Proteína de hierro y azufre
Proteínas con grupos de hierro y azufre

Las proteínas de hierro-azufre son proteínas caracterizadas por la presencia de cúmulos de hierro-azufre que contienen centros de di-, tri- y tetrahierro unidos a sulfuro en estados de oxidación variables . Los cúmulos de hierro-azufre se encuentran en una variedad de metaloproteínas , como las ferredoxinas , así como en la NADH deshidrogenasa , las hidrogenasas , la coenzima Q-citocromo c reductasa , la succinato-coenzima Q reductasa y la nitrogenasa . [1] Los cúmulos de hierro-azufre son más conocidos por su papel en las reacciones de oxidación-reducción del transporte de electrones en mitocondrias y cloroplastos . Tanto el complejo I como el complejo II de la fosforilación oxidativa tienen múltiples cúmulos de Fe–S. Tienen muchas otras funciones, incluida la catálisis , como lo ilustra la aconitasa , la generación de radicales, como lo ilustran las enzimas dependientes de SAM , y como donantes de azufre en la biosíntesis de ácido lipoico y biotina . Además, algunas proteínas de Fe–S regulan la expresión genética. Las proteínas Fe–S son vulnerables al ataque del óxido nítrico biogénico , que forma complejos de hierro dinitrosílico . En la mayoría de las proteínas Fe–S, los ligandos terminales del Fe son tiolatos , pero existen excepciones. [2]

La prevalencia de estas proteínas en las vías metabólicas de la mayoría de los organismos conduce a teorías de que los compuestos de hierro y azufre tuvieron un papel importante en el origen de la vida en la teoría del mundo hierro-azufre .

En algunos casos, los grupos Fe–S son inactivos en términos redox, pero se propone que tienen funciones estructurales. Algunos ejemplos son la endonucleasa III y MutY. [3] [4]

Motivos estructurales

En casi todas las proteínas Fe–S, los centros Fe son tetraédricos y los ligandos terminales son centros de azufre tiolato de residuos de cisteinilo. Los grupos sulfuro tienen coordinación bi o tricoordinada. Los tres tipos distintos de grupos Fe–S con estas características son los más comunes.

Principios de estructura-función

Las proteínas de hierro y azufre participan en varios procesos biológicos de transporte de electrones, como la fotosíntesis y la respiración celular, que requieren una transferencia rápida de electrones para satisfacer las necesidades energéticas o bioquímicas del organismo. Para cumplir con sus diversas funciones biológicas, las proteínas de hierro y azufre efectúan transferencias rápidas de electrones y abarcan todo el rango de potenciales redox fisiológicos, desde -600 mV hasta +460 mV.

Los enlaces Fe 3+ -SR tienen una covalencia inusualmente alta, lo cual es de esperar. [ ¿según quién? ] Al comparar la covalencia de Fe 3+ con la covalencia de Fe 2+ , Fe 3+ tiene casi el doble de covalencia de Fe 2+ (20% a 38,4%). [5] Fe 3+ también está mucho más estabilizado que Fe 2+ . Los iones duros como Fe 3+ normalmente tienen una covalencia baja debido al desajuste de energía del orbital molecular desocupado más bajo del metal con el orbital molecular ocupado más alto del ligando .

Las moléculas de agua externas ubicadas cerca del sitio activo de hierro-azufre reducen la covalencia; esto se puede demostrar mediante experimentos de liofilización en los que se elimina el agua de la proteína. Esta reducción se debe a que el agua externa forma enlaces de hidrógeno con la cisteína S, lo que disminuye la donación de electrones de pares solitarios de esta última al Fe 3+/2+ al retirar los electrones S. [5] Dado que la covalencia estabiliza más al Fe 3+ que al Fe 2+ , el Fe 3+ se desestabiliza más por los enlaces de hidrógeno HOH-S.

Las energías orbitales 3d de Fe 3+ siguen el esquema de enlace "invertido" que fortuitamente tiene los orbitales d de Fe 3+ estrechamente emparejados en energía con los orbitales 3p del azufre, lo que da una alta covalencia en el orbital molecular de enlace resultante. [3] Esta alta covalencia reduce la energía de reorganización de la esfera interna [3] y, en última instancia, contribuye a una rápida transferencia de electrones.

