Protein control of redox potentials of iron-sulfur proteins

Chemical Reviews

Volumn 96, Issue 7, 1996, Pages 2491-2513

  Stephens, P J ^a   Jollie, D R ^a   Warshel, A ^a  

^a UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 0001531848     PISSN: 00092665     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr950045w     Document Type: Article

References (119)

1. Iron-Sulfur Proteins, Academic Press: New York, Vols. I and II, 1973; Vol. III, Lovenberg, W., Ed., 1977; Vol. IV, Spiro, T. G., Ed., 1982.
2. Iron-Sulfur Proteins, Academic Press: New York, Vols. I and II, 1973; Vol. III, Lovenberg, W., Ed., 1977; Vol. IV, Spiro, T. G., Ed., 1982.
3. Iron-Sulfur Proteins, Academic Press: New York, Vols. I and II, 1973; Vol. III, Lovenberg, W., Ed., 1977; Vol. IV, Spiro, T. G., Ed., 1982.
4. Iron-Sulfur Proteins, Adv. Inorg. Chem.; Cammack, R., Ed., Academic Press: New York, 1992; Vol. 38.
5. Stiefel, E. I.; George, G. N. In Bioinorganic Chemistry; Bertini, I., Gray, H. B., Lippard, S. J.; Valentine, J. S., Eds.; University Science Books: Mill Valley, CA, 1994; Chapter 7, p 365.
6. Cammack, R. In ref 2; p 281.
7. Rees, D. C.; Farrelly, D. In The Enzymes; Sigman, D. S., Boyer, P. D., Eds., Academic Press: New York, 1990; Vol. 19, Chapter 2, p 37.
8. Brooks, C. L.; Karplus, M.; Pettitt, B. M. Adv. Chem. Phys. 1988, 71, 1.
9. Warshel, A. Computer Simulation of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions; Wiley: New York, 1991.
10. Langen, R.; Jensen, G. M.; Jacob, U.; Stephens, P. J.; Warshel, A. J. Biol. Chem. 1992, 267, 25625.
11. Jensen, G. M.; Warshel, A.; Stephens, P. J. Biochemistry 1994, 33, 10911.
12. Jollie, D. R. Unpublished results.
13. Warshel, A.; Russell, S. T. Q. Rev. Biophys. 1984, 17, 283.
14. Russell, S. T.; Warshel, A. J. Mol. Biol. 1985, 389, 185.
15. There have been quantum mechanical calculations on [Fe-S] clusters; see, for example: Noodleman, L.; Case, D. A. In ref 2; P 425.
16. Warshel, A.; Åqvist, J. Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 1991, 20, 267.
17. Churg, A. K.; Warshel, A. Biochemistry 1986, 25, 1675.
18. Warshel, A.; Creighton, S. In Computer Simulation of Biomolecular Systems; van Gunsteren, W. F., Weiner, P. K., Eds.; ESCOM: Leiden, 1989; p 120.
19. Parson, W. W.; Chu, Z. T.; Warshel, A. Biochim. Biophys. Acta 1990, 1017, 251.
20. Lee, F. S.; Chu, Z. T.; Warshel, A. J. Comput. Chem. 1993, 14, 161.
21. Langen, R.; Brayer, G. D.; Berghuis, A. M.; Mclendon, G.; Sherman, F.; Warshel, A. J. Mol. Biol. 1992, 224, 589.
22. Adman, E. T.; Peters-Libeu, C.; Turley, S. Abstract of Papers, 205th National Meeting of the American Chemical Society, Denver, CO, Spring 1993; American Chemical Society: Washington, DC, 1993; Abstract 430, Inorganic Division.
23. It might appear that changes in Δv would more correctly be compared to changes in the redox enthalpy, ΔH, rather than the redox free energy, AG. For reasons discussed at length elsewhere (ref 14) this is not the case.
24. Van Vleck, J. H. The Theory of Electric And Magnetic Susceptibilities; Oxford University Press: Oxford, 1932; Chapter 2.
25. For a comparison of results obtained using eq 9 to the predictions of a more rigorous all-atom solvent model, See: King, G.; Warshel, A. J. Chem. Phys. 1989, 91, 3647.
