоксин Fd3-нің орташа потенциалы 337 мВ-қа тең және ол да NADPH-пен тотықтырылады.
Fe2S2 ферродоксиндері
2Fe–2S ферродоксин суперотбасының мүшелерінің жалпы негізгі құрылымы бета(2) альфа бета(2) құрамынан тұрады, оған путидарредоксин, терпредоксин және адренодоксин жатады. Бұл шамамен жүз аминқышқылынан тұратын, 2Fe–2S кластеріне байланысқан төрт сақталған цистеин қалдықтары бар ақуыздар. Бұл сақталған аймақ сондай-ақ әртүрлі метаболикалық ферменттерде және көп доменді ақуыздарда, мысалы, альдегид оксидоредуктазаның (N-терминалы), ксантин оксидазасының (N-терминалы), фталат диоксигеназа редуктазасының (C-терминалы), сукцинат дегидрогеназасының темір-күкірт ақуызының (N-терминалы) және метан монооксигеназа редуктазасының (N-терминалы) құрамында домен ретінде кездеседі.
Өсімдіктердегі ферродоксиндер
Ферредоксиндердің бір тобы, бастапқыда хлоропласт мембраналарында табылды, олар "хлоропласт типі" немесе "өсімдік типі" деп аталады. Оның белсенді орталығы – [Fe2S2] кластері, онда темір атомдары тетраэдрлік түрде бейорганикалық күкірт атомдарымен және төрт сақталған цистеин (Cys) қалдықтарының күкірттерімен координацияланады. Хлоропластарда Fe2S2 ферредоксиндері фотосинтездік электрон тасымалдау тізбегінде электрон тасымалдаушылар ретінде және глютамат синтетазасы, нитрит редуктазасы, сульфит редуктазасы және хлорофилл биосинтезінің циклазасы сияқты әртүрлі жасушалық ақуыздарға электрон донорлары ретінде қызмет етеді. Циклаза ферредоксинге тәуелді фермент болғандықтан, бұл фотосинтез бен хлоропласттардың хлорофиллге қажеттілігі арасындағы координация механизмін қамтамасыз етуге мүмкіндік береді, хлорофилл биосинтезін фотосинтездік электрон тасымалдау тізбегімен байланыстырады. Гидроксилдейтін бактериялық диоксигеназа жүйелерінде олар редуктаза флавопротеиндері мен оксигеназа арасындағы аралық электрон тасымалдаушылар ретінде қызмет етеді.
Тиоредоксинге ұқсас ферродоксиндер
Clostridium pasteurianum (Cp2FeFd; ) ферредоксинінің аминқышқылдық тізбегі, темір-күкірт кластерінің спектроскопиялық қасиеттері және [Fe2S2] кластеріне екі цистеин лигандарының ерекше алмасу қабілеті негізінде жеке ақуыз отбасы ретінде танылды. Бұл ферредоксиннің физиологиялық қызметі әлі толық анықталмаған, бірақ Cp2FeFd-нің азот фиксациялау ферментінің молибден-темір ақуызымен күшті және нақты өзара әрекеттесетіні анықталды. Azotobacter vinelandii (Av2FeFdI; ) және Aquifex aeolicus (AaFd; ) ферредоксиндерінің гомологтары сипатталған. AaFd-нің кристалдық құрылымы шешілді. AaFd димер түрінде кездеседі. AaFd мономерынің құрылымы басқа Fe2S2 ферредоксиндерінен ерекшеленеді. Оның құрылымы α+β класына жатады, алғашқы төрт β-жіпшесі мен екі α-спиралі тиоредоксин құрылымының бір түрін қабылдайды. UniProt оларды "2Fe2S Шетна типіндегі ферредоксиндер" отбасы деп жіктейді.