Cúmulos de 2Fe–2S

Cúmulos de 2Fe–2S

El sistema polimetálico más simple, el grupo [Fe 2 S 2 ], está constituido por dos iones de hierro unidos por dos iones de sulfuro y coordinados por cuatro ligandos cisteinilo (en las ferredoxinas Fe 2 S 2 ) o por dos cisteínas y dos histidinas (en las proteínas de Rieske ). Las proteínas oxidadas contienen dos iones Fe 3+ , mientras que las proteínas reducidas contienen un ion Fe 3+ y un ion Fe 2+ . Estas especies existen en dos estados de oxidación, (Fe III ) 2 y Fe III Fe II . El dominio de azufre de hierro de CDGSH también está asociado con grupos 2Fe-2S.

Estados de oxidación del grupo Rieske 2Fe-2S de Fe 3+ y Fe 2+

Las proteínas de Rieske contienen grupos de Fe–S que se coordinan como una estructura 2Fe–2S y se pueden encontrar en el complejo III del citocromo bc1 unido a la membrana en las mitocondrias de eucariotas y bacterias. También son parte de las proteínas del cloroplasto, como el complejo del citocromo b 6 f en los organismos fotosintéticos. Estos organismos fotosintéticos incluyen plantas, algas verdes y cianobacterias , el precursor bacteriano de los cloroplastos. Ambos son parte de la cadena de transporte de electrones de sus respectivos organismos, que es un paso crucial en la recolección de energía para muchos organismos. [6]

Cúmulos de 4Fe–4S

Un motivo común presenta cuatro iones de hierro y cuatro iones de sulfuro colocados en los vértices de un grupo de tipo cubano . Los centros de Fe suelen estar coordinados además por ligandos de cisteinilo. Las proteínas de transferencia de electrones [Fe 4 S 4 ] ( ferredoxinas [Fe 4 S 4 ] ) pueden subdividirse en ferredoxinas de bajo potencial (tipo bacteriano) y de alto potencial (HiPIP) . Las ferredoxinas de bajo y alto potencial están relacionadas por el siguiente esquema redox:

Los grupos 4Fe-4S sirven como relés de electrones en las proteínas.

En HiPIP, el grupo oscila entre [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ) y [3Fe 3+ , Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 3+ ). Los potenciales para este par redox varían de 0,4 a 0,1 V. En las ferredoxinas bacterianas, el par de estados de oxidación son [Fe 3+ , 3Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 + ) y [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ ). Los potenciales para este par redox varían de −0,3 a −0,7 V. Las dos familias de grupos 4Fe–4S comparten el estado de oxidación Fe 4 S 4 2+ . La diferencia en los pares redox se atribuye al grado de enlace de hidrógeno, que modifica fuertemente la basicidad de los ligandos de tiolato de cisteinilo. [ cita requerida ] Otro par redox, que es aún más reductor que las ferredoxinas bacterianas, está implicado en la nitrogenasa .

Algunos grupos 4Fe–4S se unen a sustratos y, por lo tanto, se clasifican como cofactores enzimáticos. En la aconitasa , el grupo Fe–S se une al aconitato en el único centro Fe que carece de un ligando tiolato. El grupo no experimenta redox, pero sirve como catalizador de ácido de Lewis para convertir el citrato en isocitrato . En las enzimas SAM radicales , el grupo se une y reduce la S-adenosilmetionina para generar un radical, que participa en muchas biosíntesis. [7]

Estados de oxidación de Fe 3+ , Fe 2.5+ y Fe 2+ .

El segundo cubano mostrado aquí con pares de valencia mixtos (2 Fe3+ y 2 Fe2+), tiene una mayor estabilidad gracias a la comunicación covalente y una fuerte deslocalización covalente del electrón “extra” del Fe2+ reducido que resulta en un acoplamiento ferromagnético completo.

Cúmulos de 3Fe–4S

También se sabe que las proteínas contienen centros [Fe 3 S 4 ], que presentan un hierro menos que los núcleos [Fe 4 S 4 ] más comunes. Tres iones de sulfuro unen dos iones de hierro cada uno, mientras que el cuarto sulfuro une tres iones de hierro. Sus estados de oxidación formales pueden variar de [Fe 3 S 4 ] + (forma todo Fe 3+ ) a [Fe 3 S 4 ] 2− (forma todo Fe 2+ ). En varias proteínas de hierro-azufre, el grupo [Fe 4 S 4 ] se puede convertir reversiblemente por oxidación y pérdida de un ion de hierro en un grupo [Fe 3 S 4 ]. Por ejemplo, la forma inactiva de la aconitasa posee un [Fe 3 S 4 ] y se activa mediante la adición de Fe 2+ y reductor.

