鉄硫黄タンパク質

鉄硫黄タンパク質は、さまざまな酸化状態で硫化物結合した二価、三価、四価鉄中心を含む鉄硫黄クラスターの存在を特徴とするタンパク質 です。鉄硫黄クラスターは、フェレドキシン、NADH脱水素酵素、ヒドロゲナーゼ、コエンザイムQ-シトクロムc還元酵素、コハク酸-コエンザイムQ-還元酵素、ニトロゲナーゼなどのさまざまな金属タンパク質に見られます。[ 1 ]鉄硫黄クラスターは、ミトコンドリアと葉緑体における電子伝達の酸化還元反応での役割で最もよく知られています。酸化的リン酸化の複合体Iと複合体IIはどちらも複数のFe-Sクラスターを持っています。アコニターゼで示される触媒作用、 SAM依存性酵素で示されるラジカルの生成、リポ酸とビオチンの生合成における硫黄供与体など、他にも多くの機能があります。さらに、いくつかのFe-Sタンパク質は遺伝子発現を制御します。 Fe-Sタンパク質は生体内一酸化窒素の攻撃を受けやすく、ジニトロシル鉄錯体を形成する。ほとんどのFe-Sタンパク質では、Feの末端リガンドはチオレートであるが、例外もある。[ 2 ]

これらのタンパク質がほとんどの生物の代謝経路に広く存在していることから、鉄硫黄世界理論では、鉄硫黄化合物が生命の起源に重要な役割を果たしたという理論が生まれています。

Fe-Sクラスターは酸化還元不活性であるものの、構造的な役割を持つと提案されている例もある。例としては、エンドヌクレアーゼIIIやMutYが挙げられる。[ 3 ] [ 4 ]

構造モチーフ

ほとんどすべてのFe-Sタンパク質において、Fe中心は四面体であり、末端配位子はシステイン残基由来のチオラト硫黄中心である。硫化基は2配位または3配位である。これらの特徴を持つ3つの異なるFe-Sクラスターが最も一般的である。

構造機能原理

鉄硫黄タンパク質は、光合成や細胞呼吸といった様々な生物学的電子伝達プロセスに関与しており、これらのプロセスでは、生物のエネルギーや生化学的ニーズを維持するために迅速な電子伝達が求められます。鉄硫黄タンパク質は、様々な生物学的役割を果たすために、迅速な電子伝達を実現し、-600 mVから+460 mVまでの生理学的酸化還元電位の全範囲をカバーします。

Fe 3+ -SR結合は、予想通り非常に高い共有結合性を示します。Fe 3+の共有結合性とFe 2+の共有結合性を比較すると、Fe 3+はFe 2+のほぼ2倍の共有結合性（20%対38.4%）を示します。[ 5 ] Fe 3+はFe 2+よりもはるかに安定しています。Fe 3+のような硬いイオンは、金属の最低空軌道と配位子の最高被占軌道のエネルギー不一致により、通常、共有結合性が低くなります。

鉄-硫黄活性部位に近い外部水分子は共有結合性を低下させます。これは、タンパク質から水を除去する凍結乾燥実験によって示されます。この低下は、外部水がシステインSと水素結合し、 S電子を引き離すことで、後者のFe 3+/2+への孤立電子対供与を減少させるためです。 [ 5 ]共有結合性はFe 2+よりもFe 3+を安定化させるため、 HOH-S水素結合によって Fe 3+はより不安定化されます。

Fe 3+ 3d軌道のエネルギーは「反転」結合スキームに従います。これは、Fe 3+ d軌道のエネルギーが幸運にも硫黄の3p軌道と密接に一致し、結果として生じる結合分子軌道に高い共有結合性を与えるためです。[ 3 ]この高い共有結合性により、内圏再編成エネルギーが低下し、 [ 3 ]最終的に急速な電子移動に寄与します。

