Las ferredoxinas (del latín ferrum : hierro + redox , a menudo abreviado "fd") son proteínas de hierro y azufre que median la transferencia de electrones en una variedad de reacciones metabólicas. El término "ferredoxina" fue acuñado por DC Wharton de DuPont Co. y aplicado a la "proteína de hierro" purificada por primera vez en 1962 por Mortenson, Valentine y Carnahan a partir de la bacteria anaerobia Clostridium pasteurianum . [1] [2]
Otra proteína redox, aislada de los cloroplastos de espinaca , se denominó "cloroplasto ferredoxina". [3] El cloroplasto ferredoxina participa en las reacciones de fotofosforilación cíclica y no cíclica de la fotosíntesis . En la fotofosforilación no cíclica, la ferredoxina es el último aceptor de electrones, lo que reduce la enzima NADP + reductasa. Acepta electrones producidos a partir de clorofila excitada por la luz solar y los transfiere a la enzima ferredoxina: NADP + oxidorreductasa EC 1.18.1.2 .
Las ferredoxinas son pequeñas proteínas que contienen átomos de hierro y azufre organizados como grupos de hierro-azufre . Estos " condensadores " biológicos pueden aceptar o descargar electrones, con el efecto de un cambio en el estado de oxidación de los átomos de hierro entre +2 y +3. De esta forma, la ferredoxina actúa como un agente de transferencia de electrones en reacciones redox biológicas .
Otros sistemas de transporte de electrones bioinorgánicos incluyen rubredoxinas , citocromos , proteínas de cobre azul y proteínas de Rieske relacionadas estructuralmente .
Las ferredoxinas se pueden clasificar de acuerdo con la naturaleza de sus grupos de hierro y azufre y por la similitud de secuencia.
Bioenergética de ferredoxinas
Las ferredoxinas suelen realizar una sola transferencia de electrones.
Fd0
buey+ e - Fd-
rojo
Sin embargo, algunas ferredoxinas bacterianas (del tipo 2 [4Fe4S]) tienen dos grupos de azufre de hierro y pueden llevar a cabo dos reacciones de transferencia de electrones. Dependiendo de la secuencia de la proteína, las dos transferencias pueden tener potenciales de reducción casi idénticos o pueden ser significativamente diferentes. [4] [5]
Fd0
buey+ e - Fd-
rojo
Fd-
rojo+ e - Fd2−
rojo
Las ferredoxinas son uno de los portadores de electrones biológicos más reductores. Por lo general, tienen un potencial de punto medio de -420 mV. [6] El potencial de reducción de una sustancia en la célula diferirá de su potencial de punto medio dependiendo de las concentraciones de sus formas oxidadas y reducidas. Para una reacción de un electrón, el potencial cambia alrededor de 60 mV por cada cambio de potencia de diez en la relación de concentración. Por ejemplo, si el grupo de ferredoxina se reduce alrededor del 95%, el potencial de reducción será de alrededor de -500 mV. [7] En comparación, otras reacciones biológicas en su mayoría tienen menos potenciales reductores: por ejemplo, el reductor biosintético primario de la célula, NADPH tiene un potencial redox celular de -370 mV ( E
0 = -320 mV).
Dependiendo de la secuencia de la proteína de apoyo, las ferredoxinas tienen un potencial de reducción de alrededor de -500 mv [6] [8] a -340 mV. [9] Una sola celda puede tener múltiples tipos de ferredoxinas donde cada tipo está ajustado para llevar a cabo diferentes reacciones de manera óptima. [10]
Reducción de ferredoxina
Las ferredoxinas altamente reductoras se reducen usando otro agente reductor fuerte o usando alguna fuente de energía para "impulsar" los electrones de fuentes menos reductoras a la ferredoxina. [11]
Reducción directa
Las reacciones que reducen Fd incluyen la oxidación de aldehídos a ácidos como la reacción de gliceraldehído a glicerato (-580 mV), la reacción de monóxido de carbono deshidrogenasa (-520 mV) y las reacciones de 2-oxoácido: Fd oxidorreductasa (-500 mV) [12 ] [8] como la reacción llevada a cabo por la piruvato sintasa . [7]
Reducción acoplada de potencial de membrana
La ferredoxina también se puede reducir usando NADH (-320 mV) o H
2(-414 mV), pero estos procesos están acoplados al consumo del potencial de membrana para impulsar el "impulso" de los electrones al estado de mayor energía. [6] El complejo Rnf es una proteína de membrana extendida en bacterias que transfiere electrones de manera reversible entre NADH y ferredoxina mientras bombea Na+
o H+
iones a través de la membrana. El potencial quimiosmótico de la membrana se consume para impulsar la reducción desfavorable de Fd.
