Grupurile de fier-sulf (de asemenea, clusterele Fe-S ) sunt compuși organoelementali , un grup de cofactori proteici cu un potențial redox (Roșu / Ox) în regiunea de la -500 mV la +300 mV [1] . Potențialul red/ox depinde de structura și conformația proteinei, ceea ce face din acești cofactori cei mai importanți participanți la reacțiile redox din celulă . Grupurile de fier-sulf sunt capabile să accepte sau să doneze electroni (vezi figura). Proteinele care conțin grupuri de fier-sulf sunt vechi din punct de vedere evolutiv și sunt comune în toate regnurile, inclusiv în animale, plante, ciuperci , bacterii și arhee . Mutațiile în genele pentru metabolismul clusterelor Fe-S sunt cauza multor boli grave sau sunt fatale.
În stadiul inițial al dezvoltării vieții, Pământul avea o atmosferă reducătoare, nu exista oxigen , activitatea vulcanică a fost însoțită de emisii de hidrogen sulfurat și o cantitate semnificativă de fier feros a fost dizolvat în ocean . După cum va fi dezvăluit mai jos, din elementele din aceste stări de oxidare (Fe 2+ și S 2− ) sunt sintetizate noi clustere de fier-sulf în celulele organismelor vii [3] . Probabil, structuri anorganice similare cu clusterele de fier-sulf s-au format spontan în astfel de condiții, iar organismele vii antice au adaptat aceste structuri încorporându-le în moleculele de proteine [4] .
Capacitatea de a transfera electroni în proteinele rezultate s-a dovedit a fi strâns legată de schimbul de energie în celule, astfel încât aceste enzime au continuat să evolueze, iar genele lor au fost fixate în toate organismele vii.
Organisme model pentru studiul sintezei și transferului de clustere de fier-sulf în celulă sunt drojdia S. cerevisiae , Escherichia coli ( E. coli ), bacilul de fân ( B. subtilis ), trifoiul lui Tal ( A. thaliana ) și multe alte organisme; Aceste procese sunt, de asemenea, studiate în celulele umane.
Pentru organismele bacteriene, există trei sisteme de proteine implicate în sinteza clusterelor de fier-sulf [3] :
Există patru sisteme pentru eucariote:
Vom alege drojdia ( S. cerevisiae ) ca principal organism model pentru descriere , acest lucru este necesar pentru a nu crea confuzii în numele proteinelor ai căror omologi sunt numiți diferit în diferite organisme.
Sinteza directă necesită formarea unui complex de proteine Nfs1 și Isu1. Nfs1, pe lângă funcția de formare a complexului, acționează ca un donor de sulf, care este transferat din reziduurile Cys cu participarea fosfatului de piridoxal ca cofactor. Isu1 este extrem de important pentru asamblarea întregului cluster, deoarece acceptă atomi de sulf și Fe 2+ donați și îi stivuiește în modul necesar pentru a forma clustere 2Fe–2S sau 4Fe–4S în detrimentul propriilor reziduuri Cys.[2] ,3]
Drojdia are, de asemenea, izoforma Isu2, formată prin duplicarea genei Isu1. Ambele izoforme pot lua parte la sinteza clusterului.
S-a demonstrat, de asemenea, că legarea Nfs1 la proteina Isd11 mult mai mică este necesară pentru formarea clusterelor de fier-sulf. Acest mecanism a apărut evolutiv cu mult timp în urmă, deoarece este prezent în multe organisme.
S-a demonstrat că sursa de fier este Yfh1 (frataxină la om). Legarea sa de complexul proteic asamblat stimulează formarea unui grup gata de fier-sulf pe Isu1.
Ionii de fier trebuie livrați către mitocondrii printr-o membrană interioară cu permeabilitate scăzută. Acest proces este realizat de transportorii mitocondriali Mrs3 și Mrs4, care pot trece doar Fe2 + . Acest fier de călcat leagă Yfh1. Sunt posibile și alte modalități de transport a fierului în matricea mitocondrială .
