F420

F₄₂₀ ist ein Cofaktor, eine chemische Verbindung, die im Zytoplasma methanogener Archaeen, mancher Bakterien und einzelliger Eukaryoten vorkommt. Es handelt sich biochemisch um Elektronentransporter, und chemisch um Deazaflavine, 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_max = 420 nm.^[2][3][4]

Strukturformel
Teilweise fehlende Stereoinformation
Allgemeines
Name	F420
Andere Namen	(3S,8S,11S,13R,16R,17S,18S)-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(2H)-yl)-12,14-dioxa-4,9-diaza-13-phosphanonadecan-1,3,8-tricarbonsäure-13-oxid (IUPAC) Coenzym F420 N-(N-{O-[5-(8-Hydroxy-2,4-dioxo-2,3,4,10-tetra-hydropyrimido[4,5-b]chinolin-10-yl)-5-desoxy-L-ribityl-1-phospho]-(S)-lactyl}-γ-L-glutamyl)-L-glutamat „Steve“
Summenformel	C29H32N5O18P4−
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 64885-97-8 EG-Nummer (Listennummer) 613-724-2 ECHA-InfoCard 100.110.762 PubChem 123996 ChemSpider 110515 DrugBank DB03913 Wikidata Q412727
Eigenschaften
Molare Masse	769,6 g·mol−1
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine Einstufung verfügbar[1]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Optische Eigenschaften

Oxidiertes F₄₂₀ absorbiert bei 420 nm, nach Absorption wird Licht bei 520 nm emittiert.^[3] Am isosbestischen 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.^[5]

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 −340 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⁺.^[6]

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.^[7] Der Kofaktor wurde auch im Cyanobakterium Anacystis nidulans^[8] und in der (eukaryotischen) Grünalge Scenedesmus acutus^[9] entdeckt. Jedoch variiert die Grundstruktur in jenen Organismen.

F₄₂₀ ist beteiligt an Prozessen der Methanogenese,^[10] der Sulfitreduktion,^[11] der Sauerstoffentgiftung^[12] und dem Elektronentransport^[13] 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.^[14][15][16] 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 (EC 1.5.99.9) reduziert an Methanopterin gebundenes Methenyl zu Methylen.^[17][18] Dabei wird (reduziertes) F₄₂₀H₂ verbraucht (vgl. Gleichung 1).

${\displaystyle \mathrm {Methenyl{-}H_{4}MPT+F_{420}H_{2}\ \rightleftharpoons \ {\color {Red}Methylen}{-}H_{4}MPT+F_{420}\qquad (1)} }$

Die F₄₂₀-abhängige N⁵,N¹⁰-Methylentetrahydromethanopterin-Reduktase (EC 1.5.99.11) reduziert unter Verbrauch von F₄₂₀H₂ das an Methanopterin gebundene Methylen weiter zu Methyl (vgl. Gleichung 2):

${\displaystyle \mathrm {{\color {Red}Methylen}{-}H_{4}MPT+F_{420}H_{2}\ \rightleftharpoons \ {\color {Blue}Methyl}{-}H_{4}MPT+F_{420}\qquad (2)} }$

F₄₂₀-reduzierende Hydrogenase

Für die Regenerierung von oxdierten F₄₂₀ wird ein Enzym benötigt, was man als F₄₂₀-reduzierende Hydrogenase (EC 1.12.98.1) bezeichnet.^[19] Das Enzym ist entweder häufig membrangebunden oder vereinzelt auch im Cytoplasma lokalisiert.^[20]

NADP/F₄₂₀-Oxidoreduktase

Die Übertragung von 2 Reduktionsäquivalenten von F₄₂₀H₂ auf NADP⁺ wird durch eine Transhydrogenase katalysiert, einer NADP/F₄₂₀ Oxidoreduktase.^[21] NADPH selbst wird in methanogenen Bakterien für die Synthese gewisser zellulärer Metaboliten benötigt, daneben aber auch bei NADPH-abhängigen Alkoholdehydrogenasen.^[22]

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. Dieses Enzym wurde bei Methanobacterium formicicum bereits gereinigt und in E. coli exprimiert.^[23]

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.^[24]

Pharmakologische Bedeutung

Bei einem in-silico-Screening nach F₄₂₀-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 darstellen, da in der Darmflora fast keine Bakterien mit solchen Enzymen vorhanden sind, und Antibiotika gegen M. tuberculosis auf der Grundlage der Hemmung von F₄₂₀-abhängigen Enzymen daher kaum Nebenwirkungen auf die Darmflora hätten.^[25]

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.