2Fe–2Sクラスター

2Fe–2Sクラスター

最も単純な多金属系である[Fe 2 S 2 ]クラスターは、2つの鉄イオンが2つの硫化物イオンによって架橋され、4つのシステイニル配位子（Fe 2 S 2フェレドキシンの場合）または2つのシステインと2つのヒスチジン（リースケタンパク質の場合）によって配位されている。酸化タンパク質は2つのFe 3+イオンを含み、還元タンパク質は1つのFe 3+イオンと1つのFe 2+イオンを含む。これらの種は、(Fe III ) 2とFe III Fe IIの2つの酸化状態に存在する。CDGSH鉄硫黄ドメインも2Fe-2Sクラスターと関連している。

Rieske 2Fe-2SクラスターFe 3+とFe 2+の酸化状態

リースケタンパク質は、 2Fe-2S構造を形成するFe-Sクラスターを含み、真核生物および細菌のミトコンドリアにおける膜結合型シトクロムbc1複合体IIIに見られます。また、光合成生物のシトクロムb6f複合体などの葉緑体タンパク質にも含まれています。これらの光合成生物には、植物、緑藻類、そして葉緑体の前駆細菌であるシアノバクテリアが含まれます。どちらもそれぞれの生物の電子伝達系の一部であり、多くの生物にとってエネルギー獲得の重要なステップとなっています。[ 6 ]

4Fe-4Sクラスター

共通のモチーフは、4つの鉄イオンと4つの硫化物イオンがキュバン型クラスターの頂点に配置されたものである。鉄中心は通常、システイン配位子によってさらに配位されている。[Fe 4 S 4 ]電子伝達タンパク質（[Fe 4 S 4 ]フェレドキシン）は、さらに低電位（細菌型）フェレドキシンと高電位（HiPIP型）フェレドキシンに分類される。低電位フェレドキシンは、以下の酸化還元反応式で関連している。

4Fe-4S クラスターはタンパク質内で電子リレーとして機能します。

HiPIPでは、クラスターは[2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ )と[3Fe 3+ , Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 3+ )の間を往復する。この酸化還元対の電位は0.4～0.1 Vの範囲である。細菌性フェレドキシンでは、一対の酸化状態は[Fe 3+ , 3Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 + )と[2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] (Fe 4 S 4 2+ )である。この酸化還元対の電位は-0.3～-0.7 Vの範囲である。2つのファミリーの4Fe–4Sクラスターは、Fe 4 S 4 2+の酸化状態を共有している。酸化還元対の違いは、システイニルチオレート配位子の塩基性を大きく変化させる水素結合の程度に起因している。細菌のフェレドキシンよりもさらに還元力の強い別の酸化還元対が窒素固定酵素に関係していると考えられています。

一部の4Fe-4Sクラスターは基質と結合するため、酵素補因子に分類されます。アコニターゼでは、Fe-Sクラスターはチオレート配位子を持たない唯一のFe中心でアコニット酸と結合します。このクラスターは酸化還元を受けませんが、クエン酸をイソクエン酸に変換するルイス酸触媒として機能します。ラジカルSAM酵素では、このクラスターはS-アデノシルメチオニンと結合して還元し、多くの生合成に関与するラジカルを生成します。[ 7 ]

4Fe-4S Fe 3+、 Fe 2.5+、 Fe 2+の酸化状態。

ここで示されている混合原子価対（2 Fe3+ と 2 Fe2+）を持つ 2 番目のキュバンは、共有結合による通信と、還元された Fe2+ からの「余分な」電子の強力な共有結合の非局在化により、完全な強磁性結合をもたらし、安定性が向上しています。

