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2.4 - Aspirin - Cyclooxygenase

Cyclooxygenase-1-Monomer - Strukturbeschreibung

Interaktiver 3D-Exkurs zum Cyclooxygenase-1-Monomer - Ausführliche, allgemeine Strukturbeschreibung

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Abb.1
Der PDB-Datensatz für dieses 3D-Molekül stammt aus der RCSB Protein Data Bank ; ID: 1DIY. Berman, H.M., Westbrook, J., Feng, Z., Gilliland, G., Bhat, T.N., Weissig, H., Shindyalov, I.N., Bourne, P.E. (2000) The Protein Data Bank, Nucleic Acids Research 28, 235–242.

Die folgende Strukturbeschreibung umfasst die Aminosäuren 33 bis 586 des Cyclooxygenase-1-Monomers (nach D. Picot, P. J. Loll und R. M. Garavito. Für die Aminosäuren 25 bis 32 und 587 bis 600 ergab die Röntgenstrukturanalyse keine interpretierbaren Messdaten. Die Aminosäuren 1 bis 24 stellen eine Signalsequenz dar, die im ausgereiften Enzym nicht mehr enthalten ist. Abzüglich dieser Signalsequenz ist das Cyclooxygenase-1-Monomer demnach aus 576 Aminosäuren aufgebaut.

Betrachten Sie das Cyclooxygenase-1-Monomer zunächst in der übersichtlicheren Bändermodell-Darstellung.

Das EGF-ähnliche Modul

Die Aminosäuren 33 bis 72 bilden ein kleines Modul (hier in orange), das strukturell vor allem bezüglich der Gesamtkonformation dem Epidermis-Wachstumsfaktor (Epidermal Growth Factor, EGF) ähnelt. Solche EGF-ähnlichen Module kommen in vielen extrazellulären Proteinen vor, ohne dass ihre Funktion bisher genau bekannt ist. Dieses Modul enthält keine helicalen Abschnitte, aber zwei kurze zweisträngige β-Faltblattstrukturen. Die erste wird aus den Aminosäure-Abschnitten 46 bis 50 und 54 bis 58 (hier in magenta) und die zweite aus den Abschnitten 64 bis 65 und 71 bis 72 (hier in weiß) gebildet.

Durch die drei Disulfid-Brücken zwischen den Aminosäuren Cys 36 und Cys 47, Cys 41 und Cys 57 sowie Cys 59 und Cys 69 (die Schwefel-Atome als Kalotten) wird die Tertiärstruktur des EGF-ähnlichen Moduls stabilisiert. Eine vierte Disulfid-Brücke zwischen Cys 37 und Cys 159 (mehrmals aufblinkend) legt das Modul in seiner Position bezüglich der katalytischen Domäne fest.

Zurück zu einer übersichtlicheren Darstellung ohne Disulfid-Brücken.

Die membranbindende Domäne - MBD

Die Cyclooxygenase ist ein integrales Membranprotein. Zur Verankerung in der Lipiddoppelschicht-Membran dient eine kleine amphipathische Domäne, die MBD. In der Aminosäure-Sequenz der COX schließt sich die MBD direkt an das EGF-ähnliche Modul an und umfasst die Aminosäuren 73 bis 116. Dieser Abschnitt beinhaltet die vier Helices A (74 bis 82) (dreimal aufblinkend), B (86 bis 92) (dreimal aufblinkend), C (97 bis 105) (dreimal aufblinkend) und einen Teil der Helix D (108 bis 122) (dreimal aufblinkend).

Die durch die Helixachsen von A und C definierte Ebene (A und C vorübergehend in gelb) liegt vermutlich in etwa parallel zur Membranoberfläche. Alle Helixabschnitte der MBD sind streng amphipathisch. Die hydrophoben Aminosäure-Seitenketten (in weißen Sticks) befinden sich auf der vom Zentrum der COX abgewandten Seite der durch die Helices A und C bestimmten Ebene, während die hydrophilen Seitenketten (zusätzlich in blauen Sticks) in Richtung COX-Zentrum weisen. Ragt die MBD mit den hydrophoben Seitenketten voran in die Membran hinein, so kommt es zu anziehenden Wechselwirkungen zwischen den jeweils hydrophoben und hydrophilen Bestandteilen der MBD und denen der ebenfalls amphipathischen Lipide der Membran.

Dabei ist aufgrund der räumlichen Ausmaße der MBD anzunehmen, dass nur eine Schicht der Lipiddoppelschicht-Membran von der MBD durchdrungen wird.

Zurück zur Darstellung ohne Sticks.

Die Helix D bildet die Überleitung der Peptidkette von der MBD in die große katalytische Domäne (der zur katalytischen Domäne zählende Teil von D in blau).

