Quelltext der Seite F420

{{SEITENTITEL:F<sub>420</sub>}}
{{Infobox Chemikalie
| Strukturformel      = [[Datei:F420.svg|300px|Strukturformel von F<sub>420</sub>]]
| Strukturhinweis     = Teilweise fehlende [[Stereochemie|Stereoinformation]]
| Suchfunktion        = C29H32N5O18P
| Name                = F<sub>420</sub>
| Andere Namen        = * (3''S'',8''S'',11''S'',13''R'',16''R'',17''S'',18''S'')-13,16,17,18-Tetrahydroxy-11-methyl-5,10-dioxo-19-(2,4,8-trioxo-1,3,4,8-tetrahydropyrimido[4,5-b]chinolin-10(2''H'')-yl)-12,14-dioxa-4,9-diaza-13-phosphanonadecan-1,3,8-tricarbonsäure-13-oxid ([[IUPAC-Nomenklatur|IUPAC]])
* Coenzym F<sub>420</sub>
* ''N''-(''N''<nowiki>-{</nowiki>''O''-[5-(8-Hydroxy-2,4-dioxo-2,3,4,10-tetra-hydropyrimido[4,5-''b'']chinolin-10-yl)-5-desoxy-<small>L</small>-ribityl-1-phospho]-(''S'')-lactyl}-γ-<small>L</small>-glutamyl)-<small>L</small>-glutamat
* „Steve“
| Summenformel        = C<sub>29</sub>H<sub>32</sub>N<sub>5</sub>O<sub>18</sub>P<sup>4−</sup>
| CAS                 = {{CASRN|64885-97-8}}
| EG-Nummer           = 613-724-2
| ECHA-ID             = 100.110.762
| PubChem             = 123996
| ChemSpider          = 110515
| DrugBank            = DB03913
| Beschreibung        = 
| Molare Masse        = 769,6 g·mol<sup>−1</sup>
| Aggregat            = 
| Dichte              = 
| Schmelzpunkt        = 
| Siedepunkt          = 
| Dampfdruck          = 
| Löslichkeit         = 
| Quelle GHS-Kz       = NV
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| Quelle P            = 
}}

'''F<sub>420</sub>''' ist ein [[Cofaktor (Biochemie)|Cofaktor]], eine [[chemische Verbindung]], die im [[Zytoplasma]] methanogener [[Archaeen]], mancher [[Bakterien]] und einzelliger [[Eukaryoten]] vorkommt. Es handelt sich biochemisch um [[Elektronentransport]]er, und chemisch um Deaza[[flavine]], ähnlich dem [[Riboflavin]]. Sie unterscheiden sich in der Länge der [[Polyglutamat]]-Kette, die bei den [[Mycobakterien]] fünf bis sieben Glu-Reste enthält. Ein Mitglied der Stoffgruppe wurde erstmals 1972 isoliert. Die chemische Struktur wurde 1978 aufgeklärt. Der Cofaktor verdankt seinen Namen seiner starken Lichtabsorption bei einer Wellenlänge λ<sub>max</sub>&nbsp;=&nbsp;420&nbsp;nm.<ref>P. Cheeseman et al.: ''Isolation and properties of a fluorescent compound, factor 420, from Methanobacterium strain M.o.H.'' In: ''J Bacteriol.'', 1972, 112(1), S.&nbsp;527–531 (englisch); PMID 5079072; [http://jb.asm.org/cgi/reprint/112/1/527.pdf jb.asm.org] (PDF)</ref><ref name="Eirich">LD. Eirich et al.: ''Proposed structure for coenzyme F420 from Methanobacterium''. In: ''[[Biochemistry]]'', 1978, 17(22), S.&nbsp;4583–4593; PMID 728375</ref><ref name="PMID18434308">G. Bashiri, C. J. Squire, N. J. Moreland, E. N. Baker: ''Crystal structures of F420-dependent glucose-6-phosphate dehydrogenase FGD1 involved in the activation of the anti-tuberculosis drug candidate PA-824 reveal the basis of coenzyme and substrate binding.'' In: ''[[The Journal of Biological Chemistry]].'' Band 283, Nummer 25, Juni 2008, S.&nbsp;17531–17541. [[doi:10.1074/jbc.M801854200]]. PMID 18434308.</ref>

