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2.1 - 2.5 - Aspirin (gesamt)

COX-Mechanismus - Die Cyclooxygenase-Reaktion

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Alternativ kann die Animationssequenz als Film betrachtet werden (vgl. Punkt 1. -20.).

Interaktiver 3D-Exkurs zum COX-Mechanismus - Die Cyclooxygenase-Reaktion

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Abb.1
COX-Mechanismus
Hinweis
Der im Folgenden detailliert beschriebene Mechanismus der Cyclooxygenase-Reaktion ist als Modell zu verstehen, das aus einer Vielzahl von Einzelforschungsergebnissen zusammengesetzt worden ist. Es handelt sich um den zur Zeit wahrscheinlichsten Mechanismus der Cyclooxygenase-Reaktion, dessen Einzelschritte aber nicht alle direkt experimentell belegt, sondern zum Teil nur indirekte Folgerungen sind. Für die Erstellung dieses 3D-Exkurses sind Informationen aus einer kleinen aber gezielten Auswahl von Originalartikeln kombiniert worden.

Die Startdarstellung (Abb. 1) zeigt das Arachidonat (gelb), von den Aminosäuren des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums der PGH2-Synthase umgeben, und die Häm-Gruppe. Die Aminosäure Tyr 385 (cyan) ist bereits durch die Übertragung eines Elektrons auf das Porphyrinsystem der Häm-Gruppe zum Tyrosyl-Radikal oxidiert worden (das radikalische ungepaarte Elektron als gelbe Kugel). Damit ist es für die Aufnahme eines H-Atoms (!) vom Arachidonat, dem Start der eigentlichen Cyclooxygenase-Reaktion, aktiviert.

1.    Zum Einstieg in den Mechanismus der Cyclooxygenase-Reaktion geht es hier zunächst zu einer größeren Darstellung mit elementspezifischen Farben.

2.    Das Tyrosyl-385-O-Radikal besitzt vermulich genügend konformative Freiheit innerhalb der PGH2-Synthase, um zwischen dem Porphyrinsystem und dem Arachidonat hin- und herzuschwenken. So kann es sowohl für die Elektronenübertragung auf das Porphyrinsystem als auch für die Abstraktion des H-Atoms vom Arachidonat optimale Positionen einnehmen. Nach der Aktivierung durch das Porphyrinsystem schwenkt das Tyr 385-O-Radikal nun also zum Arachidonat.

Dieser Schritt ist bisher als Spekulation zu betrachten. Es ist auch denkbar, dass Tyr 385 in der hier gezeigten Endposition nahe des Arachidonats besonders fixiert ist. In dieser Position könnte Tyr 385 für eine Elektronenübertragung auch zum relativ weit entfernten Häm günstig ausgerichtet sein und eine auf die Erfordernisse der Gesamtreaktion der PGH2-Synthase optimal abgestimmte Geschwindigkeitskonstante für die Elektronenübertragung erreicht werden (vgl. Marcus-Theorie).

3.    Zur besseren Übersicht werden die meisten der unbeteiligten Aminosäuren ausgeblendet.

4.    Das Tyrosyl 385-O-Radikal befindet sich schließlich in unmittelbarer Nähe des proS-13-H-Atoms des Arachidonats, das nun als H-Atom (!) nach einem homolytischen Bindungsbruch auf das Tyrosyl-O-Radikal übertragen wird. Dadurch wird an C13 des Arachidonats ein Radikal (ungepaartes Elektron) generiert, während das Radikal am Tyrosyl-Rest durch Rekombination mit dem H-Atom (!) abgesättigt wird.

Abb.2

Für die spätere Stereochemie des Produktes spielt es keine Rolle, welches der beiden 13-H-Atome des Arachidonats abstrahiert wird, weil es schließlich zur Ausbildung einer Doppelbindung zwischen C13 und C14 kommt. Deren Stereochemie wird aber durch andere Faktoren bestimmt (s.u.).

5.    Durch die beiden benachbarten Doppelbindungen in den Positionen 11 und 14 ist das ungepaarte radikalische Elektron über die C-Atome 11 bis 15 delokalisiert. Die höchste Elektronendichte besteht dabei an den C-Atomen 11, 13 und 15 (etwas größere gelbe Kugeln), die Elektronendichte an den C-Atomen 12 und 14 ist dagegen relativ gering (kleinere grüne Kugeln). Ein Angriff durch ein anderes Radikal findet daher bevorzugt an den C-Atomen 11, 13 oder 15 statt. Beim Angriff auf C12 oder C14 würde außerdem ein energetisch äußerst ungünstiges Diradikal entstehen.

