{{위키데이터 속성 추적}}
'''철-황 단백질'''(鐵黃蛋白質, {{llang|en|iron–sulfur protein}})은 다양한 [[산화 상태]]에서 [[황화물]]에 결합된 이철, 삼철, 사철 중심을 포함하는 [[철-황 클러스터]]의 존재를 특징으로 하는 [[단백질]]이다. 철-황 클러스터는 [[페레독신]], [[NADH 탈수소효소]], [[수소화효소]], [[조효소 Q-사이토크롬 c 환원효소]], [[석신산 탈수소효소|석신산-조효소 Q 환원효소]] 및 [[질소고정효소]]와 같은 다양한 [[금속 단백질]]에서 발견된다.<ref>S. J. Lippard, J. M. Berg “Principles of Bioinorganic Chemistry” University Science Books: Mill Valley, CA; 1994.  {{ISBN|0-935702-73-3}}.</ref> 철-황 클러스터는 [[미토콘드리아]]와 [[엽록체]]에서 [[전자전달계|전자전달과정]]의 [[산화환원반응]]에서의 역할로 가장 잘 알려져 있다. [[산화적 인산화]]에 관여하는 복합체 I과 복합체 II는 둘 다 여러 개의 철-황 클러스터를 가지고 있다. 이들은 [[아코니테이스]]에 의해 설명되는 [[촉매작용]], [[S-아데노실메티오닌|''S''-아데노실메티오닌]](SAM)-의존성 효소에 의해 설명되는 라디칼 생성, [[리포산]] 및 [[비오틴]] 생합성에서 황 공여체로서의 기능을 비롯한 다른 많은 기능들을 가지고 있다. 또한 일부 철-황 단백질은 [[유전자 발현]]을 조절한다. 철-황 단백질은 [[다이나이트로실 철 착물]]을 형성하는 생물생성성 [[일산화 질소|산화 질소]]의 공격에 취약하다. 대부분의 철-황 단백질에서 Fe의 말단 리간드는 [[싸이올|싸이올레이트]]이지만, 예외가 존재한다.<ref>{{저널 인용| last1 = Bak | first1 = D. W. | last2 = Elliott | first2 = S. J. | year = 2014 | title = Alternative FeS cluster ligands: tuning redox potentials and chemistry | journal = Curr. Opin. Chem. Biol. | volume = 19 | pages = 50–58 | doi = 10.1016/j.cbpa.2013.12.015 | pmid = 24463764 }}</ref>

대부분의 [[생물체]]의 [[대사 경로]]에서 이러한 단백질이 널리 퍼져 있는 것은 일부 과학자들이 철-황 화합물이 [[철-황 세계 이론]]에서 [[생명의 기원]]에 중요한 역할을 했다는 이론을 세우는 데 역할을 했다.

== 구조 모티프 ==
거의 모든 철-황 단백질에서 Fe 중심은 [[사면체]]이고 말단 리간드는 시스테닐 잔기의 싸이올라토 황 중심이다. 황화물 그룹은 2개 또는 3개의 [[배위 결합]]을 갖는다. 이러한 기능을 가지고 있는 세 가지 다른 종류의 철-황 클러스터가 가장 일반적이다.

=== 2Fe–2S 클러스터 ===
[[파일:2Fe2S.png|섬네일|오른쪽|220px|2Fe–2S 클러스터]]
가장 단순한 다금속 시스템인 [Fe<sub>2</sub>S<sub>2</sub>] 클러스터는 2개의 황화물 이온에 의해 가교되고, 4개의 [[시스테인|시스테닐]] [[리간드]](Fe<sub>2</sub>S<sub>2</sub> [[페레독신]]에서) 또는 2개의 [[시스테인]]과 2개의 [[히스티딘]]([[리에스케 단백질]]에서)에 의해 배위되는 2개의 철 이온으로 구성된다. 산화된 단백질은 2개의 Fe<sup>3+</sup> 이온을 포함하는 반면, 환원된 단백질은 1개의 Fe<sup>3+</sup> 이온 및 1개의 Fe<sup>2+</sup> 이온을 포함한다. 이 화학종은(Fe<sup>III</sup>)<sub>2</sub>와 Fe<sup>III</sup>Fe<sup>II</sup>의 두 가지 산화 상태로 존재한다. [[CDGSH 철 황 도메인]]은 2Fe–2S 클러스터와도 관련이 있다.

