Fe-S-Cluster

(4Fe-4S) als Kofaktor in Aconitase nach PDB 7ACN. Gezeigt sind außerdem die über -S- gebundenen Cysteinreste des Proteins, die den Cluster fixieren.

Aktivierung des Eisen-Schwefel-Clusters durch das vierte Eisenatom. Die Konformation ändert sich vom Tetraeder zum Oktaeder.

Kofaktor der Nitrogenase

(2Fe-2S)-Kofaktor, wie er in Cytochrom b-c1 oder b6 vorkommt.

Eisen-Schwefel-Cluster (Fe-S-Zentren) sind Mehrfachkomplexe aus Eisen, Nickel und Schwefel der Größe von Clustern, die als Kofaktoren an Enzymreaktionen beteiligt sind. Am häufigsten und stabilsten sind (4Fe-4S) und (2Fe-2S).

Diese Fe-S-Zentren wirken in Enzymen als Elektronentransferreaktanden, Lewis-Säuren und Radikal-Generatoren. So kann beispielsweise Stickstoff in Ammoniak, Wasserstoff in Protonen und Kohlenmonoxid in Kohlendioxid umgewandelt werden:

$\begin{align} \mathrm{N}_2 + 10\ \mathrm{H}^+ + 8\ \mathrm{e}^- &\qquad\xrightarrow{[Fe-S]}\qquad 2\ \mathrm{NH}_4^+ + \mathrm{H}_2\\ \mathrm{H}_2 &\qquad\xrightarrow{[Fe-S]}\qquad 2\ \mathrm{H}^+ + 2\ \mathrm{e}^-\\ \mathrm{CO} + \mathrm{H_2O} &\qquad\xrightarrow{[Fe-S]}\qquad \mathrm{CO_2 + 2\ H^+ + 2\ e^-} \end{align}$

Die Eisenatome der Zentren werden durch anorganisches Sulfid und die Seitenketten von Aminosäuren koordiniert. Cysteine können beispielsweise über ihre Mercapto-Gruppe koordinieren (s. Abb.).

Biosynthese

Bereits unter reduzierenden, wässrigen Bedingungen bilden sich spontan rhombische 2Fe-2S-Komplexe. Weitere Metallionen, z. B. Nickel oder Molybdän können in den Komplex in Folge aufgenommen werden. Dies geschieht im Organismus besonders effektiv unter Beteiligung eines Proteinkomplexes, der das Eisen-Schwefel-Cluster-Gerüstprotein (ISCU) enthält.

Dabei übernimmt ISCU die Rolle der Bindung der Eisenatome, die von ISCA herantransportiert werden, während das Enzym Cystein-Desulfurase unter Cysteinverbrauch Schwefelatome bereitstellt. Zunächst wird [2Fe-2S] zusammengestellt, das durch Dimerisierung schließlich [4Fe-4S] wird. Dieser Prozess kann sowohl in den Mitochondrien als auch im Zytosol stattfinden, wonach der fertige [4Fe-4S] ins Plasma transportiert oder gleich in bereitstehende Enzyme eingebaut wird.^[1][2][3][4]

Vorkommen

Anaerob lebende Bakterien und Archaeen enthalten teilweise auch sauerstoffempfindliche Enzyme mit einem nickel-, eisen- und schwefelhaltigem Zentrum, das als Cluster C bezeichnet wird.

Das Enzym Nitrogenase enthält als Kofaktor einen Fe-Mo-S-Cluster.

Eisen-Schwefel-Cluster kommen in Mitochondrien, Mitosomen und Hydrogenosomen vor.

Liste der menschlichen Proteine mit [2Fe-2S]

• NADH-Dehydrogenase, Succinat-Dehydrogenase und Cytochrom-c-Reduktase (Komplex I, II und III der Atmungskette, Citratzyklus)
• Adrenodoxin (Synthese der Thyroidhormone)
• Xanthinoxidase (Nukleotidmetabolismus)
• Aldehydoxidase ((Biotransformation, Abbau von Nikotin)
• Ferrochelatase (Porphyrinmetabolismus)
• Frataxin (Eisenstoffwechsel)
• Miner1 und Miner2

Liste der menschlichen Proteine mit [4Fe-4S]

• NADH-Dehydrogenase und Succinat-Dehydrogenase (Komplex I und II der Atmungskette, Citratzyklus)
• Aconitase (Citratzyklus)
• Amidophosphoribosyltransferase (Purinstoffwechsel, IMP-de novo-Synthese)
• Dihydropyrimidin-Dehydrogenase (Aminosäure-Synthese, Synthese von β-Alanin)
• IREBP2 (Eisenstoffwechsel)
• Lipoylsynthase (Proteinmodifizierung)
• die Kernenzyme DNA-Primase und Endonuklease III-like

Einzelnachweise

1. ↑ Beinert H: Iron-sulfur proteins: ancient structures, still full of surprises. In: J. Biol. Inorg. Chem.. 5, Nr. 1, February 2000, S. 2–15. PMID 10766431
2. ↑ Rouault TA, Tong WH: Iron-sulfur cluster biogenesis and human disease. In: Trends Genet.. 24, Nr. 8, August 2008, S. 398–407. doi:10.1016/j.tig.2008.05.008. PMID 18606475
3. ↑ Chandramouli K, Unciuleac MC, Naik S, Dean DR, Huynh BH, Johnson MK: Formation and properties of [4Fe-4S] clusters on the IscU scaffold protein. In: Biochemistry. 46, Nr. 23, June 2007, S. 6804–11. doi:10.1021/bi6026659. PMID 17506525
4. ↑ Yang J, Bitoun JP, Ding H: Interplay of IscA and IscU in biogenesis of iron-sulfur clusters. In: J. Biol. Chem.. 281, Nr. 38, September 2006, S. 27956–63. doi:10.1074/jbc.M601356200. PMID 16877383

• H. Dobbek: Nachr. Chem. 2008, 56, 734–737.