Abb.3

6.    Der nächste Schritt der Cyclooxygenase-Reaktion ist die Addition eines Sauerstoff-Moleküls an das C11-Radikal des Arachidonats. Da das Sauerstoff-Molekül in seiner stabilen Form ein Diradikal ist, handelt es sich dabei um eine Radikalrekombination unter Ausbildung einer kovalenten Bindung. Das Sauerstoff-Molekül (rot mit zwei ungepaarten Elektronen als gelbe Kugeln) erreicht das Arachidonat von einer kleinen Seitentasche des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums, die aus den Aminosäuren Val 349, Ala 527, Ser 530 und Leu 531 (in cyan) gebildet wird. Die Seitentasche für das Sauerstoff-Molekül liegt so bezüglich des Arachidonats, dass die C-Atome 13 und 15 sterisch abgeschirmt sind. Deswegen erfolgt die Sauerstoff-Addition an C11.

Abb.4

7.    Die radikalische Addition des Sauerstoff-Moleküls an C11 kann schließlich aufgrund der räumlichen Anordnung von Arachidonat und Sauerstoff-Seitentasche nur von einer bestimmten Seite erfolgen. Aus diesem Grunde weist C11 des Produktes PGG2 mit hoher Stereoselektivität S-Konfiguration auf. Zunächst zeigt es aber wegen der Doppelbindung am benachbarten C12, die im Produkt PGG2 dort nicht mehr vorhanden ist, noch R-Konfiguration.

8.    Da das Sauerstoff-Molekül ein Diradikal darstellt, besitzt es nach der Addition immer noch ein ungepaartes Elektron. Es entsteht also ein 11R-Peroxyl-Radikal. Dieses kann prinzipiell eine der verbliebenen Doppelbindungen des Arachidonats angreifen. Dabei würde durch den intramolekularen Angriff ein Bioxacyclus (ein Endoperoxid) und ein neues Radikal gebildet. Damit eine solche Cyclisierung stattfinden kann, ist zuerst eine mehr oder weniger große Konformationsänderung erforderlich, um das Peroxyl-Radikal einer der Doppelbindungen genügend anzunähern. Die enzymatische Umgebung des Arachidonats lässt aber nur ganz bestimmte Konformationen des Arachidonats zu. Das 11R-Peroxyl-Radikal schwingt über C8 hinweg.

9.    Damit gelangt das 11R-Peroxyl-Radikal in eine Position für einen diastereotopen Angriff auf die pro-R-Seite von C9 (Re-Angriff), ist aber noch zu weit von diesem entfernt.

10.    Die im nächsten Schritt folgende Konformationsänderung des Arachidonats verursacht eine räumliche Verschiebung von Teilen des Arachidonats im Cycloxygenase-Reaktionszentrum und einen zusätzlichen Raumbedarf durch den Molekülteil, der im PGG2 später den Bicyclus bildet. Dieser Raum wird durch eine zuvor leere Seitentasche bereitgestellt, die aus den Aminosäuren Phe 381, Leu 384, Trp 387, Phe 518 und Met 522 (cyan mit Dots) geformt wird.

11.    Bei der nun folgenden Konformationsänderung nimmt die genannte Seitentasche die späteren Teile des Bicyclus auf. Außerdem wird das distale Ende des Arachidonats in Richtung Eingang des Reaktionszentrums verschoben. Dabei werden C8 und C12 (als blaue Kugeln dargestellt) in die für die noch folgende Carbocyclisierung erforderliche Nähe gebracht. Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, dass C15 (als grüne Kugel dargestellt) in Richtung der Sauerstoff-Seitentasche verlagert wird (s.u.). Hier nun die Konformationsänderung.

12.    In der so erhaltenen Konformation des oxygenierten Arachidonats befindet sich das 11R-Peroxyl-Radikal in einer optimalen Position für einen Angriff auf die pro-R-Seite von C9. Weiterhin sind die C-Atome 8 und 12 (blaue Kugeln) jetzt so nahe zusammengerückt worden, dass sie später durch eine kovalente Bindung verknüpft werden können. Durch die erheblichen Restriktionen der enzymatischen Umgebung auf die konformativen Freiheiten des Arachidonats ist keine Konformation möglich, in der das Peroxyl-Radikal ein anderes C-Atom oder C9 von der pro-S-Seite angreift (Si-Angriff). Auch die spätere kovalente Verknüpfung von C8 und C12 kann deswegen nur in einer bestimmten stereochemischen Weise erfolgen. Zusammen mit der ersten und der noch folgenden zweiten Sauerstoff-Addition ist die Cyclooxygenase-Reaktion ein schönes Beispiel für die hohe Stereo- und Regioselektivität von enzymatischen Reaktionen. In diesem Fall werden fünf neue asymmetrisch substituierte sp3-Zentren gebildet. Von den 25 = 32 möglichen Stereoisomeren wird aufgrund der chiralen enzymatischen Wechselwirkungen praktisch nur eines produziert. Zusätzlich wird die Stereochemie der Doppelbindung, die weiter unten noch zwischen C13 und C14 ausgebildet wird, durch die festgelegte Konformation des Substrats in Richtung trans gesteuert.