26. Noodleman, L.; Norman, J. G.; Osborne, J. H.; Aizman, A.; Case, D. A. J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 3418.
27. 8,9 used a 2 Å inner grid; a 1 Å grid is now preferred.
28. Jensen, L. H. In Iron-Sulfur Proteins; Lovenberg, W., Ed.; Academic Press: New York, 1973; Vol. II, Chapter 4, p 163.
29. Carter, C. W. In Iron-Sulfur Proteins; Lovenberg, W., Ed.; Academic Press: New York, 1977; Vol. III, Chapter 6, p 157.
30. Watenpaugh, K. D.; Sieker, L. C.; Jensen, L. H. J. Mol. Biol. 1980, 138, 615.
31. Stenkamp, R. E.; Sieker, L. C.; Jensen, L. H. Proteins: Struct. Funct. Genet. 1990, 8, 352.
32. Frey, M.; Sieker, L.; Payan, F.; Haser, R.; Bruschi, M.; Pepe, G.; LeGall, J. J. Mol. Biol. 1987, 197, 525.
33. Dauter, Z.; Sieker, L. C.; Wilson, K. S. Acta Crystallogr., Sect. B 1992, 48, 42.
34. Day, M. W.; Hsu, B. T.; Joshua-Tor, L.; Park, J. B.; Zhou, Z. H.; Adams, M. W. W.; Rees, D. C. Protein Sci. 1992, 1, 1494.
35. Nordlund, P. Personal communication, 1995.
36. Archer, M.; Huber, R.; Tavares, P.; Moura, I.; Moura, J. J. G.; Carrondo, M. A.; Sieker, L. C.; LeGall, J.; Romao, M. J. J. Mol. Biol. 1995, 251, 690.
37. Jacobson, B. L.; Chae, Y. K.; Markley, J. L.; Rayment, I.; Holden, H. M. Biochemistry 1993, 32, 6788.
38. Holden, H. M. Personal Communication, 1996. For the earlier 2.5 Å structure (PDB File 1FXA), see: Rypniewski, W. R.; Breiter, D. R.; Benning, M. M.; Wesenberg, G.; Oh, B. H.; Markley, J. L.; Rayment, I.; Holden, H. M. Biochemistry 1991, 30, 4126.
39. Holden, H. M. Personal Communication, 1996. For the earlier 2.5 Å structure (PDB File 1FXA), see: Rypniewski, W. R.; Breiter, D. R.; Benning, M. M.; Wesenberg, G.; Oh, B. H.; Markley, J. L.; Rayment, I.; Holden, H. M. Biochemistry 1991, 30, 4126.
40. Tsukihara, T.; Fukuyama, K.; Mizushima, M.; Harioka, T.; Kusunoki, M.; Katsube, Y.; Hase, T.; Matsubara, H. J. Mol. Biol. 1990, 276, 399.
41. Ikemizu, S.; Bando, M.; Sato, T.; Morimoto, Y.; Tsukihara, T.; Fukuyama, K. Acta Crystallogr. Sect. D 1994, 50, 167.
42. Fukuyama, K.; Ueki, N.; Nakamura, H.; Tsukihara, T.; Matsubara, H. J. Biochem. (Tokyo) 1995, 117, 1017.
43. Sussman, J. L.; Shoham, M.; Harel, M. Computer Assisted Modeling of Receptor-Ligand Interactions; Rein, R., Golombek, A., Eds.; 1989; p 171.
44. Pochapsky, T. C.; Ye, X. M.; Ratnaswamy, G.; Lyons, T. A. Biochemistry 1994, 33, 6424.
45. Correll, C. C.; Batie, C. J.; Ballou, D. P.; Ludwig, M. L. Science 1992, 258, 1604.
46. Romao, M. J.; Archer, M.; Moura, I.; Moura, J. J. G.; LeGall, J.; Engh, R.; Schneider, M.; Hof, P.; Huber, R. Science 1995, 270, 1170.