bueypor NADH. Esta reacción es una fuente esencial de Fd-
rojoen muchos organismos autótrofos. Si la célula crece sobre sustratos que proporcionan un exceso de Fd-
rojo, el complejo Rnf puede transferir estos electrones a NAD+
y almacenar la energía resultante en el potencial de membrana. [13] Las hidrogenasas convertidoras de energía (Ech) son una familia de enzimas que acoplan reversiblemente la transferencia de electrones entre Fd y H
2mientras bombea H+
iones a través de la membrana para equilibrar la diferencia de energía. [14]
Fd0
buey+ NADH + Na+
afuera Fd2−
rojo+ NAD+
+ Na+
adentro
Fd0
buey+ H
2+ H+
afuera Fd2−
rojo+ H+
+ H+
adentro
Bifurcación de electrones
La reducción desfavorable de Fd de un donante de electrones menos reductor puede acoplarse simultáneamente con la reducción favorable de un agente oxidante a través de una reacción de bifurcación de electrones . [6] Un ejemplo de la reacción de bifurcación de electrones es la generación de Fd-
rojopara la fijación de nitrógeno en determinados diazótrofos aeróbicos . Normalmente, en la fosforilación oxidativa, la transferencia de electrones desde NADH a ubiquinona (Q) está acoplada a la carga de la fuerza motriz del protón. En Azotobacter, la energía liberada al transferir un electrón de NADH a Q se usa para impulsar simultáneamente la transferencia de un electrón de NADH a Fd. [15] [16]
Reducción directa de ferredoxinas de alto potencial
Algunas ferredoxinas tienen un potencial redox suficientemente alto como para que puedan ser reducidas directamente por NADPH. Una de esas ferredoxinas es la adrenoxina (-274 mV) que participa en la biosíntesis de muchos esteroides de mamíferos. [17] La ferredoxina Fd3 en las raíces de las plantas que reduce el nitrato y el sulfito tiene un potencial de punto medio de -337mV y también se reduce por NADPH. [10]
Fe 2 S 2 ferredoxinas
Dominio de unión del grupo de hierro-azufre 2Fe-2S | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | Fer2 | |||||||
Pfam | PF00111 | |||||||
Clan pfam | CL0486 | |||||||
InterPro | IPR001041 | |||||||
PROSITE | PDOC00642 | |||||||
SCOP2 | 3fxc / SCOPe / SUPFAM | |||||||
Proteína OPM | 1kf6 | |||||||
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Los miembros de la superfamilia de ferredoxina 2Fe-2S ( InterPro : IPR036010 ) tienen una estructura central general que consta de beta (2) -alfa-beta (2), que incluye putidaredoxina, terpredoxina y adrenodoxina. [18] [19] [20] [21] Son proteínas de alrededor de cien aminoácidos con cuatro residuos de cisteína conservados a los que se liga el grupo 2Fe-2S. Esta región conservada también se encuentra como dominio en varias enzimas metabólicas y en proteínas multidominio, como la aldehído oxidorreductasa ( N -terminal), xantina oxidasa ( N -terminal), ftalato dioxigenasa reductasa ( C -terminal), succinato deshidrogenasa hierro-azufre proteína ( N -terminal) y metano monooxigenasa reductasa ( N -terminal).
Ferredoxinas de tipo vegetal
Un grupo de ferredoxinas, que se encuentra originalmente en las membranas de cloroplasto , se ha denominado "tipo cloroplasto" o "tipo planta" ( InterPro : IPR010241 ). Su centro activo es un grupo [Fe 2 S 2 ], donde los átomos de hierro están coordinados tetraédricamente tanto por átomos de azufre inorgánicos como por azufres de cuatro residuos de cisteína (Cys) conservados.