Otros cúmulos Fe–S

Los ejemplos incluyen los sitios activos de varias enzimas:

  • Estructura del grupo FeMoco en la nitrogenasa . El grupo está unido a la proteína por los residuos de aminoácidos cisteína e histidina .
    La nitrogenasa incluye dos grupos P ([8Fe-7S]) y dos FeMocos ([7Fe-9S-C-Mo- R homocitrato]). [8]
  • La deshidrogenasa de monóxido de carbono y la acetil coenzima A sintasa presentan cada una un grupo Fe-N-iS 4. [9] [10]
  • La [FeFe] -hidrogenasa presenta un "grupo H", que consiste en un puente Fe 4 S 4 a Fe 2 a través de una cistina. La mitad Fe 2 presenta ligandos únicos: 3 CO, 2 CN - y un azaditiolato HN(CH 2 S − ) 2 . [11]
  • Se encontró un grupo especial de 6 cisteínas coordinadas [Fe 4 S 3 ] en hidrogenasas [NiFe] unidas a membrana tolerantes al oxígeno. [12] [13]
  • El "doble grupo cubano" [Fe 8 S 9 ], que se encuentra en algunas ATPasas relacionadas con la nitrogenasa, consta de dos [Fe 4 S 4 ] unidos por una cisteína. Las funciones de estas proteínas siguen sin estar claras. [14]
Rangos de potenciales de reducción, E o (mV), cubiertos por las diferentes clases de proteínas de hierro-azufre, proteínas hemo y proteínas de cobre. (HiPIP = Proteínas de hierro-azufre de alto potencial, Rdx = rubredoxinas, Fdx = ferredoxinas, Cyt = citocromos.)

Biosíntesis

La biosíntesis de los grupos Fe–S ha sido bien estudiada. [15] [16] [17] La ​​biogénesis de los grupos de hierro y azufre se ha estudiado más extensamente en las bacterias E. coli y A. vinelandii y la levadura S. cerevisiae . Hasta ahora se han identificado al menos tres sistemas biosintéticos diferentes, a saber, los sistemas nif, suf e isc, que se identificaron por primera vez en bacterias. El sistema nif es responsable de los grupos en la enzima nitrogenasa. Los sistemas suf e isc son más generales.

El sistema isc de la levadura es el mejor descrito. Varias proteínas constituyen la maquinaria biosintética a través de la vía isc. El proceso ocurre en dos pasos principales: (1) el grupo Fe/S se ensambla en una proteína de andamiaje seguido de (2) la transferencia del grupo preformado a las proteínas receptoras. El primer paso de este proceso ocurre en el citoplasma de los organismos procariotas o en las mitocondrias de los organismos eucariotas . En los organismos superiores, los grupos son transportados fuera de la mitocondria para ser incorporados a las enzimas extramitocondriales. Estos organismos también poseen un conjunto de proteínas involucradas en los procesos de transporte e incorporación de grupos Fe/S que no son homólogas a las proteínas que se encuentran en los sistemas procariotas.

Análogos sintéticos

Holm y sus colaboradores fueron los primeros en informar sobre análogos sintéticos de los grupos Fe–S que se producen en la naturaleza . [ 18 ] El tratamiento de sales de hierro con una mezcla de tiolatos y sulfuro produce derivados como ( Et4N ) 2Fe4S4 (SCH2Ph ) 4 ] . [19] [ 20 ]

