Открыть главное меню

Ферредоксин-НАДФ+-редуктаза, сокращенно ФНР, фермент из класса оксидоредуктаз, катализирующий реакцию восстановления НАДФ+, используя в качестве донора электронов ферредоксин.

ferredoxin-NADP+ reductase
Идентификаторы
Шифр КФ 1.18.1.2
Номер CAS 9029-33-8
Базы ферментов
IntEnz IntEnz view
BRENDA BRENDA entry
ExPASy NiceZyme view
MetaCyc metabolic pathway
KEGG KEGG entry
PRIAM profile
PDB structures RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology AmiGO • EGO
Поиск
PMC статьи
PubMed статьи
NCBI NCBI proteins
CAS 9029-33-8

Три необходимых субстрата для этого фермента это восстановленный ферредоксин, НАДФ+ и Н+. Продукты которые образуются в ходе реакции: окисленный ферредоксин и НАДФН. У фермента есть флавиновый кофактор — ФАД.

Фермент принадлежит к семейству оксидоредуктаз, которые используют железо-серные белки в качестве доноров электронов и НАД+ или НАДФ+ в качестве акцепторов электронов.

Участвует в процессе фотосинтеза.

Содержание

НоменклатураПравить

Систематическое название этого класса ферментов ферредоксин:НАДФ+ оксидоредуктазы. Другие часто использующиеся названия:

  • адреноксин редуктаза,
  • ферредоксин-НАДФ+ редуктаза,
  • ферредоксин-НАДФ+ оксидоредуктаза

МеханизмПравить

 
Картинка отображает ФАД (красный) и НАДФ+ (синий) связанные в активном центре фермента. Восстановленный ферредоксин связывается с энзимом и передает один электрон на ФАД. (изображение из файла PDB 2BSA)

Во время работы электрон-транспортной цепи фотосинтеза происходит перенос электронов от молекулы воды к одноэлектронному белковому переносчику -  ферредоксину. Ферредоксин:НАДФ+-редуктаза затем обеспечивает перенос электронов от каждой из двух молекул ферредоксина на одну молекулу двухэлектронного низкомолекулярного переносчика - НАДФ+.[1] ФНР использует ФАД, который может существовать в трёх различных состояниях: полностью окисленном, семихинонном с одним акцептированным электроном и полностью восстановленном состоянии (после акцепции двух электронов.[2]

Механизм катализа ФНР хорошо может быть описан в рамках модели индуцированного катализа.[2] Связывание ферредоксина ферментом ведет к образованию водородной связи между остатком глутамата (Е312) и сериновым остатком (С96) в активном сайте.[3] Остаток глутамата высоко консервативен, поскольку он стабилизирует семихинонную форму ФАД и является донором/акцептором протонов в реакции.[4] Лимитирующей стадией всей реакции являет уход из активного центра первой окисленной молекулы ферредоксина, после одноэлектронного восстановления ФАД.[2] Эта стадия ингибируется высокими концентрация окисленного ферредоксина и активируется присутствием в среде НАДФ+.[2] Связывание с НАДФ+ снижает сродство фермента к ферредоксину.[5]

Фермент также ускоряет обратную реакцию в ходе которой обраузется восстановленный ферредоксин, который может быть использован в различных биосинтетических путях. У некоторых бактерий и водорослей имеется форма фермента, использующая в качестве одноэлектронного переносчика флаводоксин вместо ферредоксина.

СтруктураПравить

 
Структура ФНР: бета-цилиндр (желтый), домен из альфа-спиралей и бета-листа (зеленый). Кофактор ФАД (красный). (изображения из файла PDB 3LVB)

Растительная ферредоксин-НАДФ(+)-редуктаза имеет два структурных домена. Первый домен представлен антипараллельным β-цилиндром на N-конце белка с сайтом связывания ФАД.[6] Второй домен на C-конце белка включает несколько α-спираль и β-лист структуру, связывающую НАДФ+.[6][7] Активный центр фермента располагается на стыке между двумя доменами.[8]

Связывание фермента с мембраной тилакоида обеспечивает полипролиновая спираль II типа, образующаяся между двумя мономерами ФНР. Со стороны мембраны в связывании ФНР принимают участие несколько богатых пролином интегральных белков.[9]

По состоянию на конец 2007 года, определены 54 структуры ферментов для этого класса с кодами доступа в PDB.

ФункцияПравить

Ферредоксин-НАДФ(+)-редуктаза является последним ферментом в цепи переноса электронов в ходе фотосинтеза от фотосистемы I к НАДФН. НАДФН используется в качестве восстановительного эквивалента в реакциях цикла Кальвина. Перенос электрона от ферредоксина к НАДФН происходит только на свету отчасти потому, что активность ФНР ингибируется в темноте.[10] У нефотосинтетических организмов ФНР, в первую очередь, работает в обратном направлении, чтобы обеспечить восстановленным ферредоксином различные метаболические пути. Эти пути включают азотофиксацию, биосинтез терпеноидов, метаболизм стероидов, ответ на окислительный стресс и биогенез железо–серных белков.

