**철-황 단백질**(鐵黃蛋白質, 영어: iron–sulfur protein)은 다양한 산화 상태에서 황화물에 결합된 이철, 삼철, 사철 중심을 포함하는 철-황 클러스터의 존재를 특징으로 하는 단백질이다. 철-황 클러스터는 페레독신, NADH 탈수소효소, 수소화효소, 조효소 Q-사이토크롬 c 환원효소, 석신산-조효소 Q 환원효소 및 질소고정효소와 같은 다양한 금속 단백질에서 발견된다. 철-황 클러스터는 미토콘드리아와 엽록체에서 전자전달과정의 산화환원반응에서의 역할로 가장 잘 알려져 있다. 산화적 인산화에 관여하는 복합체 I과 복합체 II는 둘 다 여러 개의 철-황 클러스터를 가지고 있다. 이들은 아코니테이스에 의해 설명되는 촉매작용, *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 발현을 조절한다. 철-황 단백질은 다이나이트로실 철 착물을 형성하는 생물생성성 산화 질소의 공격에 취약하다. 대부분의 철-황 단백질에서 Fe의 말단 리간드는 싸이올레이트이지만, 예외가 존재한다.

대부분의 생물체의 대사 경로에서 이러한 단백질이 널리 퍼져 있는 것은 일부 과학자들이 철-황 화합물이 철-황 세계 이론에서 생명의 기원에 중요한 역할을 했다는 이론을 세우는 데 역할을 했다.

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

### 2Fe–2S 클러스터

2Fe–2S 클러스터
가장 단순한 다금속 시스템인 [Fe2S2] 클러스터는 2개의 황화물 이온에 의해 가교되고, 4개의 시스테닐 리간드(Fe2S2 페레독신에서) 또는 2개의 시스테인과 2개의 히스티딘(리에스케 단백질에서)에 의해 배위되는 2개의 철 이온으로 구성된다. 산화된 단백질은 2개의 Fe3+ 이온을 포함하는 반면, 환원된 단백질은 1개의 Fe3+ 이온 및 1개의 Fe2+ 이온을 포함한다. 이 화학종은(FeIII)2와 FeIIIFeII의 두 가지 산화 상태로 존재한다. CDGSH 철 황 도메인은 2Fe–2S 클러스터와도 관련이 있다.

### 4Fe–4S 클러스터

공통 모티프는 4개의 철 이온과 4개의 황화물 이온이 쿠베인형 클러스터의 꼭짓점에 위치하는 것을 특징으로 한다. Fe 중심은 일반적으로 시스테닐 리간드에 의해 추가로 배위된다. [Fe4S4] 전자전달 단백질([Fe4S4] 페레독신)은 저전위(세균형) 페레독신과 고전위 페레독신(HiPIP)로 좀 더 세분화될 수 있다. 저전위 페레독신 및 고전위 페레독신은 다음의 산화환원체계와 관련이 있다.

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| 4Fe-4S 클러스터는 단백질에서 전자전달 역할을 한다. |

고전위 철-황 단백질(HiPIP)에서 클러스터는 [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+)와 [3Fe3+, Fe2+] (Fe4S43+)사이를 왕복한다. 이 산화환원 쌍의 전위 범위는 0.4~0.1 V이다. 세균의 페레독신에서 산화 상태의 쌍은 [Fe3+, 3Fe2+] (Fe4S4+) 및 [2Fe3+, 2Fe2+] (Fe4S42+)이다. 이 산화환원 쌍의 전위 범위는 −0.3에서 −0.7 V 사이이다. 4Fe–4S 클러스터의 2가지 패밀리는 Fe4S42+ 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 질소고정효소와 관련이 있다.

일부 4Fe–4S 클러스터는 기질과 결합하기 때문에 효소 보조 인자로 분류된다. 아코니테이스에서 Fe–S 클러스터는 싸이올레이트 리간드가 없는 한 개의 Fe 중심에서 아코니트산과 결합한다. 클러스터는 산화환원을 거치지 않지만, 시트르산을 아이소시트르산으로 전환시키는 루이스 산 촉매 역할을 한다. 라디칼 SAM 효소에서 클러스터는 *S*-아데노실메티오닌과 결합하고 환원시켜 많은 생합성에 관여하는 라디칼을 생성한다.