== Optische Eigenschaften ==
Oxidiertes F<sub>420</sub> absorbiert bei 420&nbsp;nm, nach Absorption wird Licht bei 520&nbsp;nm emittiert.<ref name="Eirich" /> Am [[Isosbestischer Punkt|isosbestischen]] Punkt bei 401&nbsp;nm besitzt der Kofaktor einen [[Extinktionskoeffizient]] von 25,9&nbsp;mM<sup>−1</sup>cm<sup>−1</sup>. Nach Reduktion (F<sub>420</sub>H<sub>2</sub>) verliert F<sub>420</sub> sein Absorptionsmaximum bei 420&nbsp;nm und dieses verschiebt sich auf 320&nbsp;nm, jedoch mit einem geringeren Extinktionskoeffizient.<ref>AA. DiMarco et al.: ''Unusual coenzymes of methanogenesis''. In: ''[[Annu Rev Biochem]].'', 1990, 59, S.&nbsp;355–394; PMID 2115763</ref>

== Biologische Bedeutung ==
F<sub>420</sub> besitzt zwar eine ähnliche Struktur wie [[Riboflavin]] bzw. [[Flavin-Adenin-Dinukleotid|FAD]], chemisch gesehen ähnelt es aber eher den Nikotinamiden, wie z.&nbsp;B. [[Nicotinamidadenindinukleotidphosphat|NADP]]<sup>+</sup>. Das [[Redoxpotential]] von F<sub>420</sub> liegt bei −340&nbsp;mV und ähnelt demnach dem des es [[Nicotinamidadenindinukleotid|NAD(P)s]] (−320&nbsp;mV). F<sub>420</sub> überträgt ausschließlich ein [[Hydridion]] (zwei Elektronen und ein Proton) – wie auch [[Nicotinamidadenindinukleotid|NAD<sup>+</sup>]] bzw. NADP<sup>+</sup>.<ref>F. Jacobson, C. Walsh: ''Properties of 7,8-didemethyl-8-hydroxy-5-deazaflavins relevant to redox coenzyme function in methanogen metabolism''. In: ''Biochemistry'', 1984, 23, S.&nbsp;979–988</ref>

Die Grundstruktur, das 7,8-Didemethyl-8-hydroxy-5-deazariboflavin-5'-phosphat, kommt in Archaeen, aber auch in [[Gram-positiv]]en Eubakterien wie ''[[Streptomyces]]'' oder ''[[Mykobakterien|Mycobacteria]]'' vor.<ref>JRD. McCormick, George O. Morton: ''Identity of cosynthetic factor I of Streptomyces aureofaciens and fragment FO from coenzyme F420 of Methanobacterium species''. In: ''J. Am. Chem. Soc.'', 1982, 104(14), S.&nbsp;4014–4015; [[doi:10.1021/ja00378a044]]</ref> Der Kofaktor wurde auch im Cyanobakterium ''Anacystis nidulans''<ref>AP. Eker et al.: ''DNA photoreactivating enzyme from the cyanobacterium Anacystis nidulans''. In: ''J Biol Chem.'', 1990, 265(14), S.&nbsp;8009–8015 (englisch); PMID 2110564.</ref> und in der (eukaryotischen) [[Grünalge]] ''Scenedesmus acutus''<ref>AP. Eker et al.: ''Photo-reactivating enzyme from the green alga Scenedesmus acutus. Evidence for two different chromophores''. In: ''Biochemistry'', 1998, 27(5), S.&nbsp;1758–1765; [[doi:10.1021/bi00405a056]]</ref> entdeckt. Jedoch variiert die Grundstruktur in jenen Organismen.

F<sub>420</sub> ist beteiligt an Prozessen der [[Methanogenese]],<ref>DE. Graham, RH. White: ''Elucidation of methanogenic coenzyme biosyntheses: from spectroscopy to genomics''. In: ''[[Nat Prod Rep]].'', 2002, 19(2), S.&nbsp;133–147; PMID 12013276</ref> der Sulfitreduktion,<ref>EF. Johnson, B. Mukhopadhyay: ''A new type of sulfite reductase, a novel coenzyme F420-dependent enzyme, from the methanarchaeon Methanocaldococcus jannaschii.'' In: ''J Biol Chem.'', 2005, 280(46), S.&nbsp;38776–38786 (englisch); PMID 16048999.</ref> der Sauerstoffentgiftung<ref>H. Seedorf et al.: ''F420H2 oxidase (FprA) from Methanobrevibacter arboriphilus, a coenzyme F420-dependent enzyme involved in O2 detoxification''. In: ''Arch Microbiol.'', 2004, 182(2–3), S.&nbsp;126–137; PMID 15340796</ref> und dem Elektronentransport<ref>U. Deppenmeier: ''The membrane-bound electron transport system of Methanosarcina species''. In: ''J Bioenerg Biomembr.'', 2004, 36(1), S.&nbsp;55–64; PMID 15168610</ref> 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.<ref>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.</ref><ref name="PMID19325122">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]]'' Band 106, Nummer 15, April 2009, S.&nbsp;6333–6338. [[doi:10.1073/pnas.0812883106]]. PMID 19325122. {{PMC|266939}}.</ref><ref name="PMID16387854">U. H. Manjunatha, H. Boshoff u.&nbsp;a.: ''Identification of a nitroimidazo-oxazine-specific protein involved in PA-824 resistance in Mycobacterium tuberculosis.'' In: ''[[Proceedings of the National Academy of Sciences]]'' Band 103, Nummer 2, Januar 2006, S.&nbsp;431–436. [[doi:10.1073/pnas.0508392103]]. PMID 16387854.</ref> PA-824 ist ein experimentelles Medikament zur Behandlung von Tuberkulose.