47. Merritt, E. A.; Stout, G. H.; Turley, S.; Sieker, L. C.; Jensen, L. H.; Orme-Johnson, W. H. Acta Crystallogr. Sect D. 1993, 49, 272
48. Stout, C. D. J. Mol. Biol. 1989, 205, 545.
49. Stout, C. D. J. Biol. Chem. 1993, 268, 25920.
50. Kissinger, C. R.; Sieker, L. C.; Adman, E. T.; Jensen, L. H. J. Mol. Biol. 1991, 219, 693.
51. Robbins, A. H.; Stout, C. D. Proteins: Struct. Funct. Genet. 1989, 5, 289.
52. Volbeda, A.; Charon, M. H.; Piras, C.; Hatchikian, E. C.; Frey, M.; Fontecilla-Camps, J. C. Nature 1995, 373, 580.
53. Carter, C. W.; Kraut, J.; Freer, S. T.; Xuong, N. H.; Alden, R. A.; Bartsch, R. G. J. Biol. Chem. 1974, 249, 4212.
54. Holden, H. M. Personal Communication, 1996. For the earlier 2.5 Å structure (PDB File 2HIP) see: Breiter, D. R.; Meyer, T. E.; Payment, I.; Holden, H. M. J. Biol. Chem. 1991, 266, 18660.
55. Holden, H. M. Personal Communication, 1996. For the earlier 2.5 Å structure (PDB File 2HIP) see: Breiter, D. R.; Meyer, T. E.; Payment, I.; Holden, H. M. J. Biol. Chem. 1991, 266, 18660.
56. Benning, M. M.; Mayer, T. E.; Rayment, I.; Holden, H. M. Biochemistry 1994, 33, 2476.
57. Rayment, I.; Wesenberg, G.; Meyer, T. E.; Cusanovich, M. A.; Holden, H. M. J. Mol. Biol. 1992, 228, 672.
58. Banci, L.; Bertini, I.; Dikiy, A.; Kastrau, D. H. W.; Luchinat, C.; Sompornpisut, P. Biochemistry 1995, 34, 206.
59. Banci, L.; Bertini, I.; Eltis, L. D.; Felli, I. C.; Kastrau, D. H. W.; Luchinat, C.; Piccioli, M.; Pierattelli, R.; Smith, M. Eur. J. Biochem. 1994, 225, 715.
60. Fukuyama, K.; Matsubara, H.; Tsukihara, T.; Katsube, Y. J. Mol. Biol. 1989, 210, 383.
61. Duee, E.; Fanchon, E.; Vicat, J.; Sieker, L.; C. Meyer, J.; Moulis, J.-M. J. Mol. Biol. 1994, 243, 683.
62. Tranqui, D.; Jesior, J. C. Acta Crystallogr. Sect. D 1995, 51, 155.
63. Sery, A.; Housset, D.; Serre, L.; Bonicel, J.; Hatchikian, C.; Frey, M.; Roth, M. Biochemistry 1994, 33, 15408.
64. Adman, E. T. Personal communication, 1994. See also: Backes, G.; Mino, Y.; Loehr, T. M.; Meyer, T. E.; Cusanovich, M. A.; Sweeney, W. V.; Adman, E. T.; Sanders-Loehr, J. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 2055.
65. Adman, E. T. Personal communication, 1994. See also: Backes, G.; Mino, Y.; Loehr, T. M.; Meyer, T. E.; Cusanovich, M. A.; Sweeney, W. V.; Adman, E. T.; Sanders-Loehr, J. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 2055.
66. Georgiadis, M. M.; Komiya, H.; Chakrabarti, P.; Woo, D.; Kornuc, J. J.; Rees, D. C. Science 1992, 257, 1653.
67. Rees, D. C. Private communication, 1993.
68. Chan, M. K.; Mukund, S.; Kletzin, A.; Adams, M. W. W.; Rees, D. C. Science 1995, 267, 1463.
69. Lim, L. W.; Shamala, N.; Mathews, F. S.; Steenkamp, D. J.; Hamlin, R.; Xuong, N. H. J. Biol. Chem. 1986, 261, 15140.
70. Smith, J. L.; Zaluzec, E. J.; Wery, J.-P.; Niu, L.; Switzer, R. L.; Zalkin, H.; Satow, Y. Science 1994, 264, 1427.
71. Bertini, I.; Donaire, A.; Feinberg, B. A.; Luchinat, C.; Piccioli, M.; Yuan, H. P. Eur. J. Biochem. 1995, 232, 192.
72. Shen, B.; Jollie, D. R.; Stout, C. D.; Diller, T. C.; Armstrong, F. A.; Gorst, C. M.; LaMar, G. N.; Stephens, P. J.; Burgess, B. K. J. Biol. Chem., 1994, 269, 8564.
