Järn-svavelkluster (även Fe-S-kluster ) är organoelementföreningar , en grupp proteinkofaktorer med en redoxpotential (Red/Ox) i området från -500 mV till +300 mV [1] . Röd/ox-potentialen beror på proteinets struktur och konformation , vilket gör dessa kofaktorer till de viktigaste deltagarna i redoxreaktioner i cellen . Järn-svavelkluster kan ta emot eller donera elektroner (se figur). Proteiner som innehåller järn-svavelkluster är evolutionärt gamla och är vanliga i alla kungadömen, inklusive djur, växter, svampar , bakterier och arkéer . Mutationer i generna för metabolismen av Fe–S-kluster är orsaken till många allvarliga sjukdomar eller är dödliga.
I det inledande skedet av livets utveckling hade jorden en reducerande atmosfär, det fanns inget syre , vulkanisk aktivitet åtföljdes av utsläpp av vätesulfid och en betydande mängd järnhaltigt järn löstes i havet . Som kommer att avslöjas nedan är det från grundämnena i dessa (Fe 2+ och S 2− ) oxidationstillstånd som nya järn-svavelkluster syntetiseras i cellerna hos levande organismer [3] . Förmodligen bildades oorganiska strukturer som liknar järn-svavelkluster spontant under sådana förhållanden, och gamla levande organismer anpassade dessa strukturer genom att införliva dem i proteinmolekyler [4] .
Förmågan att överföra elektroner i de resulterande proteinerna visade sig vara nära relaterad till utbytet av energi i celler, så dessa enzymer fortsatte att utvecklas, och deras gener fixerades i alla levande organismer.
Modellorganismer för att studera syntesen och överföringen av järn-svavelkluster i cellen är jästen S. cerevisiae , Escherichia coli ( E. coli ), höbacillus ( B. subtilis ), Tals klöver ( A. thaliana ) och många andra organismer; Dessa processer studeras också i mänskliga celler.
För bakteriella organismer finns det tre system av proteiner involverade i syntesen av järn-svavelkluster [3] :
Det finns fyra system för eukaryoter:
Vi kommer att välja jäst ( S. cerevisiae ) som huvudmodellorganism för beskrivning , detta är nödvändigt för att inte skapa förvirring i namnen på proteiner vars homologer kallas olika i olika organismer.
Direkt syntes kräver bildandet av ett komplex av Nfs1- och Isu1-proteiner. Nfs1, förutom funktionen av komplexbildning, fungerar som en svaveldonator, som överförs från Cys-rester med deltagande av pyridoxalfosfat som en kofaktor. Isu1 är extremt viktigt för sammansättningen av hela klustret, eftersom det accepterar donerade svavel- och Fe 2+ -atomer och staplar dem på det nödvändiga sättet för att bilda 2Fe–2S- eller 4Fe–4S-kluster på bekostnad av sina egna Cys-rester.[2 ,3]
Jäst har också Isu2-isoformen, bildad genom duplicering av Isu1-genen. Båda isoformerna kan delta i klustersyntes.
Det har också visats att bindning av Nfs1 till det mycket mindre Isd11-proteinet krävs för bildandet av järn-svavelkluster. Denna mekanism uppstod evolutionärt för länge sedan, eftersom den finns i många organismer.
Järnkällan har visat sig vara Yfh1 (frataxin hos människor). Dess bindning till det sammansatta proteinkomplexet stimulerar bildandet av ett färdigt järn-svavelkluster på Isu1.
Järnjoner måste levereras till mitokondrierna genom ett lågpermeabelt inre membran. Denna process utförs av de mitokondriella transportörerna Mrs3 och Mrs4, som bara kan passera Fe 2+ . Detta järn binder Yfh1. Andra sätt att transportera järn in i mitokondriematrisen är också möjliga .
När man skapar ett kluster måste svavel reduceras till ett oxidationstillstånd på -2. Elektroner överförs från NADH via ferredoxin Yah1 och ferredoxinreduktas Arh1.
Chaperonen Ssq1 (från HSP70-familjen), cochaperonen Jac1 och nukleotidutbytesfaktorn Mge1 spelar huvudrollen i avlägsnandet av det bildade klustret från Isu1. Det är känt att Jac1 aktiverar ATPase-aktiviteten hos Ssq1; denna energi spenderas på interaktion med den mycket konserverade regionen av Isu1, vilket gör Fe-S-kluster tillgängliga för överföring till andra proteiner. Nukleotidbytesfaktorn Mge1 behövs för att extrahera ADP från Ssq1 [3] .
I bakterier krävs inte nukleotidbytesfaktorn.
Överföringen av tillgängliga kluster från Isu1 till mottagarproteiner kan utföras direkt eller genom intermediära proteiner, såsom Grx5.
Några av de viktigaste proteinerna som innehåller Fe-S-kluster i matrisen är akonitaser Aco1 och Lys4, biotinsyntas Bio2 och liponsyrasyntas Lip5. Överföringen av kluster till dessa proteiner sker endast i närvaro av Isa1- och Isa2-proteinerna och Iba57-proteinet som binder till dem båda. Fenotyperna av svampar med undertryckt uttryck av Isa1, Isa2, Iba57 är liknande, och data om deras interaktion indikerar deltagande i samma process [3] .
