Jern-svovl-klynger (også Fe-S-klynger ) er organoelementforbindelser , en gruppe af protein- cofaktorer med et redox-potentiale (Red/Ox) i området fra -500 mV til +300 mV [1] . Red/ox-potentialet afhænger af proteinets struktur og konformation , hvilket gør disse cofaktorer til de vigtigste deltagere i redoxreaktioner i cellen . Jern-svovl klynger er i stand til at acceptere eller donere elektroner (se figur). Proteiner, der indeholder jern-svovlklynger, er evolutionært ældgamle og er almindelige i alle riger, inklusive dyr, planter, svampe , bakterier og arkæer . Mutationer i generne for metabolismen af Fe-S-klynger er årsag til mange alvorlige sygdomme eller er dødelige.
I den indledende fase af livets udvikling havde Jorden en reducerende atmosfære, der var ingen ilt , vulkansk aktivitet blev ledsaget af emissioner af svovlbrinte, og en betydelig mængde jernholdigt jern blev opløst i havet . Som det vil blive beskrevet nedenfor, er det fra grundstofferne i disse (Fe 2+ og S 2− ) oxidationstilstande, at nye jern-svovlklynger syntetiseres i cellerne i levende organismer [3] . Formentlig er uorganiske strukturer, der ligner jern-svovlklynger, dannet spontant under sådanne forhold, og gamle levende organismer tilpassede disse strukturer ved at inkorporere dem i proteinmolekyler [4] .
Evnen til at overføre elektroner i de resulterende proteiner viste sig at være tæt forbundet med udvekslingen af energi i celler, så disse enzymer fortsatte med at udvikle sig, og deres gener blev fikseret i alle levende organismer.
Modelorganismer til at studere syntesen og overførslen af jern-svovlklynger i cellen er gæren S. cerevisiae , Escherichia coli ( E. coli ), høbacillus ( B. subtilis ), Tals kløver ( A. thaliana ) og mange andre organismer; Disse processer studeres også i menneskelige celler.
For bakterielle organismer er der tre systemer af proteiner involveret i syntesen af jern-svovlklynger [3] :
Der er fire systemer for eukaryoter:
Vi vil vælge gær ( S. cerevisiae ) som hovedmodelorganismen til beskrivelse , dette er nødvendigt for ikke at skabe forvirring i navnene på proteiner, hvis homologer kaldes forskelligt i forskellige organismer.
Direkte syntese kræver dannelse af et kompleks af Nfs1- og Isu1-proteiner. Nfs1, udover funktionen af kompleksdannelse, fungerer som svovldonor, som overføres fra Cys-rester med deltagelse af pyridoxalphosphat som en cofaktor. Isu1 er ekstremt vigtig for samlingen af hele klyngen, da den accepterer donerede svovl- og Fe 2+ -atomer og stabler dem på den nødvendige måde for at danne 2Fe-2S- eller 4Fe-4S-klynger på bekostning af sine egne Cys-rester.[2 ,3]
Gær har også Isu2-isoformen, dannet ved duplikering af Isu1-genet. Begge isoformer kan deltage i klyngesyntese.
Det er også blevet vist, at binding af Nfs1 til det meget mindre Isd11-protein er påkrævet for dannelsen af jern-svovl-klynger. Denne mekanisme opstod evolutionært for længe siden, da den er til stede i mange organismer.
Kilden til jern har vist sig at være Yfh1 (frataxin hos mennesker). Dens binding til det samlede proteinkompleks stimulerer dannelsen af en færdiglavet jern-svovl-klynge på Isu1.
Jernioner skal leveres til mitokondrierne gennem en lavpermeabel indre membran. Denne proces udføres af mitokondrietransporterne Mrs3 og Mrs4, som kun kan passere Fe 2+ . Dette jern binder Yfh1. Andre måder at transportere jern ind i mitokondriematrixen er også mulige .
