Las ferredoxinas (del latín ferrum : hierro + redox , a menudo abreviadas "fd") son proteínas de hierro y azufre que median la transferencia de electrones en una variedad de reacciones metabólicas. El término "ferredoxina" fue acuñado por DC Wharton de DuPont Co. y se aplicó a la "proteína de hierro" purificada por primera vez en 1962 por Mortenson, Valentine y Carnahan a partir de la bacteria anaeróbica Clostridium pasturianum . [1] [2]
Otra proteína redox, aislada de los cloroplastos de las espinacas , se denominó "ferredoxina del cloroplasto". [3] La ferredoxina del cloroplasto participa en reacciones de fotofosforilación de la fotosíntesis tanto cíclicas como no cíclicas . En la fotofosforilación no cíclica, la ferredoxina es el último aceptor de electrones, reduciendo así la enzima NADP + reductasa. Acepta electrones producidos por la luz solar , la clorofila excitada y los transfiere a la enzima ferredoxina: NADP + oxidorreductasa EC 1.18.1.2.
Las ferredoxinas son pequeñas proteínas que contienen átomos de hierro y azufre organizados como grupos de hierro-azufre . Estos " condensadores " biológicos pueden aceptar o descargar electrones, con el efecto de un cambio en el estado de oxidación de los átomos de hierro entre +2 y +3. De esta forma, la ferredoxina actúa como agente de transferencia de electrones en reacciones biológicas redox .
Otros sistemas de transporte de electrones bioinorgánicos incluyen rubredoxinas , citocromos , proteínas azules de cobre y las proteínas Rieske estructuralmente relacionadas .
Las ferredoxinas se pueden clasificar según la naturaleza de sus grupos hierro-azufre y por la similitud de secuencia.
Las ferredoxinas suelen realizar una transferencia de un solo electrón.
Sin embargo, algunas ferredoxinas bacterianas (del tipo 2[4Fe4S]) tienen dos grupos de hierro y azufre y pueden llevar a cabo dos reacciones de transferencia de electrones. Dependiendo de la secuencia de la proteína, las dos transferencias pueden tener potenciales de reducción casi idénticos o pueden ser significativamente diferentes. [4] [5]
Las ferredoxinas son uno de los portadores de electrones biológicos más reductores. Normalmente tienen un potencial de punto medio de -420 mV. [6] El potencial de reducción de una sustancia en la célula diferirá de su potencial de punto medio dependiendo de las concentraciones de sus formas reducida y oxidada. Para una reacción de un electrón, el potencial cambia alrededor de 60 mV por cada cambio de potencia de diez en la relación de concentración. Por ejemplo, si el conjunto de ferredoxina se reduce aproximadamente en un 95%, el potencial de reducción será de alrededor de -500 mV. [7] En comparación, otras reacciones biológicas en su mayoría tienen menos potenciales reductores: por ejemplo, el reductor biosintético primario de la célula, NADPH, tiene un potencial redox celular de -370 mV ( E
0= -320mV).
Dependiendo de la secuencia de la proteína de soporte, las ferredoxinas tienen un potencial de reducción de alrededor de -500 mv [6] [8] a -340 mV. [9] Una sola célula puede tener múltiples tipos de ferredoxinas, donde cada tipo está sintonizado para llevar a cabo diferentes reacciones de manera óptima. [10]
Las ferredoxinas altamente reductoras se reducen usando otro agente reductor fuerte o usando alguna fuente de energía para "impulsar" electrones de fuentes menos reductoras a la ferredoxina. [11]
Las reacciones que reducen Fd incluyen la oxidación de aldehídos a ácidos como la reacción de gliceraldehído a glicerato (-580 mV), la reacción de monóxido de carbono deshidrogenasa (-520 mV) y las reacciones de 2-oxoácido:Fd oxidorreductasa (-500 mV) [12 ] [8] como la reacción llevada a cabo por la piruvato sintasa . [7]
La ferredoxina también se puede reducir usando NADH (-320 mV) o H
2(-414 mV), pero estos procesos están acoplados al consumo del potencial de membrana para impulsar el "impulso" de los electrones al estado de mayor energía. [6] El complejo Rnf es una proteína de membrana muy extendida en las bacterias que transfiere electrones de forma reversible entre NADH y ferredoxina mientras bombea Na.+
o H+
iones a través de la membrana. El potencial quimiosmótico de la membrana se consume para impulsar la reducción desfavorable de Fd.
bueypor NADH. Esta reacción es una fuente esencial de Fd.−
rojoen muchos organismos autótrofos. Si la célula crece sobre sustratos que proporcionan un exceso de Fd−
rojo, el complejo Rnf puede transferir estos electrones al NAD+
y almacenar la energía resultante en el potencial de membrana. [13] Las hidrogenasas convertidoras de energía (Ech) son una familia de enzimas que acoplan reversiblemente la transferencia de electrones entre Fd y H.
