Eisen-Schwefel-Cluster

Eisen-Schwefel-Cluster (Fe-S-Zentren) sind Mehrfachkomplexe aus Eisen und Schwefel der Größe von Clustern, die als Kofaktoren an Enzymreaktionen beteiligt sind. Am häufigsten und stabilsten sind (4Fe-4S) und (2Fe-2S). Im Allgemeinen werden Cluster zerstört, wenn sie für freien Sauerstoff zugänglich sind. Die Zugänglichkeit ist vom Schutz des bindenden Enzyms abhängig.

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

(2Fe-2S)-Kofaktor, wie er in Cytochrom bc₁ oder Cytochrom b₆f vorkommt.

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

Kofaktor der Nitrogenase

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 Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden:

$\mathrm {N_{2}+10\ H^{+}+8\ e^{-}\longrightarrow 2\ NH_{4}^{+}+H_{2}}$

$\mathrm {H_{2}\longrightarrow 2\ H^{+}+2\ e^{-}}$

$\mathrm {CO+H_{2}O\longrightarrow CO_{2}+2\ H^{+}+2\ e^{-}}$

Die Eisenatome der Zentren werden durch anorganisches Sulfid und die Seitenketten von Aminosäuren koordiniert. Cysteine können beispielsweise über ihre Thiolgruppe 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)-Komplex ins Plasma transportiert oder gleich in bereitstehende Enzyme eingebaut wird.

Vorkommen

Anaerob lebende Bakterien und Archaeen enthalten teilweise auch sauerstoffempfindliche Enzyme mit einem nickel-, eisen- und schwefelhaltigen 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)
• 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, Inosinmonophosphat-de novo-Synthese)
• Dihydropyrimidin-Dehydrogenase (Aminosäuresynthese, Synthese von β-Alanin)
• IREBP2 (Eisenstoffwechsel)
• Lipoylsynthase (Proteinmodifizierung)
• die Kernenzyme DNA-Primase und Endonuklease III-like

Siehe auch

• Ferredoxin

Literatur

• H. Dobbek: Wie biologische Fe-S-Zentren CO2 aktivieren. In: Nachrichten aus der Chemie. Band 56, Nr. 7–8, 2008, S. 734–737, doi:10.1002/nadc.200857949.