鐵氧還蛋白-NADP+還原酶

鐵氧還蛋白-NADP+還原酶（Ferredoxin—NADP+ reductase，全稱：鐵氧還蛋白-氧化型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸還原酶，縮寫：FNR）化學式為：C1641H2563O483N449S18P2Fe2，是催化如下化學反應的酶：

2分子還原型鐵氧還蛋白 + 氧化型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+） + H+ $\rightleftharpoons$ 2分子氧化型鐵氧還蛋白 + 還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）

該酶的三種底物分別是還原型鐵氧還蛋白、NADP+以及氫離子，兩種產物是氧化型鐵氧還蛋白以及NADPH。它具有黃素輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

該酶屬於氧化還原酶家族，使用鐵硫蛋白作為電子供體，使用NAD+或NADP+作為電子受體。

該酶參與光合作用。FNR為光合生物提供NADPH的主要來源。

## 命名法

該酶類的系統名稱是鐵氧還蛋白：NADP+氧化還原酶（ferredoxin:NADP+ oxidoreductase）。其他常用名稱包括：

- 腎上腺素還原酶（adrenodoxin reductase）。
- 鐵氧還蛋白-NADP+還原酶（ferredoxin-NADP+ reductase）。
- 鐵氧還蛋白-NADP+氧化還原酶（ferredoxin-NADP+ oxidoreductase）。
- 鐵氧還蛋白-煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸還原酶（ferredoxin-nicotinamide adenine dinucleotide phosphate reductase）。
- 鐵氧還蛋白-煙醯胺-腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化型），還原酶（ferredoxin-nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate (oxidized), reductase）。
- 鐵氧還蛋白-TPN還原酶（ferredoxin-TPN reductase）。
- NADP+：鐵氧還蛋白氧化還原酶（NADP+:ferredoxin oxidoreductase）。
- NADPH：鐵氧還蛋白氧化還原酶（NADPH:ferredoxin oxidoreductase）。
- 還原型煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-腎上腺素還原酶（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-adrenodoxin, reductase）以及
- TPNH-鐵氧還蛋白還原酶（TPNH-ferredoxin reductase）

## 機制

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在光合作用過程中，電子從水中分離出來並轉移到單電子載體鐵氧還蛋白上。然後，鐵氧還蛋白：NADP+還原酶將兩個鐵氧還蛋白分子中的每個分子上的電子轉移到雙電子載體NADPH的單個分子上。FNR利用FAD來介導這種電子轉移，它可以存在於氧化狀態、單電子還原半醌 狀態和完全還原狀態。

FNR具有誘導契合催化機制。鐵氧還蛋白與酶的結合導致活性位點中穀氨酸殘基（E312）和絲氨酸殘基（S96）之間形成氫鍵。穀氨酸殘基高度保守，因為它既能穩定FAD的半醌形式，又是反應中的質子供體／受體。電子轉移反應的限速步驟是FAD被一個電子還原後第一個氧化的鐵氧還蛋白分子的釋放。該步驟因氧化型鐵氧還蛋白的存在而受到抑制，並因NADP+的存在而激活。NADP+與酶的結合降低了酶對鐵氧還蛋白的結合親和力。

該反應也可以逆向進行，生成還原型鐵氧還蛋白，後者可用於多種生物合成途徑。一些細菌和藻類利用黃素氧還蛋白分子代替鐵氧還蛋白作為單電子載體分子進行還原或氧化。

## 結構

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植物型鐵氧還蛋白：NADP+還原酶具有兩個結構域。第一個結構域是位於蛋白質氨基末端的反向平行β桶，其中包含FAD輔因子的結合結構域。第二個結構域位於蛋白質的羧基末端，包含α螺旋-β鏈摺疊。該終端域是NADP+結合的地方。酶的活性位點位於兩個域之間的界面處。