Mitokondrier är tvåmembransorganeller i eukaryota celler. Många ämnen transporteras dåligt genom det hydrofoba skiktet av membran; därför finns det komplexa bärarproteiner, kanaler och receptorer för mitokondriell transport . Som regel är den svåraste uppgiften transport genom det inre mitokondriella membranet, som normalt upprätthåller den membranpotential som är nödvändig för driften av ATP-syntas . För att skapa denna potential måste membranet vara extremt svagt permeabelt även för protoner. Naturligtvis är transport genom ett sådant membran förknippat med ökade svårigheter.
Transporten av molekyler som väger mindre än 10 kDa genom mitokondriernas yttre membran sker genom ett porin (VDAC-protein), som tillåter även små proteiner att passera igenom. Närvaron av poriner i det yttre membranet gör att intermembranutrymmet (MMP) i sammansättning liknar cytoplasman, förutom proteinsammansättningen.
Det yttre membranet av mitokondrier är mycket bekvämare för forskning, så transportvägarna genom det inre membranet studeras mindre.
För närvarande är det inte känt i vilka molekyler järn-svavelkluster transporteras från mitokondrier [2, 3], men sökandet efter denna bärare verkar vara en extremt intressant uppgift, eftersom denna komponent, förutom klusterleverans, kan ta del av regleringen av cellernas ämnesomsättning, inklusive kontroll av järnkoncentrationen i cellen och i mitokondrier, samt påverka transkriptionen och translationen av ett antal gener. Samtidigt tror man att transport genom det inre membranet utförs genom Atm1 (ett protein från ABC-transportörfamiljen), som har ATPas-aktivitet. Denna aktivitet ökade med tillsats av peptider med tillgängliga cystein-SH-grupper. Eftersom aktiviteten hos ABC-transportörer vanligtvis induceras av komponenterna de transporterar, är det troligt att den hypotetiska bäraren innehåller fria -SH-grupper [4] .
Transporten underlättas av sulfoxid Erv1 löst i mitokondriernas intermembranutrymme (MMP). För Erv1, förutom den katalytiska aktiviteten associerad med oxidationen av —SH-grupper, har det visats att det kan ge transport i MMP på grund av bildandet av S–S-bindningar [4] .
Den tredje komponenten som behövs för transport från mitokondrier är glutation .
För jäst antas det att det inte finns någon syntes av järn-svavelkluster i cytoplasman [3] , men i däggdjursceller fortskrider syntesen av Fe-S-kluster utanför mitokondrierna tillsammans med syntesen i mitokondrier [4] . Samtidigt visar sig värdet av mitokondriell syntes vara högre, att döma av cellers reaktion som svar på en minskad syntesvolym (mekanismer för att "rädda" befintliga kluster utlöses och koncentrationen av Fe i mitokondrier ökar).
I jäst överförs järn-svavelkluster från mitokondrier till Tah18- och Dre2-proteiner. Vidare accepteras klustren av Cfd1-Nbp35-dimeren, som kan interagera med andra proteiner och överföra järn-svavelkluster som är nödvändiga för mognaden av dessa proteiner till dem. Två adapterproteiner är involverade i överföringsprocessen: Nar1 och Cia1. Det visades att Nar1 själv innehåller Fe–S-kluster och bildar komplex med Cia1 och Nbp35. Cia1 är strukturellt en betapropeller och är troligen kapabel att hjälpa interaktionen av Fe–S-klusteracceptorproteiner med Cfd1–Nbp35–Nar1-komplexet som bär dem.
Det har visats på mänskliga celler att humana analoger av huNfs1, huIsu1, huNfu1 och frataxin har isoformer utan mitokondriella lokaliseringssignaler (huNfs1, huIsu1, huNfu1 tar inte emot dessa signaler när de översätts från det andra startkodonet ) och är närvarande i mindre mängder i cytoplasman och kärnan. Denna närvaro är strikt nödvändig i normen, eftersom utan den utlöses signaler som ökar halten av Fe i cellen och mitokondrierna, minskar syntesen av hemer och konsumtionen av järn-svavelkluster. Förmodligen utövar cellen på detta sätt kontroll över den normala syntesen av kluster och försöker förhindra sin egen död i händelse av brist på dem.
Vissa parasitiska organismer har under evolutionens gång förlorat mitokondrier tillsammans med processerna för hemsyntes och andning som utförs i dem. Men de kunde inte klara sig utan syntesen av järn-svavelkluster; därför innehåller deras hydrogenosomer (reducerade mitokondrier) analoger av system för syntes av järn-svavelkluster. Exempel på sådana organismer är giardia och mikrosporidier .