Când se creează un cluster, sulful trebuie redus la o stare de oxidare de -2. Electronii sunt transferați din NADH prin ferredoxina Yah1 și ferredoxin reductaza Arh1.
Însoțitorul Ssq1 (din familia HSP70), cochaperona Jac1 și factorul de schimb de nucleotide Mge1 joacă rolul principal în îndepărtarea clusterului format din Isu1. Se știe că Jac1 activează activitatea ATPazei a Ssq1; această energie este cheltuită pentru interacțiunea cu regiunea extrem de conservată a Isu1, ceea ce face ca clusterele Fe-S să fie disponibile pentru transfer la alte proteine. Factorul de schimb de nucleotide Mge1 este necesar pentru a extrage ADP din Ssq1 [3] .
În bacterii, factorul de schimb de nucleotide nu este necesar.
Transferul clusterelor accesibile de la Isu1 la proteinele receptor poate fi efectuat direct sau prin proteine intermediare, cum ar fi Grx5.
Unele dintre cele mai importante proteine care conțin clustere Fe-S în matrice sunt aconitazele Aco1 și Lys4, biotin sintaza Bio2 și acid lipoic sintaza Lip5. Transferul clusterelor la aceste proteine are loc numai în prezența proteinelor Isa1 și Isa2 și a proteinei Iba57 care se leagă de ambele. Fenotipurile ciupercilor cu expresia suprimată a Isa1, Isa2, Iba57 sunt similare, iar datele privind interacțiunea lor indică participarea la același proces [3] .
Mitocondriile sunt organite cu două membrane din celulele eucariote. Multe substanțe sunt slab transportate prin stratul hidrofob al membranelor; prin urmare, există proteine purtătoare complexe, canale și receptori pentru transportul mitocondrial . De regulă, cea mai dificilă sarcină este transportul prin membrana mitocondrială interioară, care menține în mod normal potențialul de membrană necesar funcționării ATP sintazei . Pentru a crea acest potențial, membrana trebuie să fie extrem de slab permeabilă chiar și pentru protoni. Desigur, transportul printr-o astfel de membrană este asociat cu dificultăți crescute.
Transportul moleculelor care cântăresc mai puțin de 10 kDa prin membrana exterioară a mitocondriilor se realizează printr-o porină (proteina VDAC), care permite trecerea chiar și a proteinelor mici. Prezența porinelor în membrana exterioară face ca spațiul intermembranar (MMP) să fie asemănător ca compoziție cu citoplasma, cu excepția compoziției proteinelor.
Membrana exterioară a mitocondriilor este mult mai convenabilă pentru cercetare, astfel că rutele de transport prin membrana interioară sunt mai puțin studiate.
Momentan, nu se știe în ce molecule sunt transportate clusterele fier-sulf din mitocondrii [2, 3], cu toate acestea, căutarea acestui purtător pare a fi o sarcină extrem de interesantă, deoarece, pe lângă livrarea clusterului, această componentă. poate lua parte la reglarea metabolismului celular, inclusiv controlul concentrației de fier în celulă și în mitocondrii, precum și poate afecta transcripția și traducerea unui număr de gene. În același timp, se crede că transportul prin membrana interioară se realizează prin Atm1 (o proteină din familia transportoarelor ABC), care are activitate ATPază. Această activitate a crescut odată cu adăugarea de peptide cu grupuri cisteină-SH accesibile. Deoarece activitatea transportatorilor ABC este de obicei indusă de componentele pe care le transportă, este probabil ca purtătorul ipotetic să conţină grupări -SH libere [4] .
Transportul este facilitat de sulfoxidul Erv1 dizolvat în spațiul intermembranar (MMP) al mitocondriilor. Pentru Erv1, pe lângă activitatea catalitică asociată cu oxidarea grupărilor —SH, s-a demonstrat că poate asigura transport în MMP datorită formării legăturilor S–S [4] .
A treia componentă necesară transportului din mitocondrii este glutationul .
