Los grupos de hierro y azufre (también grupos de Fe-S ) son compuestos de organoelementos , un grupo de cofactores de proteínas con un potencial redox (Rojo/Ox) en la región de -500 mV a +300 mV [1] . El potencial rojo/ox depende de la estructura y conformación de la proteína, lo que hace que estos cofactores sean los participantes más importantes en las reacciones redox en la célula . Los cúmulos de hierro y azufre son capaces de aceptar o donar electrones (ver figura). Las proteínas que contienen grupos de hierro y azufre son evolutivamente antiguas y son comunes en todos los reinos, incluidos los animales, las plantas, los hongos , las bacterias y las arqueas . Las mutaciones en los genes para el metabolismo de los grupos Fe-S son la causa de muchas enfermedades graves o son fatales.
En la etapa inicial del desarrollo de la vida, la Tierra tenía una atmósfera reductora, no había oxígeno , la actividad volcánica estuvo acompañada de emisiones de sulfuro de hidrógeno y una cantidad significativa de hierro ferroso se disolvió en el océano . Como se revelará más adelante, es a partir de los elementos en estos estados de oxidación (Fe 2+ y S 2− ) que se sintetizan nuevos grupos de hierro y azufre en las células de los organismos vivos [3] . Presumiblemente, las estructuras inorgánicas similares a los grupos de hierro y azufre se formaron espontáneamente en tales condiciones, y los organismos vivos antiguos adaptaron estas estructuras incorporándolas a moléculas de proteína [4] .
La capacidad de transferir electrones en las proteínas resultantes resultó estar estrechamente relacionada con el intercambio de energía en las células, por lo que estas enzimas continuaron evolucionando y sus genes se fijaron en todos los organismos vivos.
Los organismos modelo para estudiar la síntesis y transferencia de grupos de hierro-azufre en la célula son la levadura S. cerevisiae , Escherichia coli ( E. coli ), el bacilo del heno ( B. subtilis ), el trébol de Tal ( A. thaliana ) y muchos otros organismos; Estos procesos también se están estudiando en células humanas.
Para los organismos bacterianos, hay tres sistemas de proteínas involucradas en la síntesis de grupos de hierro y azufre [3] :
Hay cuatro sistemas para los eucariotas:
Elegiremos la levadura ( S. cerevisiae ) como principal organismo modelo para la descripción , esto es necesario para no crear confusión en los nombres de las proteínas cuyos homólogos se denominan de manera diferente en diferentes organismos.
La síntesis directa requiere la formación de un complejo de proteínas Nfs1 e Isu1. Nfs1, además de la función de formación de complejos, actúa como donante de azufre, que se transfiere desde los residuos de Cys con la participación del fosfato de piridoxal como cofactor. Isu1 es extremadamente importante para el ensamblaje de todo el cúmulo, ya que acepta átomos de azufre y Fe 2+ donados y los apila de la manera necesaria para formar cúmulos 2Fe–2S o 4Fe–4S a expensas de sus propios residuos de Cys.[2 ,3]
La levadura también tiene la isoforma Isu2, formada por duplicación del gen Isu1. Ambas isoformas pueden participar en la síntesis de grupos.
También se ha demostrado que se requiere la unión de Nfs1 a la proteína Isd11 mucho más pequeña para la formación de grupos de hierro-azufre. Este mecanismo surgió evolutivamente hace mucho tiempo, ya que está presente en muchos organismos.
Se ha demostrado que la fuente de hierro es Yfh1 (frataxina en humanos). Su unión al complejo proteico ensamblado estimula la formación de un grupo de hierro y azufre listo para usar en Isu1.
Los iones de hierro deben llegar a las mitocondrias a través de una membrana interna poco permeable. Este proceso lo llevan a cabo los transportadores mitocondriales Mrs3 y Mrs4, que sólo pueden pasar Fe 2+ . Este hierro se une a Yfh1. También son posibles otras formas de transportar el hierro a la matriz mitocondrial .