2mientras bombea H+
iones a través de la membrana para equilibrar la diferencia de energía. [14]
La reducción desfavorable de Fd a partir de un donante de electrones menos reductor puede combinarse simultáneamente con la reducción favorable de un agente oxidante a través de una reacción de bifurcación de electrones . [6] Un ejemplo de la reacción de bifurcación de electrones es la generación de Fd−
rojopara la fijación de nitrógeno en ciertos diazótrofos aeróbicos . Normalmente, en la fosforilación oxidativa, la transferencia de electrones del NADH a la ubiquinona (Q) se acopla a la carga de la fuerza motriz del protón. En Azotobacter, la energía liberada al transferir un electrón de NADH a Q se utiliza para impulsar simultáneamente la transferencia de un electrón de NADH a Fd. [15] [16]
Algunas ferredoxinas tienen un potencial redox suficientemente alto como para que el NADPH pueda reducirlas directamente. Una de esas ferredoxinas es la adrenoxina (-274 mV), que participa en la biosíntesis de muchos esteroides de mamíferos. [17] La ferredoxina Fd3 en las raíces de las plantas que reduce el nitrato y el sulfito tiene un potencial de punto medio de -337 mV y también se reduce mediante NADPH. [10]
Los miembros de la superfamilia de ferredoxina 2Fe-2S ( InterPro : IPR036010 ) tienen una estructura central general que consiste en beta(2)-alfa-beta(2), que incluye putidaredoxina, terpredoxina y adrenodoxina. [18] [19] [20] [21] Son proteínas de alrededor de cien aminoácidos con cuatro residuos de cisteína conservados a los que está ligado el grupo 2Fe-2S. Esta región conservada también se encuentra como un dominio en varias enzimas metabólicas y en proteínas multidominio, como la aldehído oxidorreductasa ( N -terminal), xantina oxidasa ( N -terminal), ftalato dioxigenasa reductasa ( C -terminal), succinato deshidrogenasa hierro-azufre. proteína ( N -terminal) y metano monooxigenasa reductasa ( N -terminal).
Un grupo de ferredoxinas, que se encontraba originalmente en las membranas de los cloroplastos , se ha denominado "tipo cloroplasto" o "tipo planta" ( InterPro : IPR010241 ). Su centro activo es un grupo [Fe 2 S 2 ], donde los átomos de hierro están coordinados tetraédricamente tanto por átomos de azufre inorgánicos como por azufres de cuatro residuos de cisteína (Cys) conservados.
En los cloroplastos, las ferredoxinas Fe 2 S 2 funcionan como portadores de electrones en la cadena de transporte de electrones fotosintético y como donadores de electrones para diversas proteínas celulares, como la glutamato sintasa, la nitrito reductasa, la sulfito reductasa y la ciclasa de la biosíntesis de clorofila . [22] Dado que la ciclasa es una enzima dependiente de ferredoxina, esto puede proporcionar un mecanismo de coordinación entre la fotosíntesis y la necesidad de clorofila de los cloroplastos al vincular la biosíntesis de clorofila a la cadena de transporte de electrones fotosintética. En los sistemas de dioxigenasa bacteriana hidroxilante, sirven como transportadores intermedios de transferencia de electrones entre las flavoproteínas reductasa y la oxigenasa.
