مختزلة الفيريدوكسين-NADP(+)

في علم الإنزيمات ، يُعرف إنزيم مختزلة الفيريدوكسين-NADP ⁺ ( EC 1.18.1.2 )، والمختصر بـ FNR ، بأنه إنزيم يحفز التفاعل الكيميائي

2 فيريدوكسين مختزل + NADP ⁺ + H ⁺${\displaystyle \rightleftharpoons }$2 فيريدوكسين مؤكسد + NADPH

الركائز الثلاث لهذا الإنزيم هي الفيريدوكسين المختزل ، و NADP ⁺ ، و H ⁺ ، بينما ناتجاه هما الفيريدوكسين المؤكسد و NADPH . ويحتوي على عامل مساعد فلافيني ، وهو FAD .

ينتمي هذا الإنزيم إلى عائلة الأكسيدوريدوكتازات ، التي تستخدم بروتينات الحديد والكبريت كمانحات للإلكترونات و NAD ⁺ أو NADP ⁺ كمستقبلات للإلكترونات.

يشارك هذا الإنزيم في عملية التمثيل الضوئي . يوفر إنزيم FNR مصدراً رئيسياً لـ NADPH للكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. ^{[ 1 ]}

الاسم النظامي لهذه الفئة من الإنزيمات هو فيريدوكسين:NADP ⁺ أوكسيدوريدوكتاز. ومن الأسماء الأخرى الشائعة الاستخدام:

أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تُنزع الإلكترونات من الماء وتُنقل إلى ناقل الإلكترون الأحادي ، الفيريدوكسين . ثم يقوم إنزيم فيريدوكسين: NADP ⁺ ريدوكتاز بنقل إلكترون من كل جزيء من جزيئي الفيريدوكسين إلى جزيء واحد من ناقل الإلكترون الثنائي NADPH. ^{[ 2 ]} يستخدم إنزيم فيريدوكسين : NADP+ ريدوكتاز الفلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد (FAD) ، الذي يمكن أن يوجد في حالة مؤكسدة ، أو حالة شبه كينون مختزلة بإلكترون واحد ، أو حالة مختزلة بالكامل، للتوسط في عملية نقل الإلكترون هذه. ^{[ 3 ]}

تعتمد آلية تحفيز FNR على التوافق المستحث . ^{[ 3 ]} يؤدي ارتباط الفيريدوكسين بالإنزيم إلى تكوين رابطة هيدروجينية بين بقايا الغلوتامات (E312) وبقايا السيرين (S96) في الموقع النشط . ^{[ 4 ]} تُعد بقايا الغلوتامات محفوظة بشكل كبير لأنها تُثبّت شكل شبه الكينون لـ FAD، كما أنها مانحة/مستقبلة للبروتون في التفاعل. ^{[ 5 ]} الخطوة المحددة لمعدل تفاعل نقل الإلكترون هي إطلاق أول جزيء فيريدوكسين مؤكسد بعد اختزال FAD بإلكترون واحد. ^{[ 3 ]} تُثبّط هذه الخطوة بوجود الفيريدوكسين المؤكسد، وتُحفّز بوجود NADP ⁺ . ^{[ 3 ]} يؤدي ارتباط NADP ⁺ بالإنزيم إلى خفض ألفة ارتباط الإنزيم بالفيريدوكسين. ^{[ 6 ]}

يمكن أن يحدث هذا التفاعل أيضًا بشكل عكسي لإنتاج الفيريدوكسين المختزل، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك في مجموعة متنوعة من المسارات الحيوية. تستخدم بعض البكتيريا والطحالب جزيء الفلافودوكسين بدلاً من الفيريدوكسين كجزيء ناقل للإلكترونات يتم اختزاله أو أكسدته. ^{[ 3 ]}

يحتوي إنزيم فيريدوكسين: NADP ⁺ ريدوكتاز النباتي على نطاقين بنيويين . النطاق الأول عبارة عن برميل بيتا متوازي عكسيًا في الطرف الأميني للبروتين، ويحتوي على نطاق ارتباط العامل المساعد FAD. ^{[ 7 ]} أما النطاق الثاني فيقع في الطرف الكربوكسيلي للبروتين، ويحتوي على طية حلزون ألفا - شريط بيتا . ^{[ 7 ]} يرتبط NADP ⁺ بهذا النطاق الطرفي . ^{[ 8 ]} ويقع الموقع النشط للإنزيم عند نقطة التقاء النطاقين. ^{[ 9 ]}