Når man laver en klynge, skal svovl reduceres til en oxidationstilstand på -2. Elektroner overføres fra NADH via ferredoxin Yah1 og ferredoxin reduktase Arh1.
Chaperonen Ssq1 (fra HSP70-familien), cochaperonen Jac1 og nukleotidbytterfaktoren Mge1 spiller hovedrollen i fjernelsen af den dannede klynge fra Isu1. Det er kendt, at Jac1 aktiverer ATPase-aktiviteten af Ssq1; denne energi bruges på interaktion med den meget konserverede region af Isu1, hvilket gør Fe-S-klynger tilgængelige for overførsel til andre proteiner. Nukleotidbytterfaktoren Mge1 er nødvendig for at ekstrahere ADP fra Ssq1 [3] .
I bakterier er nukleotidbytterfaktoren ikke påkrævet.
Overførslen af tilgængelige klynger fra Isu1 til modtagerproteiner kan udføres direkte eller gennem mellemliggende proteiner, såsom Grx5.
Nogle af de vigtigste proteiner, der indeholder Fe-S-klynger i matrixen, er aconitaser Aco1 og Lys4, biotinsyntase Bio2 og liponsyresyntase Lip5. Overførslen af klynger til disse proteiner sker kun i nærvær af Isa1- og Isa2-proteinerne og Iba57-proteinet, der binder til dem begge. Fænotyperne af svampe med undertrykt ekspression af Isa1, Isa2, Iba57 er ens, og data om deres interaktion indikerer deltagelse i den samme proces [3] .
Mitokondrier er to-membranorganeller i eukaryote celler. Mange stoffer transporteres dårligt gennem det hydrofobe lag af membraner; derfor eksisterer komplekse bærerproteiner, kanaler og receptorer til mitokondriel transport . Som regel er den sværeste opgave transport gennem den indre mitokondriemembran, som normalt opretholder det membranpotentiale, der er nødvendigt for driften af ATP-syntase . For at skabe dette potentiale skal membranen være ekstremt svag permeabel selv for protoner. Naturligvis er transport gennem en sådan membran forbundet med øgede vanskeligheder.
Transporten af molekyler, der vejer mindre end 10 kDa , gennem mitokondriers ydre membran, udføres gennem et porin (VDAC-protein), som tillader selv små proteiner at passere igennem. Tilstedeværelsen af poriner i den ydre membran gør, at intermembranrummet (MMP) i sammensætning ligner cytoplasmaet, bortset fra proteinsammensætningen.
Den ydre membran af mitokondrier er meget mere bekvem til forskning, så transportvejene gennem den indre membran er mindre undersøgt.
På nuværende tidspunkt vides det ikke, i hvilke molekyler jern-svovlklynger transporteres fra mitokondrier [2, 3], men eftersøgningen efter denne bærer ser ud til at være en yderst interessant opgave, da denne komponent udover klyngelevering kan tage del i reguleringen af cellestofskiftet, herunder kontrol af jernkoncentrationen i cellen og i mitokondrier, samt påvirke transkriptionen og translationen af en række gener. Samtidig menes det, at transport gennem den indre membran udføres gennem Atm1 (et protein fra ABC-transportørfamilien), som har ATPase-aktivitet. Denne aktivitet steg med tilsætning af peptider med tilgængelige cystein-SH-grupper. Da aktiviteten af ABC-transportører normalt induceres af de komponenter, de transporterer, er det sandsynligt, at den hypotetiske bærer indeholder frie -SH-grupper [4] .
Transport lettes af sulfoxid Erv1 opløst i mitokondriers intermembranrum (MMP). For Erv1 er det ud over den katalytiske aktivitet forbundet med oxidationen af —SH-grupper blevet vist, at det kan give transport i MMP på grund af dannelsen af S-S-bindinger [4] .
Den tredje komponent, der er nødvendig for transport fra mitokondrier, er glutathion .