Адрендоксинді ферродоксиндер
Адренодоксин (адрен фередоксин;), путидаредоксин және терпредоксин – ерігіш Fe2S2 ақуыздарының бір отбасын құрайды, олар бір электронды тасымалдаушы ретінде әрекет етеді және негізінен эукариоттардың митохондрияларында және Pseudomonadota-да кездеседі. Адам организміндегі адренодоксиннің нұсқалары ферредоксин 1 және ферредоксин 2 деп аталады. Митохондриялық монооксигеназа жүйелерінде адренодоксин NADPH: адренодоксин редуктазадан электронды мембранаға бекітілген цитохром P450-ге жібереді. Бактерияларда путидаредоксин мен терпредоксин сәйкес NADH-қа тәуелді ферредоксин редуктазалары мен ерігіш P450 арасында электрондарды тасымалдайды. Бұл отбасының басқа мүшелерінің нақты функциялары әлі белгісіз, бірақ Escherichia coli Fdx Fe–S кластерлерінің биогенезіне қатысатыны дәлелденген. Адренодоксин және өсімдік типтес ферредоксиндердің арасындағы тізбектелген ұқсастығы төмен болғанымен, екі класс та бірдей бүктелу топологиясына ие. Ферредоксин 1 адам организмінде қалқанша безі гормондарының синтезіне қатысады. Ол сонымен қатар электрондарды адренодоксин редуктазадан CYP11A1-ге, холестериннің бүйірлік тізбегін кесетін CYP450 ферментіне жібереді. FDX 1 металдар мен ақуыздарға байланысу қабілетіне ие. Ферредоксин 2 гема А және темір-күкірт ақуыздарының синтезіне қатысады.
Бактериялық типтегі ферродоксиндер
Бастапқыда бактерияларда табылган Fe4S4 ферродоксиндер тобы "бактериялық тип" деп аталады. Бактериялық типтегі ферродоксиндер өз кезегінде олардың тізбектес қасиеттеріне сүйене отырып, тағы да топтарға бөлінеді. Көпшілігі кем дегенде бір сақталған доменді қамтиды, оның ішінде [Fe4S4] кластеріне байланысатын төрт цистеин қалдығы бар. Pyrococcus furiosus Fe4S4 ферродоксинінде сақталған Cys қалдықтарының бірі аспартик қышқылымен алмастырылған. Бактериялық типтегі ферродоксиндердің эволюциясы барысында геннің ішіндегі дупликация, транспозиция және бірігу оқиғалары болды, нәтижесінде бірнеше темір-күкірт орталықтарына ие ақуыздар пайда болды. Кейбір бактериялық ферродоксиндерде дупликацияланған домендердің бірі төрт сақталған Cys қалдығының біреуін немесе бірнешеуін жоғалтты. Бұл домендер темір-күкірт байланысу қабілетін жоғалтқан немесе [Fe4S4] кластері мен дикластер түріне емес, [Fe3S4] кластеріне байланысқан. Сан алуан монокластерлік және дикластерлік бактериялық ферродоксиндердің үш өлшемді құрылымдары белгілі. Олардың бүктелуі α+β класына жатады, құрамында 27 α спираль және төрт β тізбегі болады, олар шелек тәрізді құрылымды құрайды, ал сыртқа шығыңқы цикл темір-күкірт кластерінің үш "жақын" Cys лигандасын қамтиды.
Жоғары потенциалды темір-көкөрт ақуыздары
Жоғары потенциалды темір-күкірт ақуыздары (HiPIP) анаэробтық электрон тасымалдау тізбектерінде қызмет ететін Fe4S4 ферродоксиндерінің ерекше тобын құрайды. Кейбір HiPIP-тердің тотығу-тотықсыздану потенциалы басқа белгілі темір-күкірт ақуыздарына қарағанда жоғары (мысалы, Rhodopila globiformis-тен алынған HiPIP-тің тотығу-тотықсыздану потенциалы шамамен 450 мВ-қа тең). Бірнеше HiPIP-тің құрылымы зерттелген, олардың бүктелуі α+β класына жатады. Басқа бактериялық ферродоксиндердегідей, [Fe4S4] бірлігі куб тәрізді кластер құрайды және төрт Cys қалдығы арқылы ақуызға байланысады.