Pentru drojdie, se presupune că nu există o sinteză a clusterelor de fier-sulf în citoplasmă [3] , cu toate acestea, în celulele de mamifere, sinteza clusterelor de Fe-S în afara mitocondriilor are loc împreună cu sinteza în mitocondrii [4] . În același timp, valoarea sintezei mitocondriale se dovedește a fi mai mare, judecând după reacția celulelor ca răspuns la un volum redus de sinteză (se declanșează mecanisme de „salvare” a clusterelor existente și crește concentrația de Fe în mitocondrii).
În drojdie, grupurile de fier-sulf din mitocondrii sunt transferate la proteinele Tah18 și Dre2. În plus, clusterele sunt acceptate de dimerul Cfd1-Nbp35, care poate interacționa cu alte proteine și transfera clustere de fier-sulf necesare pentru maturarea acestor proteine către ele. În procesul de transmitere sunt implicate două proteine adaptoare: Nar1 și Cia1. S-a demonstrat că Nar1 în sine conține clustere Fe-S și formează complexe cu Cia1 și Nbp35. Cia1 este structural o elice beta și este probabil capabilă să asiste interacțiunea proteinelor acceptoare ale clusterului Fe-S cu complexul Cfd1-Nbp35-Nar1 care le poartă.
S-a demonstrat pe celulele umane că analogii umani ai huNfs1, huIsu1, huNfu1 și frataxină au izoforme fără semnale de localizare mitocondrială (huNfs1, huIsu1, huNfu1 nu primesc aceste semnale atunci când sunt traduși din al doilea codon de început ) și sunt prezenți în cantități mai mici. în citoplasmă și nucleu. Această prezență este strict necesară în normă, deoarece fără ea sunt declanșate semnale care cresc conținutul de Fe în celulă și mitocondrii, reduc sinteza hemilor și consumul de clustere de fier-sulf. Probabil, în acest fel celula exercită controlul asupra sintezei normale a clusterelor și încearcă să prevină propria moarte în cazul deficienței acestora.
Unele organisme parazite în cursul evoluției au pierdut mitocondriile împreună cu procesele de sinteză a hemului și respirație efectuate în ele. Cu toate acestea, ei nu s-ar putea lipsi de sinteza clusterelor de fier-sulf; prin urmare, hidrogenozomii lor (mitocondrii reduse) conțin analogi ai sistemelor pentru sinteza clusterelor de fier-sulf. Exemple de astfel de organisme sunt giardia și microsporidia .
Există excepții de la această regulă, de exemplu, în Trachipleistophora hominis , proteinele Isu1 și frataxină sunt localizate în citoplasmă, iar Nfs1, Isd11 și Ssq1 sunt localizate în mitozomi ; iar în Encephalitozoon cuniculi sistemul ISC nu a putut fi găsit, dar există omologi ai proteinelor NifS și NifU [3] .
De obicei, cele mai importante procese din celulă au mai multe moduri de implementare, pentru a supraviețui în cazul unei defecțiuni a mecanismului principal din cauza prezenței unuia de rezervă (exemplu sunt diverse variante de reparare a ADN-ului, procese complementare de apoptoză ). și necroză ). În acest caz, nu au existat căi alternative pentru sinteza clusterelor de fier-sulf, prin urmare, se efectuează un control strict asupra funcționării acestuia. În acest caz, controlul este duplicat în mod repetat.
Deoarece o schimbare a cantității de reactanți deplasează echilibrul reacției către formarea de produse, atunci cu o creștere a cantității de fier disponibil, numărul de clustere de fier-sulf colectate ar trebui să crească.
Deoarece proteinele pentru sinteza și transportul clusterelor de fier-sulf sunt codificate în nucleu (chiar dacă sunt localizate în mitocondrii), în cazul unei defecțiuni, semnalul trebuie să ajungă la nucleu.