En los cloroplastos, las ferredoxinas Fe 2 S 2 funcionan como portadores de electrones en la cadena de transporte de electrones fotosintéticos y como donantes de electrones para diversas proteínas celulares, como la glutamato sintasa, la nitrito reductasa, la sulfito reductasa y la ciclasa de la biosíntesis de clorofila . [22] Dado que la ciclasa es una enzima dependiente de ferredoxina, esto puede proporcionar un mecanismo de coordinación entre la fotosíntesis y la necesidad de clorofila de los cloroplastos al vincular la biosíntesis de clorofila a la cadena de transporte de electrones fotosintéticos. En la hidroxilación de los sistemas de dioxigenasa bacteriana, sirven como portadores de transferencia de electrones intermedios entre las flavoproteínas reductasa y la oxigenasa.
Ferredoxinas similares a tiorredoxina
La ferredoxina Fe 2 S 2 de Clostridium pasteurianum ( Cp 2FeFd; P07324 ) ha sido reconocida como una familia de proteínas distinta sobre la base de su secuencia de aminoácidos, las propiedades espectroscópicas de su grupo de hierro-azufre y la capacidad única de intercambio de ligandos de dos ligandos de cisteína para el grupo [Fe 2 S 2 ]. Aunque el papel fisiológico de esta ferredoxina sigue sin estar claro, se ha revelado una interacción fuerte y específica de Cp 2FeFd con la proteína de molibdeno-hierro de la nitrogenasa . Se han caracterizado ferredoxinas homólogas de Azotobacter vinelandii ( Av 2FeFdI; P82802 ) y Aquifex aeolicus ( Aa Fd; O66511 ). Se solucionó la estructura cristalina de Aa Fd. Aa Fd existe como un dímero. La estructura del monómero Aa Fd es diferente de otras ferredoxinas Fe 2 S 2 . El pliegue pertenece a la clase α + β, con las primeras cuatro hebras β y dos hélices α adoptando una variante del pliegue de tiorredoxina . [23] UniProt los clasifica como la familia de la "ferredoxina tipo Shethna 2Fe2S". [24]
Ferredoxinas de tipo adrenodoxina
ferredoxina 1 | ||||||
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Identificadores | ||||||
Símbolo | FDX1 | |||||
Alt. simbolos | FDX | |||||
Gen NCBI | 2230 | |||||
HGNC | 3638 | |||||
OMIM | 103260 | |||||
RefSeq | NM_004109 | |||||
UniProt | P10109 | |||||
Otros datos | ||||||
Lugar | Chr. 11 q22.3 | |||||
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La adrenodoxina (ferredoxina suprarrenal; InterPro : IPR001055 ), la putidaredoxina y la terpredoxina forman una familia de proteínas solubles de Fe 2 S 2 que actúan como portadores de un solo electrón, que se encuentran principalmente en mitocondrias eucariotas y proteobacterias . La variante humana de adrenodoxina se conoce como ferredoxina-1 y ferredoxina-2 . En los sistemas de monooxigenasa mitocondrial, la adrenodoxina transfiere un electrón de NADPH: adrenodoxina reductasa al citocromo P450 unido a la membrana . En las bacterias, la putidaredoxina y la terpredoxina transfieren electrones entre las ferredoxinas reductasas correspondientes dependientes de NADH y las P450 solubles. [26] [27] Se desconocen las funciones exactas de otros miembros de esta familia, aunque se ha demostrado que Escherichia coli Fdx participa en la biogénesis de las agrupaciones de Fe-S. [28] A pesar de la baja similitud de secuencia entre las ferredoxinas de tipo adrenodoxina y de tipo vegetal, las dos clases tienen una topología de plegado similar.
La ferredoxina-1 en humanos participa en la síntesis de hormonas tiroideas. También transfiere electrones de la adrenodoxina reductasa a CYP11A1 , una enzima CYP450 responsable de la escisión de la cadena lateral del colesterol. FDX-1 tiene la capacidad de unirse a metales y proteínas. [29] La ferredoxina-2 participa en la síntesis de proteínas hemo A y hierro-azufre. [30]
Fe 4 S 4 y Fe 3 S 4 ferredoxinas
Las ferredoxinas [Fe 4 S 4 ] pueden subdividirse en ferredoxinas de bajo potencial (tipo bacteriano) y de alto potencial (HiPIP) .