La ferredoxina Fe 2 S 2 de Clostridium pasturianum ( Cp 2FeFd; P07324 ) ha sido reconocida como una familia de proteínas distinta sobre la base de su secuencia de aminoácidos, las propiedades espectroscópicas de su grupo hierro-azufre y la capacidad única de intercambio de ligandos de dos ligandos de cisteína para el cúmulo [Fe 2 S 2 ]. Aunque el papel fisiológico de esta ferredoxina aún no está claro, se ha revelado una interacción fuerte y específica de Cp 2FeFd con la proteína molibdeno-hierro de la nitrogenasa . Se han caracterizado ferredoxinas homólogas de Azotobacter vinelandii ( Av 2FeFdI; P82802 ) y Aquifex aeolicus ( Aa Fd; O66511 ). Se ha resuelto la estructura cristalina de Aa Fd. Aa Fd existe como un dímero. La estructura del monómero Aa Fd es diferente de la de otras ferredoxinas Fe 2 S 2 . El pliegue pertenece a la clase α+β, con las primeras cuatro hebras β y dos hélices α adoptando una variante del pliegue de tiorredoxina . [23] UniProt los clasifica como la familia "ferredoxina tipo Shethna 2Fe2S". [24]
La adrenodoxina (ferredoxina suprarrenal; InterPro : IPR001055 ), la putidaredoxina y la terpredoxina forman una familia de proteínas solubles Fe 2 S 2 que actúan como transportadores de electrones únicos y se encuentran principalmente en las mitocondrias eucariotas y en Pseudomonadota . La variante humana de la adrenodoxina se conoce como ferredoxina-1 y ferredoxina-2 . En los sistemas de monooxigenasa mitocondrial, la adrenodoxina transfiere un electrón de la NADPH:adrenodoxina reductasa al citocromo P450 unido a la membrana . En las bacterias, la putidaredoxina y la terpredoxina transfieren electrones entre las correspondientes ferredoxina reductasas dependientes de NADH y las P450 solubles. [26] [27] Se desconocen las funciones exactas de otros miembros de esta familia, aunque se ha demostrado que Escherichia coli Fdx participa en la biogénesis de los grupos Fe-S. [28] A pesar de la baja similitud de secuencia entre las ferredoxinas de tipo adrenodoxina y de tipo vegetal, las dos clases tienen una topología de plegado similar.
Ferredoxina-1 en humanos participa en la síntesis de hormonas tiroideas. También transfiere electrones de la adrenodoxina reductasa a CYP11A1 , una enzima CYP450 responsable de la escisión de la cadena lateral del colesterol. FDX-1 tiene la capacidad de unirse a metales y proteínas. [29] Ferredoxina-2 participa en la síntesis de proteínas hemo A y hierro-azufre. [30]
Las ferredoxinas [Fe 4 S 4 ] se pueden subdividir en ferredoxinas de bajo potencial (tipo bacteriano) y de alto potencial (HiPIP) .
Las ferredoxinas de bajo y alto potencial están relacionadas mediante el siguiente esquema redox:
Los números de oxidación formales de los iones de hierro pueden ser [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] o [1Fe 3+ , 3Fe 2+ ] en ferredoxinas de bajo potencial. Los números de oxidación de los iones de hierro en las ferredoxinas de alto potencial pueden ser [3Fe 3+ , 1Fe 2+ ] o [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ].
Un grupo de ferredoxinas Fe 4 S 4 , que se encontraban originalmente en bacterias, se ha denominado "de tipo bacteriano". Las ferredoxinas de tipo bacteriano pueden subdividirse a su vez en otros grupos en función de sus propiedades de secuencia. La mayoría contiene al menos un dominio conservado, incluidos cuatro residuos de cisteína que se unen a un grupo [Fe 4 S 4 ]. En Pyrococcus furiosus Fe 4 S 4 ferredoxina, uno de los residuos de Cys conservados se sustituye por ácido aspártico.
Durante la evolución de las ferredoxinas de tipo bacteriano, se produjeron eventos de duplicación, transposición y fusión de genes intrasecuencia, lo que resultó en la aparición de proteínas con múltiples centros de hierro-azufre. En algunas ferredoxinas bacterianas, uno de los dominios duplicados ha perdido uno o más de los cuatro residuos Cys conservados. Estos dominios han perdido su propiedad de unión hierro-azufre o se unen a un grupo [Fe 3 S 4 ] en lugar de un grupo [Fe 4 S 4 ] [31] y de tipo dicluster. [32]
Se conocen estructuras tridimensionales para varias ferredoxinas de tipo bacteriano monocluster y dicluster. El pliegue pertenece a la clase α+β, con 2-7 hélices α y cuatro hebras β que forman una estructura en forma de barril, y un bucle extruido que contiene tres ligandos Cys "proximales" del grupo hierro-azufre.
Las proteínas hierro-azufre de alto potencial (HiPIP) forman una familia única de ferredoxinas Fe 4 S 4 que funcionan en cadenas anaeróbicas de transporte de electrones. Algunas HiPIP tienen un potencial redox más alto que cualquier otra proteína de hierro y azufre conocida (p. ej., HiPIP de Rhodopila globiformis tiene un potencial redox de aproximadamente -450 mV). Hasta ahora se han caracterizado estructuralmente varios HiPIP, perteneciendo sus pliegues a la clase α+β. Como en otras ferredoxinas bacterianas, la unidad [Fe 4 S 4 ] forma un grupo de tipo cubano y está ligada a la proteína mediante cuatro residuos Cys.
