Advanced

Structural Insights into the Acquisition and Storage of Iron

Schagerlöf, Ulrika LU (2007)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Järn har den kemiska beteckningen Fe från latinskans ferrum. Det är det fjärde vanligaste ämnet i världen och utgör ca en femtedel av jordskorpan. Trots det kan både djur och växter ha järnbrist. Hur kan detta vara möjligt? Problemet är egentligen inte förekomsten av järn utan att järnet som vi och alla andra organismer behöver har oxidationstillståndet Fe(II) medan det mest stabila tillståndet för järn är Fe(III). I en syrerik miljö övergår all Fe(II) snabbt till Fe(III), det oxideras. Det är alltså begränsad tillgång på biologiskt användbart järn som är en av anledningarna till järnbrist.



Järn är alltså en livsviktig metall och kroppen behöver ständig tillförsel för att driva... (More)
Popular Abstract in Swedish

Järn har den kemiska beteckningen Fe från latinskans ferrum. Det är det fjärde vanligaste ämnet i världen och utgör ca en femtedel av jordskorpan. Trots det kan både djur och växter ha järnbrist. Hur kan detta vara möjligt? Problemet är egentligen inte förekomsten av järn utan att järnet som vi och alla andra organismer behöver har oxidationstillståndet Fe(II) medan det mest stabila tillståndet för järn är Fe(III). I en syrerik miljö övergår all Fe(II) snabbt till Fe(III), det oxideras. Det är alltså begränsad tillgång på biologiskt användbart järn som är en av anledningarna till järnbrist.



Järn är alltså en livsviktig metall och kroppen behöver ständig tillförsel för att driva alla järnberoende processer. En vuxen människa har cirka 3-4 g järn i kroppen varav ungefär 2.5 g finns bundet i hemoglobinet, det protein som färgar blodkropparna röda. Järnet i hemoglobin har till uppgift att binda syre vilket gör att blodet kan transportera syre från lungorna ut till resten av kroppen. Kroppen använder också järn för att transportera energi eller molekyler i många andra viktiga processer.



Upptag av järn



När livet på vår planet utvecklades var allt syre i atmosfären bundet i koldioxid och det fanns inte något fritt syre. Då var tillgången på biologiskt tillgängligt Fe(II) inget problem. När växterna utvecklade fotosyntes och började frigöra syrgas så oxiderades järnet och föll ut som olösliga Fe(III)-salter. Tillgången på Fe(II) blev begränsad och många arter dog ut. Man skulle därför kunna se fotosyntesens utveckling som den första miljökatastrofen på jorden. De arter som lyckades anpassa sig till denna mer fientlig omgivning utvecklade nya system för att ta upp järn.



Enligt WHO är järnbrist det allra vanligaste hälsoproblemet i hela världen och man räknar med att över 30 % av jordens befolkning lider av anemi till följd av järnbrist. På kort sikt kan problemet avhjälpas genom att dela ut kosttillskott, men en mera långsiktig lösning kräver ett generellt ökat järninnehåll i maten och tillgång till en mer välbalanserad kost. För att uppnå detta krävs grödor som klarar torka bättre och som kan ta upp järn på ett mer effektivt sätt. Redan idag finns det växter som klarar av att omvandla Fe(III) till biologiskt tillgängligt Fe(II). Genom att kartlägga dessa växters mekanism för järnupptagning försöker man producera grödor som är självförsörjande med järn.



Växten A. thaliana har ett protein i rötterna som heter FRO2 och som gör den självförsörjande med järn. Genom genetiska växtförädlingsexperiment har man introducerat FRO2 i sojaböna och på så sätt tagit fram en sort som klarar av att växa med Fe(III) som huvudsaklig järnkälla. Detta beror på att FRO2 är ett så kallat järnreduktas som omvandlar Fe(III) till Fe(II). Däremot känner man inte till vilken struktur FRO2 har eller hur proteinets reaktionsmekanism fungerar. Vi har bestämt FRO2's membrantopologi, dvs. hur proteinet veckar sig i membranet. Detta är ett första steg mot en fullständig tredimensionell modell av proteinet. Man kan även dra slutsatser från våra resultat angående de andra proteiner med snarlik aminosyrasekvens som tillhör samma familj som FRO2. Jämförelser inom familjen visar dessutom att det troligtvis krävs ett samverkande komplex mellan en järntransportör och FRO2 för att växten skall kunna ta upp det reducerade järnet.



