F420

Strukturformel
Allgemeines
Name	F420
Andere Namen	Coenzym F420 N-(N-{O-[5-(8-Hydroxy-2,4-dioxo- 2,3,4,10-tetra-hydropyrimido [4,5-b]chinolin-10-yl)- 5-deoxy-L-ribityl-1-phospho]- (S)-lactyl}-γ-L-glutamyl)- L-glutamat
Summenformel	C29H32N5O18P4−
CAS-Nummer	64885-97-8
PubChem	123996
DrugBank	DB03913
Eigenschaften
Molare Masse	769,6 g·mol–1
Sicherheitshinweise
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Der Kofaktor F₄₂₀ ist der zentrale Elektronentransporter im Cytoplasma methanogener Archaeen und wurde erstmals 1972 isoliert.^[2] Der Kofaktor wurde inzwischen auch in Eubakterien, wie beispielsweise in Actino- oder Cyanobakterien, sowie einzelligen Eukaryoten entdeckt. Seine chemische Struktur wurde 1978 aufgeklärt.^[3] Der Kofaktor verdankt seinen Namen seiner starken Absorption bei λ_max = 420 nm.

Chemische Eigenschaften

Oxidiertes F₄₂₀ absorbiert bei 420 nm, nach Absorption wird Licht bei 520 nm emittiert.^[3] Am isobestischen Punkt bei 401 nm besitzt der Kofaktor einen Extinktionskoeffizient von 25,9 mM⁻¹cm⁻¹. Nach Reduktion (F₄₂₀H₂) verliert F₄₂₀ sein Absorptionsmaximum bei 420 nm und dieses verschiebt sich auf 320 nm, jedoch mit einem geringeren Extinktionskoeffizient.^[4]

Biologische Bedeutung

F₄₂₀ besitzt zwar eine ähnliche Struktur wie Riboflavin bzw. FAD, chemisch gesehen ähnelt es aber eher den Nikotinamiden, wie z. B. NADP⁺. Das Redoxpotential von F₄₂₀ liegt bei −350 mV und ähnelt demnach dem des es NAD(P)s (−320 mV). F₄₂₀ überträgt ausschließlich ein Hydridion (zwei Elektronen und ein Proton) – wie auch NAD⁺ bzw. NADP⁺.^[5]

Die Grundstruktur, das 7,8-Didemethyl-8-hydroxy-5-deazariboflavin-5'-phosphat, kommt in Archaeen, aber auch in Gram-positiven Eubakterien wie Streptomyces oder Mycobacteria vor.^[6] Der Kofaktor wurde auch im Cyanobakterium Anacystis nidulans^[7] und in der (eukaryotischen) Grünalge Scenedesmus acutus^[8] entdeckt. Jedoch variiert die Grundstruktur in jenen Organismen.

F₄₂₀ ist beteiligt an Prozessen der Methanogenese^[9], der Sulfitreduktion^[10], der Sauerstoffentgiftung^[11] und dem Elektronentransport^[12] in Archaea.

Es ist ein Kofaktor in der Antibiotikasynthese in Streptomyceten sowie für die Reduktion von Stickstoffdioxid und PA-824 in Mycobakterien, wo es durch die Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase wieder zurückreduziert wird.^[13][14][15] PA-824 ist ein experimentelles Medikament zur Behandlung von Tuberkulose.

F420-abhängige Enzyme

F₄₂₀ wird häufig als Elektronenüberträger in der Methanogenese verwendet, er tritt aber auch bei anderen Prozessen hervor:

Tetrahydromethanopterin-abhängiges Enzym

Während der Methanogenese – ausgehend von CO₂ – spielen Tetrahydromethanopterin-abhängige Enzyme eine zentrale Rolle. Die F₄₂₀-abhängige N⁵,N¹⁰-Methylentetrahydromethanopterin-Dehydrogenase^[16] reduziert an Methanopterin gebundenes Methenyl zu Methylen.^[17][18] Dabei wird (reduziertes) F₄₂₀H₂ verbraucht (vgl. Gleichung 1).