Die katalytische Domäne

Der umfangreichste Teil des Enzyms wird von der großen, globulären, katalytischen Domäne (hier in blau) gebildet, die die Aminosäuren 117 bis 586 umfasst. Picot, Loll und Garavito unterteilen die katalytische Domäne formal in zwei getrennte, wenn auch teilweise verflochtene Lappen, einen kleinen und einen großen. Der große Lappen besteht aus den Helices H5 und H6 (in grün), die die Helix H2 (auch in grün, kurz blinkend) pinzettenartig greifen sowie den Helices H3, H10, H18 und H19 (in gelb), die die pinzettenartige Anordnung von H5, H6 und H2 umgeben. Der kleine Lappen wird von den sechs annähernd parallel zueinander liegenden Helices H1, H8, H12, H14, H15 und H16 gebildet (in cyan).

Hier nochmal die gleiche Darstellung, in der zur besseren Übersicht von der katalytischen Domäne nur die oben genannten Helices ohne die dazwischenliegenden Loops gezeigt sind.

(Die Nummerierung der Helices beruht auf einem Vergleich mit dem Enzym Hunde-Myeloperoxidase (MPO). Mit Buchstaben bezeichnete Helices besitzen kein Äquivalent in der MPO. Die Helices H4 und H7 der MPO kommen in der COX nicht vor, so dass in der COX Lücken in der Helix-Nummerierung auftreten.)

Die katalytische Domäne enthält die aktiven Zentren für die Cyclooxygenase- und die Peroxidase-Aktivität. Während das Cyclooxygenase-Reaktionszentrum relativ zentral im COX-1-Monomer liegt (hier durch das in gelben Sticks mit Dots dargestellte Substrat Arachidonat hervorgehoben), befindet sich das Peroxidase-Reaktionszentrum an der Peripherie in einer seichten Spalte an der Schnittstelle zwischen dem kleinen und dem großen Lappen der katalytischen Domäne (s.u.).

Das Häm

Das Häm (Fe(III)-Protoporphyrin IX) ist an der Seite des kleinen Lappen in dieser seichten Spalte im Peroxidase-Reaktionszentrum lokalisiert. Zur besseren Übersicht die gleiche Darstellung nochmal ohne Loops in der katalytischen Domäne.

Als prosthetische Gruppe spielt das Häm eine wichtige mechanistische Rolle als Redox- und Koordinationspartner für das Substrat PGG2 (oder auch andere Hydro-Peroxide) in der Peroxidase-Reaktion. Aber auch an der Cyclooxygenase-Reaktion ist es mechanistisch maßgeblich beteiligt. Die räumliche Trennung zwischen dem Häm und dem Cyclooxygenase-Reaktionszentrum wird dabei durch die Aminosäure Tyr 385 (in violett) in mechanistischer Hinsicht überbrückt, da diese direkt an der Reaktion teilnimmt. Die Loops der katalytischen Domäne wieder anzeigen.

Das Häm liegt in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Helices H12 (Leu 445 bis Val 457), H8 (Met 379 bis Tyr 385) und den auf H8 folgenden Aminosäuren bis Leu 390 des kleinen Lappens (diese Strukturelemente in violett, wieder ohne Loops der katalytischen Domäne). Dabei deutet der relativ geringe Abstand von 2.16 Å zwischen einem His 388-Stickstoff-Atom und dem Fe(III)-Ion des Häms auf eine feste Koordination hin, die erheblich zur Bindung des Häms an das Enzym beiträgt. Auf der anderen Seite der Häm-Ebene ragen die Seitenketten der Aminosäuren Gln 203 und His 207 aus H2 des großen Lappens in den freien Raum des Peroxidase-Reaktionszentrums und nähern sich dem Fe(III)-Ion nur auf 4.16 bzw. 4.97 Å. Zumindest im Kristall bei etwa 277 K (Messbedingungen der Röntgenstrukturanalyse) ist also keine feste Koordination des Häms an den großen Lappen der katalytischen Domäne anzunehmen.

Zum Schluss nochmal zu einer Gesamtdarstellung des COX-1-Monomers mit den wichtigsten Strukturelementen.

Und schließlich die vollständige Schlussdarstellung inklusive der Loops der katalytischen Domäne.

Literatur

Picot, D.; Loll, P. J.; Garavito, R. M. (1994): The X-ray crystal structure of the membrane protein prostaglandin H2 synthase-1. In: Nature. 367 , 243-249
Berman, H. M.; Westbrook, J.; Feng, Z.; Gilliland, G.; Bhat, T. N.; Weissig, H.; Shindyalov, I. N.; Bourne, P. E. (2000): The Protein Data Bank. In: Nucleic Acids Research. 28 , 235-242
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