Кіріспе
Темір-көкөрт кластерлері бар ақуыздар – өзгермелі тотығу күйінде сульфидті байланысты ди-, три- және тетратемір орталықтарын қамтитын темір-көкөрт кластерлерінің болуымен сипатталатын ақуыздар. Темір-көкөрт кластерлері ферредоксиндер, сондай-ақ NADH дегидрогеназа, гидрогеназалар, коэнзим Q – цитохром c редуктаза, сукцинат – коэнзим Q редуктаза және нитрогеназа сияқты түрлі металлопротеиндерде кездеседі. Темір-көкөрт кластерлері митохондриялар мен хлоропластардағы электрондық тасымалдаудың тотығу-тотығу реакцияларындағы рөлімен ең жақсы танымал. Окистендіру фосфорилирлеуінің I және II кешендерінің құрамында бірнеше Fe–S кластерлері бар. Олардың көптеген басқа да функциялары бар, соның ішінде аконитаза мысалындағы катализ, SAM-ге тәуелді ферменттердегідей радикалдардың түзілуі, липо қышқылы мен биотиннің биосинтезінде күкірт доноры ретінде қатысу. Сонымен қатар, кейбір Fe–S ақуыздары гендік экспрессияны реттейді. Fe–S ақуыздары биогендік азот оксидінің шабуылына осал, динитрозил темір кешендерін құрайды. Көптеген Fe–S ақуыздарында Fe-дегі терминалдық лигандтар тиолат болып табылады, бірақ ерекшеліктер де бар. Бұл ақуыздардың көптеген организмдердің метаболикалық жолдарында кең таралғандығы темір-көкөрт қосылыстарының өмірдің пайда болуында маңызды рөл атқарғаны туралы теорияларға әкелді. Кейбір жағдайларда Fe–S кластерлері тотығу-тотығуға қатыспайды, бірақ құрылымдық рөл атқарады деп саналады. Мысалы, эндонуклеаза III және MutY.
Iron–sulfur proteins are proteins characterized by the presence of iron–sulfur clusters containing sulfide linked di , tri , and tetrairon centers in variable oxidation states. Iron–sulfur clusters are found in a variety of metalloproteins, such as the ferredoxins, as well as NADH dehydrogenase, hydrogenases, coenzyme Q – cytochrome c reductase, succinate – coenzyme Q reductase and nitrogenase. Iron–sulfur clusters are best known for their role in the oxidation reduction reactions of electron transport in mitochondria and chloroplasts. Both Complex I and Complex II of oxidative phosphorylation have multiple Fe–S clusters. They have many other functions including catalysis as illustrated by aconitase, generation of radicals as illustrated by SAM dependent enzymes, and as sulfur donors in the biosynthesis of lipoic acid and biotin. Additionally, some Fe–S proteins regulate gene expression. Fe–S proteins are vulnerable to attack by biogenic nitric oxide, forming dinitrosyl iron complexes. In most Fe–S proteins, the terminal ligands on Fe are thiolate, but exceptions exist. The prevalence of these proteins on the metabolic pathways of most organisms leads to theories that iron–sulfur compounds had a significant role in the origin of life in the iron–sulfur world theory. In some instances Fe–S clusters are redox inactive, but are proposed to have structural roles. Examples include endonuclease III and MutY.
Құрылымдық мотивтер
Fe–S ақуыздарының басым көпшілігінде Fe орталықтары тетраэдрлік болып келеді, ал соңғы лигандтары цистеин қалдықтарынан шыққан тиолато күкірт орталықтары болып табылады. Сульфид топтары екі немесе үш рет координацияланған. Осы сипаттамалары бар Fe–S кластерлерінің үш ерекше түрі ең көп кездеседі.
Құрылымдық-функционалдық принциптер
Темір күкірт ақуыздары фотосинтез және жасушалық тыныс алу сияқты әртүрлі биологиялық электрондық тасымалдау процестеріне қатысады, олар организмнің энергиялық немесе биохимиялық қажеттіліктерін қамтамасыз ету үшін жылдам электрон алмасуын талап етеді. Өздерінің әртүрлі биологиялық қызметтерін атқару үшін темір күкірт ақуыздары электронның жылдам алмасуын қамтамасыз етеді және 600 мВ-тан +460 мВ-қа дейінгі физиологиялық тотығу-тотықсыздану потенциалдарының барлық диапазонын қамтиды. Fe3+ SR байланыстарының күтпегендей жоғары коваленттілігі байқалады. Fe3+ коваленттілігі Fe2+ коваленттілігімен салыстырғанда, Fe3+ коваленттілігі Fe2+ коваленттілігінен шамамен екі есе жоғары (20%-дан 38,4%-қа дейін). Fe3+ сондай-ақ Fe2+-ға қарағанда әлдеқайда тұрақты. Fe3+ сияқты қатты иондар әдетте металлдың ең төменгі бос молекулалық орбитасы мен лигандтың ең жоғары толысқан молекулалық орбитасы арасындағы энергия теңсіздігіне байланысты төмен коваленттілікке ие. Темір күкірт активті орнына жақын орналасқан сыртқы су молекулалары коваленттілікті азайтады; бұл суды ақуыздан алып тастау арқылы жүргізілетін лиофилизация тәжірибелерінде көрсетілуі мүмкін. Бұл азаю сыртқы су молекулаларының цистеин S-мен түзетін сутектік байланысынан туындайды, бұл S электрондарын тартып алып, Fe3+/2+ иондарына жалғыз электрон жұптарының берілуін азайтады. Бұл жоғары коваленттілік ішкі қабаттың қайта ұйымдастыру энергиясын төмендетеді.