Las ferredoxinas de bajo y alto potencial se relacionan mediante el siguiente esquema redox:
Los números de oxidación formales de los iones de hierro pueden ser [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ] o [1Fe 3+ , 3Fe 2+ ] en ferredoxinas de bajo potencial. Los números de oxidación de los iones de hierro en ferredoxinas de alto potencial pueden ser [3Fe 3+ , 1Fe 2+ ] o [2Fe 3+ , 2Fe 2+ ].
Ferredoxinas de tipo bacteriano
Dominio de enlace 3Fe-4S | ||||||||||
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Identificadores | ||||||||||
Símbolo | Fer4 | |||||||||
Pfam | PF00037 | |||||||||
InterPro | IPR001450 | |||||||||
PROSITE | PDOC00176 | |||||||||
SCOP2 | 5fd1 / SCOPe / SUPFAM | |||||||||
Proteína OPM | 1kqf | |||||||||
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Un grupo de ferredoxinas Fe 4 S 4 , que se encuentra originalmente en bacterias, se ha denominado "tipo bacteriano". Las ferredoxinas de tipo bacteriano pueden, a su vez, subdividirse en otros grupos, en función de sus propiedades de secuencia. La mayoría contienen al menos un dominio conservado, incluidos cuatro residuos de cisteína que se unen a un grupo [Fe 4 S 4 ]. En la ferredoxina de Pyrococcus furiosus Fe 4 S 4 , uno de los residuos de Cys conservados se sustituye por ácido aspártico.
Durante la evolución de las ferredoxinas de tipo bacteriano, ocurrieron eventos de duplicación, transposición y fusión de genes dentro de la secuencia, lo que resultó en la aparición de proteínas con múltiples centros de hierro-azufre. En algunas ferredoxinas bacterianas, uno de los dominios duplicados ha perdido uno o más de los cuatro residuos Cys conservados. Estos dominios han perdido su propiedad de unión hierro-azufre o se unen a un grupo [Fe 3 S 4 ] en lugar de un grupo [Fe 4 S 4 ] [31] y tipo diclúster. [32]
Las estructuras tridimensionales son conocidas para varias ferredoxinas de tipo bacteriano monocluster y dicluster. El pliegue pertenece a la clase α + β, con 2-7 hélices α y cuatro hebras β que forman una estructura en forma de barril, y un bucle extruido que contiene tres ligandos Cys "proximales" del grupo hierro-azufre.
Proteínas de hierro-azufre de alto potencial
Las proteínas de hierro-azufre de alto potencial (HiPIP) forman una familia única de ferredoxinas Fe 4 S 4 que funcionan en las cadenas anaeróbicas de transporte de electrones. Algunas HiPIP tienen un potencial redox más alto que cualquier otra proteína de hierro-azufre conocida (p. Ej., La HiPIP de Rhodopila globiformis tiene un potencial redox de aproximadamente 450 mV). Hasta ahora, varios HiPIP se han caracterizado estructuralmente, y sus pliegues pertenecen a la clase α + β. Como en otras ferredoxinas bacterianas, la unidad [Fe 4 S 4 ] forma un grupo de tipo cubano y se liga a la proteína a través de cuatro residuos Cys.
Proteínas humanas de la familia de las ferredoxinas
- 2Fe – 2S: AOX1 ; FDX1 ; FDX1L ; NDUFS1 ; SDHB ; XDH ;
- 4Fe – 4S: ABCE1 ; DPYD ; NDUFS8 ;
Evolución de las ferredoxinas
Referencias
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enlaces externos
- InterPro : IPR006057 - subdominio de ferredoxina 2Fe – 2S
- InterPro : IPR001055 - Adrenodoxina
- InterPro : IPR001450 - ferredoxina 4Fe – 4S, unión hierro-azufre
- InterPro : IPR000170 - Proteína de hierro-azufre de alto potencial
- PDB : 1F37 - Estructura de rayos X de ferredoxina similar a tiorredoxina de Aquifex aeolicus ( Aa Fd)