Las proteínas de hierro-azufre son proteínas caracterizadas por la presencia de grupos de hierro-azufre que contienen centros de di, tri y tetrahierro unidos por sulfuro en estados de oxidación variables . Los grupos hierro-azufre se encuentran en una variedad de metaloproteínas , como las ferredoxinas , así como en la NADH deshidrogenasa , hidrogenasas , coenzima Q - citocromo c reductasa , succinato - coenzima Q reductasa y nitrogenasa . [1] Los grupos de hierro y azufre son mejor 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 fosforilación oxidativa tienen múltiples grupos 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 Fe-S regulan la expresión genética. Las proteínas Fe-S son vulnerables al ataque del óxido nítrico biogénico , formando complejos de dinitrosil hierro . En la mayoría de las proteínas Fe-S, los ligandos terminales del Fe son tiolato , pero existen excepciones. [2]
La prevalencia de estas proteínas en las vías metabólicas de la mayoría de los organismos lleva 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 redox, pero se propone que tengan funciones estructurales. Los ejemplos incluyen endonucleasa III y MutY. [3] [4]
En casi todas las proteínas Fe-S, los centros de Fe son tetraédricos y los ligandos terminales son centros de tiolato azufre de residuos de cisteinilo. Los grupos sulfuro están coordinados dos o tres veces. Los más comunes son tres tipos distintos de agrupaciones de Fe-S con estas características.
Las proteínas hierro-azufre participan en diversos procesos biológicos de transporte de electrones, como la fotosíntesis y la respiración celular, que requieren una rápida transferencia de electrones para sustentar las necesidades energéticas o bioquímicas del organismo. Para cumplir sus diversas funciones biológicas, las proteínas de hierro y azufre efectúan rápidas transferencias de electrones y abarcan todo el rango de potenciales redox fisiológicos desde -600 mV a +460 mV.
Los bonos Fe 3+ -SR tienen una covalencia inusualmente alta, como se esperaba. [¿ según quién? ] Al comparar la covalencia del Fe 3+ con la covalencia del Fe 2+ , el Fe 3+ tiene casi el doble de covalencia que el Fe 2+ (20% a 38,4%). [5] El Fe 3+ también está mucho más estabilizado que el Fe 2+ . Los iones duros como el Fe 3+ normalmente tienen baja covalencia debido al desajuste de energía del orbital molecular desocupado más bajo del metal con el orbital molecular más ocupado del ligando .
Las moléculas de agua externas ubicadas cerca del sitio activo 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 par solitario de esta última al Fe 3+/2+ al alejar los electrones S. [5] Dado que la covalencia estabiliza el Fe 3+ más que el Fe 2+ , el Fe 3+ está más desestabilizado por el enlace de hidrógeno HOH-S.
Las energías de los orbitales 3d de Fe 3+ siguen el esquema de enlace "invertido" que fortuitamente hace que los orbitales d de Fe 3+ coincidan estrechamente en energía con los orbitales 3p de azufre, lo que proporciona 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.
El sistema polimetálico más simple, el cluster [Fe 2 S 2 ], está constituido por dos iones de hierro unidos por dos iones 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 CDGSH hierro azufre también está asociado con grupos 2Fe-2S.
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 forman parte de las proteínas del cloroplasto , como el complejo citocromo b 6 f en organismos fotosintéticos. Estos organismos fotosintéticos incluyen plantas, algas verdes y cianobacterias , la bacteria precursora de los cloroplastos. Ambos son parte de la cadena de transporte de electrones de sus respectivos organismos, lo que es un paso crucial en la recolección de energía para muchos organismos. [6]
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 ] ([Fe 4 S 4 ] ferredoxinas ) pueden subdividirse 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:
En HiPIP, el grupo se desplaza 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+ ] ( Fe4S42 + ) . 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 tiolato de cisteinilo. [ cita necesaria ] En la nitrogenasa está implicado otro par redox, que es aún más reductor que las ferredoxinas bacterianas .
Algunos grupos de 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 acónitato en el único centro de Fe que carece de ligando tiolato. El grupo no sufre redox, pero sirve como catalizador ácido de Lewis para convertir citrato en isocitrato . En las enzimas radicales SAM , el grupo se une y reduce la S-adenosilmetionina para generar un radical, que participa en muchas biosíntesis. [7]
El segundo cubano que se muestra aquí con pares de valencia mixtos (2 Fe3+ y 2 Fe2+), tiene una mayor estabilidad debido a la comunicación covalente y una fuerte deslocalización covalente del electrón "extra" del Fe2+ reducido que resulta en un acoplamiento ferromagnético completo.
También se sabe que las proteínas contienen centros [Fe 3 S 4 ], que contienen 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 desde [Fe 3 S 4 ] + (forma totalmente Fe 3+ ) hasta [Fe 3 S 4 ] 2− (forma totalmente Fe 2+ ). En varias proteínas hierro-azufre, el grupo [Fe 4 S 4 ] se puede convertir de manera reversible mediante oxidación y pérdida de un ion hierro en un grupo [Fe 3 S 4 ]. Por ejemplo, la forma inactiva de aconitasa posee [Fe 3 S 4 ] y se activa mediante la adición de Fe 2+ y reductor.
Los ejemplos incluyen los sitios activos de varias enzimas:
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 ampliamente en las bacterias E. coli y A. vinelandii y en la levadura S. cerevisiae . Hasta ahora se han identificado al menos tres sistemas biosintéticos diferentes: los sistemas nif, suf e isc, que se identificaron por primera vez en bacterias. El sistema nif es responsable de los grupos de la enzima nitrogenasa. Los sistemas suf e isc son más generales.
El sistema isc de levadura es el mejor descrito. Varias proteínas constituyen la maquinaria biosintética a través de la vía isc. El proceso se produce en dos pasos principales: (1) el grupo Fe/S se ensambla en una proteína de soporte 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 procarióticos o en las mitocondrias de los organismos eucariotas . Por lo tanto, en los organismos superiores, los grupos son transportados fuera de la mitocondria para incorporarse 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 procarióticos.
Holm y sus colaboradores informaron por primera vez sobre los análogos sintéticos de los grupos Fe-S naturales . [18] El tratamiento de sales de hierro con una mezcla de tiolatos y sulfuro produce derivados tales como ( Et 4 N ) 2 Fe 4 S 4 (SCH 2 Ph) 4 ]. [19] [20]
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