FNR

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Einleitung

Ferredoxin‑NADP⁺-Oxidoreduktase (FNR; EC 1.18.1.2) ist ein Enzym, das in zahlreichen Organismen ubiquitär vorkommt, darunter heterotrophe und phototrophe Bakterien, in Mitochondrien und Plastiden höherer Pflanzen und Algen sowie in Apikoplasten einiger intrazellulärer Parasiten usw. FNR enthält als prosthetische Gruppe ein Molekül nicht‑kovalent gebundenes FAD und katalysiert den reversiblen Elektronentransfer zwischen Ferredoxin (Fd) (oder Flavodoxin) und NAD(P)H. Die umfassend untersuchte, durch FNR katalysierte Reaktion ist der letzte Schritt der linearen Elektronentransportkette in Chloroplasten. Der FAD‑Kofaktor der FNR fungiert dabei als elektronischer Eins‑zu‑Zwei‑Schalter, indem FAD zunächst zur Semichinon‑Form FADH reduziert wird. Es folgt eine weitere Reduktionsrunde zu FADH⁻ sowie der Hydridtransfer von FADH⁻ auf NADP⁺. NADPH wird hauptsächlich für die CO₂-Fixierung im Calvin‑Benson‑Zyklus genutzt. Neben der chloroplastidären FNR ist das FNR‑Protein auch in nicht‑photosynthetischen Plastiden höherer Pflanzen vorhanden.

Abbildung 1. FNR fungiert als Knotenpunkt im Elektronentransferweg (Mulo, P. 2011)

Struktur der FNR

Das chloroplastidäre FNR‑Protein ist ein hydrophiles Protein mit einem Molekulargewicht von etwa 35 kDa. Die Sequenzähnlichkeit der FNR aus verschiedenen Pflanzenarten liegt zwischen 40 % und 97 %; insbesondere die an die Bindung von FAD und NADP⁺ beteiligten Regionen weisen einen hohen Grad an Identität auf. Die dreidimensionale Struktur der chloroplastidären FNR wurde für viele Arten beschrieben; die beste Auflösung beträgt 1,7 Å. Studien zeigen, dass die Topologie aller chloroplastidären FNRs hoch konserviert ist, da die FNR‑Proteine in allen untersuchten Arten aus zwei unterschiedlichen 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‑Bindungsdomäne besteht aus einer β‑Fass‑Struktur aus sechs antiparallelen β‑Strängen und wird von einer α‑Helix sowie einer langen Schleife überdeckt. Die NADP⁺-Bindungsdomäne besteht aus einem zentralen, fünfsträngigen parallelen β‑Faltblatt, das von sechs α‑Helices umgeben ist. Dabei kann die NADP⁺-Bindungsdomäne weiter in zwei Subdomänen unterteilt werden. Die C‑terminale Subdomäne zeigt bei stromalem Tages‑pH eine dynamische Konformation, die eine erhöhte Bindung von NADP⁺ ermöglicht und damit eine wirksame funktionelle Steuerung der Photosynthese in Abhängigkeit von der Umgebungsbeleuchtung erlaubt.

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

Funktion der FNR

• FNR und zyklischer Elektronenfluss um PSI

Neben der offensichtlichen Rolle der FNR in der linearen Elektronentransferreaktion der Photosynthese haben zahlreiche Studien gezeigt, dass FNR auch am zyklischen Elektronenfluss um PSI beteiligt ist. Beim zyklischen Elektronenfluss werden Elektronen über Fd vom PSI zum Cyt‑b6f‑Komplex übertragen, wobei gleichzeitig ein Protonengradient aufgebaut wird. Der zyklische Elektronentransfer erzeugt daher ATP, ohne eine Akkumulation von NADPH zu verursachen.

Allgemein wird angenommen, dass der zyklische Elektronentransfer das ATP bereitstellt, das für den Antrieb des CO₂-Konzentrationsmechanismus in C₄-Pflanzen benötigt wird. Neuere Studien haben zudem die Bedeutung des zyklischen Elektronenflusses auch in C₃-Pflanzen belegt. Derzeit sind mindestens zwei unterschiedliche Wege des zyklischen Elektronentransfers beschrieben: 1) Im Fd‑ bzw. ferredoxin‑plastoquinon‑Oxidoreduktase (FQR)‑abhängigen Weg gelangen Elektronen von Fd zum Cyt‑b6f‑Komplex und kehren anschließend zu PSI zurück; 2) Im NDH‑abhängigen Weg oxidiert FNR Fd unter Bildung von NADPH, das möglicherweise durch thylakoidgebundene NDH‑Komplexe wieder oxidiert wird. Der NDH‑Komplex kann Reduktionsäquivalente für die Reduktion des Plastochinon‑Pools bereitstellen.

• FNR und oxidativer Stress

In Chloroplasten höherer Pflanzen sind PSII und PSI üblicherweise potenzielle Quellen schädlicher reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im Pflanzengewebe. In E. coli ist FNR an der Abfangreaktion von ROS beteiligt. Im Vergleich zu WT CC‑125 zeigte das Steady‑State‑Niveau der chloroplastidären FNR‑Transkripte einen Anstieg. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Expression pflanzlicher FNR die oxidative Toleranz von mutiertem E. coli wiederherstellen kann. Diese Ergebnisse fördern die Untersuchung der Beteiligung von FNR an der oxidativen Stressantwort höherer Pflanzen. Die Ausbreitung von Superoxid und Methylviologen sowie die nachfolgende Akkumulation von H₂O₂ in Weizenpflanzen deuten darauf hin, dass – im Gegensatz zu bakteriellen Zellen – der Gehalt an FNR‑mRNA und ‑Protein in höheren Pflanzen bei induziertem oxidativem Stress eher abnimmt als zunimmt. Die ROS‑Bildung führt jedoch zu einer signifikanten Freisetzung von FNR aus der Thylakoidmembran und in der Folge zu einer verminderten NADP⁺-Photoreduktionskapazität, was möglicherweise der Aufrechterhaltung der NADP⁺/NADPH‑Homöostase in gestressten Pflanzen dient.

Abbildung 3. FNR fungiert als Knotenpunkt im Elektronentransferweg (Mulo, P. 2011)