### 3Fe–4S 클러스터

단백질은 또한 일반적인 [Fe4S4] 코어보다 1개의 철이 적은 것을 특징으로 하는 [Fe3S4] 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 [Fe3S4]+ (모두 Fe3+ 형태)에서 [Fe3S4]2− (모두 Fe2+ 형태)까지 다양할 수 있다. 많은 철-황 단백질에서 [Fe4S4] 클러스터는 산화 및 한 개의 철 이온의 소실에 의해 [Fe3S4] 클러스터로 가역적으로 전환될 수 있다. 예를 들어 비활성 형태의 아코니테이스는 [Fe3S4]를 가지며 Fe2+ 및 환원제의 첨가에 의해 활성화된다.

### 기타 Fe–S 클러스터

보다 더 복잡한 다금속 시스템이 일반적이다. 예를 들어 질소고정효소의 8Fe 클러스터와 7Fe 클러스터를 모두 들 수 있다. 일산화 탄소 탈수소효소와 [FeFe]-수소화효소도 특이한 Fe–S 클러스터를 특징으로 한다. 특별한 6 시스테인-배위 [Fe4S3] 클러스터가 산소 내성 막 결합 [NiFe] 수소화효소에서 발견되었다.

질소고정효소에서 철-몰리브네넘 보조 인자 클러스터의 구조. 클러스터는 아미노산 잔기인 시스테인과 히스티딘에 의해 단백질에 연결된다.

생합성
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 철-황 클러스터 생합성 문서를 참고하십시오.
Fe–S 클러스터의 생합성은 잘 연구되었다. 철-황 클러스터의 생합성은 대장균, 아조토박터 비넬란디이(*Azotobacter vinelandii*), 효모인 사카로미세스 세레비시아(*Saccharomyces cerevisiae*)에서 가장 광범위하게 연구되었다. 지금까지 세균에서 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 원핵생물의 세포질이나 진핵생물의 미토콘드리아에서 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
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자연적으로 생성되는 Fe–S 클러스터의 합성 유사체는 리처드 해들리 홈(Richard Hadley Holm)과 그 동료들에 의해 처음으로 보고되었다. 싸이올레이트와 황화물의 혼합물로 철 염을 처리하면 (Et4N)2Fe4S4(SCH2Ph)4]와 같은 유도체가 생성된다.

더 읽을거리
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* Beinert, H. (2000). "Iron-sulfur proteins: ancient structures, still full of surprises". 《J. Biol. Inorg. Chem.》 **5** (1): 2–15. doi:10.1007/s007750050002. PMID 10766431. S2CID 20714007.
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* Johnson, M.K. (1998). "Iron-sulfur proteins: new roles for old clusters". 《Curr. Opin. Chem. Biol.》 **2** (2): 173–181. doi:10.1016/S1367-5931(98)80058-6. PMID 9667933.
* Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry (NC-IUB) (1979). "Nomenclature of iron-sulfur proteins. Recommendations 1978". 《Eur. J. Biochem.》 **93** (3): 427–430. doi:10.1111/j.1432-1033.1979.tb12839.x. PMID 421685.
* Noodleman, L. Lovell, T. Liu, T. Himo, F. and Torres, R.A. (2002). "Insights into properties and energetics of iron-sulfur proteins from simple clusters to nitrogenase". 《Curr. Opin. Chem. Biol.》 **6** (2): 259–273. doi:10.1016/S1367-5931(02)00309-5. PMID 12039013.  CS1 관리 - 여러 이름 (링크)
* Spiro, T.G. Ed. (1982). 《Iron-sulfur proteins》. New York: Wiley. ISBN 0-471-07738-0.  CS1 관리 - 여러 이름 (링크)