4Fe4S кластерлері
Жалпы мотивте төрт темір ионы мен төрт сульфид ионы кубан типті кластердің төбелерінде орналасқан. Fe орталықтары әдетте цистеинил лигандтарымен қосымша үйлестіріледі. [Fe4S4] электронды тасымалдау ақуыздары ([Fe4S4] ферредоксиндер) төмен потенциалды (бактериялық тип) және жоғары потенциалды (HiPIP) ферредоксиндерге жіктеледі. Төмен және жоғары потенциалды ферредоксиндер келесі тотығу-тотықсыздану схемасымен байланысты:
HiPIP-те кластер [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+) және [3Fe3+, Fe2+] (Fe4S43+) арасында ауысады. Бұл тотығу-тотықсыздану жұбының потенциалдары 0,4-тен 0,1 В-қа дейін. Бактериялық ферредоксиндерде тотығу күйлерінің жұбы [Fe3+, 3Fe2+] (Fe4S4+) және [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+) болып табылады. Бұл тотығу-тотықсыздану жұбының потенциалдары -0,3-тен -0,7 В-қа дейін. 4Fe–4S кластерлерінің екі түрі Fe4S42+ тотығу күйін бөліседі. Тотығу-тотықсыздану жұптарындағы айырмашылық цистеинил тиолат лигандтарының негізділігін күшті түрде өзгертетін сутекті байланыстың дәрежесіне байланысты. Нитрогеназада бактериялық ферредоксиндерге қарағанда одан да күшті тотықсыздануға қабілетті тотығу-тотықсыздану жұбы кездеседі. Кейбір 4Fe–4S кластерлері субстраттармен байланысады және осылайша фермент кофакторлары ретінде жіктеледі. Аконитазада Fe–S кластері тиолат лиганды жоқ бір Fe орталығында аконитатты байланыстырады. Кластер тотығу-тотықсыздануға ұшырамайды, бірақ цитратты изоцитратқа айналдыру үшін Льюис қышқылы катализаторы ретінде қызмет етеді. Радикалдық SAM ферменттерінде кластер S-аденозилметионинмен байланысады және оны тотықсыздандырады, нәтижесінде көптеген биосинтездерге қатысатын радикал пайда болады. Мұнда көрсетілген екінші кубан аралас валентті жұптармен (2 Fe3+ және 2 Fe2+) ковалентті байланыс арқасында және тотықсызданған Fe2+ ионынан шыққан "артық" электроның күшті ковалентті деликализациясы нәтижесінде толық ферромагниттік жұптасу пайда болады.
3Fe4S кластерлері
Ақуыздарда [Fe3S4] орталықтары да кездеседі, олар көбірек таралған [Fe4S4] орталықтарына қарағанда бір темірге кем. Үш сульфид ионы екі темір ионын байланыстырады, ал төртінші сульфид үш темір ионын байланыстырады. Олардың формальды тотығу дәрежелері [Fe3S4]+ (барлық Fe3+ түрі) -ден [Fe3S4]2−-ге (барлық Fe2+ түрі) дейін өзгеруі мүмкін. Көптеген темір-көкөрт ақуыздарында [Fe4S4] кластері окистену және бір темір ионының жоғалуы арқылы [Fe3S4] кластеріне қайтымды түрлендіріледі. Мысалы, аконитазаның белсенді емес түрі [Fe3S4] құрамын қамтиды және Fe2+ және тотықтырғыш қосылғанда белсендіріледі.
Биосинтез
Fe–S кластерлерінің биосинтезі жақсы зерттелген. Темір-күкірт кластерлерінің биогенезі E. coli және A. vinelandii бактерияларында және S. cerevisiae ашытқысында ең көп зерттелген. Қазірге дейін кем дегенде үш түрлі биосинтетикалық жүйе анықталды, атап айтқанда, nif, suf және isc жүйелері, олар алғаш рет бактерияларда анықталды. Nif жүйесі нітрогеназа ферментіндегі кластерлерге жауапты. Suf және isc жүйелері көбірек тараған. Ашытқының isc жүйесі ең жақсы сипатталған. Бірнеше ақуыздар isc жолы арқылы биосинтездік механизмді құрайды. Процесс екі негізгі қадамнан тұрады: (1) Fe/S кластері-іргетас ақуызда жиналады, одан кейін (2) алдын ала қалыптасқан кластер қабылдаушы ақуыздарға беріледі. Бұл процестің бірінші қадамы прокариоттық организмдердің цитоплазмасында немесе эукариоттық организмдердің митохондриясында жүреді. Жоғары организмдерде кластерлер митохондриядан тысқары тасымалданып, митохондриядан тыс ферменттерге енгізіледі. Бұл организмдерде сондай-ақ прокариоттық жүйелердегі ақуыздарға гомолог емес, Fe/S кластерлерін тасымалдау және енгізу процестеріне қатысатын ақуыздар жиынтығы бар.
(1) the Fe/S cluster is assembled on a scaffold protein followed by (2) transfer of the preformed cluster to the recipient proteins. The first step of this process occurs in the cytoplasm of prokaryotic organisms or in the mitochondria of eukaryotic organisms. In the higher organisms the clusters are therefore transported out of the mitochondrion to be incorporated into the extramitochondrial enzymes. These organisms also possess a set of proteins involved in the Fe/S clusters transport and incorporation processes that are not homologous to proteins found in prokaryotic systems.
Синтетикалық аналогтар
Табиғи түрде кездесетін Fe–S кластерлерінің синтетикалық аналогтары алғаш рет Холм және оның әріптестерімен баяндалды. Темір тұздарын тиолаттар және сульфидтер қоспасымен өңдеу (Et4N)2Fe4S4(SCH2Ph)4 сияқты туындыларға әкеледі.