酶與類囊體膜的結合涉及兩個FNR單體和幾個富含脯氨酸的整合膜蛋白之間產生的聚脯氨酸II型螺旋。

截至2007年底，已解析了此類酶的54個三級結構，其登錄號為蛋白質資料庫（PDB） 1B2R, 1BJK, 1BQE, 1BX0, 1BX1, 1CJC, 1E1L, 1E62, 1E63, 1E64, 1E6E, 1EWY, 1FDR, 1FNB, 1FNC, 1FND, 1FRN, 1FRQ, 1GAQ, 1GAW, 1GJR, 1GO2, 1GR1, 1H42, 1H85, 1JB9, 1OGI, 1OGJ, 1QFY, 1QFZ, 1QG0, 1QGA, 1QGY, 1QGZ, 1QH0, 1QUE, 1QUF, 1SM4, 1W34, 1W35, 1W87, 2B5O, 2BGI, 2BGJ, 2BMW, 2BSA, 2C7G, 2GQW, 2GR0, 2GR1, 2GR2, 2GR3, 2OK7和2OK8。

## 功能

鐵氧還蛋白：NADP+還原酶是光合作用過程中從光系統I向NADPH光系統 I轉移電子的最後一種酶。然後，NADPH在卡爾文循環的反應中用作還原當量。從鐵氧還蛋白到NADPH的電子循環僅在光照下發生，部分原因是FNR活性在黑暗中受到抑制。在非光合生物中，FNR主要反向發揮作用，為各種代謝途徑提供還原型鐵氧還蛋白。這些途徑包括氮固定、萜類化合物生物合成、類固醇代謝、氧化應激反應和鐵硫蛋白生物合成。

FNR是一種可溶性蛋白，既可以在葉綠體基質中游離，也可以與類囊體膜結合。這種結合發生在酶活性位點的對面，似乎不會影響活性位點的結構，也不會對酶的活性產生顯著影響。當與類囊體膜結合時，該酶以二聚體的形式存在，但當它在基質中游離時，它是單體。在酸性條件下，FNR與類囊體膜上的完整膜蛋白的結合增強，因此，在光合作用不發生時，FNR與類囊體膜的募集和結合可能是在黑暗中儲存和穩定酶的一種方法。葉綠體基質在黑暗中呈微酸性，在光照下則呈較強鹼性。因此，在黑暗中，更多的 FNR 會被募集並結合到類囊體膜上，而在光照下，更多的FNR會從膜上分離並游離到基質中。

## 進化

鐵氧還蛋白NADP+還原酶存在於許多生物體中，包括植物、細菌和真核生物的線粒體。然而，這些蛋白質屬於兩個不相關的蛋白質家族，是趨同進化的一個例子。植物型FNR（IPR015701、IPR033892）包括植物中見到的質體FNR。穀胱甘肽還原酶型FNR（IPR022890, IPR021163），有時為了區別而命名為腎上腺素能還原酶-NADP+還原酶，存在於真核生物的線粒體中。這兩個家族都存在於細菌中。目前已鑑定出兩個額外的家族，一個是硫氧還蛋白還原酶樣家族（TRLF），另一個是具有獨特機制的家族（NfnAB）。

在植物類FNR家族中，選擇性進化壓力導致光合生物和非光合生物中FNR的催化效率存在差異。FNR的電子傳遞是光合作用的限速步驟，因此植物質體中的FNR進化得非常高效。這些質體FNR的活性比細菌FNR高20—100倍。電子從FAD轉移到NADP+的催化效率更高，這與活性位點的結構變化有關，這種變化減少了FAD中的N5和NADP+中的C4之間的距離。植物中的質體 FNR 也進化出對NADP+而非NAD+的高度底物特異性；胺基酸突變的研究表明，質體FNR中的末端酪氨酸殘基在這種底物特異性中起著關鍵作用。相反，一些非光合作用的FNR不優先結合NADP+並且缺乏這種酪氨酸殘基。

## 疾病相關性

幾種主要的人類疾病是由頂復門中的專性細胞內原生動物寄生蟲引起的。這些生物體內的頂質體細胞器被認為來源於祖先原生動物吞噬藻類細胞的內共生生物體事件。這些頂質體含有類似植物的FNR，原生動物利用它們來生成還原的鐵氧還蛋白，然後將其用作必需生物合成途徑中的還原劑。已經對影響人類的兩種主要寄生蟲——導致瘧疾的惡性瘧原蟲和導致弓形蟲病的龔地弓形蟲的FNR進行了測序。由於人類沒有同源蛋白質，這些酶可能是針對這些疾病的藥物治療的新目標。

## 基本資料

- 日語原文：鐵氧還蛋白-NADP+還原酶
- 公共醫學中心（PMC）：1.18.1.2
- CAS號：9029-33-8
- 基因本體（GO）：0004324