73. Shen, B.; Martin, L. L.; Butt, J. N.; Armstrong, F. A.; Stout, C. D.; Jensen, G. M.; Stephens, P. J.; LaMar, G. N.; Gorst, C. M.; Burgess, B. K. J. Biol. Chem. 1993, 268, 25928.
74. Shen, B. Jollie, D. R.; Diller, T. C.; Stout, C. D.; Stephens, P. J.; Burgess, B. K. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1995, 92, 10064.
75. Martin, A. E.; Burgess, B. K.; Stout, C. D.; Cash, V. L.; Dean, D. R.; Jensen, G. M.; Stephens, P. J. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1990, 87, 598.
76. Soman, J.; Iismaa, S.; Stout, C. D. J. Biol. Chem. 1991, 266, 21558.
77. Kuo, C. F.; McRee, D. E.; Fisher, C. L.; O'Handley, S.; Cunningham, R. P.; Tainer, J. A. Science 1992, 258, 434.
78. Robbins, A. H.; Stout, C. D. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1989, 86, 3639.
79. Lovenberg, W.; Sobel, B. E. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1965, 54, 193.
80. Hormel, S.; Walsh, K. A.; Prickril, B. C.; Titani, K.; LeGall, J.; Sieker, L. C. FEBS Lett. 1986, 201, 147.
81. Moura, I.; Moura, J. J. G.; Santos, M. H.; Xavier, A. V.; LeGall, J. FEBS Lett. 1979, 107, 419.
82. Shimizu, F.; Ogata, M.; Wakabayashi, S.; Matsubara, H. Biochimie 1989, 71, 1171.
83. Adams, M. W. W. In ref 2; p 341.
84. Pierik, A. J.; Wolbert, R. B. G.; Portier, G. L.; Verhagen, M. F. J. M.; Hagen, W. R. Eur. J. Biochem. 1993, 212, 237.
85. Moura, I.; Xavier, A. V.; Cammack, R.; Bruschi, M.; LeGall, J. Biochim. Biophys. Acta 1978, 533, 156.
86. Böhme, H.; Schrautemeier, B. Biochim. Biophys. Acta 1987, 891, 1.
87. Cammack, R.; Rao, K. K.; Bargeron, C. P.; Hutson, K. G.; Andrew, P. W.; Rogers, L. J. Biochem. J. 1977, 168, 205.
88. Sligar, S. G.; Gunsalus, A. C. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1976, 73, 1078.
89. Barata, B. A. S.; Liang, J.; Moura, I.; LeGall, J.; Moura, J. J. G.; Huynh, B. H. Eur. J. Biochem. 1992, 204, 773.
90. Iismaa, S. E.; Vazquez, A. E.; Jensen, G. M.; Stephens, P. J.; Butt, J. N.; Armstrong, F. A.; Burgess, B. K. J. Biol. Chem. 1991, 266, 21563.
91. Cammack, R.; Rao, K. K.; Hall, D. O.; Moura, J. G.; Xavier, A. V.; Bruschi, M.; LeGall, J.; Deville, A.; Gayda, J. P. Biochim. Biophys. Acta 1977, 490, 311.
92. Emptage, M. H.; Dreyer, J. L.; Kennedy, M. C.; Beinert, H. J. Biol. Chem. 1983, 258, 11106.
93. Teixeria, M.; Moura. I.; Xavier, A. V.; DerVartanian, D. V.; LeGall, J.; Peck, Jr., H. D.; Huynh, B. H.; Moura, J. J. G. Eur. J. Biochem. 1983, 130, 481.
