铁氧还蛋白-NADP+还原酶

铁氧还蛋白-NADP+还原酶（Ferredoxin—NADP+ reductase，全称：铁氧还蛋白-氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原酶，缩写：FNR）化学式为：C1641H2563O483N449S18P2Fe2，是催化如下化学反应的酶：

2分子还原型铁氧还蛋白 + 氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+） + H+ $\rightleftharpoons$ 2分子氧化型铁氧还蛋白 + 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）

该酶的三种底物分别是还原型铁氧还蛋白、NADP+以及氢离子，两种产物是氧化型铁氧还蛋白以及NADPH。它具有黄素辅因子黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

该酶属于氧化还原酶家族，使用铁硫蛋白作为电子供体，使用NAD+或NADP+作为电子受体。

该酶参与光合作用。FNR为光合生物提供NADPH的主要来源。

## 命名法

该酶类的系统名称是铁氧还蛋白：NADP+氧化还原酶（ferredoxin:NADP+ oxidoreductase）。其他常用名称包括：

- 肾上腺素还原酶（adrenodoxin reductase）。
- 铁氧还蛋白-NADP+还原酶（ferredoxin-NADP+ reductase）。
- 铁氧还蛋白-NADP+氧化还原酶（ferredoxin-NADP+ oxidoreductase）。
- 铁氧还蛋白-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸还原酶（ferredoxin-nicotinamide adenine dinucleotide phosphate reductase）。
- 铁氧还蛋白-烟酰胺-腺嘌呤二核苷酸磷酸（氧化型），还原酶（ferredoxin-nicotinamide-adenine dinucleotide phosphate (oxidized), reductase）。
- 铁氧还蛋白-TPN还原酶（ferredoxin-TPN reductase）。
- NADP+：铁氧还蛋白氧化还原酶（NADP+:ferredoxin oxidoreductase）。
- NADPH：铁氧还蛋白氧化还原酶（NADPH:ferredoxin oxidoreductase）。
- 还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸-肾上腺素还原酶（reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-adrenodoxin, reductase）以及
- TPNH-铁氧还蛋白还原酶（TPNH-ferredoxin reductase）

## 机制

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在光合作用过程中，电子从水中分离出来并转移到单电子载体铁氧还蛋白上。然后，铁氧还蛋白：NADP+还原酶将两个铁氧还蛋白分子中的每个分子上的电子转移到双电子载体NADPH的单个分子上。FNR利用FAD来介导这种电子转移，它可以存在于氧化状态、单电子还原半醌 状态和完全还原状态。

FNR具有诱导契合催化机制。铁氧还蛋白与酶的结合导致活性位点中谷氨酸残基（E312）和丝氨酸残基（S96）之间形成氢键。谷氨酸残基高度保守，因为它既能稳定FAD的半醌形式，又是反应中的质子供体／受体。电子转移反应的限速步骤是FAD被一个电子还原后第一个氧化的铁氧还蛋白分子的释放。该步骤因氧化型铁氧还蛋白的存在而受到抑制，并因NADP+的存在而激活。NADP+与酶的结合降低了酶对铁氧还蛋白的结合亲和力。

该反应也可以逆向进行，生成还原型铁氧还蛋白，后者可用于多种生物合成途径。一些细菌和藻类利用黄素氧还蛋白分子代替铁氧还蛋白作为单电子载体分子进行还原或氧化。

## 结构

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植物型铁氧还蛋白：NADP+还原酶具有两个结构域。第一个结构域是位于蛋白质氨基末端的反向平行β桶，其中包含FAD辅因子的结合结构域。第二个结构域位于蛋白质的羧基末端，包含α螺旋-β链折叠。该终端域是NADP+结合的地方。酶的活性位点位于两个域之间的界面处。

酶与类囊体膜的结合涉及两个FNR单体和几个富含脯氨酸的整合膜蛋白之间产生的聚脯氨酸II型螺旋。

截至2007年底，已解析了此类酶的54个三级结构，其登录号为蛋白质数据库（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

铁氧还蛋白：NADP+还原酶是光合作用过程中从光系统I向NADPH光系统 I转移电子的最后一种酶。然后，NADPH在卡尔文循环的反应中用作还原当量。从铁氧还蛋白到NADPH的电子循环仅在光照下发生，部分原因是FNR活性在黑暗中受到抑制。在非光合生物中，FNR主要反向发挥作用，为各种代谢途径提供还原型铁氧还蛋白。这些途径包括氮固定、萜类化合物生物合成、类固醇代谢、氧化应激反应和铁硫蛋白生物合成。

FNR是一种可溶性蛋白，既可以在叶绿体基质中游离，也可以与类囊体膜结合。这种结合发生在酶活性位点的对面，似乎不会影响活性位点的结构，也不会对酶的活性产生显著影响。当与类囊体膜结合时，该酶以二聚体的形式存在，但当它在基质中游离时，它是单体。在酸性条件下，FNR与类囊体膜上的完整膜蛋白的结合增强，因此，在光合作用不发生时，FNR与类囊体膜的募集和结合可能是在黑暗中储存和稳定酶的一种方法。叶绿体基质在黑暗中呈微酸性，在光照下则呈较强碱性。因此，在黑暗中，更多的 FNR 会被募集并结合到类囊体膜上，而在光照下，更多的FNR会从膜上分离并游离到基质中。

## 进化

铁氧还蛋白NADP+还原酶存在于许多生物体中，包括植物、细菌和真核生物的线粒体。然而，这些蛋白质属于两个不相关的蛋白质家族，是趋同进化的一个例子。植物型FNR（IPR015701、IPR033892）包括植物中见到的质体FNR。谷胱甘肽还原酶型FNR（IPR022890, IPR021163），有时为了区别而命名为肾上腺素能还原酶-NADP+还原酶，存在于真核生物的线粒体中。这两个家族都存在于细菌中。目前已鉴定出两个额外的家族，一个是硫氧还蛋白还原酶样家族（TRLF），另一个是具有独特机制的家族（NfnAB）。

在植物类FNR家族中，选择性进化压力导致光合生物和非光合生物中FNR的催化效率存在差异。FNR的电子传递是光合作用的限速步骤，因此植物质体中的FNR进化得非常高效。这些质体FNR的活性比细菌FNR高20—100倍。电子从FAD转移到NADP+的催化效率更高，这与活性位点的结构变化有关，这种变化减少了FAD中的N5和NADP+中的C4之间的距离。植物中的质体 FNR 也进化出对NADP+而非NAD+的高度底物特异性；氨基酸突变的研究表明，质体FNR中的末端酪氨酸残基在这种底物特异性中起着关键作用。相反，一些非光合作用的FNR不优先结合NADP+并且缺乏这种酪氨酸残基。

## 疾病相关性

几种主要的人类疾病是由顶复门中的专性细胞内原生动物寄生虫引起的。这些生物体内的顶质体细胞器被认为来源于祖先原生动物吞噬藻类细胞的内共生生物体事件。这些顶质体含有类似植物的FNR，原生动物利用它们来生成还原的铁氧还蛋白，然后将其用作必需生物合成途径中的还原剂。已经对影响人类的两种主要寄生虫——导致疟疾的恶性疟原虫和导致弓形虫病的龚地弓形虫的FNR进行了测序。由于人类没有同源蛋白质，这些酶可能是针对这些疾病的药物治疗的新目标。

## 基本资料

- 日语原文：铁氧还蛋白-NADP+还原酶
- 公共医学中心（PMC）：1.18.1.2
- CAS号：9029-33-8
- 基因本体（GO）：0004324