ФНР - это водорастворимый белок, который обнаруживается в свободном виде в строме хлоропласта и встроенным в мембрану тилакоида. Это связывание происходит с противоположной стороны от активного центра фермента и, скорее всего, не влияет на структуру активного центра и не имеет значительного влияния на ферментативную активность. Когда он связан с мембраной тилакоида, то существует в виде димера, но когда фермент находится в строме, то в качестве мономера. Скорость связывания ФНР с интегральными мембранными белками на тилакоидной мембране увеличивается в кислой среде, поэтому связывание ФНР с тилакоидной мембраной может быть способом хранения и стабилизации фермента в темноте, когда фотосинтеза не происходит.[11] рН стромы хлоропластов колеблется от слегка кислого в темноте к более щелочному на свету. Таким образом, в темноте больше ФНР будет связываться с тилакоидной мембраной, а на свету больше ФНР будет диссоциировано и в свободном виде находиться в строме.

ЭволюцияПравить

Ферредоксин-НАДФ(+)-редуктазы присутствуют во многих организмах, включая растения, бактериимитохондрии эукариот. Однако, эти белки относятся к двум несвязанным семействам и являются примером конвергентной эволюции. ФНР растительного типа включают пластидные ФНР растений и бактериальные ФНР. ФНР глутатион-редуктазного типа встречаются в митохондриях эукариот.

В семействе растительных ФНР селективное эволюционное давление привело к различиям в каталитической эффективности у фотосинтезирующих и нефотосинтезирующих организмов. Перенос электронов с помощью ФНР является лимитирующей стадией в процессе фотосинтеза, поэтому пластидные ФНР в растениях эволюционировали в высокоэффективные. Эти пластидные ФНР  в 20-100 раз более активные, чем бактериальные ФНР.[12] Эта высокая каталитическая эффективность переноса электронов от ФАД к НАДФ связана со структурными изменениями в активном центре, которые уменьшают расстояние между N5 в ФАД и С4 в НАДФ(+).[13]

Пластидные ФНР растений также эволюционно приобрели высокую степень субстратной специфичности для НАДФ(+), чем для НАД(+); анализ аминокислотных мутаций показал, что концевой тирозиновый остаток в пластидных ФНР играет ключевую роль в этой субстратной специфичности. В отличие от них, некоторые нефотосинтетические ФНР не связывают НАДФ(+) преимущественно и у них отсутствует этот тирозиновый остаток.

Мишень для терапии протозойных инфекций человекаПравить

Фермент рассматривается в качестве возможных мишеней для терапии некоторых распространенных протозойных заболеваний человека, вызванных облигатными внутриклеточными паразитами из типа Апикомплексы (Apicomplexa).

Для Апикомплексов характерно наличие особых органелл - апикопластов. Апикопласты возникли в результате симбиогенеза предка паразита с водорослью. Поэтому в апикопласте содержится ФНР растительного типа, которая используется для восстановления ферредоксина, являющегося важным донором электронов во многих метаболических путях.[14] В то же время у человека отсутствуют белки близкие растительным ФНР, что делает их перспективными мишенями для лекарственной терапи.

К настоящему времени секвенированы гены ФНР из двух основных представителей апикомплексов, поражающих людей: Plasmodium falciparum (возбудитель малярии) и Toxoplasma gondii (возбудитель токсоплазмоза).[15] Ведутся работы по поиску препаратов, подавляющих ФНР этих паразитов.

