Введение

Белки с железо-серными кластерами

Железо-серные белки – это белки, характеризующиеся наличием железо-серных кластеров, содержащих связанные сульфидом ди-, три- и тетраиронные центры в переменных степенях окисления. Железо-серные кластеры встречаются в различных металлопротеинах, таких как ферредоксины, а также в NADH-дегидрогеназе, гидрогеназах, коэнзим Q – цитохром c редуктазе, сукцинат – коэнзим Q редуктазе и нитрогеназе. 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 содержат множественные Fe–S кластеры. Они выполняют множество других функций, включая катализ, как демонстрирует аконитаза, генерацию радикалов, как демонстрируют SAM-зависимые ферменты, и в качестве доноров серы в биосинтезе липоевой кислоты и биотина. Кроме того, некоторые Fe–S белки регулируют экспрессию генов. Fe–S белки уязвимы к атаке биогенного оксида азота, образуя динитрозильные железокомплексы. В большинстве Fe–S белков концевыми лигандами Fe являются тиоляты, но существуют исключения. Широкое распространение этих белков в метаболических путях большинства организмов приводит к теориям о том, что соединения железа и серы сыграли значительную роль в происхождении жизни в рамках теории мира железа и серы. В некоторых случаях Fe–S кластеры являются редокс-неактивными, но предполагается, что они выполняют структурную роль. Примерами служат эндонуклеаза III и MutY.

Структурные мотивы

Почти во всех Fe–S белках, центры Fe имеют тетраэдрическую геометрию, а терминальные лиганды – тиолат-серные центры, происходящие из цистеиновых остатков. Сульфидные группы координированы либо двумя, либо тремя атомами. Наиболее распространены три различных типа Fe–S кластеров, обладающих этими особенностями.

Принципы структуры и функции

Белки железосеры участвуют в различных биологических процессах переноса электронов, таких как фотосинтез и клеточное дыхание, которые требуют быстрой передачи электронов для поддержания энергетических или биохимических потребностей организма. Для выполнения своих разнообразных биологических функций, белки железосеры обеспечивают быструю передачу электронов и охватывают весь диапазон физиологических окислительно-восстановительных потенциалов от -600 мВ до +460 мВ. Связи Fe3+ SR обладают необычно высокой ковалентностью, что и ожидается. При сравнении ковалентности Fe3+ и Fe2+, ковалентность Fe3+ почти вдвое выше, чем у Fe2+ (20% против 38,4%). Fe3+ также значительно более стабилизирован, чем Fe2+. Обычно, "жесткие" ионы, такие как Fe3+, имеют низкую ковалентность из-за энергетического несоответствия между самой низкой незанятой молекулярной орбиталью металла и самой высокой занятой молекулярной орбиталью лиганда. Внешние молекулы воды, расположенные вблизи активного центра железосерного белка, снижают ковалентность; это демонстрируется экспериментами по лиофилизации, в ходе которых вода удаляется из белка. Это снижение происходит из-за образования водородных связей между внешней водой и атомом серы цистеина, что уменьшает способность последнего отдавать неподеленную электронную пару Fe3+/2+, оттягивая на себя электроны серы. Эта высокая ковалентность снижает энергию внутренней перегруппировки.

4Fe4S кластеры

В распространенном мотиве присутствуют четыре иона железа и четыре иона сульфида, расположенные в вершинах кластера кубанового типа. Центры Fe обычно дополнительно координированы цистеинильными лигандами. [Fe4S4] белки электронного транспорта ([Fe4S4] ферредоксины) могут быть далее подразделены на ферредоксины с низким потенциалом (бактериального типа) и ферредоксины с высоким потенциалом (HiPIP). Ферредоксины с низким и высоким потенциалом связаны следующей окислительно-восстановительной схемой:

В HiPIP кластер переключается между состояниями [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+) и [3Fe3+, Fe2+] (Fe4S43+). Потенциалы для этой окислительно-восстановительной пары варьируются от 0,4 до 0,1 В. В бактериальных ферредоксинах пара окислительных состояний составляет [Fe3+, 3Fe2+] (Fe4S4+) и [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+). Потенциалы для этой окислительно-восстановительной пары варьируются от -0,3 до -0,7 В. Оба семейства 4Fe–4S кластеров имеют окислительное состояние Fe4S42+. Различие в окислительно-восстановительных парах обусловлено степенью образования водородных связей, которые существенно влияют на основность цистеинилтиолатных лигандов. Другая окислительно-восстановительная пара, еще более восстановительная, чем у бактериальных ферредоксинов, участвует в работе нитрогеназы. Некоторые 4Fe–4S кластеры связывают субстраты и поэтому классифицируются как коферменты. В аконитазе Fe–S кластер связывает аконитат в одном Fe-центре, которому не хватает тиолатного лиганда. Кластер не участвует в окислительно-восстановительных реакциях, но служит катализатором Льюиса для превращения цитрата в изоцитрат. В радикальных SAM-ферментах кластер связывает и восстанавливает S-аденозилметионин, генерируя радикал, который участвует во многих биосинтезах. Второй кубан, представленный здесь со смешанными валентными парами (2 Fe3+ и 2 Fe2+), обладает большей стабильностью благодаря ковалентной связи и сильной ковалентной делокализации «дополнительного» электрона от восстановленного Fe2+, что приводит к полной ферромагнитной связи.

Клесты 3Fe4S

Также известно, что белки содержат центры [Fe3S4], в которых на один атом железа меньше, чем в более распространенных ядрах [Fe4S4]. Три сульфид-иона образуют мостики между двумя ионами железа каждый, а четвертый сульфид-ион – между тремя ионами железа. Их формальные степени окисления могут изменяться от [Fe3S4]+ (при всех Fe3+) до [Fe3S4]2− (при всех Fe2+). В ряде железо-серных белков кластер [Fe4S4] может обратимо превращаться в кластер [Fe3S4] посредством окисления и потери одного иона железа. Например, неактивная форма аконитазы содержит [Fe3S4] и активируется при добавлении Fe2+ и восстановителя.

Биосинтез

Биосинтез Fe–S кластеров был хорошо изучен. Биогенез железосерных кластеров наиболее широко изучался у бактерий *E. coli* и *A. vinelandii*, а также у дрожжей *S. cerevisiae*. На данный момент было выявлено как минимум три различные биосинтетические системы: nif, suf и isc, которые впервые были обнаружены у бактерий. Nif-система отвечает за кластеры в ферменте нитрогеназе. Suf- и isc-системы более универсальны. Isc-система дрожжей описана наиболее подробно. Несколько белков составляют биосинтетический аппарат, функционирующий по isc-пути. Процесс происходит в два основных этапа: (1) сборка Fe/S кластера на белке-каркасе, за которым следует (2) перенос предварительно сформированного кластера на белки-реципиенты. Первый этап этого процесса происходит в цитоплазме прокариотических организмов или в митохондриях эукариотических организмов. У высших организмов кластеры, таким образом, транспортируются из митохондрий для включения в экстрамитохондриальные ферменты. Эти организмы также обладают набором белков, участвующих в транспорте и инкорпорации Fe/S кластеров, которые не гомологичны белкам, обнаруженным в прокариотических системах.

Синтетические аналоги

Синтетические аналоги природных Fe–S кластеров были впервые сообщены Холмом и его коллегами. Обработка солей железа смесью тиолатов и сульфида приводит к образованию производных, таких как (Et4N)2Fe4S4(SCH2Ph)4.