For gær antages det, at der ikke er nogen syntese af jern-svovlklynger i cytoplasmaet [3] , men i pattedyrsceller forløber syntesen af Fe-S-klynger uden for mitokondrierne sammen med syntesen i mitokondrier [4] . Samtidig viser værdien af mitokondriel syntese sig at være højere, at dømme ud fra cellernes reaktion som reaktion på et reduceret volumen af syntese (mekanismer til at "gemme" eksisterende klynger udløses, og koncentrationen af Fe i mitokondrier stiger).
I gær overføres jern-svovlklynger fra mitokondrier til Tah18- og Dre2-proteiner. Yderligere accepteres klyngerne af Cfd1-Nbp35-dimeren, som kan interagere med andre proteiner og overføre jern-svovlklynger, der er nødvendige for modningen af disse proteiner til dem. To adapterproteiner er involveret i transmissionsprocessen: Nar1 og Cia1. Det blev vist, at Nar1 selv indeholder Fe-S-klynger og danner komplekser med Cia1 og Nbp35. Cia1 er strukturelt en beta-propel og er sandsynligvis i stand til at assistere interaktionen af Fe-S-klyngeacceptorproteiner med Cfd1-Nbp35-Nar1-komplekset, der bærer dem.
Det er blevet vist på humane celler, at humane analoger af huNfs1, huIsu1, huNfu1 og frataxin har isoformer uden mitokondrielle lokaliseringssignaler (huNfs1, huIsu1, huNfu1 modtager ikke disse signaler, når de oversættes fra den anden startkodon ) og er til stede i mindre mængder i cytoplasma og kerne. Denne tilstedeværelse er strengt nødvendig i normen, da uden den udløses signaler, der øger indholdet af Fe i cellen og mitokondrier, reducerer syntesen af hæm og forbruget af jern-svovlklynger. Sandsynligvis udøver cellen på denne måde kontrol over den normale syntese af klynger og forsøger at forhindre sin egen død i tilfælde af deres mangel.
Nogle parasitære organismer har i løbet af evolutionen mistet mitokondrier sammen med processerne med hæmsyntese og respiration udført i dem. Imidlertid kunne de ikke undvære syntesen af jern-svovl-klynger; derfor indeholder deres hydrogenosomer (reducerede mitokondrier) analoger af systemer til syntese af jern-svovl-klynger. Eksempler på sådanne organismer er giardia og mikrosporidier .
Der er undtagelser fra denne regel, for eksempel i Trachipleistophora hominis er Isu1- og frataxinproteinerne placeret i cytoplasmaet, og Nfs1, Isd11 og Ssq1 er placeret i mitosomerne ; og i Encephalitozoon cuniculi kunne ISC-systemet ikke findes, men der er homologer af NifS- og NifU-proteinerne [3] .
Normalt har de vigtigste processer i cellen flere måder at implementere på for at overleve i tilfælde af et sammenbrud af hovedmekanismen på grund af tilstedeværelsen af en reserve (eksempler er forskellige varianter af DNA-reparation, komplementære processer af apoptose og nekrose ). I dette tilfælde var der ingen alternative ruter til syntese af jern-svovlklynger; derfor udføres streng kontrol over dens drift. I dette tilfælde duplikeres kontrollen gentagne gange.
Da et skift i mængden af reaktanter forskyder reaktionens ligevægt mod dannelsen af produkter, bør antallet af opsamlede jern-svovlklynger stige med en stigning i mængden af tilgængeligt jern.
Da proteinerne til syntese og transport af jern-svovl-klynger er kodet i kernen (selvom de er lokaliseret i mitokondrier), skal signalet i tilfælde af et sammenbrud nå kernen.