СсылкиПравить

  1. Berg, Jeremy M. Biochemistry / Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer. — 6th. — New York : W.H. Freeman, 2007. — ISBN 0-7167-8724-5.
  2. 1 2 3 4 Carrillo, N.; Ceccarelli, EA. (May 2003). “Open questions in ferredoxin-NADP+ reductase catalytic mechanism”. Eur J Biochem. 270 (9): 1900—15. DOI:10.1046/j.1432-1033.2003.03566.x. PMID 12709048.
  3. Kurisu, G.; Kusunoki, M.; Katoh, E.; Yamazaki, T.; Teshima, K.; Onda, Y.; Kimata-Ariga, Y.; Hase, T. (Feb 2001). “Structure of the electron transfer complex between ferredoxin and ferredoxin-NADP+ reductase”. Nat Struct Biol. 8 (2): 117—21. DOI:10.1038/84097. PMID 11175898.
  4. Dumit, VI.; Essigke, T.; Cortez, N.; Ullmann, GM. (Apr 2010). “Mechanistic insights into ferredoxin-NADP(H) reductase catalysis involving the conserved glutamate in the active site”. J Mol Biol. 397 (3): 814—25. DOI:10.1016/j.jmb.2010.01.063. PMID 20132825.
  5. Medina, M. (Aug 2009). “Structural and mechanistic aspects of flavoproteins: photosynthetic electron transfer from photosystem I to NADP+”. FEBS J. 276 (15): 3942—58. DOI:10.1111/j.1742-4658.2009.07122.x. PMID 19583765.
  6. 1 2 Aliverti, A.; Pandini, V.; Pennati, A.; de Rosa, M.; Zanetti, G. (Jun 2008). “Structural and functional diversity of ferredoxin-NADP+ reductases”. Arch Biochem Biophys. 474 (2): 283—91. DOI:10.1016/j.abb.2008.02.014. PMID 18307973.
  7. Paladini, DH.; Musumeci, MA.; Carrillo, N.; Ceccarelli, EA. (Jun 2009). “Induced fit and equilibrium dynamics for high catalytic efficiency in ferredoxin-NADP(H) reductases”. Biochemistry. 48 (24): 5760—8. DOI:10.1021/bi9004232. PMID 19435322.
  8. Arakaki, AK.; Ceccarelli, EA.; Carrillo, N. (Feb 1997). “Plant-type ferredoxin-NADP+ reductases: a basal structural framework and a multiplicity of functions”. FASEB J. 11 (2): 133—40. PMID 9039955.
  9. Alte, F.; Stengel, A.; Benz, JP.; Petersen, E.; Soll, J.; Groll, M.; Bölter, B. (Nov 2010). “Ferredoxin:NADPH oxidoreductase is recruited to thylakoids by binding to a polyproline type II helix in a pH-dependent manner”. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (45): 19260—5. DOI:10.1073/pnas.1009124107. PMC 2984204. PMID 20974920.
  10. Talts, E.; Oja, V.; Rämma, H.; Rasulov, B.; Anijalg, A.; Laisk, A. (Oct 2007). “Dark inactivation of ferredoxin-NADP reductase and cyclic electron flow under far-red light in sunflower leaves”. Photosynth Res. 94 (1): 109—20. DOI:10.1007/s11120-007-9224-7. PMID 17665150.
  11. Benz, JP.; Lintala, M.; Soll, J.; Mulo, P.; Bölter, B. (Nov 2010). “A new concept for ferredoxin-NADP(H) oxidoreductase binding to plant thylakoids”. Trends Plant Sci. 15 (11): 608—13. DOI:10.1016/j.tplants.2010.08.008. PMID 20851663.
  12. Orellano, EG.; Calcaterra, NB.; Carrillo, N.; Ceccarelli, EA. (Sep 1993). “Probing the role of the carboxyl-terminal region of ferredoxin-NADP+ reductase by site-directed mutagenesis and deletion analysis”. J Biol Chem. 268 (26): 19267—73. PMID 8366077.
  13. Peregrina, JR.; Sánchez-Azqueta, A.; Herguedas, B.; Martínez-Júlvez, M.; Medina, M. (Sep 2010). “Role of specific residues in coenzyme binding, charge-transfer complex formation, and catalysis in Anabaena ferredoxin NADP+-reductase”. Biochim Biophys Acta. 1797 (9): 1638—46. DOI:10.1016/j.bbabio.2010.05.006. PMID 20471952.
  14. Balconi, E.; Pennati, A.; Crobu, D.; Pandini, V.; Cerutti, R.; Zanetti, G.; Aliverti, A. (Jul 2009). “The ferredoxin-NADP+ reductase/ferredoxin electron transfer system of Plasmodium falciparum”. FEBS J. 276 (14): 3825—36. DOI:10.1111/j.1742-4658.2009.07100.x. PMID 19523113.
  15. Seeber, F.; Aliverti, A.; Zanetti, G. (2005). “The plant-type ferredoxin-NADP+ reductase/ferredoxin redox system as a possible drug target against apicomplexan human parasites”. Curr Pharm Des. 11 (24): 3159—72. DOI:10.2174/1381612054864957. PMID 16178751.

ДополнительноПравить

  • “Isolation from adrenal cortex of a nonheme iron protein and a flavoprotein functional as a reduced triphosphopyridine nucleotide-cytochrome P-450 reductase”. Arch. Biochem. Biophys. 117: 660—673. 1966. DOI:10.1016/0003-9861(66)90108-1.
  • “Crystallization of ferredoxin-TPN reductase and its role in the photosynthetic apparatus of chloroplasts”. Biochem. Z. 338: 84—96. 1963. PMID 14087348.