Véase también

Referencias

  1. ^ SJ Lippard, JM Berg “Principios de la química bioinorgánica” University Science Books: Mill Valley, CA; 1994. ISBN  0-935702-73-3 .
  2. ^ Bak, DW; Elliott, SJ (2014). "Ligandos alternativos de grupos de FeS: ajuste de los potenciales redox y la química". Curr. Opin. Chem. Biol . 19 : 50–58. doi :10.1016/j.cbpa.2013.12.015. PMID  24463764.
  3. ^ abc Kennepohl, Pierre; Solomon, Edward I. (16 de enero de 2003). "Contribuciones de la estructura electrónica a la reactividad de transferencia de electrones en sitios activos de hierro-azufre: 3. Cinética de la transferencia de electrones". Química inorgánica . 42 (3): 696–708. doi :10.1021/ic0203320. ISSN  0020-1669. PMID  12562183.
  4. ^ Guan, Y.; Manuel, RC; Arvai, AS; Parikh, SS; Mol, CD; Miller, JH; Lloyd, S.; Tainer, JA (diciembre de 1998). "El núcleo catalítico de MutY, las estructuras de adenina mutante y unida definen la especificidad para la superfamilia de enzimas reparadoras del ADN". Nature Structural Biology . 5 (12): 1058–1064. doi :10.1038/4168. ISSN  1072-8368. PMID  9846876. S2CID  22085836.
  5. ^ ab Sun, Ning; Dey, Abhishek; Xiao, Zhiguang; Wedd, Anthony G.; Hodgson, Keith O.; Hedman, Britt; Solomon, Edward I. (20 de agosto de 2010). "Efectos de solvatación en los espectros XAS de borde K de proteínas Fe−S: efectos normales e inversos en la rubredoxina WT y mutante". Revista de la Sociedad Química Americana . 132 (36): 12639–12647. doi :10.1021/ja102807x. ISSN  0002-7863. PMC 2946794 . PMID  20726554. 
  6. ^ QUÍMICA INORGÁNICA BIOLÓGICA: estructura y reactividad . [Sl]: LIBROS UNIVERSITARIOS DE CIENCIAS. 2018. ISBN 978-1-938787-96-6.OCLC 1048090793  .
  7. ^ Susan C. Wang; Perry A. Frey (2007). "S-adenosilmetionina como oxidante: la superfamilia radical SAM". Tendencias en ciencias bioquímicas . 32 (3): 101–10. doi :10.1016/j.tibs.2007.01.002. PMID  17291766.
  8. ^ Einsle, Oliver; Rees, Douglas C. (2020). "Enzimología estructural de las enzimas nitrogenasas". Chemical Reviews . 120 (12): 4969–5004. doi :10.1021/acs.chemrev.0c00067. PMC 8606229 . PMID  32538623. 
  9. ^ Can, Mehmet; Armstrong, Fraser A.; Ragsdale, Stephen W. (2014). "Estructura, función y mecanismo de las metaloenzimas de níquel, CO deshidrogenasa y acetil-CoA sintasa". Chemical Reviews . 114 (8): 4149–4174. doi :10.1021/cr400461p. PMC 4002135 . PMID  24521136. 
  10. ^ Stripp, Sven T.; Duffus, Benjamin R.; Fourmond, Vincent; Léger, Christophe; Leimkühler, Silke; Hirota, Shun; Hu, Yilin; Jasniewski, Andrew; Ogata, Hideaki; Ribbe, Markus W. (2022). "Efectos de la segunda esfera de coordinación y de la esfera de coordinación externa en la nitrogenasa, la hidrogenasa, la formiato deshidrogenasa y la CO deshidrogenasa". Chemical Reviews . 122 (14): 11900–11973. doi :10.1021/acs.chemrev.1c00914. PMC 9549741 . PMID  35849738. 
  11. ^ Rao, Guodong; Pattenaude, Scott A.; Alwan, Katherine; Blackburn, Ninian J.; Britt, R. David; Rauchfuss, Thomas B. (15 de octubre de 2019). "El grupo binuclear de la hidrogenasa [FeFe] se forma con azufre donado por la cisteína de un precursor organometálico [Fe(Cys)(CO) 2 (CN)]". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 116 (42): 20850–20855. Bibcode :2019PNAS..11620850R. doi : 10.1073/pnas.1913324116 . PMC 6800375 . PMID  31570604. 
  12. ^ Fritsch, J; Scheerer, P; Frielingsdorf, S; Kroschinsky, S; Friedrich, B; Lenz, O; Spahn, CMT (16 de octubre de 2011). "La estructura cristalina de una hidrogenasa tolerante al oxígeno descubre un nuevo centro de hierro-azufre". Nature . 479 (7372): 249–252. Bibcode :2011Natur.479..249F. doi :10.1038/nature10505. PMID  22002606. S2CID  4411671.
  13. ^ Shomura, Y; Yoon, KS; Nishihara, H; Higuchi, Y (16 de octubre de 2011). "Base estructural para un grupo [4Fe-3S] en la [NiFe]-hidrogenasa unida a la membrana tolerante al oxígeno". Nature . 479 (7372): 253–256. Bibcode :2011Natur.479..253S. doi :10.1038/nature10504. PMID  22002607. S2CID  4313414.
  14. ^ Jeoung, JH; Martins, BM; Dobbek, H (15 de junio de 2020). "Clústeres de doble cubano [8Fe9S]: un nuevo cofactor relacionado con la nitrogenasa en biología". ChemBioChem . 21 (12): 1710–1716. doi :10.1002/cbic.202000016. PMC 7317905 . PMID  32187824. 
  15. ^ Johnson D, Dean DR, Smith AD, Johnson MK (2005). "Estructura, función y formación de cúmulos biológicos de hierro y azufre". Revista Anual de Bioquímica . 74 (1): 247–281. doi :10.1146/annurev.biochem.74.082803.133518. PMID  15952888.
  16. ^ Johnson, MK y Smith, AD (2005) Proteínas de hierro y azufre en: Enciclopedia de química inorgánica (King, RB, Ed.), 2.ª ed., John Wiley & Sons, Chichester.
  17. ^ Lill R, Mühlenhoff U (2005). "Biogénesis de proteínas de hierro y azufre en eucariotas". Tendencias en ciencias bioquímicas . 30 (3): 133–141. doi : 10.1016/j.tibs.2005.01.006 . PMID  15752985.
  18. ^ T. Herskovitz; BA Averill; RH Holm; JA Ibers; WD Phillips; JF Weiher (1972). "Estructura y propiedades de un análogo sintético de proteínas bacterianas de hierro y azufre". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 69 (9): 2437–2441. Bibcode :1972PNAS...69.2437H. doi : 10.1073/pnas.69.9.2437 . PMC 426959 . PMID  4506765. 
  19. ^ Holm, RH; Lo, W. (2016). "Conversiones estructurales de cúmulos de hierro-azufre sintéticos y unidos a proteínas". Chem. Rev. 116 ( 22): 13685–13713. doi :10.1021/acs.chemrev.6b00276. PMID  27933770.
  20. ^ Lee, SC; Lo, W.; Holm, RH (2014). "Desarrollos en la química biomimética de cúmulos de hierro-azufre de tipo cubano y de mayor nuclearidad". Chemical Reviews . 114 (7): 3579–3600. doi :10.1021/cr4004067. PMC 3982595 . PMID  24410527. 
  • Sticht, Heinrich; Rösch, Paul (1998-09-01). "La estructura de las proteínas de hierro-azufre". Progreso en biofísica y biología molecular . 70 (2): 95–136. doi : 10.1016/S0079-6107(98)00027-3 . ISSN  0079-6107. PMID  9785959.