=== 4Fe–4S 클러스터 ===
공통 모티프는 4개의 철 이온과 4개의 황화물 이온이 [[쿠베인형 클러스터]]의 꼭짓점에 위치하는 것을 특징으로 한다. Fe 중심은 일반적으로 시스테닐 리간드에 의해 추가로 배위된다. [Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub>] 전자전달 단백질([Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub>] [[페레독신]])은 저전위(세균형) 페레독신과 [[고전위 철-황 단백질|고전위 페레독신]](HiPIP)로 좀 더 세분화될 수 있다. 저전위 페레독신 및 고전위 페레독신은 다음의 산화환원체계와 관련이 있다.
{|
|[[파일:FdRedox.png|왼쪽|500px|섬네일|4Fe-4S 클러스터는 단백질에서 전자전달 역할을 한다.]]
|}

고전위 철-황 단백질(HiPIP)에서 클러스터는 [2Fe<sup>3+</sup>, 2Fe<sup>2+</sup>] (Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub><sup>2+</sup>)와 [3Fe<sup>3+</sup>, Fe<sup>2+</sup>] (Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub><sup>3+</sup>)사이를 왕복한다. 이 산화환원 쌍의 전위 범위는 0.4~0.1 V이다. 세균의 페레독신에서 산화 상태의 쌍은 [Fe<sup>3+</sup>, 3Fe<sup>2+</sup>] (Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub><sup>+</sup>) 및 [2Fe<sup>3+</sup>, 2Fe<sup>2+</sup>] (Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub><sup>2+</sup>)이다. 이 산화환원 쌍의 전위 범위는 −0.3에서 −0.7 V 사이이다. 4Fe–4S 클러스터의 2가지 패밀리는 Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub><sup>2+</sup> 산화 상태를 공유한다. 산화환원 쌍의 차이는 수소 결합의 정도에 기인하며, 이는 시스테닐 싸이올레이트 리간드의 염기성을 강하게 변형시킨다. 세균의 페레독신보다 훨씬 더 환원성인 추가 산화환원 쌍은 [[질소고정효소]]와 관련이 있다.

일부 4Fe–4S 클러스터는 [[반응물|기질]]과 결합하기 때문에 효소 [[보조 인자]]로 분류된다. [[아코니테이스]]에서 Fe–S 클러스터는 싸이올레이트 리간드가 없는 한 개의 Fe 중심에서 [[아코니트산]]과 결합한다. 클러스터는 산화환원을 거치지 않지만, [[시트르산]]을 [[아이소시트르산]]으로 전환시키는 [[루이스 산]] 촉매 역할을 한다. [[라디칼 SAM]] 효소에서 클러스터는 [[S-아데노실메티오닌|''S''-아데노실메티오닌]]과 결합하고 환원시켜 많은 [[생합성]]에 관여하는 라디칼을 생성한다.<ref>{{저널 인용|author1=Susan C. Wang |author2=Perry A. Frey | title = S-adenosylmethionine as an oxidant: the radical SAM superfamily |url=https://archive.org/details/sim_trends-in-biochemical-sciences_2007-03_32_3/page/101 | journal = Trends in Biochemical Sciences | year = 2007 | volume = 32 | pages = 101–10 | doi = 10.1016/j.tibs.2007.01.002 | pmid = 17291766 | issue = 3}}</ref>

=== 3Fe–4S 클러스터 ===
단백질은 또한 일반적인 [Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub>] 코어보다 1개의 철이 적은 것을 특징으로 하는 [Fe<sub>3</sub>S<sub>4</sub>] 중심을 포함하는 것으로 알려져 있다. 3개의 황화물 이온은 각각 2개의 철 이온과 연결되어 있고, 4번째 황화물은 3개의 철 이온과 연결되어 있다. 이들의 공식적인 산화 상태는 [Fe<sub>3</sub>S<sub>4</sub>]<sup>+</sup> (모두 Fe<sup>3+</sup> 형태)에서 [Fe<sub>3</sub>S<sub>4</sub>]<sup>2−</sup> (모두 Fe<sup>2+</sup> 형태)까지 다양할 수 있다. 많은 철-황 단백질에서 [Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub>] 클러스터는 산화 및 한 개의 철 이온의 소실에 의해 [Fe<sub>3</sub>S<sub>4</sub>] 클러스터로 가역적으로 전환될 수 있다. 예를 들어 비활성 형태의 [[아코니테이스]]는 [Fe<sub>3</sub>S<sub>4</sub>]를 가지며 Fe<sup>2+</sup> 및 환원제의 첨가에 의해 활성화된다.