Factorii de transcripție Aft1 și Aft2 joacă un rol foarte important în reglarea metabolismului fierului. Când nivelul de fier din celulă scade, Aft1 este transportat la nucleu cu ajutorul importinei Pse1 și interacționează cu genele așa-numitului regulon de fier , activând transcripția acestora. Printre aceste gene se numără genele transportoare de fier, care cresc cantitatea totală de fier din celulă.
O altă țintă a lui Aft1 este proteina de legare a ARN-ului Cth2, care, sub acțiunea lui Aft1, începe să distrugă ARN-ul mesager al proteinelor care folosesc fier, reducând aportul de fier.
Mecanismul de detectare a nivelului de fier de către proteina Aft1 nu este cunoscut cu certitudine. Se presupune că mitocondriile exportă un anumit factor care este direct legat de intensitatea muncii aparatului pentru sinteza clusterelor de fier-sulf. Unul dintre candidații pentru rolul acestui factor este purtătorul proteic al clusterelor de fier-sulf din mitocondrii, care transferă clusterele în sistemul citoplasmatic CIA ( cytosolic ISP assembly ).
Aft2 este considerat a fi un regulator mai blând și mai lent, fenotipic având același efect ca Aft1.
Prima enzimă care percepe lipsa clusterelor Fe–S este enzima IRP1, care poate include clusterul Fe–S în structura sa și are conformații diferite, cu și fără cluster. Este situat în citoplasmă și primește un cluster din sistemul CIA, prin urmare simte toate defecțiunile în sistemul de sinteză și transport al clusterelor Fe-S.
Fără clusterul Fe-S, IRP1 are un domeniu activ catalitic care interacționează cu IRE ( regiunea responsabilă de fier ) a ARN-ului unor proteine . Există 2 tipuri de interacțiuni:
Pe lângă IRP1, celula conține factorul IRP2, care acționează similar cu IRP1, dar nu conține clustere de fier-sulf, iar mecanismul sensibilității IRP2 nu a fost încă determinat.
ARNt are o structură terțiară stabilă, oferită de formarea interacțiunilor complementare și a legăturilor de hidrogen în cadrul lanțului de ARN în sine. Pentru a participa la traducere, ARNt-ul sintetizat trebuie să se plieze corespunzător și să sufere unele modificări. O astfel de modificare este tio-modificarea uracililor U34 și U35 în drojdie și mamifere în ARNt-uri citoplasmatice și mitocondriale. Bacteriile au, de asemenea, modificări tio.
Aceste modificări depind de proteinele care conțin Fe-S, iar perturbările sintezei lor provoacă tulburări larg răspândite în traducere și duc la moarte. Mecanismul prin care se realizează legătura dintre sinteza clusterelor Fe–S și această modificare a fost puțin studiat în prezent.
Ionii de fier sunt un bun catalizator anorganic pentru descompunerea peroxidului de hidrogen. Peroxidul se descompune în radicali hidroxil, care sunt extrem de activi și periculoși pentru celule. Radicalii declanșează în primul rând peroxidarea lipidică a membranelor mitocondriale, precum și a enzimelor și ADN-ului acestora. Mitocondriile lucrează cu oxigenul și își pot forma speciile reactive de oxigen (ROS). Astfel, procesul se închide, se accelerează, iar mitocondriile și întreaga celulă se deteriorează, drept urmare poate muri din cauza apoptoză/necroză sau poate deveni canceroasă din cauza mutațiilor.
După cum s-a arătat mai sus, perturbările în funcționarea aparatului pentru sinteza clusterelor de fier-sulf conduc la o creștere a cantității de fier și, prin urmare, a catalizatorilor pentru formarea speciilor reactive de oxigen.
Rețineți că o încălcare a oricăreia dintre genele pentru sinteza sau transportul clusterelor de fier-sulf blochează (cel puțin în drojdie) livrarea lor către citoplasmă, astfel încât simptomele bolilor sunt adesea similare.
De obicei, aceste boli sunt foarte rare, asociate doar cu o încălcare sau scădere a sintezei proteinelor care conțin Fe-S, deoarece absența completă a anumitor proteine este de obicei letală.