Transskriptionsfaktorerne Aft1 og Aft2 spiller en meget vigtig rolle i reguleringen af jernmetabolismen. Når niveauet af jern i cellen falder, transporteres Aft1 til kernen ved hjælp af Psel-importin og interagerer med generne i det såkaldte jernregulon , hvilket aktiverer deres transkription. Blandt disse gener er jerntransportergener, som øger den samlede mængde jern i cellen.
Et andet mål for Aft1 er det RNA-bindende protein Cth2, som under påvirkning af Aft1 begynder at ødelægge messenger-RNA'er fra jernbrugende proteiner, hvilket reducerer jernindtaget.
Mekanismen for jernniveaudetektion af Aft1-proteinet er ikke kendt med sikkerhed. Det antages, at mitokondrier eksporterer en vis faktor, der er direkte relateret til intensiteten af arbejdet i apparatet til syntese af jern-svovlklynger. En af kandidaterne til denne faktors rolle er proteinbæreren af jern-svovl-klynger fra mitokondrier, som overfører klyngerne til det cytoplasmatiske system CIA ( cytosolisk ISP -samling ).
Aft2 anses for at være en mildere og langsommere regulator, der fænotypisk har samme effekt som Aft1.
Det første enzym, der opfatter manglen på Fe-S-klynger, er IRP1-enzymet, som kan inkludere Fe-S-klyngen i sin struktur og har forskellige konformationer, med og uden en klynge. Det er placeret i cytoplasmaet og modtager en klynge fra CIA-systemet, derfor føler det alle nedbrydningerne i systemet for syntese og transport af Fe-S-klynger.
Uden Fe-S-klyngen har IRP1 et katalytisk aktivt domæne, der interagerer med IRE ( jern-ansvarlig region ) af RNA fra nogle proteiner . Der er 2 typer interaktioner:
Ud over IRP1 indeholder cellen IRP2-faktoren, som virker på samme måde som IRP1, men ikke indeholder jern-svovl-klynger, og mekanismen for IRP2-følsomhed er endnu ikke blevet bestemt.
tRNA har en stabil tertiær struktur, tilvejebragt ved dannelsen af komplementære interaktioner og hydrogenbindinger i selve RNA-kæden. For at deltage i translation skal det syntetiserede tRNA foldes korrekt og gennemgå nogle ændringer. En sådan ændring er thio-modifikationen af uracil U34 og U35 i gær og pattedyr i cytoplasmatiske og mitokondrielle tRNA'er. Bakterier har også thio-modifikationer.
Disse modifikationer afhænger af Fe-S-holdige proteiner, og forstyrrelser i deres syntese forårsager udbredte forstyrrelser i translation og fører til døden. Den mekanisme, hvorved forbindelsen mellem syntesen af Fe-S-klynger og denne modifikation udføres, er blevet undersøgt lidt i øjeblikket.
Jernioner er en god uorganisk katalysator til nedbrydning af hydrogenperoxid. Peroxid nedbrydes til hydroxylradikaler, som er ekstremt aktive og farlige for celler. Radikaler udløser primært lipidperoxidation af mitokondriemembraner, såvel som deres enzymer og DNA. Mitokondrier arbejder med oxygen og kan danne dets reaktive oxygenarter (ROS). Således lukker processen, accelererer, og mitokondrierne og hele cellen forringes, som følge heraf kan den dø af apoptose/nekrose eller blive kræftfremkaldende på grund af mutationer.
Som vist ovenfor fører forstyrrelser i driften af apparatet til syntese af jern-svovlklynger til en stigning i mængden af jern og dermed katalysatorerne for dannelsen af reaktive oxygenarter.
Bemærk, at en krænkelse af nogen af generne for syntese eller transport af jern-svovlklynger blokerer (i det mindste i gær) deres levering til cytoplasmaet, så symptomerne på sygdomme er ofte ens.
Normalt er disse sygdomme meget sjældne, kun forbundet med en krænkelse eller et fald i syntesen af Fe-S-holdige proteiner, da det fuldstændige fravær af visse proteiner normalt er dødeligt.