=== 기타 Fe–S 클러스터 ===
보다 더 복잡한 다금속 시스템이 일반적이다. 예를 들어 [[질소고정효소]]의 8Fe 클러스터와 7Fe 클러스터를 모두 들 수 있다. [[일산화 탄소 탈수소효소]]와 [FeFe]-수소화효소도 특이한 Fe–S 클러스터를 특징으로 한다. 특별한 6 시스테인-배위 [Fe<sub>4</sub>S<sub>3</sub>] 클러스터가 산소 내성 막 결합 [NiFe] 수소화효소에서 발견되었다.<ref>{{저널 인용|last=Fritsch|first=J|author2=Scheerer, P |author3=Frielingsdorf, S |author4=Kroschinsky, S |author5=Friedrich, B |author6=Lenz, O |author7= Spahn, CMT |title=The crystal structure of an oxygen-tolerant hydrogenase uncovers a novel iron-sulphur centre|journal=Nature|date=2011-10-16|volume=479|issue=7372|pages=249–252|doi=10.1038/nature10505 |pmid=22002606|bibcode=2011Natur.479..249F|s2cid=4411671}}</ref><ref>{{저널 인용|last=Shomura|first=Y|author2=Yoon, KS |author3=Nishihara, H |author4= Higuchi, Y |title=Structural basis for a [4Fe-3S] cluster in the oxygen-tolerant membrane-bound [NiFe]-hydrogenase|journal=Nature|date=2011-10-16|volume=479|issue=7372|pages=253–256|doi=10.1038/nature10504 |pmid=22002607|bibcode=2011Natur.479..253S|s2cid=4313414}}</ref>

[[파일:FeMoco Structure.jpg|섬네일|[[질소고정효소]]에서 [[철-몰리브네넘 보조 인자]] 클러스터의 구조. 클러스터는 아미노산 잔기인 [[시스테인]]과 [[히스티딘]]에 의해 단백질에 연결된다.]]

== 생합성 ==
{{참고|철-황 클러스터 생합성}}
Fe–S 클러스터의 생합성은 잘 연구되었다.<ref>{{저널 인용|vauthors=Johnson D, Dean DR, Smith AD, Johnson MK | title = Structure, function and formation of biological iron–sulfur clusters | journal = Annual Review of Biochemistry | year = 2005 | volume = 74 | issue = 1 | pages = 247–281 | doi = 10.1146/annurev.biochem.74.082803.133518 | pmid = 15952888}}</ref><ref>Johnson, M.K. and Smith, A.D. (2005) Iron–sulfur proteins in: Encyclopedia of Inorganic Chemistry (King, R.B., Ed.), 2nd edn, John Wiley & Sons, Chichester.</ref><ref>{{저널 인용|vauthors=Lill R, Mühlenhoff U | title = Iron–sulfur-protein biogenesis in eukaryotes |url=https://archive.org/details/sim_trends-in-biochemical-sciences_2005-03_30_3/page/133 | journal = Trends in Biochemical Sciences | year = 2005 | volume = 30 | pages = 133–141 | doi = 10.1016/j.tibs.2005.01.006 | pmid = 15752985 | issue = 3| doi-access = free }}</ref> 철-황 클러스터의 생합성은 [[대장균]], [[아조토박터 비넬란디이]](''Azotobacter vinelandii''), [[효모]]인 [[사카로미세스 세레비시아]](''Saccharomyces cerevisiae'')에서 가장 광범위하게 연구되었다. 지금까지 [[세균]]에서 처음으로 확인된 nif, suf, isc 시스템의 적어도 3가지의 다른 생합성 시스템이 확인되었다. nif 시스템은 질소고정효소의 클러스터를 담당한다. suf 및 isc 시스템이 보다 더 일반적이다.

효모의 isc 시스템이 가장 잘 설명되어 있다. 여러 단백질들은 isc 경로를 통해 생합성 체계를 구성한다. 이 과정은 다음과 같이 두 가지 주요 단계로 진행된다. (1) Fe–S 클러스터는 스캐폴드 단백질 상에서 조립된 다음, (2) 미리 형성된 클러스터를 수용체 단백질로 이동시킨다. 이 과정의 첫 번째 단계는 [[원핵생물]]의 [[세포질]]이나 [[진핵생물]]의 [[미토콘드리아]]에서 일어난다. 따라서 고등 생물에서 클러스터는 미토콘드리아 밖으로 수송되어 미토콘드리아 외부의 효소로 통합된다. 이러한 생물체는 또한 원핵생물의 시스템에서 발견되는 단백질과 상동이 아닌 Fe–S 클러스터 수송 및 통합 과정에 관여하는 단백질의 세트를 가지고 있다.

