flavoproteiner

Flavoproteiner har flavin mononukleotid (FMN) og/eller flavin adenin dinukleotid (FAD) som kofaktor (prostetisk gruppe) sterkt bundet til proteinet. Vitamin B₂ (riboflavin) inngår som en del av molekylstrukturen i flavinnukleotider.

Flavinmolekylet har tre redoksstadier, oksidert form som kinon, en-elektronredusert form kalt semikinon og fullt redusert form som hydrokinon. Det er spesielt den oksiderte formen som er gulfarget og absorberer blått lys, og virker som et fotoreseptorprotein.

FMN og FAD er de oksiderte formene og FMNH₂ og FADH₂ er de reduserte formene av flavin, og de kan reversibelt motta ett eller to elektroner (e^-) og protoner (H⁺). Når et flavin mottar ett elektron (e^-) og ett proton (H⁺) blir det dannet et semikinon, FADH• eller FMNH• .

• FAD + e^- + H⁺ ↔ FADH•
• FMN + e^- + H⁺ ↔ FMNH•
• FADH• + e^- + H⁺ ↔ FMNH₂)
• FMNH• + e^- + H⁺ ↔ FMNH₂)

Semikinonet virker som et radikal, har et uparet elektron, og kan lett motta eller avgi elektroner til trerverdig (trivalent) ferrijern (Fe³⁺) eller oksiderte cytokromer. Flaviner endrer evnen til å absorbere lys avhengig i hvilken grad de er oksidert eller redusert, noe som gjør det mulig å følge redoksreaksjonene i et spektrofotometer. Noen flavoproteiner har to kromofore flavin og pterin (5’,10’-metenyltetrahydrofolat), for eksempel enzymet nitrat reduktase som deltar i nitrogenassimilasjon og NO syntase som lager signalmolekylet nitrogenoksid (NO) fra aminosyren arginin.

FAD består av to deler: adenin nukleotid (adenosin monofosfat) og flavin mononukleotid hektet sammen via fosfatgrupper. Adenin er bundet til sukkeret ribose ved karbonatom C1 og fosfat er festet ril ribose ved karbon C5. Riboflavin består av isoalloksazin med sidekjede med ribitol (en pentosealkohol). Isoalloksazin har en kjemisk struktur satt sammen av tre ringer dannet ved en sammenkobling av pterin og en benzen-ring.

• Fototropiner er flavoproteiner mottar lys i fototropisme når planter bøyer seg mot lyset eller når kloroplaster flytter seg til steder i cellene med optimale lysforhold.
• Kryptokromer er flavoproteiner som hemmer strekningsvekst i planter, deltar i lysregulerte biorytmer og fotoperiodisitet, samt bidrar til å stille den molekylære biologiske klokken cirkadiske rytmer. Mennesker har to forskjellige kryptokromer i netthinnen som er med å styrer døgnrytmen.

Flavoproteiner deltar i oksidasjon av organiske stoffer hvor det trinnvis blir frigitt energi. Enzymet succinat dehydrogenase er et flavoprotein plassert i den indre membranen i mitokondriene og deltar i sitronsyresyklus og katalyserer en oksidasjon av succinat (ravsyre, l. succinum – rav) til fumarat (fumarsyre)

• succinat + FAD ↔ fumarat + FADH₂

Elektronene som er lagret i form av FADH₂ blir via jernsvovelproteiner i elektrontransporkjeden fraktet til et kinon, ubikinon, som en del av prosessen å produsere kjemisk energi i form av ATP. Succinat dehydrogenase inngår både en del av sitronsyresyklus, men er også en del av kompleks II i elektrontransportkjeden i cellerespirasjonen i form av succinat-ubikinon oksidoreduktase hvor ubikinon blir redusert til ubikinol via et jern-svovelprotein. Succinat dehydrogenase finnes også i bakterier.

Andre eksempler på flavoproteiner er:

Acyl-CoA dehydrogenases katalyserer første trinnet i beta-oksidasjonen av fettsyrer og katalyserer reaksjonen og deltar i metabolismen av fettsyrer i maten vi spiser

• acyl-CoA + FAD ↔ trans-Δ²-enoyl-CoA + FADH2

Dihydrolipoamide dehydrogenase er et flavoenzym oksidoreduktase som finnes i mitokondriene med FAD som kofaktor oksiderer dihydrolipoamid til lipoamid og har en viktig funksjon i energimetabolismen.