== F<sub>420</sub>-abhängige Enzyme ==
F<sub>420</sub> wird häufig als Elektronenüberträger in der Methanogenese verwendet, er tritt aber auch bei anderen Prozessen hervor:

=== Tetrahydromethanopterin-abhängiges Enzym ===
Während der Methanogenese –&nbsp;ausgehend von [[Kohlenstoffdioxid|CO<sub>2</sub>]]&nbsp;– spielen Tetrahydromethanopterin-abhängige Enzyme eine zentrale Rolle.
Die F<sub>420</sub>-abhängige N<sup>5</sup>,N<sup>10</sup>-Methylentetrahydromethanopterin-Dehydrogenase ({{EC|1.5.99.9}}) reduziert an Methanopterin gebundenes Methenyl zu Methylen.<ref>BW. te Brömmelstroet et al.: ''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]].'', 1991, 1079 (3), S.&nbsp;293–302; PMID 1911853</ref><ref>CH. Hagemeier et al.: ''Coenzyme F420-dependent methylenetetrahydromethanopterin dehydrogenase (Mtd) from Methanopyrus kandleri: a methanogenic enzyme with an unusual quaternary structure''. In: ''J Mol Biol.'', 2003, 332(5), S.&nbsp;1047–1057; PMID 14499608</ref> Dabei wird (reduziertes) F<sub>420</sub>H<sub>2</sub> verbraucht (vgl. Gleichung 1).

:<math>\mathrm{Methenyl{-}H_4MPT + F_{420}H_2 \ \rightleftharpoons \ { \color{Red}Methylen}{-}H_4MPT + F_{420}\qquad (1)}</math>

Die F<sub>420</sub>-abhängige N<sup>5</sup>,N<sup>10</sup>-Methylentetrahydromethanopterin-Reduktase ({{EC|1.5.99.11}}) reduziert unter Verbrauch von F<sub>420</sub>H<sub>2</sub> das an Methanopterin gebundene Methylen weiter zu Methyl (vgl. Gleichung 2):

:<math>\mathrm{{ \color{Red}Methylen}{-}H_4MPT + F_{420}H_2 \ \rightleftharpoons \ { \color{Blue}Methyl }{-}H_4MPT + F_{420}\qquad (2)}</math>

=== F<sub>420</sub>-reduzierende Hydrogenase ===
Für die Regenerierung von oxdierten F<sub>420</sub> wird ein Enzym benötigt, was man als F<sub>420</sub>-reduzierende Hydrogenase ({{EC|1.12.98.1}}) bezeichnet.<ref>JA. Fox et al.: ''8-Hydroxy-5-deazaflavin-reducing hydrogenase from Methanobacterium thermoautotrophicum: 1. Purification and characterization''. In: ''Biochemistry'', 1987, 26(14), S. 4219–4227; PMID 3663585</ref> Das Enzym ist entweder häufig membrangebunden oder vereinzelt auch im Cytoplasma lokalisiert.<ref>U. Deppenmeier: ''The Unique Biochemistry of Methanogenesis''. In: ''PROG Nucleic Acid Res Mol Biol.'', 2002, 71, S. 223–283; PMID 12102556</ref>

=== NADP/F<sub>420</sub>-Oxidoreduktase ===
Die Übertragung von 2 Reduktionsäquivalenten von F<sub>420</sub>H<sub>2</sub> auf NADP<sup>+</sup> wird durch eine Transhydrogenase katalysiert, einer NADP/F<sub>420</sub> Oxidoreduktase.<ref>S. Yamazaki, L. Tsai: ''Purification and properties of 8-hydroxy-5-deazaflavin-dependent NADP<sup>+</sup> reductase from Methanococcus vannielii''. In: ''J Biol Chem.'', 1980, 255 (13), S. 6462–6465 (englisch); PMID 7391030.</ref> NADPH selbst wird in methanogenen Bakterien für die Synthese gewisser zellulärer Metaboliten benötigt, daneben aber auch bei NADPH-abhängigen [[Alkoholdehydrogenase]]n.<ref>H. Berk, RK. Thauer: ''Function of coenzyme F420-dependent NADP reductase in methanogenic archaea containing an NADP-dependent alcohol dehydrogenase''. In: ''Arch Microbiol.'', 1997, 168, 5, S. 396–402; PMID 9325428.</ref>

