철-황 단백질
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1. 개요
철-황 단백질은 철(Fe) 원자와 황(S) 원자로 구성된 클러스터를 포함하는 단백질이다. 이들은 전자 전달, 효소 반응의 보조 인자 등 다양한 생화학적 과정에 관여하며, 2Fe–2S, 4Fe–4S, 3Fe–4S 클러스터와 같은 다양한 구조 모티프를 가진다. 2Fe–2S 클러스터는 가장 단순한 형태로, 4Fe–4S 클러스터는 전자 전달 단백질인 페레독신과 고전위 철-황 단백질(HiPIP)로 세분화된다. 3Fe–4S 클러스터는 4Fe-4S 클러스터에서 철 이온이 하나 감소된 형태이며, 철-황 클러스터의 생합성은 잘 연구되어 있으며, 다양한 생합성 시스템이 존재한다. 또한, 자연적으로 생성되는 Fe-S 클러스터의 합성 유사체도 개발되었다.
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철-황 단백질 | |
---|---|
기본 정보 | |
![]() | |
발견 연도 | 1960년대 초 |
발견자 | 리처드 멀트 더글러스 C. 윈터 헤르무트 베히너 |
종류 | |
주요 종류 | Fe-S 클러스터를 함유하는 단백질 |
분류 기준 | 철 원자 수 황 원자 수 리간드 종류 (시스테인, 무기 황) |
구조 및 기능 | |
핵심 구조 | 철-황 클러스터 (Fe-S 클러스터) |
기능 | 전자 전달 효소 촉매 작용 센서 역할 기질 결합 |
예시 | |
주요 예시 | 페레독신 하이드록시메틸글루타릴-CoA 리아제 질소고정 효소 아콘티네이스 숙시네이트 탈수소효소 |
추가 정보 | |
관련 질병 | 철-황 클러스터 생합성 결함 관련 질병 (드물다) |
참고 문헌 | PMID 11264416 |
2. 구조 모티프
거의 모든 철-황 단백질에서 Fe 중심은 사면체 구조를 가지며, 시스테인 잔기의 싸이올레이트 황 원자가 리간드로 결합한다. 황화물 이온은 2개 또는 3개의 배위 결합을 갖는다. 이러한 특징을 가진 세 가지 종류의 철-황 클러스터가 가장 일반적이다.
2. 1. 2Fe–2S 클러스터

가장 단순한 다금속 시스템인 [Fe2S2] 클러스터는 2개의 황화물 이온으로 가교되고, 4개의 시스테닐 리간드(페레독신에서) 또는 2개의 시스테인과 2개의 히스티딘(리에스케 단백질에서)에 의해 배위되는 2개의 철 이온으로 구성된다. 산화된 단백질은 2개의 Fe3+ 이온을 포함하는 반면, 환원된 단백질은 1개의 Fe3+ 이온 및 1개의 Fe2+ 이온을 포함한다. 이 화학종은 (FeIII)2와 FeIIIFeII의 두 가지 산화 상태로 존재한다. CDGSH 철 황 도메인은 2Fe–2S 클러스터와도 관련이 있다.
2. 2. 4Fe–4S 클러스터
4개의 철 이온과 4개의 황화물 이온이 쿠베인(cubane) 형태의 클러스터를 형성한다. 각 철 이온은 시스테인 잔기에 의해 추가적으로 배위된다. [Fe4S4] 전자전달 단백질([Fe4S4] 페레독신)은 저전위(세균형) 페레독신과 고전위 페레독신(HiPIP)로 좀 더 세분화될 수 있다.
고전위 철-황 단백질(HiPIP)에서 클러스터는 [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+)와 [3Fe3+, Fe2+] (Fe4S43+)사이를 왕복한다. 이 산화환원 쌍의 전위 범위는 0.4V~0.1V이다. 세균의 페레독신에서 산화 상태의 쌍은 [Fe3+, 3Fe2+] (Fe4S4+) 및 [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+)이다. 이 산화환원 쌍의 전위 범위는 -0.3V에서 -0.7V 사이이다. 4Fe–4S 클러스터의 2가지 패밀리는 Fe4S42+ 산화 상태를 공유한다. 산화환원 쌍의 차이는 수소 결합의 정도에 기인하며, 이는 시스테닐 싸이올레이트 리간드의 염기성을 강하게 변형시킨다.