$\mathrm{Methenyl{-}H_4MPT + F_{420}H_2 \ \rightleftharpoons \ { \color{Red}Methylen}{-}H_4MPT + F_{420}\qquad (1)}$

Die F₄₂₀-abhängige N⁵,N¹⁰-Methylentetrahydromethanopterin-Reduktase^[19] reduziert unter Verbrauch von F₄₂₀H₂ das an Methanopterin gebundene Methylen weiter zu Methyl (vgl. Gleichung 2):

$\mathrm{{ \color{Red}Methylen}{-}H_4MPT + F_{420}H_2 \ \rightleftharpoons \ { \color{Blue}Methyl }{-}H_4MPT + F_{420}\qquad (2)}$

F420-reduzierende Hydrogenase

Für die Regenerierung von oxdierten F₄₂₀ wird ein Enzym benötigt, was man als F₄₂₀-reduzierende Hydrogenase^[20] bezeichnet.^[21] Das Enzym ist entweder häufig membrangebunden oder vereinzelt auch im Cytoplasma lokalisiert.^[22]

NADP/F420 Oxidoreduktase

Die Übertragung von Reduktionsäquivalenten von F₄₂₀H₂ auf NADP⁺ wird durch eine Transhydrogenase katalysiert, einer NADP/F₄₂₀ Oxidoreduktase.^[23] NADPH selbst wird in methanogenen Bakterien für die Synthese gewisser zellulärer Metaboliten benötigt, daneben aber auch bei NADPH-abhängigen Alkoholdehydrogenasen.^[24]

Formiatdehydrogenease

Manche methanogene Organismen können Reduktionsäquivalente durch Oxidation von Ameisensäure gewinnen. Da die Oxidation mit der Reduktion von F₄₂₀ einhergeht, wird so F₄₂₀ wieder regeneriert. Diese Enzym wurde bei Methanobacterium formicicum bereits gereinigt und in E. coli exprimiert.^[25]

Alkoholdehydrogenase

Isopropanol bzw. Ethanol werden von verschiedenen methanogenen Organismen als alternative Elektronenquelle für die Reduktion von CO₂ verwendet. So wird in methanogenen Archaeen Isopropanol von einer F₄₂₀-abhängigen sekundären Alkoholdehydrogenase unter Verbrauch reduzierten F₄₂₀ zu Aceton oxidiert.^[26]