يتضمن ارتباط الإنزيم بغشاء الثايلاكويد حلزونًا متعدد البرولين من النوع الثاني يتكون بين اثنين من مونومرات FNR والعديد من البروتينات الغشائية المتكاملة الغنية بالبرولين . ^{[ 10 ]}

حتى أواخر عام 2007، تم تحديد 54 بنية لهذه الفئة من الإنزيمات، برموز الوصول التالية في بنك بياناتالبروتين ( PDB ) : PDB : 1B2R ،PDB : 1BJK ،PDB : 1BQE ،PDB :1BX0 ، PDB : 1BX1 ،PDB : 1CJC ،PDB : 1E1L ، PDB : 1E62 ،PDB : 1E63 ،PDB : 1E64 ،PDB : 1E6E ،PDB : 1EWY ،PDB : 1FDR، PDB : 1FNB ،PDB : 1FNC ،PDB : 1FND ،PDB : 1FRN ،PDB : 1FRQ ،PDB : 1GAQ ،PDB : 1GAW ،PDB : 1GJR ،PDB : 1GO2 ،PDB : 1GR1 ،PDB : 1H42 ،PDB : 1H85 ،PDB : 1JB9 ،PDB : 1OGI ،PDB : 1OGJ ،PDB : 1QFY ،PDB : 1QFZ ،PDB : 1QG0 ،PDB : 1QGA ،PDB : 1QGY ،PDB : 1QGZ ،PDB : 1QH0 ،PDB : 1QUE ،PDB : 1QUF، PDB : 1SM4 ​,PDB : 1W34 ​,PDB : 1W35 ​,PDB : 1W87 ​,PDB : 2B5O ​,PDB : 2BGI ​,PDB : 2BGJ ​,PDB : 2BMW ​,PDB : 2BSA ​,PDB : 2C7G ​,PDB : 2GQW ​,PDB : 2GR0 ​,PDB : 2GR1 ​,PDB : 2GR2 ​,PDB : 2GR3 ​,PDB : 2OK7 ​, and PDB : 2OK8 ​.

إنزيم مختزلة الفيريدوكسين: NADP ⁺ هو الإنزيم الأخير في عملية نقل الإلكترونات أثناء عملية التمثيل الضوئي من النظام الضوئي الأول إلى NADPH. ^{[ 2 ]} يُستخدم NADPH بعد ذلك كعامل مُختزل في تفاعلات دورة كالفن . ^{[ 2 ]} لا تحدث دورة الإلكترونات من الفيريدوكسين إلى NADPH إلا في وجود الضوء، ويعود ذلك جزئيًا إلى تثبيط نشاط إنزيم مختزلة الفيريدوكسين في الظلام. ^{[ 11 ]} في الكائنات غير القادرة على التمثيل الضوئي، يعمل إنزيم مختزلة الفيريدوكسين بشكل أساسي في الاتجاه المعاكس لتوفير الفيريدوكسين المُختزل لمسارات أيضية متنوعة . تشمل هذه المسارات تثبيت النيتروجين ، وتخليق التربينويدات ، واستقلاب الستيرويدات ، والاستجابة للإجهاد التأكسدي ، وتكوين بروتينات الحديد والكبريت. ^{[ 7 ]}

إنزيم FNR هو بروتين قابل للذوبان يوجد حرًا في حشوة البلاستيدات الخضراء ومرتبطًا بغشاء الثايلاكويد. يحدث هذا الارتباط مقابل الموقع النشط للإنزيم، ولا يبدو أنه يؤثر على بنية الموقع النشط أو على نشاط الإنزيم بشكل ملحوظ. ^{[ 10 ]} عندما يكون مرتبطًا بغشاء الثايلاكويد، يوجد الإنزيم على شكل ثنائي، بينما يكون أحاديًا عندما يكون حرًا في الحشوة. ^{[ 10 ]} يزداد ارتباط FNR بالبروتينات الغشائية المتكاملة على غشاء الثايلاكويد في الظروف الحمضية، لذا قد يكون استقطاب FNR وارتباطه بغشاء الثايلاكويد طريقة لتخزين الإنزيم وتثبيته في الظلام عندما لا تحدث عملية التمثيل الضوئي. ^{[ 12 ]} تتفاوت حشوة البلاستيدات الخضراء من كونها حمضية قليلاً في الظلام إلى أكثر قلوية في الضوء. ^{[ 10 ]} لذلك، في الظلام، سيتم تجنيد المزيد من FNRs وربطها بغشاء الثايلاكويد، وفي الضوء، سينفصل المزيد من FNRs عن الغشاء ويصبح حراً في السدى.