Lagring av järn



Paracelsus, toxikologins fader, har en gång sagt: ?Allt är gift och ingenting är utan gift, endast dosen avgör huruvida något är giftigt.? Detta är absolut sant när det gäller järn. Lite järn är en livsnödvändighet och brist på järn kan leda till anemi. Men man kan även få för mycket järn. Mer än 20 mg per kilo kroppsvikt leder till förgiftningssymptom och en dos motsvarande 60 mg per kilo anses dödlig. Hur kan det vara så?



Okontrollerad oxidation av Fe(II) till Fe(III) inne i cellerna leder till bildandet av mycket reaktiva ämnen, så kallade fria radikaler. Dessa kan ställa till stor skada inne i cellerna genom att förstöra DNA, membran och proteiner. För att förhindra detta finns det proteiner som samlar upp och transporterar järnet på ett säkert sätt och levererar det direkt till de processer i cellen som behöver järn. Dessutom kan dessa proteiner bilda större ihåliga komplex och lagra järnet på ett tryggt sätt inneslutet inuti komplexet. Men om järnhalten inne i cellerna överstiger lagringskapaciteten hinner cellen inte ta hand om järnet, vilket kan leda till så allvarliga skador att cellen dör.



Ett av dessa järnbindande proteiner kallas frataxin och finns inne i mitokondrierna, där cellens energimetabolism sker. Friedrichs ataxi är en ärftlig sjukdom som orsakas av mutationer i den gen som kodar för frataxin. Detta leder till att det inte produceras tillräckligt med frataxin i cellen eller att frataxinet inte är helt funktionellt. När frataxinet inte tar hand om järnet som det skall leder detta till skador på mitochondrien som då slutar fungera. Friedrichs ataxi yttrar sig som störningar i centrala nervsystemet med koordinationssvårigheter och nedsatt hjärtfunktion som följd. De första symptomen visar sig vanligen hos ungdomar i de sena tonåren eller omkring tjugoårsåldern, beroende på hur kraftigt mutationen påverkar funktionen hos frataxinet. För att kunna bromsa sjukdomsutvecklingen och avhjälpa symptomen måste vi förstå hur proteinet fungerar och på vilket sätt de ärftliga felen påverkar funktionen. Frataxin bildar så stora komplex att de går att se i ett elektronmikroskop. Vi har tittat på frataxinkomplexet både med och utan järn för att mer detaljerat ta reda på hur järnförvaringen sker. Vi har bestämt ett antal strukturer av frataxin-komplexet med varierande järninnehåll och genom dessa har vi kunnat se en gradvis uppbyggnad av järnmineral inuti komplexet. Härav har vi kunnat dra slutsatsen att mekanismen för komplexbildning troligtvis är avgörande för hur snabbt komplexet tar upp järn, samt för hur mycket järn som kan lagras i komplexet. (Less)
Abstract
It is of vital importance to understand the systems for iron metabolism and this thesis contributes to this by providing insights into the structure and function of the acquisition and homeostasis of iron. The two proteins that have been primarily investigated are a ferric reductase from Arabidopsis thaliana called FRO2 and a mitochondrial iron chaperone from Saccharomyces cerevisiae called frataxin.



In 1999, a membrane bound ferric reductase called FRO2 was identified in A. thaliana. This protein enables the plant to acquire bioavailable iron from mineral soil When this project was initiated no structural information was available for FRO2 or any other known homologue. We have been able to establish the membrane... (More)
It is of vital importance to understand the systems for iron metabolism and this thesis contributes to this by providing insights into the structure and function of the acquisition and homeostasis of iron. The two proteins that have been primarily investigated are a ferric reductase from Arabidopsis thaliana called FRO2 and a mitochondrial iron chaperone from Saccharomyces cerevisiae called frataxin.



In 1999, a membrane bound ferric reductase called FRO2 was identified in A. thaliana. This protein enables the plant to acquire bioavailable iron from mineral soil When this project was initiated no structural information was available for FRO2 or any other known homologue. We have been able to establish the membrane topology for FRO2 and also to indicate the topology for several other homologous proteins by combining sequence alignment with our results for FRO2. Sequential alignment of the water-soluble flavin-binding domain of FRO2 and structural alignment of other members of the same protein family enable us to present a prediction of the tertiary structure of this domain. Indications of a conserved complex formation between FRO2 and the membrane-bound iron transporter IRT1 are also presented together with a proposed arrangement of the individual subunits in the complex.