Al crear un grupo, el azufre debe reducirse a un estado de oxidación de -2. Los electrones se transfieren desde NADH a través de ferredoxina Yah1 y ferredoxina reductasa Arh1.
La chaperona Ssq1 (de la familia HSP70), la cochaperona Jac1 y el factor de intercambio de nucleótidos Mge1 juegan el papel principal en la eliminación del grupo formado de Isu1. Se sabe que Jac1 activa la actividad ATPasa de Ssq1; esta energía se gasta en la interacción con la región altamente conservada de Isu1, lo que hace que los grupos de Fe-S estén disponibles para transferirlos a otras proteínas. El factor de intercambio de nucleótidos Mge1 es necesario para extraer ADP de Ssq1 [3] .
En las bacterias, no se requiere el factor de intercambio de nucleótidos.
La transferencia de clusters accesibles desde Isu1 a proteínas receptoras puede realizarse directamente o a través de proteínas intermediarias, como Grx5.
Algunas de las proteínas más importantes que contienen grupos de Fe-S en la matriz son las aconitasas Aco1 y Lys4, la biotina sintasa Bio2 y el ácido lipoico sintasa Lip5. La transferencia de clusters a estas proteínas se produce únicamente en presencia de las proteínas Isa1 e Isa2, y la proteína Iba57 que se une a ambas. Los fenotipos de hongos con expresión suprimida de Isa1, Isa2, Iba57 son similares, y los datos sobre su interacción indican participación en el mismo proceso [3] .
Las mitocondrias son orgánulos de dos membranas en las células eucariotas. Muchas sustancias se transportan de manera deficiente a través de la capa hidrofóbica de las membranas; por lo tanto, existen proteínas transportadoras, canales y receptores complejos para el transporte mitocondrial . Por regla general, la tarea más difícil es el transporte a través de la membrana mitocondrial interna, que normalmente mantiene el potencial de membrana necesario para el funcionamiento de la ATP sintasa . Para crear este potencial, la membrana debe tener una permeabilidad extremadamente débil incluso para los protones. Naturalmente, el transporte a través de una membrana de este tipo está asociado con mayores dificultades.
El transporte de moléculas de menos de 10 kDa a través de la membrana externa de la mitocondria se realiza a través de una porina (proteína VDAC), que permite el paso incluso de proteínas pequeñas. La presencia de porinas en la membrana externa hace que el espacio intermembrana (MMP) tenga una composición similar a la del citoplasma, excepto por la composición de proteínas.
La membrana externa de las mitocondrias es mucho más conveniente para la investigación, por lo que las rutas de transporte a través de la membrana interna están menos estudiadas.
Por el momento, no se sabe en qué moléculas se transportan los grupos de hierro-azufre desde las mitocondrias [2, 3], sin embargo, la búsqueda de este transportador parece ser una tarea extremadamente interesante, ya que, además de la entrega de grupos, este componente puede participar en la regulación del metabolismo celular, incluido el control de la concentración de hierro en la célula y en las mitocondrias, así como afectar la transcripción y traducción de varios genes. Al mismo tiempo, se cree que el transporte a través de la membrana interna se realiza a través de Atm1 (una proteína de la familia de transportadores ABC), que tiene actividad ATPasa. Esta actividad aumentó con la adición de péptidos con grupos cisteína-SH accesibles. Dado que la actividad de los transportadores ABC suele ser inducida por los componentes que transportan, es probable que el transportador hipotético contenga grupos -SH libres [4] .
El transporte es facilitado por el sulfóxido Erv1 disuelto en el espacio intermembrana (MMP) de las mitocondrias. Para Erv1, además de la actividad catalítica asociada con la oxidación de los grupos -SH, se ha demostrado que puede proporcionar transporte en MMP debido a la formación de enlaces S-S [4] .
El tercer componente necesario para el transporte desde las mitocondrias es el glutatión .