توجد مختزلات الفيريدوكسين NADP ^{+ في العديد من الكائنات الحية، بما في ذلك} النباتات والبكتيريا وميتوكوندريا حقيقيات النوى. ومع ذلك، تنتمي هذه البروتينات إلى عائلتين بروتينيتين غير مرتبطتين، وهي مثال على التطور التقاربي . ^{[ 7 ] [ 13 ]} تشمل مختزلات الفيريدوكسين النباتية ( InterPro : IPR015701 ، InterPro : IPR033892 ) مختزلات الفيريدوكسين البلاستيدية الموجودة في النباتات. ^{[ 7 ] [ 13 ]} أما مختزلات الفيريدوكسين من نوع مختزلة الجلوتاثيون ( InterPro : IPR022890 ، InterPro : IPR021163 )، والتي تُسمى أحيانًا مختزلة الأدرينودوكسين NADP+ للتمييز، فتوجد في ميتوكوندريا حقيقيات النوى. ^{[ 7 ] [ 13 ]} وتوجد كلتا العائلتين في البكتيريا. تم تحديد عائلتين إضافيتين، إحداهما شبيهة بـ ثيوريدوكسين ريدوكتاز (TRLF) والأخرى ذات آلية فريدة (NfnAB). ^{[ 14 ]}    

في عائلة إنزيمات اختزال الفينول (FNRs) الشبيهة بالنباتات، أدى الضغط التطوري الانتقائي إلى اختلافات في الكفاءة التحفيزية لهذه الإنزيمات بين الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي وتلك التي لا تقوم بها. يُعد نقل الإلكترون بواسطة إنزيم اختزال الفينول خطوةً مُحددةً لمعدل عملية التمثيل الضوئي، ولذلك تطورت إنزيمات اختزال الفينول البلاستيدية في النباتات لتكون عالية الكفاءة. ^{[ 8 ]} وتُعد هذه الإنزيمات البلاستيدية أكثر نشاطًا بمقدار 20 إلى 100 ضعف من نظيراتها البكتيرية. ^{[ 15 ]} وترتبط هذه الكفاءة التحفيزية العالية لنقل الإلكترونات من FAD إلى NADP ^{+ بتغيرات هيكلية في الموقع النشط تُقلل المسافة بين N5 في FAD وC4 في NADP +} . ^{[ 16 ]} كما تطورت إنزيمات اختزال الفينول البلاستيدية في النباتات لتتمتع بدرجة عالية من التخصص في ركيزة NADP ⁺ مقارنةً بـ NAD ^{+ ؛ وقد أظهرت دراسات طفرات الأحماض الأمينية أن بقايا} التيروسين الطرفية في إنزيمات اختزال الفينول البلاستيدية تلعب دورًا رئيسيًا في هذا التخصص. ^{[ 8 ]} في المقابل، لا ترتبط بعض إنزيمات FNR غير الضوئية بشكل تفضيلي بـ NADP ⁺ وتفتقر إلى بقايا التيروسين هذه. ^{[ 16 ]}

تُسبب العديد من الأمراض البشرية الخطيرة طفيليات أولية إجبارية التطفل داخل الخلايا، تنتمي إلى شعبة الأبيكومبلكسا . يُعتقد أن عُضية الأبيكوپلاست في هذه الكائنات نشأت من حدث تكافلي داخلي، حيث ابتلع طحلب أولي سلفي خلية طحلبية . ^{[ 7 ]} تحتوي هذه الأبيكوپلاستات على إنزيمات اختزال الفيريدوكسين (FNRs) شبيهة بتلك الموجودة في النباتات، والتي يستخدمها الطحلب الأولي لإنتاج الفيريدوكسين المختزل ، والذي يُستخدم بدوره كعامل مُختزل في مسارات التخليق الحيوي الأساسية. ^{[ 17 ]} تم تحديد تسلسل إنزيمات اختزال الفيريدوكسين (FNRs) من طفيليين رئيسيين يُصيبان الإنسان، وهما بلازموديوم فالسيباروم ، المُسبب للملاريا ، وتوكسوبلازما جوندي ، المُسبب لداء المقوسات . ^{[ 18 ]} ولأن الإنسان لا يمتلك بروتينًا مُماثلًا ، فإن هذه الإنزيمات تُعد أهدافًا جديدة مُحتملة للعلاجات الدوائية ضد هذه الأمراض. ^{[ 18 ]}

• الوسائط المتعلقة بإنزيم فيريدوكسين-NADP(+) ريدوكتاز على ويكيميديا ​​كومنز