Залізо, мідь, і цинк – є надзвичайно важливими поживними металами. Електронні властивості передачі заліза і міді відіграють важливу роль у процесах дихання і фотосинтезу. Цинк формує каталітичний центр в численних ферментах і відіграє важливу структурну роль у білків. Проте, всі ці метали можуть бути токсичними, якщо порушена регуляція їх рівня і розподілу. це ставить під загрозу життєво важливі клітинні функції. Безконтрольна redox діяльність заліза і міді може також приводити до утворення руйнівних окисних радикалів. Тому, організми підтримують вміст концентрацій металів у цитоплазмі на безпечному рівні.

Обмін іонів заліза у дріжджів Saccharomyces cerevisiae

Надлишок в клітині незв’язаних іонів заліза може бути причиною утворення АФК [69, 77]. Проте клітини володіють системою жорсткої регуляції метаболізму цього металу. Всі переміщення іонів заліза по клітині контролюються специфічними білками. При цьому максимально виключається можливість реакції іонів заліза з якоюсь макромолекулою або низькомолекулярною сполукою до моменту доставки їх у місце призначення.

Для дріжджів S. cerevisiae найбільш вивченими є стадії проникнення іонів заліза в клітину, а також їхнє включення у відповідні металоферменти. Варто зазначити, що система метаболізму іонів заліза у дріжджів має багато спільних рис із такою в клітинах людського організму.

На сьогодні відомо дві основних системи транспорту іонів заліза у дріжджів – високоафінну та низькоафінну .Перша, судячи з назви, здатна забезпечувати Високоафінна:

- забеспечує клітину залізом навіть при низькому вмісті в пожмвному середовищі;

- функціонує в аеробних умовах;

- переносить в клітину іони у тривалентному стані;

- складається з трьх компонентів: фериредуктази, фероксидази, пермеази.

Низькоафінна:

- функціонує в аеробних і анаеробних умовах;

- транспортує в клітину іони заліза, міді, кобальту, цинку;

- переносить в клітину іони у тривалентному стані;

- транспортний білок металопермеаза Fet 4.

У дріжджів виявлено дев’ять фериредуктаз, які кодуються генами FRE1-FRE7, YGL160w та YLR047c [99, 101]. Часто ці ферменти для більшої коректності називають металоредуктазами, оскільки деякі з них відновлюють іони міді [60, 100, 102]. Фериредуктази є флавоцитохромами b, здатними зв’язувати NADPH [86, 178, 179, 191].

Фероксидаза системи високоафінного транспорту кодується геном FET3 [30]. Фероксидаза Fet3 – білок з родини мідьвмісних оксидаз із великим ступенем гомології по відношенню до церулоплазміну, аскорбатоксидази, лакази і т. п [71, 75, 117, 155]. Як кінцевий акцептор електронів фероксидаза використовує молекулярний кисень [69, 116, 175].

Третій компонент системи високоафінного транспорту іонів заліза – пермеаза, яка кодується геном FTR1 .Білок Ftr1 має молекулярну масу 45 кД і містить 6 трансмембранних доменів. Цікаво, амінокислотна послідовність місця зв’язування іонів заліза в білку Ftr1 – REGLE – схожа з такою у L-ланцюзі феритину ссавців [Транспорт іонів заліза здійснюється наступним чином. Фериредуктази (як правило, білки Fre2–Fre6) відновлюють іони тривалентного заліза, які потім перехоплюються фероксидазою та знову окислюються. Окислені фероксидазою іони заліза зразу ж транспортуються в клітину пермеазою Ftr1. Слід зазначити, що фероксидаза та пермеаза утворюють своєрідний комплекс, міцно зв’язаний з цитоплазматичною мембраною. Причому цей комплекс формується ще до інтеграції обох білків у цитоплазматичну мембрану – в процесі дозрівання в апараті Гольджі.

Білки, гомологічні Fet3 та Ftr1 знайдені в багатьох дріжджів, зокрема: у Candida albicans, Pichia pastoris , Schizosaccharomyces pombe .Цікавим аспектом, пов’язаним з високоафінним транспортом іонів заліза у дріжджів, є доставка іонів міді для синтезу холоферменту фероксидази. Саме в цьому місці транспорт іонів заліза та міді виявляють зв’язок між собою та взаєморегуляцію. Так, іони заліза постачаються у фероксидазу за допомогою білків, які кодуються генами ATX1 та CCC2 .Білок Atx1 зв’язує іони міді та доставляє їх у місце дозрівання мідьвмісних білків .Великий інтерес на сьогодні являє білок Ссс2, який є АТФазою Р-типу. У дріжджів за допомогою цієї АТФази іони міді транспортуються у вакуоль. Ген ССС2 є ортологом генів, зв’язаних у людини з розвитком хвороб Вільсона та Менке .Ген, мутація якого призводить до розвитку хвороби Менке, відповідає за синтез АТФази Р-типу, яка виводить іони міді з клітин людського організму (виключенням є клітини печінки) . Ген, мутація якого веде до розвитку хвороби Вільсона також кодує АТФазу Р-типу, яка здійснює транспорт іонів міді в клітинах печінки та нирок і відповідає за включення міді в церулоплазмін.

Низькоафінний транспорт іонів заліза у дріжджів здійснюється металопермеазою Fet4 – гідрофобним білком з молекулярною масою 65 кД [76]. У дріжджів є також і третя система транспорту іонів заліза, представлена білками Smf1 та Smf2 – іонообмінними транспортерами металів . Гомологами даних білків в людському організмі є продукти генів Nramp2, DMT1 та DCT1. Великий інтерес представляє система регуляції транспорту іонів заліза на рівні експресії генів. Фактором транскрипції, який регулює експресію генів, зв’язаних з метаболізмом іонів заліза, є фактор транскрипції Aft1 .Зараз припускається, що іони заліза можуть зв’язуватись безпосередньо з Aft1, взаємодіючи з послідовністю цис-x-цис. В якості підтвердження приводиться факт, що заміна одного з цистеїнових залишків даної послідовності, а саме цис-291, веде до пригнічення активації транскрипції .

На сьогодні відомо, що у S. cerevisiae окрім металоредуктазних генів, в регулон Aft1 входять і гени, причетні до надходження іонів заліза в клітину, а саме: гени, які кодують компоненти системи високоафінного транспорту – FET3 та FTR1 [30, 47, 175, 219]; гени, зв’язані з надходженням сидерофорів – ARN1-4 та FIT1-3 [172, 183], транспортом іонів заліза через вакуолярну мембрану – FET5 [183, 194] та FTH1,