proteína hierro-azufre

Las proteínas hierro-azufre participan en diversos procesos biológicos de transporte de electrones, como la fotosíntesis y la respiración celular, que requieren una rápida transferencia de electrones para satisfacer las necesidades energéticas o bioquímicas del organismo. Para desempeñar sus diversas funciones biológicas, las proteínas hierro-azufre realizan transferencias rápidas de electrones y abarcan todo el rango de potenciales redox fisiológicos, desde -600 mV hasta +460 mV.

Los enlaces Fe ³⁺ -SR tienen una covalencia inusualmente alta, lo cual es esperado. Al comparar la covalencia de Fe ³⁺ con la de Fe ²⁺ , Fe ³⁺ tiene casi el doble de covalencia que Fe ²⁺ (20% a 38,4%). ^{[ 5 ]} Fe ³⁺ también está mucho más estabilizado que Fe ²⁺ . Los iones duros como Fe ³⁺ normalmente tienen baja covalencia debido al desajuste de energía entre el orbital molecular desocupado más bajo del metal y el orbital molecular ocupado más alto del ligando .

Las moléculas de agua externas situadas cerca del sitio activo hierro-azufre reducen la covalencia; esto se puede demostrar mediante experimentos de liofilización en los que se elimina el agua de la proteína. Esta reducción se debe a que el agua externa forma enlaces de hidrógeno con el azufre de la cisteína, disminuyendo la donación de electrones del par solitario de este último al Fe³⁺ ^/²⁺ al atraer los electrones del azufre. ^{[ 5 ]} Dado que la covalencia estabiliza más al ^{Fe³⁺ que al Fe²⁺} , el Fe³⁺ ^se desestabiliza más por el enlace de hidrógeno HOH-S.

Las energías de los orbitales 3d del Fe³⁺ ^siguen el esquema de enlace "invertido" que, fortuitamente, hace que los orbitales d del Fe³⁺ ^coincidan estrechamente en energía con los orbitales 3p del azufre, lo que da una alta covalencia en el orbital molecular de enlace resultante. ^{[ 3 ]} Esta alta covalencia reduce la energía de reorganización de la esfera interna ^{[ 3 ]} y, en última instancia, contribuye a una rápida transferencia de electrones.

El sistema polimetálico más simple, el clúster [Fe₂S₂ _{] ,} está constituido por dos iones de hierro unidos por dos iones sulfuro y coordinados por cuatro ligandos de cisteinilo (en las ferredoxinas Fe₂S₂ ) _{o por} dos cisteínas y dos histidinas (en las proteínas de Rieske ). Las proteínas oxidadas contienen dos iones Fe³⁺ ^, mientras que las proteínas reducidas contienen un ion Fe³⁺ ^y un ion Fe²⁺ ^. Estas especies existen en dos estados de oxidación, (Fe³⁺ ^{) ₂} y _{Fe³⁺Fe²⁺} . ^El dominio hierro-azufre de CDGSH también se asocia con clústeres 2Fe-2S.

Las proteínas de Rieske contienen cúmulos de Fe-S que se coordinan formando una estructura 2Fe-2S y se encuentran en el complejo citocromo bc1 III, unido a la membrana, en las mitocondrias de eucariotas y bacterias. También forman parte de las proteínas del cloroplasto , como el complejo citocromo b6f _en organismos fotosintéticos. Estos organismos fotosintéticos incluyen plantas, algas verdes y cianobacterias , precursoras bacterianas de los cloroplastos. Ambos forman parte de la cadena de transporte de electrones de sus respectivos organismos , un paso crucial en la obtención de energía para muchos organismos. ^{[ 6 ]}

Un motivo común presenta cuatro iones de hierro y cuatro iones de sulfuro ubicados en los vértices de un clúster de tipo cubano . Los centros de Fe suelen estar coordinados además por ligandos de cisteinilo. Las proteínas de transferencia de electrones [Fe₄S₄] (ferredoxinas [Fe₄S₄ _{] ) pueden} subdividirse en ferredoxinas de bajo potencial (tipo bacteriano) y _de alto potencial (HiPIP) . Las ferredoxinas de bajo y alto potencial están relacionadas por el siguiente esquema redox:

