Ferredoxină - Ferredoxin

Feredoxina (din latină ferrum : fier + redox , adesea abreviat „fd“) sunt proteine fier-sulf , care mediază transferul de electroni într - o serie de reacții metabolice. Termenul „feredoxină” a fost inventat de DC Wharton de la DuPont Co. și aplicat „proteinei de fier” purificată pentru prima dată în 1962 de Mortenson, Valentine și Carnahan din bacteria anaerobă Clostridium pasteurianum .

O altă proteină redox, izolată din cloroplastele de spanac , a fost denumită „cloroplast feredoxină”. Feredoxin cloroplastidiană este implicat în ambele ciclice și neciclice photophosphorylation reacțiile de fotosinteză . În fotofosforilarea neciclică, feredoxina este ultimul acceptor de electroni, reducând astfel enzima NADP ⁺ reductază. Acceptă electroni produși din clorofila excitată de soare și îi transferă către enzima feredoxină: NADP ⁺ oxidoreductaza EC 1.18.1.2 .

Ferredoxinele sunt proteine ​​mici care conțin atomi de fier și sulf, organizate ca grupuri de fier-sulf . Acești „ condensatori ” biologici pot accepta sau descărca electroni, cu efectul unei modificări a stării de oxidare a atomilor de fier între +2 și +3. În acest fel, feredoxina acționează ca un agent de transfer de electroni în reacțiile redox biologice .

Alte bioanorganică sisteme de transport de electroni includ rubredoxins , citocromilor , proteine de cupru albastre , și înrudiți structural proteinele Rieske .

Ferredoxinele pot fi clasificate în funcție de natura grupurilor lor de fier-sulf și de similaritatea secvenței.

Bioenergetica feredoxinelor

Ferredoxinele efectuează de obicei un singur transfer de electroni.

Fd⁰
_bou+ e ^- Fd  ${\ displaystyle {\ ce {<=>}}}$ ^-
_roșu

Cu toate acestea, câteva feredoxine bacteriene (de tip 2 [4Fe4S]) au două grupuri de sulf de fier și pot efectua două reacții de transfer de electroni. În funcție de secvența proteinei, cele două transferuri pot avea potențiale de reducere aproape identice sau pot fi semnificativ diferite.

Fd⁰
_bou+ e ^- Fd  ${\ displaystyle {\ ce {<=>}}}$ ^-
_roșu

Fd^-
_roșu+ e ^- Fd  ${\ displaystyle {\ ce {<=>}}}$ ²⁻
_roșu

Ferredoxinele sunt unul dintre cei mai reducători purtători de electroni biologici. Ele au de obicei un potențial de -420 mV. Potențialul de reducere al unei substanțe din celulă va diferi de potențialul său de punct mediu, în funcție de concentrațiile formelor sale reduse și oxidate. Pentru o reacție cu un singur electron, potențialul se modifică cu aproximativ 60 mV pentru fiecare putere de zece modifică raportul concentrației. De exemplu, dacă fondul de feredoxină este redus cu aproximativ 95%, potențialul de reducere va fi de aproximativ -500 mV. În comparație, alte reacții biologice au în mare parte potențiale reducătoare: de exemplu, reductantul biosintetic primar al celulei, NADPH are un potențial redox celular de -370 mV ( E
₀ = -320 mV).

În funcție de secvența proteinei de susținere, feredoxinele au potențial de reducere de la aproximativ -500mv la -340 mV. O singură celulă poate avea mai multe tipuri de feredoxine în care fiecare tip este reglat pentru a efectua în mod optim reacții diferite.

Reducerea feredoxinei

Feredoxinele cu o reducere ridicată sunt reduse fie folosind un alt agent de reducere puternic, fie utilizând o sursă de energie pentru a „spori” electronii de la surse mai puțin reducătoare la feredoxină.

Reducere directă

Reacțiile care reduc Fd includ oxidarea aldehidelor la acizi precum reacția gliceraldehidă la glicerat (-580 mV), reacția monoxid de carbon dehidrogenază (-520 mV) și 2-oxoacidul: Fd reacție efectuată de piruvat sintază .