Para la levadura, se supone que no hay síntesis de grupos de hierro-azufre en el citoplasma [3] ; sin embargo, en las células de mamíferos, la síntesis de grupos de Fe-S fuera de las mitocondrias procede junto con la síntesis en las mitocondrias [4] . Al mismo tiempo, el valor de la síntesis mitocondrial resulta ser mayor, a juzgar por la reacción de las células en respuesta a un volumen reducido de síntesis (se activan los mecanismos para "salvar" los grupos existentes y aumenta la concentración de Fe en las mitocondrias).
En la levadura, los grupos de hierro y azufre de las mitocondrias se transfieren a las proteínas Tah18 y Dre2. Además, los grupos son aceptados por el dímero Cfd1-Nbp35, que puede interactuar con otras proteínas y transferirles los grupos de hierro y azufre necesarios para la maduración de estas proteínas. Dos proteínas adaptadoras están involucradas en el proceso de transmisión: Nar1 y Cia1. Se demostró que el propio Nar1 contiene grupos de Fe-S y forma complejos con Cia1 y Nbp35. Cia1 es estructuralmente una hélice beta y es probable que sea capaz de ayudar en la interacción de las proteínas aceptoras del grupo Fe-S con el complejo Cfd1-Nbp35-Nar1 que las transporta.
Se ha demostrado en células humanas que los análogos humanos de huNfs1, huIsu1, huNfu1 y frataxina tienen isoformas sin señales de localización mitocondrial (huNfs1, huIsu1, huNfu1 no reciben estas señales cuando se traducen desde el segundo codón de inicio ) y están presentes en cantidades más pequeñas en el citoplasma y el núcleo. Esta presencia es estrictamente necesaria en la norma, ya que sin ella se desencadenan señales que aumentan el contenido de Fe en la célula y mitocondrias, reducen la síntesis de hemos y el consumo de clusters de hierro-azufre. Probablemente, de esta manera la célula ejerce control sobre la síntesis normal de agrupaciones y trata de prevenir su propia muerte en caso de deficiencia de las mismas.
Algunos organismos parásitos en el curso de la evolución han perdido mitocondrias junto con los procesos de síntesis de hemo y respiración que se llevan a cabo en ellos. Sin embargo, no podrían prescindir de la síntesis de grupos de hierro y azufre, por lo que sus hidrogenosomas (mitocondrias reducidas) contienen análogos de sistemas para la síntesis de grupos de hierro y azufre. Ejemplos de tales organismos son giardia y microsporidia .
Hay excepciones a esta regla, por ejemplo, en Trachipleistophora hominis , las proteínas Isu1 y frataxina se localizan en el citoplasma, y Nfs1, Isd11 y Ssq1 se localizan en los mitosomas ; y en Encephalitozoon cuniculi no se pudo encontrar el sistema ISC, pero hay homólogos de las proteínas NifS y NifU [3] .
Por lo general, los procesos más importantes en la célula tienen varias formas de implementación, para sobrevivir en caso de falla del mecanismo principal debido a la presencia de uno de repuesto (ejemplos son varias variantes de reparación de ADN, procesos complementarios de apoptosis y necrosis ). En este caso, no existían rutas alternativas para la síntesis de clusters de hierro-azufre, por lo que se realiza un estricto control sobre su funcionamiento. En este caso, el control se duplica repetidamente.
Dado que un cambio en la cantidad de reactivos cambia el equilibrio de la reacción hacia la formación de productos, entonces, con un aumento en la cantidad de hierro disponible, la cantidad de grupos de hierro y azufre recolectados debería aumentar.
Dado que las proteínas para la síntesis y el transporte de los grupos de hierro-azufre están codificadas en el núcleo (aunque estén localizadas en las mitocondrias), en caso de avería, la señal debe llegar al núcleo.