=== Formiatdehydrogenease ===
Manche methanogene Organismen können Reduktionsäquivalente durch Oxidation von [[Ameisensäure]] gewinnen. Da die Oxidation mit der Reduktion von F<sub>420</sub> einhergeht, wird so F<sub>420</sub> wieder regeneriert. Dieses Enzym wurde bei ''Methanobacterium formicicum'' bereits gereinigt und in ''E. coli'' exprimiert.<ref>AP. Shuber et al.: ''Cloning, expression, and nucleotide sequence of the formate dehydrogenase genes from Methanobacterium formicicum''. In: ''J Biol Chem.'',  (1986, 261, 28), S. 12942–12947 (englisch); PMID 3531194.</ref>

=== Alkoholdehydrogenase ===
[[Isopropanol]] bzw. [[Ethanol]] werden von verschiedenen methanogenen Organismen als alternative Elektronenquelle für die Reduktion von CO<sub>2</sub> verwendet. So wird in methanogenen Archaeen Isopropanol von einer F<sub>420</sub>-abhängigen sekundären Alkoholdehydrogenase unter Verbrauch reduzierten F<sub>420</sub> zu [[Aceton]] oxidiert.<ref>SW. Aufhammer et al.: ''Coenzyme binding in F420-dependent secondary alcohol dehydrogenase, a member of the bacterial luciferase family''. In: ''Structure'', 2004, 12 (3), S. 361–370; PMID 15016352.</ref>

== Pharmakologische Bedeutung ==
Bei einem ''in-silico''-Screening nach F<sub>420</sub>-abhängigen Enzymen wurden in ''M. tuberculosis'' eine überraschend hohe Zahl von Kandidaten entdeckt. Wenngleich diese Enzyme biochemisch noch nicht charakterisiert sind, könnten sie ein pharmakologisches [[Target (Biologie)|Target]] darstellen, da in der Darmflora fast keine Bakterien mit solchen Enzymen vorhanden sind, und Antibiotika gegen ''M. tuberculosis'' auf der Grundlage der Hemmung von F<sub>420</sub>-abhängigen Enzymen daher kaum Nebenwirkungen auf die Darmflora hätten.<ref>J. D. Selengut, D. H. Haft: ''Unexpected abundance of coenzyme F(420)-dependent enzymes in Mycobacterium tuberculosis and other actinobacteria.'' In: ''Journal of bacteriology'', Band 192, Nummer 21, November 2010, S.&nbsp;5788–5798; [[doi:10.1128/JB.00425-10]], PMID 20675471, {{PMC|2953692}}.</ref>

== Siehe auch ==
* [[Methanogenese]]

== Literatur ==
* RH. White: ''Biosynthesis of the methanogenic cofactors''. In: ''Vitam Horm.'', 2001, 61, S. 299–337; PMID 11153270; [[doi:10.1016/S0083-6729(01)61010-0]].
* U. Deppenmeier: ''The unique biochemistry of methanogenesis''. In: ''Prog Nucleic Acid Res Mol Biol.'', 2002, 71, S. 223–283; PMID 12102556; [[doi:10.1016/S0079-6603(02)71045-3]].
* U. Deppenmeier: ''Redox-driven proton translocation in methanogenic Archaea''. In: ''Cell Mol Life Sci.'', 2002, 59(9), 2002, 1513–1533; PMID 12440773; [[doi:10.1007/s00018-002-8526-3]].
* Michael T. Madigan, John M. Martinko, Thomas D. Brock: ''Mikrobiologie''. 11. überarb. Auflage. Pearson Studium, 2006, ISBN 3-8273-7187-2, S. 640–643.
* Georg Fuchs (Hrsg.): ''Allgemeine Mikrobiologie''. 8. völlig überarb. u. erw. Auflage. Thieme, 2007, ISBN 3-13-444608-1, S. 395–399.

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Aminophenol| F420]]
[[Kategorie:Dihydropyridin| F420]]
[[Kategorie:Pyrimidindion| F420]]
[[Kategorie:Dihydrobenzazin| F420]]
[[Kategorie:Phosphorsäureester| F420]]
[[Kategorie:Propansäureamid| F420]]
[[Kategorie:Alkansäureamid| F420]]
[[Kategorie:Carbonsäuresalz| F420]]
[[Kategorie:Triol| F420]]
[[Kategorie:Coenzym]]
[[Kategorie:Stoffgruppe]]