Reducerea cuplată a potențialului membranei

Ferredoxina poate fi, de asemenea, redusă utilizând NADH (-320 mV) sau H
₂(-414 mV), dar aceste procese sunt cuplate la consumul potențialului membranei pentru a alimenta „creșterea” electronilor la starea de energie superioară. Complexul Rnf este o proteină membranară răspândită în bacterii care transferă reversibil electroni între NADH și feredoxină în timp ce pompează Na⁺
sau H⁺
ioni peste membrană. Potențialul chemiosmotic al membranei este consumată pentru a alimenta reducerea nefavorabilă a Fd
_boude NADH. Această reacție este o sursă esențială de Fd^-
_roșuîn multe organisme autotrofe. Dacă celula crește pe substraturi care oferă Fd în exces^-
_roșu, complexul Rnf poate transfera acești electroni în NAD⁺
și stochează energia rezultată în potențialul membranei. Hidrogenazele care transformă energia (Ech) sunt o familie de enzime care cuplează reversibil transferul de electroni între Fd și H
₂în timp ce pompează H⁺
ioni peste membrană pentru a echilibra diferența de energie.

Fd⁰
_bou+ NADH + Na⁺
_afară ${\ displaystyle {\ ce {<=>}}}$ Fd²⁻
_roșu+ NAD⁺
+ Na⁺
_{în interior}

Fd⁰
_bou+ H
₂+ H⁺
_afară ${\ displaystyle {\ ce {<=>}}}$ Fd²⁻
_roșu+ H⁺
+ H⁺
_{în interior}

Bifurcația electronilor

Reducerea nefavorabilă a Fd de la un donator de electroni mai puțin reducător poate fi cuplată simultan cu reducerea favorabilă a unui agent oxidant printr-o reacție de bifurcație a electronilor . Un exemplu al reacției de bifurcație a electronilor este generarea de Fd^-
_roșupentru fixarea azotului în anumite diazotrofe aerobe . De obicei, în fosforilarea oxidativă , transferul de electroni de la NADH la Ubiquinonă (Q) este cuplat la încărcarea forței motrice a protonului. În Azotobacter energia eliberată prin transferul unui electron de la NADH la Q este utilizată pentru a stimula simultan transferul unui electron de la NADH la Fd.

Reducerea directă a feredoxinelor cu potențial ridicat

Unele feredoxine au un potențial redox suficient de ridicat încât pot fi reduse direct de NADPH. O astfel de feredoxină este adrenoxina (-274mV) care participă la biosinteza multor steroizi de mamifere. Feredoxina Fd3 din rădăcinile plantelor care reduce nitrații și sulfitul are un potențial de -337mV și este, de asemenea, redusă de NADPH.

Fe ₂ S ₂ feredoxine

Domeniul de legare a clusterului de fier-sulf 2Fe-2S
Reprezentarea structurală a unei feredoxine Fe 2 S 2 .
Identificatori
Simbol	Fer2
Pfam	PF00111
Clanul Pfam	CL0486
InterPro	IPR001041
PROSITE	PDOC00642
SCOP2	3fxc / SCOPe / SUPFAM
Proteina OPM	1kf6
Structuri proteice disponibile: Pfam   structuri / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum rezumatul structurii

Membrii superfamiliei 2Fe – 2S feredoxină ( InterPro :  IPR036010 ) au o structură generală de bază formată din beta (2) -alfa-beta (2), care include putidaredoxină, terpredoxină și adrenodoxină. Sunt proteine ​​de aproximativ o sută de aminoacizi cu patru resturi de cisteină conservate la care este legat grupul 2Fe – 2S. Această regiune conservată se găsește și ca domeniu în diferite enzime metabolice și în proteine ​​multidominale, cum ar fi aldehida oxidoreductaza ( N- terminal), xantina oxidaza ( N- terminal), ftalat dioxigenaz reductaza ( C- terminal), succinat dehidrogenaza fier-sulf proteină ( N- terminal) și metan monooxigenază reductază ( N- terminal).

Feredoxine de tip vegetal

Un grup de feredoxine, găsite inițial în membranele cloroplastice , a fost denumit „tip cloroplast” sau „tip plantă” ( InterPro :  IPR010241 ). Centrul său activ este un cluster [Fe ₂ S ₂ ], unde atomii de fier sunt coordonați tetraedric atât de atomi de sulf anorganici, cât și de sulfuri de patru reziduuri de cisteină (Cys) conservate .

În cloroplaste, feredoxinele Fe ₂ S ₂ funcționează ca purtători de electroni în lanțul de transport de electroni fotosintetic și ca donatori de electroni la diferite proteine ​​celulare, cum ar fi glutamat sintază, nitrit reductază, sulfit reductază și ciclaza biosintezei clorofilei . Deoarece ciclaza este o enzimă dependentă de feredoxină, aceasta poate oferi un mecanism de coordonare între fotosinteză și cloroplastele au nevoie de clorofilă prin legarea biosintezei clorofilei la lanțul fotosintetic de transport al electronilor. În sistemele de dioxigenază bacteriană hidroxilatoare, ele servesc ca purtători intermediari de transfer de electroni între flavoproteinele reductazei și oxigenaza.

