Nitratreduktase

Nitratreduktasen sind Molybdänenzyme , die Nitrat ( NO₃⁻) reduzieren .⁻ ₃) zu Nitrit ( NO⁻ ₂Diese Reaktion ist für die Proteinproduktion in den meisten Nutzpflanzen von entscheidender Bedeutung, da Nitrat die vorherrschende Stickstoffquelle in gedüngten Böden darstellt. ^{[ 2 ]}

Eukaryotische Nitratreduktasen gehören zur Familie der Sulfitoxidasen, einer Gruppe von Molybdänenzymen. Sie übertragen Elektronen von NADH oder NADPH auf Nitrat.

Prokaryotische Nitratreduktasen gehören zur DMSO-Reduktasefamilie der Molybdänenzyme und werden in drei Gruppen eingeteilt: assimilatorische Nitratreduktasen (Nas), respiratorische Nitratreduktasen (Nar) und periplasmatische Nitratreduktasen (Nap). ^{[ 3 ]} Das aktive Zentrum dieser Enzyme ist ein Molybdänion , das an die vier Thiolatgruppen zweier Pterinmoleküle gebunden ist . Die Koordinationssphäre des Molybdänions wird durch eine Aminosäureseitenkette sowie Sauerstoff- und/oder Schwefelliganden vervollständigt . Bei Nap ist das Molybdän kovalent über eine Cystein-Seitenkette an das Protein gebunden, bei Nar über eine Aspartat-Seitenkette. ^{[ 4 ]}

Prokaryotische Nitratreduktasen lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: Transmembran-Nitratreduktasen (NAR) und periplasmatische Nitratreduktasen (NAP). NAR ermöglicht den Protonentransport durch die Zellmembran und kann durch die protonenmotorische Kraft zur ATP-Synthese beitragen . NAP ist dazu nicht in der Lage. ^{[ 5 ]}

Die transmembranäre respiratorische Nitratreduktase ^{[ 6 ]} besteht aus drei Untereinheiten: einer α-, einer β- und zwei γ-Untereinheiten. Sie kann das NRA-Enzym in Escherichia coli ersetzen und ermöglicht diesem, Nitrat als Elektronenakzeptor für die anaerobe Atmung zu nutzen. ^{[ 7 ]} In der Kieselalge Thalassiosira weissflogii wurde eine transmembranäre Nitratreduktase entdeckt, die als Protonenpumpe fungieren kann (ähnlich der anaeroben Atmung ) . ^{[ 8 ]}

Die Nitratreduktase höherer Pflanzen, Algen und Pilze ist ein homodimeres cytosolische Protein mit fünf konservierten Domänen pro Monomer: 1) eine Mo-MPT-Domäne, die den einzelnen Molybdopterin- Cofaktor enthält, 2) eine Dimer-Interaktionsdomäne, 3) eine Cytochrom-b-Domäne und 4) eine NADH-Bindungsdomäne, die sich mit 5) einer FAD-Bindungsdomäne zum Cytochrom-b-Reduktasefragment verbindet. ^{[ 9 ]} Es existiert eine Glycophosphatidylinositol -verankerte Variante, die sich auf der Außenseite der Plasmamembran befindet. Ihre Funktion ist noch nicht vollständig geklärt. ^{[ 10 ]}

In der prokaryotischen periplasmatischen Nitratreduktase bindet das Nitratanion an Mo(IV). Durch Sauerstofftransfer entsteht ein Mo(VI)-Oxo-Zwischenprodukt unter Freisetzung von Nitrit. Reduktion des Mo-Oxids und Protonolyse entfernen die Oxogruppe und regenerieren Mo(IV). ^{[ 11 ]}