3Fe–4Sクラスター

タンパク質は[Fe 3 S 4 ]中心を含むことも知られています。これは、より一般的な[Fe 4 S 4 ]核よりも鉄が1つ少ないものです。3つの硫化物イオンはそれぞれ2つの鉄イオンを架橋し、4つ目の硫化物イオンは3つの鉄イオンを架橋します。これらの正式な酸化状態は、[Fe 3 S 4 ] +（すべてFe 3+型）から[Fe 3 S 4 ] 2−（すべてFe 2+型）まで変化します。多くの鉄硫黄タンパク質では、[Fe 4 S 4 ]クラスターは、酸化と1つの鉄イオンの損失によって[Fe 3 S 4 ]クラスターへと可逆的に変換されます。例えば、アコニターゼの不活性型は[Fe 3 S 4 ]を有し、Fe 2+と還元剤の添加によって活性化されます。

その他のFe-Sクラスター

例としては、数多くの酵素の活性部位が挙げられます。

  • ニトロゲナーゼにおけるFeMocoクラスターの構造。このクラスターは、アミノ酸残基システインとヒスチジンによってタンパク質に結合している。
    ニトロゲナーゼには2つのPクラスター（[8Fe-7S]）と2つのFeMocos（[7Fe-9S-C-Mo- Rホモクエン酸]）が含まれています。[ 8 ]
  • 一酸化炭素脱水素酵素とアセチルコエンザイムA合成酵素はそれぞれFe-N-iS4クラスターを特徴としています。[ 9 ] [ 10 ]
  • [FeFe]-ヒドロゲナーゼは、シスチンを介してFe 4 S 4がFe 2に架橋した「Hクラスター」を特徴とする。Fe 2側は、3 CO、2 CN −、およびアザジチオラートHN(CH 2 S − ) 2という独自の配位子を有する。[ 11 ]
  • 酸素耐性膜結合型[NiFe]ヒドロゲナーゼには、6つのシステインが配位した特殊な[Fe 4 S 3 ]クラスターが見出された。 [ 12 ] [ 13 ]
  • 一部の窒素固定酵素関連ATPaseに見られる「二重キュバンクラスター」[Fe 8 S 9 ]は、システインによって架橋された2つの[Fe 4 S 4 ]から構成されています。このようなタンパク質の機能は未だ解明されていません。[ 14 ]
還元電位の範囲、E o (mV)。これは、鉄硫黄タンパク質、ヘムタンパク質、銅タンパク質のさまざまなクラスによってカバーされます。(HiPIP = 高電位鉄硫黄タンパク質、Rdx = ルブレドキシン、Fdx = フェレドキシン、Cyt = シトクロム。)

生合成

Fe–Sクラスターの生合成は十分に研究されている。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] 鉄硫黄クラスターの生合成は、細菌である大腸菌とA. vinelandii、酵母であるS. cerevisiaeで最も広範に研究されている。これまでに少なくとも3つの異なる生合成系、すなわちnif系、suf系、isc系が特定されており、これらは細菌で初めて特定された。nif系は窒素固定酵素のクラスターに関与している。suf系とisc系はより一般的な系である。

酵母のiscシステムは最もよく説明されている。複数のタンパク質がisc経路を介して生合成機構を構成する。このプロセスは主に2つのステップで進行する。(1) Fe/Sクラスターが足場タンパク質上に組み立てられ、続いて(2) 形成されたクラスターが受容タンパク質へと輸送される。このプロセスの最初のステップは、原核生物の場合は細胞質、真核生物の場合はミトコンドリア内で起こる。高等生物では、クラスターはミトコンドリア外に輸送され、ミトコンドリア外酵素に組み込まれる。これらの生物は、原核生物系に見られるタンパク質とは相同性のない、Fe/Sクラスターの輸送および組み込みプロセスに関与する一連のタンパク質も有する。

合成類似体

天然に存在するFe-Sクラスターの合成類似体は、ホルムと共同研究者によって初めて報告された。 [ 18 ]鉄塩をチオラートと硫化物の混合物で処理すると、( Et4N ) 2Fe4S4 ( SCH2Ph ) 4 ]などの誘導体が得られる。 [ 19 ] [ 20 ]

参照

参考文献

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さらに読む

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