En HiPIP, el clúster alterna entre [2Fe ³⁺ , 2Fe ²⁺ ] (Fe ₄ S ₄ ²⁺ ) y [3Fe ³⁺ , Fe ²⁺ ] (Fe ₄ S ₄ ³⁺ ). Los potenciales para este par redox varían de 0,4 a 0,1 V. En las ferredoxinas bacterianas, el par de estados de oxidación es [Fe ³⁺ , 3Fe ²⁺ ] (Fe ₄ S ₄ ⁺ ) y [2Fe ³⁺ , 2Fe ²⁺ ] (Fe ₄ S ₄ ²⁺ ). Los potenciales para este par redox varían de −0,3 a −0,7 V. Las dos familias de clústeres 4Fe–4S comparten el estado de oxidación Fe ₄ S ₄ ²⁺ . La diferencia en los pares redox se atribuye al grado de enlaces de hidrógeno, que modifica fuertemente la basicidad de los ligandos tiolato de cisteinilo. Un par redox adicional, que es aún más reductor que las ferredoxinas bacterianas, está implicado en la nitrogenasa .

Algunos clústeres 4Fe–4S se unen a sustratos y, por lo tanto, se clasifican como cofactores enzimáticos. En la aconitasa , el clúster Fe–S se une al aconitato en el centro Fe que carece de un ligando tiolato. El clúster no experimenta reacciones redox, sino que actúa como catalizador ácido de Lewis para convertir el citrato en isocitrato . En las enzimas SAM radicalarias , el clúster se une a la S-adenosilmetionina y la reduce para generar un radical, que participa en numerosas biosíntesis. ^{[ 7 ]}

El segundo cubano que se muestra aquí, con pares de valencia mixta (2 Fe3+ y 2 Fe2+), tiene una mayor estabilidad debido a la comunicación covalente y a la fuerte deslocalización covalente del electrón "extra" del Fe2+ reducido, lo que da como resultado un acoplamiento ferromagnético completo.

_También se sabe que las proteínas contienen centros [Fe₃S₄ _] , que presentan un hierro menos que los núcleos [Fe₄S₄] más comunes. Tres iones sulfuro unen dos iones hierro cada uno, mientras que el cuarto sulfuro une tres iones hierro. Sus estados de oxidación formales pueden variar desde [Fe₃S₄ _{] ⁺} ( forma totalmente Fe³⁺) hasta [Fe₃S₄] ²⁻ ₍ forma ^{totalmente Fe²⁺} ) _. En _{varias proteínas} hierro ^- azufre ^, el clúster [Fe₄S₄ _] puede convertirse reversiblemente por oxidación y pérdida de un ion hierro en un clúster [Fe₃S₄ _] . Por ejemplo, la forma inactiva de _la aconitasa posee un [Fe₃S₄ _] ^y se activa mediante la adición de _Fe²⁺ y un _reductor .

Algunos ejemplos son los sitios activos de varias enzimas:

• 

  La nitrogenasa incluye dos clústeres P ([8Fe-7S]) y dos FeMocos ([7Fe-9S-C-Mo- R homocitrato]). ^{[ 8 ]}
• La monóxido de carbono deshidrogenasa y la acetil coenzima A sintasa presentan cada una clústeres Fe-N-iS _4. ^{[ 9 ] [ 10 ]}
• La hidrogenasa [FeFe] presenta un "cluster H", que consiste en un puente Fe₄S₄ unido a Fe₂ _a través _{de una} cistina . La mitad Fe₂ _presenta ligandos únicos: 3 CO, 2 CN⁻ ^y un azaditiolato HN( _CH₂S⁻ ⁾ _₂ . ^{[ 11 ]}
• _{Se encontró un clúster especial [Fe 4} S ₃ ] coordinado con 6 cisteínas en hidrogenasas [NiFe] unidas a la membrana tolerantes al oxígeno. ^{[ 12 ] [ 13 ]}
• El "grupo cubano doble" [Fe ₈ S ₉ ], presente en algunas ATPasas relacionadas con la nitrogenasa, consta de dos [Fe ₄ S ₄ ] unidos por una cisteína. Las funciones de estas proteínas aún no están claras. ^{[ 14 ]}