Ähnlich dem prokaryotischen Nitratreduktionsmechanismus bindet in der eukaryotischen Nitratreduktase ein Sauerstoffatom des Nitrats an Molybdän (Mo) in der Oxidationsstufe +4 und verdrängt dabei ein Hydroxidion. Anschließend klappen die d-Orbital-Elektronen des Molybdäns um, wodurch eine Mehrfachbindung zwischen Mo(VI) und diesem Sauerstoffatom entsteht und Nitrit abgespalten wird. Die Mo(VI)-Doppelbindung zu Sauerstoff wird durch NAD(P)H reduziert, das über die intramolekulare Transportkette transportiert wird. ^{[ 12 ]}

Die Nitratreduktase (NR) wird auf transkriptioneller und translationeller Ebene durch Licht, Nitrat und möglicherweise einen negativen Rückkopplungsmechanismus reguliert. Zunächst wird Nitrat aus dem Wurzelsystem aufgenommen, durch Nitratreduktase zu Nitrit reduziert und anschließend durch Nitritreduktase zu Ammoniak. Ammoniak gelangt dann in den GS-GOGAT-Weg und wird in Aminosäuren eingebaut. ^{[ 13 ]} Unter Stressbedingungen wird Nitrat nicht wie üblich durch NR zu Aminosäuren reduziert, sondern zu Stickstoffmonoxid (NO) umgewandelt, was zahlreiche schädliche Auswirkungen auf die Pflanze haben kann. Daher ist die Regulierung der Nitratreduktaseaktivität wichtig, um die NO-Produktion zu begrenzen.

Die Inaktivierung der Nitratreduktase erfolgt in mehreren Schritten und wird durch verschiedene Signale unterstützt. Insbesondere in Spinat ist der erste Schritt der Nitratreduktase-Inaktivierung die Phosphorylierung der NR am Serinrest 543. Der letzte Schritt ist die Bindung des Adapterproteins 14-3-3, die durch die Anwesenheit von Mg²⁺ und Ca²⁺ initiiert wird ^. [ ¹⁴ ] ^{Höhere Pflanzen und} einige Algen regulieren die NR posttranslational durch Phosphorylierung von Serinresten und die anschließende Bindung eines 14-3-3-Proteins. ^{[ 15 ]}

Es wurden Studien durchgeführt, in denen die Nitrataufnahme und die Nitratreduktaseaktivität unter anoxischen Bedingungen gemessen wurden, um festzustellen, ob Unterschiede im Aktivitätsniveau und in der Toleranz gegenüber Sauerstoffmangel bestehen. Diese Studien ergaben, dass die Nitratreduktase unter anoxischen Bedingungen die Toleranz der Pflanzen gegenüber Sauerstoffmangel verbessert. ^{[ 14 ]} Diese erhöhte Aktivität der Nitratreduktase korrelierte auch mit einer erhöhten Nitritfreisetzung in den Wurzeln. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass der drastische Anstieg der Nitratreduktase unter anoxischen Bedingungen direkt auf die Dissoziation des 14-3-3-Proteins von NR und die Dephosphorylierung der Nitratreduktase durch die anoxischen Bedingungen zurückzuführen ist. ^{[ 14 ]}

Die Nitratreduktaseaktivität kann als biochemisches Werkzeug zur Vorhersage des Kornertrags und der Kornproteinproduktion verwendet werden. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Nitratreduktase kann zur Bestimmung der Nitratkonzentration in Bioflüssigkeiten eingesetzt werden. ^{[ 18 ]}

Nitratreduktase fördert die Aminosäureproduktion in Teeblättern. ^{[ 19 ]} Unter südindischen Bedingungen wurde berichtet, dass die Behandlung von Teepflanzen mit verschiedenen Mikronährstoffen (wie Zn, Mn und B) zusammen mit Mo den Aminosäuregehalt der Teetriebe und auch den Ernteertrag erhöhte. ^{[ 20 ]}

• UMich Orientierung von Proteinen in Membranen protein/pdbid-1q16
• Nitratreduktasen in den Medical Subject Headings (MeSH) der US National Library of Medicine