FNR

Verwandte Lektüre

Einführung

Ferredoxin-NADP⁺ oxidoreduktase (FNR; EC 1.18.1.2) ist ein Enzym, das in verschiedenen Organismen weit verbreitet ist, einschließlich heterotropher und phototropher Bakterien, in Mitochondrien und Plastiden höherer Pflanzen und Algen sowie in Apikoplasten einiger intrazellulärer Parasiten usw. FNR enthält ein Molekül nicht-kovalent gebundenes FAD als prosthetische Gruppe und katalysiert den reversiblen Elektronentransfer zwischen Ferredoxin (Fd) (oder Flavodoxin) und NAD(P)H. Die weitgehend untersuchte Reaktion, die von FNR katalysiert wird, ist der letzte Schritt in der linearen Elektronentransferkette in Chloroplasten. Der FAD-Kofaktor von FNR fungiert als ein-zu-zwei elektronischer Schalter, indem er FAD in eine Semiquinone-Form FADH reduziert. Dann erfolgt eine weitere Reduktion zu FADH−, und der Hydridtransfer von FADH− zu NADP⁺. NADPH wird hauptsächlich für die CO2-Fixierung im Calvin-Benson-Zyklus verwendet. Neben dem Chloroplasten-FNR existiert auch das FNR-Protein in nicht-photosynthetischen Plastiden höherer Pflanzen.

Abbildung 1. FNR-Funktionen im Überqueren des Elektronentransferpfades (Mulo, P. 2011)

Struktur von FNR

Das Chloroplasten-FNR-Protein ist ein hydrophiles Protein mit einem Molekulargewicht von etwa 35 kDa. Die Sequenzähnlichkeit von FNR aus verschiedenen Pflanzenarten reicht von 40 % bis 97 %, insbesondere die Regionen, die an der Bindung von FAD und NADP⁺ beteiligt sind, zeigen einen hohen Identitätsgrad. Die dreidimensionale Struktur des Chloroplasten-FNR wurde in vielen Arten beschrieben, und die beste Auflösung beträgt 1,7 Å. Die Studie ergab, dass die Topologie aller Chloroplasten-FNRs hochgradig konserviert ist, da die FNR-Proteine in allen untersuchten Arten aus zwei verschiedenen Domänen bestehen, die durch eine Schleife verbunden sind. Die N-terminale Domäne (ca. 150 Aminosäuren) ist an der FAD-Bindung beteiligt, während die C-terminale Domäne (ca. 150 Aminosäuren) hauptsächlich für die NADP⁺ Bindung verantwortlich ist. Die FAD-bindende Domäne besteht aus einer β-Fass-Struktur, die aus 6 antiparallelen β-Strängen besteht, und wird von einer α-Helix und einer langen Schleife umgeben. Die NADP⁺-bindende Domäne besteht aus einem zentralen fünfsträngigen parallelen β-Blatt, das von sechs α-Helices umgeben ist. Unter ihnen kann die NADP⁺-bindende Domäne weiter in zwei Subdomänen unterteilt werden. Die C-terminale Subdomäne zeigt eine dynamische Konformation bei stromalen Tages-pH-Werten, was eine erhöhte Bindung von NADP⁺ ermöglicht und somit eine effektive funktionale Kontrolle für die Photosynthese entsprechend der Umgebungsbeleuchtung gewährleistet.

Abbildung 2. Struktur von FNR im Komplex mit Fd (Mulo, P. 2011)

Funktion von FNR

• FNR und zirkulierender Elektronenfluss um PSI

Neben der offensichtlichen Rolle von FNR in der linearen Elektronentransferreaktion der Photosynthese haben viele Studien gezeigt, dass FNR auch am zyklischen Elektronenfluss um PSI beteiligt ist. Im zyklischen Elektronenfluss werden Elektronen von PSI über Fd an den Cyt b6f-Komplex übertragen, und gleichzeitig wird ein Protonengradient gebildet. Daher produziert der zyklische Elektronentransfer ATP, ohne dass NADPH akkumuliert wird.

Es wird allgemein angenommen, dass der zyklische Elektronentransfer das ATP bereitstellt, das für den Antrieb des CO2-Konzentrationsmechanismus in den C₄ Pflanzen erforderlich ist. Neuere Studien haben auch die Bedeutung des zyklischen Elektronenflusses in C₃ Pflanzen nachgewiesen. Derzeit gibt es mindestens zwei verschiedene zyklische Elektronentransferwege: 1) Im Fd- oder Ferredoxin-Plastoquinon-Oxidoreduktase (FQR)-abhängigen Weg gehen Elektronen von Fd zum Cyt b6f-Komplex und zurück zu PSI; 2) Im NDH-abhängigen Weg oxidiert FNR Fd, um NADPH zu produzieren, das möglicherweise von den thylakoidgebundenen NDH-Komplexen reduziert wird. Der NDH-Komplex kann die Reduktionskraft für die Reduktion des Plastoquinonpools bereitstellen.

• FNR und oxidativer Stress

In Chloroplasten höherer Pflanzen sind PSII und PSI normalerweise potenzielle Quellen schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in Pflanzengeweben. In E. coli, ist FNR an der Quenching von ROS beteiligt. Im Vergleich zu WT CC-125 zeigte der steady-state Spiegel der Chloroplasten-FNR-Transkripte einen Anstieg. Darüber hinaus haben Studien auch gezeigt, dass die Expression von Pflanzen-FNR die oxidative Toleranz des Mutanten E. coli. wiederherstellen kann. Diese Ergebnisse fördern alle das Studium der Beteiligung von FNR an der Reaktion auf oxidativen Stress höherer Pflanzen. Die Ausbreitung von Superoxid und Methylviologen sowie die anschließende Ansammlung von H₂O₂ in Weizenpflanzen deuten darauf hin, dass im Vergleich zu Bakterienzellen der Gehalt an FNR-mRNA und -protein in höheren Pflanzen bei induziertem oxidativem Stress abnimmt, anstatt zuzunehmen. Allerdings führt die Produktion von ROS zu einer signifikanten Freisetzung von FNR aus der Thylakoidmembran und zu einer anschließenden Verringerung der NADP⁺ Photoreduktionskapazität, was darauf abzielt, die NADP⁺/NADPH-Homöostase der gestressten Pflanzen aufrechtzuerhalten.

Abbildung 3. FNR-Funktionen im Überqueren des Elektronentransferpfades (Mulo, P. 2011)