Lectura adicional

  • Liu, J; Chakraborty, S; Hosseinzadeh, P; Yu, Y; Tian, ​​S; Petrik, I; Bhagi, A; Lu, Y (23 de abril de 2014). "Metaloproteínas que contienen centros redox de citocromo, hierro-azufre o cobre". Chemical Reviews . 114 (8): 4366–469. doi :10.1021/cr400479b. PMC  4002152 . PMID  24758379.
  • Beinert, H. (2000). "Proteínas de hierro y azufre: estructuras antiguas, aún llenas de sorpresas". J. Biol. Inorg. Chem . 5 (1): 2–15. doi :10.1007/s007750050002. PMID  10766431. S2CID  20714007.
  • Beinert, H.; Kiley, PJ (1999). "Proteínas Fe-S en funciones de detección y regulación". Curr. Opin. Chem. Biol . 3 (2): 152–157. doi :10.1016/S1367-5931(99)80027-1. PMID  10226040.
  • Johnson, MK (1998). "Proteínas de hierro y azufre: nuevos roles para los grupos antiguos". Curr. Opin. Chem. Biol . 2 (2): 173–181. doi :10.1016/S1367-5931(98)80058-6. PMID  9667933.
  • Comité de Nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica (NC-IUB) (1979). "Nomenclatura de proteínas de hierro y azufre. Recomendaciones 1978". Eur. J. Biochem . 93 (3): 427–430. doi : 10.1111/j.1432-1033.1979.tb12839.x . PMID  421685.
  • Noodleman, L., Lovell, T., Liu, T., Himo, F. y Torres, RA (2002). "Información sobre las propiedades y la energía de las proteínas de hierro y azufre, desde los grupos simples hasta la nitrogenasa". Curr. Opin. Chem. Biol . 6 (2): 259–273. doi :10.1016/S1367-5931(02)00309-5. PMID  12039013.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  • Spiro, TG, Ed. (1982). Proteínas de hierro y azufre . Nueva York: Wiley. ISBN 0-471-07738-0.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
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