Protéine fer-soufre

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Une protéine fer-soufre, abrégée en protéine Fe-S, est une protéine possédant dans sa structure un cluster fer-soufre consistant en des groupes de deux, trois ou quatre atomes de fer — chacun dans un état d'oxydation propre — liés à des anions sulfure S2-.De tels clusters se trouvent dans diverses métalloprotéines telles que les ferrédoxines, la NADH déshydrogénase, les hydrogénases, la coenzyme Q cytochrome c réductase, la succinate déshydrogénase et la nitrogénase[1].

Les clusters fer-soufre sont bien connus pour leur participation dans les réactions d'oxydo-réduction dans la chaîne respiratoire mitochondriale, en particulier dans la NADH déshydrogénase (complexe I) et la succinate déshydrogénase (complexe II). De tels clusters interviennent également dans d'autres processus : comme catalyseurs dans le cas de l'aconitase, comme générateurs de radicaux dans le cas des enzymes à SAM, comme donneurs de soufre dans les biosynthèses de l'acide lipoïque et de la biotine, et même dans certains cas comme régulateurs de l'expression génétique [2].

Les protéines fer-soufre sont sensibles au monoxyde de carbone biogénique. Leur prévalence dans les réactions du métabolisme cellulaire a conduit certains scientifiques à supposer un rôle déterminant pour les clusters fer-soufre dans l'origine de la vie, dans le cadre de scénarios d'abiogenèse appelés « hypothèse du monde fer-soufre » inspirés des observations réalisées autour des cheminées hydrothermales.

Motifs structuraux[modifier | modifier le code]

Dans presque toutes les protéines Fe-S, les centres Fe sont tétraédriques est les ligands terminaux sont des groupes thiols de résidus cystéine. Les groupes sulfure sont bi- ou tricoordonnés. La plupart des clusters Fe-S ayant ces caractéristiques appartiennent aux trois types ci-dessous.

Clusters 2Fe-2S[modifier | modifier le code]

2Fe2S.png

Le cluster [Fe2S2], le plus simple des systèmes polymétalliques, est constitué de deux cations de fer reliés par deux anions sulfure et coordonnés à quatre résidus cystéine dans les ferrédoxines ou à deux résidus cystéine et deux résidus histidine dans les protéines de Rieske. Les cations de fer sont deux ions ferriques Fe3+ dans le cas d'une protéine oxydée, ou un ion ferreux Fe2+ et un ion ferrique Fe3+ dans le cas d'une protéine réduite.

Clusters 3Fe-4S[modifier | modifier le code]

Fe3S4.png

Le cluster [Fe3S4] est constitué de trois cations de fer reliés deux par deux par trois anions sulfure, le quatrième anion sulfure reliant les trois cations de fer. Les états d'oxydation varient de [Fe3S4]+ (tous les cations à l'état Fe3+) à [Fe3S4]2- (tous les cations à l'état Fe2+).

Certaines protéines Fe-S peuvent acquérir un ion ferreux pour convertir leur cluster [Fe3S4] en cluster [Fe4S4] sous l'action d'un agent réducteur : c'est notamment le cas de l'aconitase, inactive lorsque son cluster n'a que trois cations de fer, et activée lorsqu'il acquiert le quatrième.

Clusters 4Fe-4S[modifier | modifier le code]

Structure du site actif de l'aconitase de porc qui contient un cluster 4Fe-4S (au centre). On voit l'interaction du substrat isocitrate (ICT) avec le cluster.

Le cluster [Fe4S4] à géométrie de type cubane est la structure fer-soufre la plus courante. Les cations de fer sont typiquement coordonnés par des résidus cystéine. Les ferrédoxines [Fe4S4], des protéines intervenant dans les transferts d'électrons, se rangent en deux catégories dites à bas potentiel (de type bactérien) et à haut potentiel (HiPIP) selon l'état d'oxydation du cluster fer-soufre ; le passage d'une ferrédoxine bas potentiel à une ferrédoxine haut potentiel est illustré par le diagramme suivant :

FdRedox.png

Le cluster des ferrédoxines bactériennes oscille entre les états :

[ Fe2+3 Fe3+ S2-4 ]   \begin{smallmatrix}\rightleftharpoons\end{smallmatrix}   e- + [ Fe2+2 Fe3+2 S2-4 ], avec un potentiel d'oxydo-réduction de -0,7 à -0,3 V.

Celui des ferrédoxines HiPIP oscille entre les états :

[ Fe2+2 Fe3+2 S2-4 ]   \begin{smallmatrix}\rightleftharpoons\end{smallmatrix}   e- + [ Fe2+ Fe3+3 S2-4 ], avec un potentiel redox de 0,1 à 0,4 V.

Ces deux types de ferrédoxines partagent l'état d'oxydation [ Fe2+2 Fe3+2 S2-4 ]. La différence dans les potentiels redox est attribuée à la différence dans les liaisons hydrogène, qui modifient fortement le caractère basique du groupe thiol des résidus cystéine.

Un autre couple redox est mis en œuvre par la nitrogénase, restant plus réducteur que la ferrédoxine bactérienne.

Certaines protéines Fe-S à cluster [Fe4S4] se lient à des substrats et sont donc des enzymes. C'est le cas de l'aconitase, qui se lie au cis-aconitate sur l'un de ces cations de fer dépourvus de ligand à thiol. Le cluster ne déclenche pas de réaction d'oxydo-réduction mais agit comme un acide de Lewis pour catalyser la conversion du cis-aconitate en isocitrate. Dans les enzymes à SAM, le cluster réduit la SAM pour produire un radical permettant de réaliser de nombreuses biosynthèses[3].

Autres clusters Fe-S[modifier | modifier le code]

Les systèmes polymétalliques plus complexes ne sont pas rares. Ainsi, la nitrogénase possède des clusters à sept et à huit cations de fer.

Biogénèse[modifier | modifier le code]

Dans la cellule, la formation des clusters [Fe-S] n'est pas un processus spontané. Il nécessite l'intervention d'une machinerie enzymatique complexe. On en connait plusieurs types, suivant les protéines fer-soufre cibles et les types d'organismes concernés. Ils partagent des points communs, comme l'existence d'une protéine servant de matrice transitoire au sein de laquelle le cluster est assemblé. Les atomes de soufre proviennent de la chaîne latérale d'acide aminés cystéine et nécessitent l'action d'une cystéine désulfurase. Une fois le complexe assemblé sur la protéine matrice, il est finalement transféré sur la protéine cible [2].

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) S. J Lippard et J.M. Berg, Principles of Bioinorganic Chemistry, Mill Valley, Californie, États-Unis, University Science Books,‎ 1994 (ISBN 0-935702-73-3).
  2. a et b (en) D. Johnson, D.R. Dean, A.D. Smith et M.K. Johnson, « Structure, function and formation of biological iron–sulfur clusters », Annual Review of Biochemistry, vol. 74,‎ 2005, p. 247–281 (liens PubMed? et DOI?)
  3. (en) S. C. Wang et P. A. Frey, « S-adenosylmethionine as an oxidant: the radical SAM superfamily », Trends Biochem. Sci., vol. 32, no 3,‎ mars 2007, p. 101-110 (ISSN 0968-0004, liens PubMed? et DOI?)

Articles connexes[modifier | modifier le code]