Gulonolakton oksidase bruker FAD som kofaktor og er det siste enzymet i biosyntesen av vitamin C, men hos marsvin og enkeltnesete aper (tørrneseaper, Haplorhini) inkludert ekte aper er det en mutasjon i genet GULO som koder for dette enzymet og forklarer hvorfor mennesker trenger vitamin C i maten. Dobbeltnesete halvaper (våtneseaper, Strepsirrhini) har ikke denne mutasjonen og kan selv lage vitamin C.

Cytokrom-b₅ reduktase inneholder FAD, og med NADH som elektrondonor katalyserer reaksjonen

• 2 ferri(Fe³⁺)cytokrom b₅ + NADH + H⁺ ↔ 2 ferro(Fe²⁺)cytokrom b₅ + NAD⁺

Enzymet deltar biosyntese av kolesterol, i avmetning og forlengelse av fettsyrer, samt inngår i cytokrom P₄₅₀ monooksygenaser som deltar i avgiftning av stoffer. I røde blodceller kan enzymet redusere methemoglobin tilbake til hemoglobin.

I 1932 oppdaget Otto Heinrich Warburg og Walter Christian et «gult ferment», et oksidasjonsenzym som deltar i hydrogenering av pyruvat, laktat og succinat. Warburg og Christian hadde funnet at «Zwischenferment» gir oksidasjon av glucose-6-fosfat til 6-fosfoglukonolakton :

• glucose-6-fosfat + NADP⁺ (koferment) → 6-fosfoglukonolakton + NADPH

og at reaksjonen kunne kobles med «Gelbe Ferment»:

• O₂ (oksygen) + NADPH → H₂O₂ (hydrogenperoksid) + NADP⁺

«Zwischenferment» viser seg i ettertid å være første enzymet i oksidativ pentosefosfatvei, glukose-6-fosfat dehydrogenase

Hugo Theorell hadde i 1933 et studieopphold i laboratoriet til Warburg i Berlin. Med kolonnekromatografering renset Theorell «Gelbe Ferment» for å studere det nærmere. Det er mulig å skille proteindelen (apoproteinet) fra det Theorell mente var riboflavin (riboflavin-5’-fosfat, FMN). FMN kan skifte farge, blir gulfarget ved oksidasjon med oksygen og mister noen av fargen når det blir redusert. FMN var første bevis på at enzymer kan inneholde kofaktorer. Theorell fikk nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1955 for «oppdagelser omkring egenskaper og virkemåte for oksidasjonsenzymer».

Richard Kuhn ved Universitetet i Heidelberg var interessert i molekyler som har en kjede med karbonatomer som er festet sammen med alternerende enkeltbindinger og dobbeltbindinger. Kuhn isolerte flere gulfargete stoffer, karotenoider, polyener med konjugerte dobbeltbindinger. Det er alternerende karbon-karbon dobbeltbindingene som gir de lysabsorberende egenskapene og fargen på molekylene. Kuhn viste at karotenoider var utgangsmateriale for fettløselig vitamin A, men det var ukjent om det var en sammenheng mellom flaviner og vannløselig vitamin B₂. I 1920 fant József Goldberger at anti-pellagrafaktoren måtte være et B-vitamin.

Paul György ga Kuhn i oppdrag å isolere vitamin B₂, først fra lever hos rotter. Flaviner er meget utbredt i planter og dyr, men finnes bare i svært små konsentrasjoner. Kuhn og medarbeidere isolerte 1 gram av riboflavin fra 5000 liter melk eller albumin fra 34000 egg. Kuhn hadde under arbeidet kalt pigmentet henholdsvis lumiflavin, laktoflavin og ovoflavin, og fikk nobelprisen i kjemi i 1938 «for hans arbeid med karotenoider og vitaminer». Det gule enzymet var FAD-avhengig NADPH oksidoreduktase. D-aminosyre oksidase oksiderer D-aminosyrer til ketosyre (oksosyre), hydrogenperoksid og ammonium var det neste flavinenzymet som ble beskrevet. Seinere har man funnet mange enzymer i gruppen FAD-avhengige oksidoredduktaser og monooksygenaser.

Hans Adolf Krebs var forskningsassisent hos Warburg, og en av mange som i 1933 måtte flykte fra nazi-Tyskland. Kuhn er kredtiert oppdagelsen sitronsyresyklus og glyoksylatsyklus hvor flavinenzymet succinat dehydrogenase deltar.

Røde blodceller inneholder enzymet glutation reduktase, som er en FAD-avhengig oksidoreduktase, enzymer som deltar i fjerning av reaktive oksygenforbindelser.

• cellebiologi