鐵是生命活動不可或缺的元素，但它在需氧環境中的氧化還原特性如同一把雙刃劍——既能催化關鍵生化反應，又可能通過芬頓反應產生活性氧(ROS)造成細胞損傷。為了駕馭這種矛盾，生物體演化出鐵蛋白(Ferritin)家族，通過將Fe²⁺氧化為惰性的Fe³⁺礦物核心實現鐵存儲與解毒。在哺乳動物中，線粒體鐵蛋白(FtMt)因其獨特的亞細胞定位和組織分布（高表達于腦、心臟等高代謝器官），與阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾病密切相關。然而，與胞質鐵蛋白(HuHF)高達80%的序列相似性背后，FtMt的催化機制卻存在諸多未解之謎。

英國東安格利亞大學Nick E. Le Brun團隊在《Nature Communications》發表的研究，首次揭示了FtMt在低氧條件下通過混合價態鐵中心(MVFC)和酪氨酸自由基(Tyr34)激活O₂的獨特機制。研究人員結合快速冷凍淬滅電子順磁共振(RFQ-EPR)和停流光譜技術，發現盡管FtMt與HuHF的催化雙鐵中心(FC)配體完全保守，但其Fe²⁺氧化路徑卻存在本質差異：在O₂限制條件下（模擬線粒體微環境），FtMt會通過FC間的電子轉移形成穩定的Fe²⁺/Fe³⁺混合價態中間體，而保守的Ser144殘基和Tyr34自由基在此過程中扮演關鍵角色。

關鍵技術方法包括：1) 通過位點定向突變構建Y34F、S144A等變體；2) 停流光譜監測340 nm（鐵礦物核心形成）和650 nm（雙鐵過氧中間體DFP）動力學；3) 低溫EPR檢測MVFC（g<2信號）和酪氨酸自由基（g=2信號）；4) 快速冷凍淬滅捕獲毫秒級反應中間體；5) Amplex Red熒光法量化H₂O₂產率。

野生型FtMt在空氣飽和條件下產生蛋白質自由基而非MVFC
停流光譜顯示，FtMt催化Fe²⁺氧化呈現雙相動力學：快速相對應FC位點雙鐵氧化（k=1.8×10⁵ M^-1s^-1），慢速相反映礦物核心形成。EPR檢測到g=2的酪氨酸自由基信號，但MVFC信號強度不足1%，表明在富氧條件下FtMt主要通過經典DFP路徑完成氧化。

Tyr34是自由基形成位點并調控初始Fe²⁺氧化
Y34F突變體表現出三個顯著異常：1) 快速相振幅降低70%，表明Tyr34參與電子傳遞；2) DFP形成速率下降35倍；3) EPR檢測到占蛋白單體30%的MVFC（g<2信號）和脂質過氧化自由基（ROO）。這說明Tyr34在維持FC氧化效率的同時，抑制了MVFC的異常積累。

O₂限制條件下野生型FtMt形成MVFC
在亞化學計量O₂條件下，野生型FtMt產生占蛋白15%的MVFC。RFQ-EPR顯示其形成動力學滯后于DFP水解，表明MVFC源于雙鐵Fe²⁺與Fe³⁺位點的電子重排，而非直接O₂氧化。Ser144在此過程中起關鍵作用——S144A突變使MVFC產量減半，而HuHF的對應突變體A144S則完全不產生MVFC。

O₂還原產物分析
Amplex Red實驗證實無論野生型還是Y34F變體，H₂O₂均為主要產物（占消耗O₂的25%），結合DMPO自旋捕獲未檢測到超氧自由基，表明FtMt通過FC間電子轉移實現雙電子O₂還原。

這項研究揭示了FtMt適應線粒體低氧環境的分子創新：1) 通過Tyr34自由基和Ser144協同作用，在O₂限制下形成高反應活性的MVFC；2) 建立FC間電子傳遞網絡確保雙電子O₂還原；3) 與HuHF的機制差異源于局部微環境（如10 ?外的陽離子結合位點）而非FC本身。這些發現為理解線粒體鐵代謝紊亂在神經退行性疾病中的作用提供了新視角——MVFC可能作為"分子緩沖器"響應線粒體鐵/O₂波動，其異常積累或與氧化應激直接相關。該研究同時為設計靶向FtMt的小分子調控劑奠定了理論基礎。