The main iron chaperone in mitochondria is called frataxin. Frataxin has recently been shown to perform the dual function of delivering bioavailable Fe(II) to several iron-chelating proteins and maintaining mitochondrial iron homeostasis by the detoxification of surplus iron. Dysfunction of the protein is closely linked to a neurodegenerative disease known as Freidrich's ataxia. The structure of the trimeric Y73A yeast frataxin mutant with bound iron indicates that the trimer is the basic functional unit that delivers Fe(II) to iron requiring processes inside the mitochondria. The 24-oligomeric Y73A apo structure provides an initial scaffold for the storage of iron inside the hollow structure. The gradually increasing iron cores in the pre-assembled iron loaded Y73A mutant of 24-oligomeric yeast frataxin structures provide a new starting point for deducing the initiation of iron accumulation inside the protein structure. This also strongly suggests that the pre-assembled Y73A mutant of yeast frataxin is an acceptable model for the human frataxin system. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Andrews, Simon, The University of Reading
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Strukturkemi, Molecular biophysics, Molekylär biofysik, Structure chemistry, single particle, ferric reductase, human phagocyte superoxide-generating NADPH oxidase, frataxin, cryo electron microscopy, FRO2, iron homeostasis, iron acquisition
pages
95 pages
publisher
Department of Molecular Biophysics, Lund University
defense location
Lund University Getingevägen 60 Center for Chemistry & Chemical Engineering Lecture hall A
defense date
2007-05-04 10:15
ISBN
978-91-7422-156-5
language
English
LU publication?
yes
id
72b70ad3-5b6a-4946-a00b-0a0d9f193f5e (old id 548458)
date added to LUP
2007-10-10 10:49:29
date last changed
2016-09-19 08:45:11
@phdthesis{72b70ad3-5b6a-4946-a00b-0a0d9f193f5e,
  abstract     = {It is of vital importance to understand the systems for iron metabolism and this thesis contributes to this by providing insights into the structure and function of the acquisition and homeostasis of iron. The two proteins that have been primarily investigated are a ferric reductase from Arabidopsis thaliana called FRO2 and a mitochondrial iron chaperone from Saccharomyces cerevisiae called frataxin.<br/><br>
<br/><br>
In 1999, a membrane bound ferric reductase called FRO2 was identified in A. thaliana. This protein enables the plant to acquire bioavailable iron from mineral soil When this project was initiated no structural information was available for FRO2 or any other known homologue. We have been able to establish the membrane topology for FRO2 and also to indicate the topology for several other homologous proteins by combining sequence alignment with our results for FRO2. Sequential alignment of the water-soluble flavin-binding domain of FRO2 and structural alignment of other members of the same protein family enable us to present a prediction of the tertiary structure of this domain. Indications of a conserved complex formation between FRO2 and the membrane-bound iron transporter IRT1 are also presented together with a proposed arrangement of the individual subunits in the complex.<br/><br>
<br/><br>
The main iron chaperone in mitochondria is called frataxin. Frataxin has recently been shown to perform the dual function of delivering bioavailable Fe(II) to several iron-chelating proteins and maintaining mitochondrial iron homeostasis by the detoxification of surplus iron. Dysfunction of the protein is closely linked to a neurodegenerative disease known as Freidrich's ataxia. The structure of the trimeric Y73A yeast frataxin mutant with bound iron indicates that the trimer is the basic functional unit that delivers Fe(II) to iron requiring processes inside the mitochondria. The 24-oligomeric Y73A apo structure provides an initial scaffold for the storage of iron inside the hollow structure. The gradually increasing iron cores in the pre-assembled iron loaded Y73A mutant of 24-oligomeric yeast frataxin structures provide a new starting point for deducing the initiation of iron accumulation inside the protein structure. This also strongly suggests that the pre-assembled Y73A mutant of yeast frataxin is an acceptable model for the human frataxin system.},
  author       = {Schagerlöf, Ulrika},
  isbn         = {978-91-7422-156-5},
  keyword      = {Strukturkemi,Molecular biophysics,Molekylär biofysik,Structure chemistry,single particle,ferric reductase,human phagocyte superoxide-generating NADPH oxidase,frataxin,cryo electron microscopy,FRO2,iron homeostasis,iron acquisition},
  language     = {eng},
  pages        = {95},
  publisher    = {Department of Molecular Biophysics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Structural Insights into the Acquisition and Storage of Iron},
  year         = {2007},
}