Los factores de transcripción Aft1 y Aft2 juegan un papel muy importante en la regulación del metabolismo del hierro. Cuando el nivel de hierro en la célula disminuye, Aft1 se transporta al núcleo con la ayuda de la importina Pse1 e interactúa con los genes del llamado regulón de hierro , activando su transcripción. Entre estos genes se encuentran los genes transportadores de hierro, que aumentan la cantidad total de hierro en la célula.
Otro objetivo de Aft1 es la proteína de unión al ARN Cth2, que, bajo la acción de Aft1, comienza a destruir los ARN mensajeros de las proteínas que usan hierro, lo que reduce la ingesta de hierro.
El mecanismo de detección del nivel de hierro por la proteína Aft1 no se conoce con certeza. Se supone que las mitocondrias exportan un cierto factor que está directamente relacionado con la intensidad del trabajo del aparato para la síntesis de grupos de hierro y azufre. Uno de los candidatos para el papel de este factor es la proteína transportadora de grupos de hierro-azufre de las mitocondrias, que transfiere los grupos al sistema citoplasmático CIA ( ensamblaje citosólico ISP ).
Aft2 se considera un regulador más suave y lento, fenotípicamente tiene el mismo efecto que Aft1.
La primera enzima que percibe la falta de clusters Fe-S es la enzima IRP1, que puede incluir el cluster Fe-S en su estructura y tiene diferentes conformaciones, con y sin cluster. Se encuentra en el citoplasma y recibe un grupo del sistema CIA, por lo que siente todas las fallas en el sistema de síntesis y transporte de grupos Fe-S.
Sin el grupo Fe-S, IRP1 tiene un dominio catalíticamente activo que interactúa con la IRE ( región responsable del hierro ) del ARN de algunas proteínas . Hay 2 tipos de interacciones:
Además de IRP1, la célula contiene el factor IRP2, que actúa de manera similar a IRP1, pero no contiene grupos de hierro y azufre, y aún no se ha determinado el mecanismo de sensibilidad de IRP2.
El ARNt tiene una estructura terciaria estable, proporcionada por la formación de interacciones complementarias y enlaces de hidrógeno dentro de la propia cadena de ARN. Para participar en la traducción, el ARNt sintetizado debe plegarse correctamente y sufrir algunos cambios. Uno de esos cambios es la tiomodificación de los uracilos U34 y U35 en levaduras y mamíferos en ARNt citoplasmáticos y mitocondriales. Las bacterias también tienen modificaciones tio.
Estas modificaciones dependen de proteínas que contienen Fe-S, y las alteraciones en su síntesis provocan alteraciones generalizadas en la traducción y conducen a la muerte. El mecanismo por el cual se lleva a cabo la conexión entre la síntesis de clusters Fe-S y esta modificación ha sido poco estudiado hasta el momento.
Los iones de hierro son un buen catalizador inorgánico para la descomposición del peróxido de hidrógeno. El peróxido se descompone en radicales hidroxilo, que son extremadamente activos y peligrosos para las células. Los radicales desencadenan principalmente la peroxidación lipídica de las membranas mitocondriales, así como de sus enzimas y ADN. Las mitocondrias funcionan con oxígeno y pueden formar sus especies reactivas de oxígeno (ROS). Así, el proceso se cierra, se acelera, y la mitocondria y toda la célula se deteriora, por lo que puede morir por apoptosis/necrosis o volverse cancerosa por mutaciones.
Como se muestra arriba, las perturbaciones en el funcionamiento del aparato para la síntesis de grupos de hierro-azufre conducen a un aumento en la cantidad de hierro y, por lo tanto, en los catalizadores para la formación de especies reactivas de oxígeno.
Tenga en cuenta que una violación de cualquiera de los genes para la síntesis o el transporte de bloques de grupos de hierro-azufre (al menos en la levadura) su envío al citoplasma, por lo que los síntomas de las enfermedades suelen ser similares.
Por lo general, estas enfermedades son muy raras, asociadas solo con una violación o disminución en la síntesis de proteínas que contienen Fe-S, ya que la ausencia total de ciertas proteínas suele ser letal.