94. Mizrahi, I. A.; Meyer, T. E.; Cusanovich, M. A. Biochemistry 1980, 19, 4727.
95. Eltis, L. D.; Iwagami, S. G.; Smith, M. Protein Eng. 1994, 7, 1145.
96. Heering, H. A.; Bulsink, Y. B. M.; Hagen, W. R.; Meyer, T. E. Biochemistry 1995, 34, 14675.
97. Przysiecki, C. T.; Meyer, T. E.; Cusanovich, M. A. Biochemistry 1985, 24, 2542.
98. Mullinger, R. N.; Cammack, R.; Rao, K. K.; Hall, D. O.; Dickson, D. P. E.; Johnson, C. E.; Rush, J. D.; Simpopoulos, A. Biochem. J. 1975, 151, 55.
99. Stombaugh, N. A.; Sundquist, J. E.; Burris, R. H.; Orme-Johnson, W. H. Biochemistry 1976, 15, 2633.
100. Hatchikian, E. C.; Cammack, R.; Patil, D. S.; Robinson, A. E.; Richards, A. J. M.; George, S.; Thomson, A. J. Biochim. Biophys. Acta 1984, 784, 40.
101. Watt, G. D.; Wang, Z. C.; Knotts, R. R. Biochemistry 1986, 25, 8156.
102. Pace, C. P.; Stankovich, M. T. Arch. Biochem. Biophys. 1991, 287, 97.
103. Onate, Y. A.; Vollmer, S. J.; Switzer, R. L.; Johnson, M. K. J. Biol. Chem. 1989, 164, 18386.
104. Teixeria, M.; Moura, I.; Xavier, A. V.; Moura, J. J. G.; LeGall, J.; DerVartanian, D. V.; Peck, H. D., Jr.; Huynh, B. H. J. Biol. Chem. 1989, 164, 16435.
105. Smith, E. T.; Feinberg, B. A. J. Biol. Chem. 1990, 265, 14371.
106. Hase, T.; Wada, K.; Matsubara, H. J. Biochem. 1977, 82, 267; 277.
107. Moura, J. J. G.; Xavier, A. V.; Cammack, R.; Hall, D. O.; Bruschi, M.; LeGall, J. Biochem. J. 1978, 173, 419.
108. Fukuyama, D.; Nagahara, Y.; Tsukihara, T.; Katsube, Y. J. Mol. Biol. 1988, 199, 183.
109. Fu, W.; O'Handley, S.; Cunningham, R. P.; Johnson, M. K. J. Biol. Chem. 1992, 267, 16135.
110. Dugad, L. B.; LaMar, G. N.; Banci, L.; Bertini, I. Biochemistry 1990, 29, 2263.
111. Stephens, P. J.; Jensen, G. M.; Devlin, F. J.; Morgan, T. V.; Stout, C. D.; Martin, A. E.; Burgess, B. K. Biochemistry 1991, 30, 3200.
112. Macedo, A. L.; Palma, P. N.; Moura, I.; LeGall, J.; Wray, V.; Moura, J. J. G. Magn. Res. Chem. 1993, 31, 559.
113. Trimethyl amine dehydrogenase being the exception to this rule. Redox potentials have been reported from +100 to -40 mV. See ref 97.
114. 27 It is not known whether this phenomenon occurs in other HiPIPs.
115. Adman, E. T.; Watenpaugh, K. D.; Jensen, L. H. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1975, 72, 4854.
116. 68
117. Cunningham, R. P.; Asahara, H.; Bank, J. F.; Scholes, C. P.; Salerno, J. C.; Surerus, K.; Münck, E.; McKracken, J.; Peisach, J.; Emptage, M. H. Biochemistry 1989, 28, 4450.
118. Luchinat, C.; Capozzi, F.; Borsari, M.; Battistuzzi, G.; Sula, M. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1994, 203, 436.
119. Gurbiel, R. J.; Batie, C. J.; Sivaraja, M.; True, A. E.; Fee, J. A.; Huffman, B. M.; Ballou, D. P. Biochemistry 1989, 28, 4861.