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2.1 - 2.5 - Aspirin (gesamt)

Die Peroxidase-Reaktion – vom PGG2 zum PGH2

Im Peroxidase-Reaktionszentrum wird das Prostaglandin G2 (PGG2) durch Reduktion der 15-Hydroperoxid-Gruppe in eine Hydroxy-Gruppe zum Prostaglandin H2 (PGH2) umgesetzt. Das Häm, das sich direkt im Peroxidase-Reaktionszentrum befindet, fungiert dabei als Redox-Katalysator und z.B. Glutathion als weit verbreitetes intrazelluläres Reduktionsmittel.

Abb.1

Für die weitere Beschreibung des Mechanismus wird folgende vereinfachte Darstellung des Häms in den Formelbildern verwendet:

Abb.2

Der Mechanismus der Peroxidase-Reaktion verläuft vermutlich analog der Reduktion von Wasserstoffperoxid in der sehr gut untersuchten Meerrettich-Peroxidase, weil die mechanistischen Zwischenstufen analoge UV/VIS- und ESR-Spektren liefern. Er beginnt mit der Aktivierung der Hydroperoxid-Gruppe des PGG2 durch den Transfer des Protons auf das basische His 207 der PGH2-Synthase und die anschließende Koordination des PGG2-Hydroperoxid-Ions an das Fe(III)-Zentrum des Häms. Nun folgt die eigentliche Reduktion des PGG2 durch die Übertragung von zwei Elektronen vom Häm auf das Eisen-ständige Sauerstoff-Atom des PGG2.

Vermutlich handelt es sich dabei um zwei Reduktionen mit jeweils einem Elektron (wie im Formelbild gezeigt). Der exakte mechanistische Weg dieser Elektronenübertragungen ist allerdings noch nicht bekannt. So ist z.B. ungeklärt, ob das Elektron vom Porphyrin-System (Por) des Häms direkt auf das Sauerstoff-Atom übertragen wird (wie im Formelbild gezeigt). Alternativ könnte das Elektron nach dem anfänglichen Einelektronen-Transfer vom Fe(III) auf das Sauerstoff-Atom, bei dem das Eisen zum Fe(IV) oxidiert wird, zunächst zum Eisen geleitet werden. Das auf diese Weise wieder zum Fe(III) reduzierte Eisen stände dann für die erneute Übertragung eines Elektrons auf das Sauerstoff-Atom zur Verfügung.

Das entstehende Häm-Produkt [O=Fe(IV)(Por • 3 –)] • – (die so genannte Compound I mit Eisen in der Oxidationsstufe IV als Oxoferryl(IV)-Zentrum und einem daran koordinierten Porphyrin-Radikal-Anion ist spektroskopisch nachweisbar, unabhängig vom mechanistischen Weg der Elektronenübertragungen.

Abb.3

Mechanismus der Peroxidase-Reaktion: Reduktion des PGG2 zum PGH2.

Infolge der Elektronenübertragungen auf das eisenständige Sauerstoff-Atom kommt es unmittelbar zu einer heterolytischen Spaltung der peroxidischen Bindung zugunsten das PGG2-ständigen Sauerstoff-Atoms. Dieser Bindungsbruch muss unmittelbar erfolgen, weil das eisenständige Sauerstoff-Atom durch die Aufnahme der beiden Elektronen vom Häm sonst die für Sauerstoff praktisch nicht mögliche Oxidationsstufe –III annehmen würde. Durch die heterolytische Spaltung der peroxidischen Bindung werden die beiden vom Häm übertragenen Elektronen quasi auf die beiden Sauerstoff-Atome verteilt. Im Ergebnis werden die Sauerstoff-Atome somit jeweils um eine Oxidationsstufe reduziert, von –I nach –II. Das PGG2/PGH2-ständige Sauerstoff-Atom kann dann das Proton vom His 207 wieder übernehmen und es wird eine zweite Koordinationsbindung zwischen dem eisenständigen Sauerstoff-Atom und dem Fe(IV)-Zentrum ausgebildet.

Hinweis
Das Ergebnis dieser Reaktionsschritte ist Prostaglandin H2 (PGH2), das das Reaktionszentrum verlässt, und das oben beschriebene Häm-Produkt:
[O=Fe(IV)(Por • 3 –)] • – (Compound I).

Reduktive Regeneration des Häms

In Form der Compound I befindet sich das Häm zwei Oxidationsstufen über dem Ausgangszustand und weist ein entsprechend höheres Normalpotential auf. Bevor es ein weiteres PGG2-Molekül reduzieren kann, muss das Häm selbst durch Reduktion regeneriert werden. Für diese Reduktion ist kein spezifisches Reduktionsmittel erforderlich. Am häufigsten wird wohl Glutathion (GSH) als solches fungieren, weil es in fast allen Zellen in für biologische Systeme sehr hohen Konzentrationen von etwa 6 mM vorkommt.

Abb.4

GSH ist ein Einelektronen-Reduktionsmittel. Die Reduktion von Compound I erfolgt deswegen durch zwei GSH-Moleküle in zwei Schritten. Als Zwischenstufe wird die so genannte Compound II gebildet, die ebenfalls spektroskopisch nachweisbar ist. Dabei handelt es sich um die Häm-Verbindung [O=Fe(IV)(Por 4 –)] 2 –, die wie Compound I das Eisen als Oxoferryl(IV)-Zentrum enthält, das nun aber mit normalem nicht-radikalischen Porphyrin koordiniert ist.

Der Mechanismus der Reduktion mit GSH ist noch relativ ungeklärt. Offensichtlich werden aber durch die Übertragungen jeweils eines Elektrons radikalische GSH- oder GS-Zwischenstufen gebildet, die zu Glutathion-Disulfid GSSG rekombinieren. Die beiden Protonen der GSH-Moleküle werden auf das Oxoferryl-Sauerstoff-Atom transferiert, das das Häm als Wasser verlässt.

Abb.5

Peroxidase-Reaktion: Reduktive Regeneration des Häms.

Hinweis
Experimente mit der PGH2-Synthase (Cyclooxygenase), bei denen jedes Reduktionsmittel zuvor entfernt wurde, führten trotzdem zur Reduktion von Compound I zu Compound II, aber nicht bis zum Grundzustand zurück.

ESR-Spektren von diesem Compound II-Enzym-Komplex zeigten eine charakteristische Feinaufspaltung, die auf ein Tyrosyl-Radikal im Enzym hindeutete. Offenbar kann Compound I endogen durch einen Tyrosin-Rest des Enzyms reduziert werden. Dabei handelt es sich aller Wahrscheinlichkeit nach um Tyr 385, das auf diese Weise auch in vivo für den Start der Cyclooxygenase-Reaktion aktiviert wird. Da das Tyr 385-Radikal bei jedem Durchlauf der Cyclooxygenase-Reaktion wieder regeneriert wird, muss es nicht bei jedem Peroxidase-Reaktionscyclus neu gebildet werden. In den meisten Fällen dürfte die Reduktion von Compound I zu Compound II also durch GSH erfolgen.

Abb.6

Peroxidase-Reaktion: Alternative Reduktion von Compound I zu Compound II durch Tyr 385 und Aktivierung von Tyr 385 für den radikalischen Start der Cyclooxygenase-Reaktion.

Übung: Aspirin - POX-Mechanismus

Literatur

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