Feredoxine asemănătoare tioredoxinei

Feredoxina Fe ₂ S _{2 de} la Clostridium pasteurianum ( Cp 2FeFd; P07324 ) a fost recunoscută ca o familie distinctă de proteine ​​pe baza secvenței sale de aminoacizi, a proprietăților spectroscopice ale clusterului său fier-sulf și a capacității unice de schimbare a ligandilor de doi liganzi cisteină la grupul [Fe ₂ S ₂ ]. Deși rolul fiziologic al acestui feredoxin rămâne neclar, o interacțiune puternică și specifică Cp 2FeFd cu proteina molibden-fier a nitrogenase a fost dezvăluit. Au fost caracterizate feredoxine omoloage de la Azotobacter vinelandii ( Av 2FeFdI; P82802 ) și Aquifex aeolicus ( Aa Fd; O66511 ). Structura cristalină a lui Aa Fd a fost rezolvată. Aa Fd există ca dimer. Structura monomerului Aa Fd este diferită de alte feredoxine Fe ₂ S ₂ . Pliul aparține clasei α + β, primele patru catene β și două helice α adoptând o variantă a pliului tioredoxinei . UniProt le clasifică ca fiind familia "2Fe2S Shethna-type ferredoxin".

Feredoxine de tip adrenodoxină

feredoxină 1
Structura cristalină a feredoxinei-1 umane (FDX1).
Identificatori
Simbol	FDX1
Alt. simboluri	FDX
Gena NCBI	2230
HGNC	3638
OMIM	103260
RefSeq	NM_004109
UniProt	P10109
Alte date
Locus	Chr. 11 q22.3
Caută Structuri Model elvețian Domenii InterPro

Adrenodoxina (feredoxina suprarenală; InterPro :  IPR001055 ), putidaredoxina și terpredoxina alcătuiesc o familie de proteine solubile Fe ₂ S ₂ care acționează ca purtători de electroni unici, întâlnite în principal în mitocondriile eucariote și Proteobacterii . Varianta umană a adrenodoxinei este denumită feredoxină-1 și feredoxină-2 . În sistemele monooxigenazei mitocondriale, adrenodoxina transferă un electron din NADPH: adrenodoxin reductază în citocromul P450 legat de membrană . La bacterii, putidaredoxina și terpredoxina transferă electroni între feredoxin reductaze dependente de NADH și P450 solubile. Funcțiile exacte ale altor membri ai acestei familii nu sunt cunoscute, deși Escherichia coli Fdx se arată că este implicată în biogeneza clusterelor Fe-S. În ciuda similarității scăzute a secvenței între feredoxinele de tip adrenodoxină și cele de plante, cele două clase au o topologie de pliere similară.

Feredoxina-1 la om participă la sinteza hormonilor tiroidieni. De asemenea, transferă electronii de la adrenodoxin reductază la CYP11A1 , o enzimă CYP450 responsabilă de scindarea lanțului lateral al colesterolului. FDX-1 are capacitatea de a se lega de metale și proteine. Feredoxina-2 participă la sinteza hemului A și a proteinelor fier-sulf.

Fe ₄ S ₄ și Fe ₃ S ₄ feredoxine

Feredoxinele [Fe ₄ S ₄ ] pot fi subdivizate în continuare în feredoxine cu potențial scăzut (de tip bacterian) și cu potențial ridicat (HiPIP) .

Feredoxinele cu potențial scăzut și ridicat sunt legate de următoarea schemă redox:

Numerele formale de oxidare a ionilor de fier poate fi [2Fe ³⁺ , 2Fe ²⁺ ] sau [1Fe ³⁺ , 3Fe ²⁺ ] în feredoxina-potențial redus. Numerele de oxidare a ionilor de fier din feredoxina potențial ridicat poate fi [3Fe ³⁺ , 1Fe ²⁺ ] sau [2Fe ³⁺ , 2Fe ²⁺ ].