Quellen

1. ↑ In Bezug auf ihre Gefährlichkeit wurde die Substanz von der EU noch nicht eingestuft, eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
2. ↑ Cheeseman, P. et al. (1972): Isolation and properties of a fluorescent compound, factor 420 , from Methanobacterium strain M.o.H. In: J Bacteriol. 112(1); 527–31; PMID 5079072; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
3. ↑ ^{a b} Eirich, LD. et al. (1978): Proposed structure for coenzyme F420 from Methanobacterium. In: Biochemistry 17(22); 4583–93; PMID 728375
4. ↑ DiMarco AA. et al. (1990): Unusual coenzymes of methanogenesis. In: Annu Rev Biochem. 59; 355–94; PMID 2115763
5. ↑ Jacobson, F. und Walsh, C. (1984): Properties of 7,8-didemethyl-8-hydroxy-5-deazaflavins relevant to redox coenzyme function in methanogen metabolism. In: Biochemistry 23; 979–988
6. ↑ McCormick, JRD. und George O. Morton, GO. (1982): Identity of cosynthetic factor I of Streptomyces aureofaciens and fragment FO from coenzyme F420 of Methanobacterium species. In: J. Am. Chem. Soc. 104(14); 4014–4015; doi:10.1021/ja00378a044
7. ↑ Eker, AP. et al. (1990): DNA photoreactivating enzyme from the cyanobacterium Anacystis nidulans. In: J Biol Chem. 265(14); 8009–15; PMID 2110564; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
8. ↑ Eker, AP. et al. (1998): Photo-reactivating enzyme from the green alga Scenedesmus acutus. Evidence for two different chromophores. In: Biochemistry 27(5); 1758–1765; doi:10.1021/bi00405a056
9. ↑ Graham, DE. und White, RH. (2002): Elucidation of methanogenic coenzyme biosyntheses: from spectroscopy to genomics. In: Nat Prod Rep. 19(2); 133–47; PMID 12013276
10. ↑ Johnson, EF. und Mukhopadhyay, B. (2005): A new type of sulfite reductase, a novel coenzyme F420-dependent enzyme, from the methanarchaeon Methanocaldococcus jannaschii. In:J Biol Chem. 2005 280(46); 38776–86; PMID 16048999; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
11. ↑ Seedorf, H. et al. (2004): F420H2 oxidase (FprA) from Methanobrevibacter arboriphilus, a coenzyme F420-dependent enzyme involved in O2 detoxification. In: Arch Microbiol. 182(2-3); 126–37; PMID 15340796
12. ↑ Deppenmeier U. (2004): The membrane-bound electron transport system of Methanosarcina species. In: J Bioenerg Biomembr. 36(1); 55–64; PMID 15168610
13. ↑ Daniels, L, Bakhiet, N, Harmon, K: Widespread distribution of a 5-deazaflavin cofactor in Actinomyces and related bacteria. In: Syst. Appl. Microbiol. Vol. 6, no. 1, pp. 12-17. 1985.
14. ↑ E. Purwantini, B. Mukhopadhyay: Conversion of NO2 to NO by reduced coenzyme F420 protects mycobacteria from nitrosative damage. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Band 106, Nummer 15, April 2009, S. 6333–6338. doi:10.1073/pnas.0812883106. PMID 19325122. PMC 266939.
15. ↑ U. H. Manjunatha, H. Boshoff u.a.: Identification of a nitroimidazo-oxazine-specific protein involved in PA-824 resistance in Mycobacterium tuberculosis. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Band 103, Nummer 2, Januar 2006, S. 431–436. doi:10.1073/pnas.0508392103. PMID 16387854. PMC 132616.
16. ↑ EC-Nummer 1.5.99.9 (Methylentetrahydromethanopterin-Dehydrogenase)
17. ↑ te Brömmelstroet, BW. et al. (1991): Purification and properties of 5,10-methylenetetrahydromethanopterin dehydrogenase and 5,10-methylenetetrahydromethanopterin reductase, two coenzyme F420-dependent enzymes, from Methanosarcina barkeri. In: Biochim Biophys Acta. 1079(3); 293–302; PMID 1911853
18. ↑ Hagemeier, CH. et al. (2003): Coenzyme F420-dependent methylenetetrahydromethanopterin dehydrogenase (Mtd) from Methanopyrus kandleri: a methanogenic enzyme with an unusual quarternary structure. In: J Mol Biol. 332(5); 1047–57; PMID 14499608
19. ↑ EC-Nummer 1.5.99.11 (Methylentetrahydromethanopterin-Reduktase)
20. ↑ EC-Nummer 1.12.98.1 (F₄₂₀-reduzierende Hydrogenase)
21. ↑ Fox, JA. et al. (1987): 8-Hydroxy-5-deazaflavin-reducing hydrogenase from Methanobacterium thermoautotrophicum: 1. Purification and characterization. In: Biochemistry 26(14); 4219–27; PMID 3663585
22. ↑ Deppenmeier, U. (2002): The Unique Biochemistry of Methanogenesis. In: Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. 71; 223–83; PMID 12102556
23. ↑ Yamazaki, S. und Tsai, L. (1980): Purification and properties of 8-hydroxy-5-deazaflavin-dependent NADP⁺ reductase from Methanococcus vannielii. In: J Biol Chem. 255(13); 6462–5; PMID 7391030; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
24. ↑ Berk, H. und Thauer RK. (1997): Function of coenzyme F420-dependent NADP reductase in methanogenic archaea containing an NADP-dependent alcohol dehydrogenase. In: Arch Microbiol. 168(5); 396–402; PMID 9325428
25. ↑ Shuber, AP. et al. (1986): Cloning, expression, and nucleotide sequence of the formate dehydrogenase genes from Methanobacterium formicicum. In: J Biol Chem. 261(28); 12942–7; PMID 3531194; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)
26. ↑ Aufhammer SW. et al. (2004): Coenzyme binding in F420-dependent secondary alcohol dehydrogenase, a member of the bacterial luciferase family. In: Structure 12(3); 361–70; PMID 15016352; PDF (freier Volltextzugriff, engl.)

Literatur

• White, RH. (2001): Biosynthesis of the methanogenic cofactors. In: Vitam Horm. 61; 299–337; PMID 11153270; doi:10.1016/S0083-6729(01)61010-0
• Deppenmeier, U. (2002): The unique biochemistry of methanogenesis. In: Prog Nucleic Acid Res Mol Biol. 71; 223–83; PMID 12102556; doi:10.1016/S0079-6603(02)71045-3
• Deppenmeier, U. (2002): Redox-driven proton translocation in methanogenic Archaea. In: Cell Mol Life Sci. 59(9); 1513–33; PMID 12440773; doi::10.1007/s00018-002-8526-3
• Michael T. Madigan, John M. Martinko und Thomas D. Brock: Mikrobiologie. Pearson Studium 2006; 11. überarb. Auflage; ISBN 3-8273-7187-2; Seiten 640–643
• Georg Fuchs (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie. Thieme 2007; 8. völlig überarb. u. erw. Auflage. ISBN 3-13-444608-1; Seiten 395–399

Siehe auch

• Methanogenese