일부 4Fe–4S 클러스터는 기질과 결합하기 때문에 효소 보조 인자로 분류된다. 아코니테이스에서 Fe–S 클러스터는 싸이올레이트 리간드가 없는 한 개의 Fe 중심에서 아코니트산과 결합한다. 클러스터는 산화환원을 거치지 않지만, 시트르산을 아이소시트르산으로 전환시키는 루이스 산 촉매 역할을 한다. 라디칼 SAM 효소에서 클러스터는 ''S''-아데노실메티오닌과 결합하고 환원시켜 많은 생합성에 관여하는 라디칼을 생성한다.[9]
2. 3. 3Fe–4S 클러스터
단백질은 일반적인 4Fe-4S 코어보다 철 이온이 하나 적은 [Fe3S4] 중심을 포함하는 것으로도 알려져 있다. 3개의 황화물 이온은 각각 2개의 철 이온과 결합하고, 4번째 황화물은 3개의 철 이온과 결합한다. 이들의 공식적인 산화 상태는 [Fe3S4]+ (모두 Fe3+ 형태)에서 [Fe3S4]2- (모두 Fe2+ 형태)까지 다양할 수 있다. 많은 철-황 단백질에서 4Fe-4S 클러스터는 산화 및 한 개의 철 이온 소실에 의해 3Fe-4S 클러스터로 가역적으로 전환될 수 있다. 예를 들어 비활성 형태의 아코니테이스는 [Fe3S4]를 가지며 Fe2+ 및 환원제의 첨가에 의해 활성화된다.2. 4. 기타 Fe–S 클러스터
질소고정효소의 8Fe 클러스터와 7Fe 클러스터를 포함하여 더 복잡한 다금속 시스템이 일반적이다.[10][11] 일산화 탄소 탈수소효소와 [FeFe]-수소화효소도 특이한 Fe–S 클러스터를 가지고 있다. 특별한 6 시스테인-배위 [Fe4S3] 클러스터가 산소 내성 막 결합 [NiFe] 수소화효소에서 발견되었다.[10][11]
3. 생합성
Fe-S 클러스터의 생합성은 잘 연구되었다.[12][13][14] 철-황 클러스터의 생합성은 대장균, 아조토박터 비넬란디이(Azotobacter vinelandii), 효모인 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)에서 가장 광범위하게 연구되었다. 지금까지 세균에서 처음으로 확인된 NIF, SUF, ISC 시스템의 적어도 3가지의 다른 생합성 시스템이 확인되었다. NIF 시스템은 질소고정효소의 클러스터를 담당한다. SUF 및 ISC 시스템이 보다 더 일반적이다.
효모의 ISC 시스템이 가장 잘 설명되어 있다. 여러 단백질들은 ISC 경로를 통해 생합성 체계를 구성한다. 이 과정은 다음과 같이 두 가지 주요 단계로 진행된다. (1) Fe-S 클러스터는 스캐폴드 단백질 상에서 조립된 다음, (2) 미리 형성된 클러스터를 수용체 단백질로 이동시킨다. 이 과정의 첫 번째 단계는 원핵생물의 세포질이나 진핵생물의 미토콘드리아에서 일어난다. 따라서 고등 생물에서 클러스터는 미토콘드리아 밖으로 수송되어 미토콘드리아 외부의 효소로 통합된다. 이러한 생물체는 또한 원핵생물의 시스템에서 발견되는 단백질과 상동이 아닌 Fe-S 클러스터 수송 및 통합 과정에 관여하는 단백질의 세트를 가지고 있다.
4. 합성 유사체
리처드 해들리 홈과 그의 동료들이 자연적으로 생성되는 Fe-S 클러스터의 합성 유사체를 최초로 보고하였다.[15] 싸이올레이트와 황화물의 혼합물로 철 염을 처리하면
참조
[1]
서적
Principles of Bioinorganic Chemistry
University Science Books
[2]
논문
S-adenosylmethionine as an oxidant: the radical SAM superfamily
[3]
논문
Structure, function and formation of biological iron-sulfur clusters
[4]
간행물
Iron-sulfur proteins
John Wiley & Sons
[5]
논문
Iron-sulfur-protein biogenesis in eukaryotes
[6]
논문
Structure and Properties of a Synthetic Analogue of Bacterial Iron-Sulfur Proteins
[7]
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University Science Books
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논문
Alternative FeS cluster ligands: tuning redox potentials and chemistry
[9]
논문
S-adenosylmethionine as an oxidant: the radical SAM superfamily
https://archive.org/[...]
[10]
논문
The crystal structure of an oxygen-tolerant hydrogenase uncovers a novel iron-sulphur centre
2011-10-16
[11]
논문
Structural basis for a [4Fe-3S] cluster in the oxygen-tolerant membrane-bound [NiFe]-hydrogenase
2011-10-16
[12]
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Structure, function and formation of biological iron–sulfur clusters
[13]
간행물
Iron–sulfur proteins
John Wiley & Sons
[14]
논문
Iron–sulfur-protein biogenesis in eukaryotes
https://archive.org/[...]
[15]
논문
Structure and Properties of a Synthetic Analogue of Bacterial Iron-Sulfur Proteins
[16]
논문
Structural Conversions of Synthetic and Protein-Bound Iron-Sulfur Clusters
[17]
논문
Developments in the Biomimetic Chemistry of Cubane-Type and Higher Nuclearity Iron–Sulfur Clusters
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