13.    Der Angriffs des Peroxyl-Radikals auf die R-Seite von C9 führt zur Ausbildung einer kovalenten Peroxo-Brücke zwischen C9 und C11 sowie zum Aufbruch der Doppelbindung zwischen C8 und C9 unter Generation eines Radikals an C8: Aktion ausführen.

Abb.5

14.    Im Folgenden kommt es zur Bildung eines Cyclopentan-Ringes durch Angriff des C8-Radikals auf C12 unter Aufbruch des π-Anteils der Doppelbindung zwischen C12 und C13 und der Ausbildung eines Radikals an C13: Aktion ausführen.

Abb.6

15.    Das radikalische Elektron an C13 ist wegen der benachbarten Doppelbindung über die C-Atome C13 bis C15 delokalisiert. Die größeren Elektronendichten befinden sich an den C-Atomen 13 und 15, die geringere Elektronendichte an C14. Der Angriff eines Radikals wird also prinzipiell bevorzugt auf C13 oder C15 stattfinden.

Abb.7

16.    Inzwischen ist ein zweites Sauerstoff-Molekül in die Sauerstoff-Tasche diffundiert. Nach der Konformationsänderung des Substrats ist nun aber C15 in eine optimale Position für den Sauerstoff-Angriff gelangt.

17.    Die Addition des zweiten Sauerstoff-Moleküls (aus der gleichen Tasche heraus wie das erste Sauerstoff-Molekül) erfolgt nun also durch Radikalrekombination an C15 und nicht an C13. Die Addition kann aufgrund der räumlichen Lage von Substrat und Sauerstoff-Tasche nur von der 15S-Seite erfolgen.

Abb.8

18.    Das 15S-Peroxyl-Radikal ist drehbar und dreht sich in Richtung Tyr 385.

19.    Das ursprünglich auf das Tyr 385-O-Radikal übertragene H-Atom wird nun auf das 15S-Peroxyl-Radikal zurückübertragen, wobei das Tyr 385-O-Radikal zurückgebildet wird.

Abb.9

20.    Das Ergebnis der Cyclooxygenase-Reaktion ist PGG2.

Abb.10

1. - 20.    Zum Abschluss können Sie den gesamten Mechanismus der Cyclooxygenase-Reaktion nochmal ohne Unterbrechung in einem Durchlauf betrachten (etwa 90 sec, keine Unterbrechung möglich).

1. - 20.    Hier können Sie den gesamten Mechanismus der Cyclooxygenase-Reaktion nochmal ohne Unterbrechung in einem Durchlauf in einer etwas gekürzten Fassung aber mit allen mechanistisch relevanten Schritten betrachten (etwa 65 sec, keine Unterbrechung möglich).

Literatur

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Shimokawa, T.; Kulmacz, R. J.; DeWitt, D. L.; Smith, W. L. (1990): Tyrosine 385 of Prostaglandin Endoperoxide Synthase Is Required for Cyclooxygenase Catalysis. In: J. Biol. Chem. 265 , 10073-10076
Smith, W. L.; Marnett, L. J. (1991): Prostaglandin endoperoxide synthase: structure and catalysis. In: Biochim. Biophys. Acta. 1083 , 1-17
Renger, G. (1999): Photosysteme und Reaktionszentren. In: Photosynthese. D. Häder P. (Hrsg.). Georg Thieme Verlag
Kiefer, J. R.; Pawlitz, J. L.; Moreland, K. T.; Stegeman, R. A.; Hood, W. F.; Gierse, J. K.; Stevens, A. M.; Goodwin, D. C.; Rowlinson, S. W.; Marnett, L. J.; Stallings, W. C.; Kurumbail, R. G. (2000): Structural insights into the stereochemistry of the cyclooxygenase reaction. In: Nature. 405 , 97-101
Malkowski, M. G.; Ginell, S. L.; Smith, W. L.; Garavito, R. M. (2000): The Productive Conformation of Arachidonic Acid Bound to Prostaglandin Synthase. In: Science. 289 , 1933-1937
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