F420
# F420

F$_{420}$ 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.

## Optische Eigenschaften

Oxidiertes F$_{420}$ absorbiert bei 420 nm, nach Absorption wird Licht bei 520 nm emittiert. Am isosbestischen Punkt bei 401 nm besitzt der Kofaktor einen Extinktionskoeffizient von 25,9 mM$^{−1}$cm$^{−1}$. Nach Reduktion (F$_{420}$H$_2$) verliert F$_{420}$ sein Absorptionsmaximum bei 420 nm und dieses verschiebt sich auf 320 nm, jedoch mit einem geringeren Extinktionskoeffizient.

## Biologische Bedeutung

F$_{420}$ besitzt zwar eine ähnliche Struktur wie Riboflavin bzw. FAD, chemisch gesehen ähnelt es aber eher den Nikotinamiden, wie z. B. NADP$^+$. Das Redoxpotential von F$_{420}$ liegt bei −340 mV und ähnelt demnach dem des es NAD(P)s (−320 mV). F$_{420}$ überträgt ausschließlich ein Hydridion (zwei Elektronen und ein Proton) – wie auch NAD$^+$ bzw. NADP$^+$.
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. Der Kofaktor wurde auch im Cyanobakterium Anacystis nidulans und in der (eukaryotischen) Grünalge Scenedesmus acutus entdeckt. Jedoch variiert die Grundstruktur in jenen Organismen.
F$_{420}$ ist beteiligt an Prozessen der Methanogenese, der Sulfitreduktion, der Sauerstoffentgiftung und dem Elektronentransport 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. PA-824 ist ein experimentelles Medikament zur Behandlung von Tuberkulose.

## F$_{420}$-abhängige Enzyme

F$_{420}$ wird häufig als Elektronenüberträger in der Methanogenese verwendet, er tritt aber auch bei anderen Prozessen hervor:

### Tetrahydromethanopterin-abhängiges Enzym

Während der Methanogenese – ausgehend von CO$_2$ – spielen Tetrahydromethanopterin-abhängige Enzyme eine zentrale Rolle. Die F$_{420}$-abhängige N$^5$,N$^{10}$-Methylentetrahydromethanopterin-Dehydrogenase (EC 1.5.99.9) reduziert an Methanopterin gebundenes Methenyl zu Methylen. Dabei wird (reduziertes) F$_{420}$H$_2$ verbraucht (vgl. Gleichung 1).
    $\mathrm {Methenyl{-}H_{4}MPT+F_{420}H_{2}\ \rightleftharpoons \ {\color {Red}Methylen}{-}H_{4}MPT+F_{420}\qquad (1)}$
Die F$_{420}$-abhängige N$^5$,N$^{10}$-Methylentetrahydromethanopterin-Reduktase (EC 1.5.99.11) reduziert unter Verbrauch von F$_{420}$H$_2$ das an Methanopterin gebundene Methylen weiter zu Methyl (vgl. Gleichung 2):
    $\mathrm {{\color {Red}Methylen}{-}H_{4}MPT+F_{420}H_{2}\ \rightleftharpoons \ {\color {Blue}Methyl}{-}H_{4}MPT+F_{420}\qquad (2)}$

### F$_{420}$-reduzierende Hydrogenase

Für die Regenerierung von oxdierten F$_{420}$ wird ein Enzym benötigt, was man als F$_{420}$-reduzierende Hydrogenase (EC 1.12.98.1) bezeichnet. Das Enzym ist entweder häufig membrangebunden oder vereinzelt auch im Cytoplasma lokalisiert.

### NADP/F$_{420}$-Oxidoreduktase

Die Übertragung von 2 Reduktionsäquivalenten von F$_{420}$H$_2$ auf NADP$^+$ wird durch eine Transhydrogenase katalysiert, einer NADP/F$_{420}$ Oxidoreduktase. NADPH selbst wird in methanogenen Bakterien für die Synthese gewisser zellulärer Metaboliten benötigt, daneben aber auch bei NADPH-abhängigen Alkoholdehydrogenasen.

### Formiatdehydrogenease

Manche methanogene Organismen können Reduktionsäquivalente durch Oxidation von Ameisensäure gewinnen. Da die Oxidation mit der Reduktion von F$_{420}$ einhergeht, wird so F$_{420}$ wieder regeneriert. Dieses Enzym wurde bei Methanobacterium formicicum bereits gereinigt und in E. coli exprimiert.

### Alkoholdehydrogenase

Isopropanol bzw. Ethanol werden von verschiedenen methanogenen Organismen als alternative Elektronenquelle für die Reduktion von CO$_2$ verwendet. So wird in methanogenen Archaeen Isopropanol von einer F$_{420}$-abhängigen sekundären Alkoholdehydrogenase unter Verbrauch reduzierten F$_{420}$ zu Aceton oxidiert.

## Pharmakologische Bedeutung

Bei einem in-silico-Screening nach F$_{420}$-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 F$_{420}$-abhängigen Enzymen daher kaum Nebenwirkungen auf die Darmflora hätten.