Feredoxine de tip bacterian

Domeniul de legare 3Fe-4S
Reprezentarea structurală a unei feredoxine Fe 3 S 4 .
Identificatori
Simbol	Fer4
Pfam	PF00037
InterPro	IPR001450
PROSITE	PDOC00176
SCOP2	5fd1 / SCOPe / SUPFAM
Proteina OPM	1kqf
Structuri proteice disponibile: Pfam   structuri / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum rezumatul structurii PDB 1h98 A: 33-56 1bd6 : 33-56 1bwe A: 33-56 1bqx A: 33-56 1bc6 : 33-56 7fd1 A: 33-56 6fd1 : 33-56 6fdr A: 33-56 1frx : 33-56 1gao B: 33-56 1b0t A: 33-56 1b0v A: 33- 56 1fd2 : 33-56 1fdd : 33-56 1fer : 33-56 1axq : 33-56 1g6b A: 33-56 2fd2 : 33-56 1ff2 A: 33-56 1pc5 A: 33-56 7fdr A: 33-56 1g3o A: 33-56 1ftc A: 33-56 1frm : 33-56 5fd1 : 33-56 1a6l : 33-56 1frj : 33-56 1fdb : 33-56 1fri : 33-56 1pc4 A: 33-56 1f5b A : 33-56 1frh : 33-56 1d3w A: 33-56 1frk : 33-56 1f5c A: 33-56 1frl : 33-56 1fda : 33-56 1clf : 31-54 1dur A: 28-51 1fca : 30 -53 1fdn : 30-53 2fdn : 30-53 1xer : 77-100 1h7x A: 946-969 1gte A: 946-969 1h7w B: 946-969 1gth A: 946-969 1gt8 A: 946-969 1gx7 A: 28-51 1hfe L: 28-51 1blu : 2-25 1rgv A: 2-25 1kqf B: 126-149 1kqg B: 126-149 1jb0 C: 4-27 1k0t A: 4-27 1rof : 3-26 1vjw : 3-26 1dwl A: 2-25 2pda A: 738-763 1b0p A: 738-763 1kek A: 738-763 1c4c A: 183-206 1c4a A: 183-206 1feh A: 183-206 1l0v N: 142 -165 1kfy N: 142-165 1kf6 B: 142-165 1jnr B: 40-63 1jnz B: 40-63

Un grup de feredoxine Fe ₄ S ₄ , găsite inițial în bacterii, a fost denumit „tip bacterian”. Feredoxinele de tip bacterian pot fi la rândul lor împărțite în alte grupuri, pe baza proprietăților lor de secvență. Majoritatea conțin cel puțin un domeniu conservat, inclusiv patru reziduuri de cisteină care se leagă de un cluster [Fe ₄ S ₄ ]. În feridoxina Pyrococcus furiosus Fe ₄ S ₄ , unul dintre resturile de Cys conservate este substituit cu acid aspartic.

Pe parcursul evoluției feredoxinelor de tip bacterian, s-au produs duble, transpunere și evenimente de fuziune a genelor intraseqüențiale, rezultând apariția proteinelor cu mai mulți centri fier-sulf. La unele feredoxine bacteriene, unul dintre domeniile duplicat a pierdut unul sau mai multe dintre cele patru reziduuri Cys conservate. Aceste domenii fie și-au pierdut proprietatea de legare a fierului-sulf, fie se leagă de un cluster [Fe ₃ S ₄ ] în locul unui cluster [Fe ₄ S ₄ ] și de tip dicluster.

Structurile 3-D sunt cunoscute pentru o serie de feredoxine de tip bacterian monocluster și dicluster. Pliul aparține clasei α + β, cu 2-7 α-helice și patru β-catene care formează o structură asemănătoare butoiului și o buclă extrudată conținând trei liganzi Cys „proximali” ai grupului de fier-sulf.

Proteine ​​fier-sulf cu potențial ridicat

Proteinele fier-sulf cu potențial ridicat (HiPIP) formează o familie unică de feredoxine Fe ₄ S ₄ care funcționează în lanțurile de transport ale electronilor anaerobi. Unele HiPIP au un potențial redox mai mare decât orice altă proteină fier-sulf cunoscută (de exemplu, HiPIP de la Rhodopila globiformis are un potențial redox de aproximativ 450 mV). Mai multe HiPIP-uri au fost până acum caracterizate structural, pliurile lor aparținând clasei α + β. Ca și în alte feredoxine bacteriene, unitatea [Fe ₄ S ₄ ] formează un cluster de tip cuban și este ligat la proteină prin patru reziduuri Cys.

Proteine ​​umane din familia feredoxinelor

• 2Fe – 2S: AOX1 ; FDX1 ; FDX2 ; NDUFS1 ; SDHB ; XDH ;
• 4Fe – 4S: ABCE1 ; DPYD ; NDUFS8 ;

Evoluția feredoxinelor

Referințe

Lecturi suplimentare

linkuri externe

• InterPro :  IPR006057 - subdomeniu 2Fe – 2S feredoxină
• InterPro :  IPR001055 - Adrenodoxin
• InterPro :  IPR001450 - feredoxină 4Fe – 4S, legare fier-sulf
• InterPro :  IPR000170 - Proteină fier-sulf cu potențial ridicat
• PDB : 1F37 - Structura cu raze X a feredoxinei asemănătoare tioredoxinei de la Aquifex aeolicus ( Aa Fd)