== 합성 유사체 ==
자연적으로 생성되는 Fe–S 클러스터의 합성 유사체는 [[리처드 해들리 홈]](Richard Hadley Holm)과 그 동료들에 의해 처음으로 보고되었다.<ref>{{저널 인용|author1=T. Herskovitz |author2=B. A. Averill |author3=R. H. Holm |author4=J. A. Ibers |author5=W. D. Phillips |author6=J. F. Weiher | title = Structure and Properties of a Synthetic Analogue of Bacterial Iron-Sulfur Proteins | year = 1972 | journal = [[Proceedings of the National Academy of Sciences]] | volume = 69 | issue = 9 | pages = 2437–2441 | doi = 10.1073/pnas.69.9.2437 | pmid = 4506765 | pmc = 426959|bibcode=1972PNAS...69.2437H |doi-access=free }}</ref> 싸이올레이트와 황화물의 혼합물로 철 염을 처리하면 ([[테트라에틸암모늄|Et<sub>4</sub>N]])<sub>2</sub>Fe<sub>4</sub>S<sub>4</sub>(SCH<sub>2</sub>Ph)<sub>4</sub>]와 같은 유도체가 생성된다.<ref>{{저널 인용|author1=Holm, R. H. |author2=Lo, W. |title=Structural Conversions of Synthetic and Protein-Bound Iron-Sulfur Clusters|journal=Chem. Rev.|year=2016|volume=116|issue=22 |pages=13685–13713|doi=10.1021/acs.chemrev.6b00276|pmid=27933770 }}</ref><ref>{{저널 인용|author1=Lee, S. C. |author2=Lo, W. |author3=Holm, R. H. |title=Developments in the Biomimetic Chemistry of Cubane-Type and Higher Nuclearity Iron–Sulfur Clusters|journal=Chemical Reviews|year=2014|volume=114|issue=7 |pages=3579–3600|doi=10.1021/cr4004067|pmc=3982595 |pmid=24410527}}</ref>

== 같이 보기 ==
* [[철-황 클러스터]]
* [[리에스케 단백질]]
* [[생물무기화학]]
* [[철-결합 단백질]]
* [[미토좀]]

== 각주 ==
{{각주}}

== 더 읽을거리 ==
* {{저널 인용| author=Beinert, H.  | title=Iron-sulfur proteins: ancient structures, still full of surprises | journal=J. Biol. Inorg. Chem. | year=2000 | volume=5 | pages=2–15 | pmid=10766431  | doi=10.1007/s007750050002 | issue=1| s2cid=20714007 }}
* {{저널 인용|author1=Beinert, H.  |author2=Kiley, P.J. | title=Fe-S proteins in sensing and regulatory functions | journal=Curr. Opin. Chem. Biol. | year=1999 | volume=3 | pages=152–157 | pmid=10226040 | doi=10.1016/S1367-5931(99)80027-1 | issue=2}}
* {{저널 인용| author=Johnson, M.K. | title=Iron-sulfur proteins: new roles for old clusters | journal=Curr. Opin. Chem. Biol. | year=1998 | volume=2 | pages=173–181 | pmid=9667933 | doi=10.1016/S1367-5931(98)80058-6 | issue=2}}
* {{저널 인용| author=Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry (NC-IUB) | title=Nomenclature of iron-sulfur proteins. Recommendations 1978 | journal=Eur. J. Biochem. | year=1979 | volume=93 | pages=427–430 | pmid=421685 | doi=10.1111/j.1432-1033.1979.tb12839.x | issue=3| doi-access=free }}
* {{저널 인용| author=Noodleman, L., Lovell, T., Liu, T., Himo, F. and Torres, R.A. | title=Insights into properties and energetics of iron-sulfur proteins from simple clusters to nitrogenase | journal=Curr. Opin. Chem. Biol. | year=2002 | volume=6 | pages=259–273 | pmid=12039013 | doi=10.1016/S1367-5931(02)00309-5 | issue=2}}
* {{서적 인용| author=Spiro, T.G., Ed. | title=Iron-sulfur proteins | url=https://archive.org/details/ironsulfurprotei0000unse_y6k5 | location=New York | publisher=Wiley | year=1982 | isbn=0-471-07738-0}}

== 외부 링크 ==
{{위키공용분류}}
* {{MeshName|Iron-Sulfur+Proteins}}
* [https://web.archive.org/web/20071122005048/http://metallo.scripps.edu/PROMISE/2FE2S.html Examples of iron-sulfur clusters]

{{철 결합 단백질}}

[[분류:클러스터 화학]]
[[분류:철-황 단백질| ]]
[[분류:표재성 막 단백질]]
[[분류:단백질 구조]]
[[분류:철 화합물]]
[[분류:황 화합물]]
[[분류:금속단백질]]