Det finns undantag från denna regel, till exempel i Trachipleistophora hominis är Isu1- och frataxinproteinerna belägna i cytoplasman, och Nfs1, Isd11 och Ssq1 är belägna i mitosomerna ; och i Encephalitozoon cuniculi kunde ISC-systemet inte hittas, men det finns homologer av NifS- och NifU-proteinerna [3] .
Vanligtvis har de viktigaste processerna i cellen flera sätt att implementera, för att överleva i händelse av ett sammanbrott av huvudmekanismen på grund av närvaron av en reserv (exempel är olika varianter av DNA-reparation, komplementära processer av apoptos och nekros ). I det här fallet fanns det inga alternativa vägar för syntes av järn-svavelkluster, därför utförs strikt kontroll över dess funktion. I detta fall dupliceras kontrollen upprepade gånger.
Eftersom en förskjutning i mängden reaktanter förskjuter reaktionens jämvikt mot bildning av produkter, bör antalet uppsamlade järn-svavelkluster öka med en ökning av mängden tillgängligt järn.
Eftersom proteinerna för syntes och transport av järn-svavelkluster är kodade i kärnan (även om de är lokaliserade i mitokondrier) måste signalen i händelse av nedbrytning nå kärnan.
Transkriptionsfaktorerna Aft1 och Aft2 spelar en mycket viktig roll i regleringen av järnmetabolismen. När nivån av järn i cellen minskar, transporteras Aft1 till kärnan med hjälp av Psel-importin och interagerar med generna i det så kallade järnregulonet , vilket aktiverar deras transkription. Bland dessa gener finns järntransportörgener, som ökar den totala mängden järn i cellen.
Ett annat mål för Aft1 är det RNA-bindande proteinet Cth2, som under verkan av Aft1 börjar förstöra budbärar-RNA från järnanvändande proteiner, vilket minskar järnintaget.
Mekanismen för järnnivådetektion av Aft1-proteinet är inte känd med säkerhet. Det antas att mitokondrier exporterar en viss faktor som är direkt relaterad till intensiteten i arbetet med apparaten för syntes av järn-svavelkluster. En av kandidaterna för denna faktors roll är proteinbäraren av järn-svavelkluster från mitokondrier, som överför klustren till det cytoplasmatiska systemet CIA ( cytosolisk ISP - sammansättning ).
Aft2 anses vara en mildare och långsammare regulator, som fenotypiskt har samma effekt som Aft1.
Det första enzymet som uppfattar bristen på Fe–S-kluster är IRP1-enzymet, som kan inkludera Fe–S-klustret i sin struktur och har olika konformationer, med och utan ett kluster. Det är beläget i cytoplasman och tar emot ett kluster från CIA-systemet, därför känner det alla nedbrytningar i systemet för syntes och transport av Fe–S-kluster.
Utan Fe–S-klustret har IRP1 en katalytiskt aktiv domän som interagerar med IRE ( järnansvarig region ) av RNA från vissa proteiner . Det finns 2 typer av interaktioner:
Förutom IRP1 innehåller cellen IRP2-faktorn, som fungerar på samma sätt som IRP1, men inte innehåller järn-svavelkluster, och mekanismen för IRP2-känslighet har ännu inte fastställts.
tRNA har en stabil tertiär struktur, tillhandahållen genom bildandet av komplementära interaktioner och vätebindningar inom själva RNA-kedjan. För att delta i translation måste det syntetiserade tRNA:t vikas ordentligt och genomgå vissa förändringar. En sådan förändring är tiomodifieringen av uracilerna U34 och U35 i jäst och däggdjur i cytoplasmatiska och mitokondriella tRNA. Bakterier har också tiomodifieringar.
Dessa modifieringar är beroende av Fe-S-innehållande proteiner, och störningar i deras syntes orsakar utbredda störningar i translation och leder till döden. Mekanismen genom vilken sambandet mellan syntesen av Fe–S-kluster och denna modifiering utförs har för närvarande inte studerats mycket.
Järnjoner är en bra oorganisk katalysator för nedbrytning av väteperoxid. Peroxid bryts ner till hydroxylradikaler, som är extremt aktiva och farliga för celler. Radikaler utlöser primärt lipidperoxidation av mitokondriella membran, såväl som deras enzymer och DNA. Mitokondrier arbetar med syre och kan bilda dess reaktiva syrearter (ROS). Således stängs processen, accelererar och mitokondrierna och hela cellen försämras, som ett resultat av vilket den kan dö av apoptos/nekros eller bli cancerös på grund av mutationer.
Såsom visas ovan leder störningar i driften av apparaten för syntes av järn-svavelkluster till en ökning av mängden järn och därmed katalysatorerna för bildningen av reaktiva syreämnen.
Observera att en kränkning av någon av generna för syntes eller transport av järn-svavelkluster blockerar (åtminstone i jäst) deras leverans till cytoplasman, så symtomen på sjukdomar är ofta liknande.
Vanligtvis är dessa sjukdomar mycket sällsynta, endast förknippade med en kränkning eller minskning av syntesen av Fe-S-innehållande proteiner, eftersom den fullständiga frånvaron av vissa proteiner vanligtvis är dödlig.