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2.4 - Aspirin - Cyclooxygenase

COX-1-Monomer - Struktur und Wechselwirkungen im Reaktionszentrum

Interaktiver 3D-Exkurs zum Cyclooxygenase-1-Monomer - Struktur und Wechselwirkungen im Cyclooxygenase-Reaktionszentrum

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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.

Nachdem das Arachidonat durch die membranbindende Domäne MBD (in rot) hindurch in das Cyclooxygenase-Reaktionszentrum gelangt ist, wird es dort in einer näherungsweise L-förmigen Konformation gebunden (Arachidonat in gelben Kalotten, Carboxylat-Sauerstoff-Atome in rot). Neben dem relativ zentral im COX-Monomer gelegenen Cyclooxygenase-Reaktionszentrum beinhaltet die katalytische Domäne (in blau) auch das Peroxidase-Reaktionszentrum. Dieses befindet sich an der Peripherie des COX-Monomers in einer seichten Spalte an der Schnittstelle zwischen dem kleinen und dem großen Lappen der katalytischen Domäne, in der auch die Häm-Gruppe (grüne Sticks; gelbes Eisen(III)-Ion) eingebettet ist.

Das COX-Reaktionszentrum

Die Bindung des Arachidonats im Cyclooxygenase-Reaktionszentrum erfolgt dem überwiegend unpolaren Charakter des Arachidonats entsprechend in erster Linie durch hydrophobe Wechselwirkungen mit den Aminosäuren des aktiven Zentrums. Nur die Carboxylat-Gruppe des Arachidonats tritt in ausgeprägte polare Wechselwirkungen mit Aminosäuren in der Nähe des Eingangs des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums.

Zur besseren Übersicht werden nun die im weiteren Verlauf der Betrachtungen unwesentlichen Strukturbestandteile der COX ausgeblendet und die Aminosäuren des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums als Sticks eingeblendet: ausführen.

Die polaren Wechselwirkungen der Carboxylat-Gruppe des Arachidonats bestehen in einer Wasserstoff-Brückenbindung zur phenolischen Hydroxy-Gruppe von Tyr 355 und einer edge-on-Salzbrücke zur Guanidinium-Gruppe von Arg 120. Tyr 355 und Arg 120 befinden sich im Anschluss an die MBD am Eingang zum Cyclooxygenase-Reaktionszentrum. Daneben wird das Arachidonat nur durch hydrophobe Wechselwirkungen in der COX gebunden. Insgesamt 47 hydrophobe Kontakte bis 0.4 nm Abstand zwischen dem Arachidonat und der COX wurden ermittelt.

Zwischen C7 und C14 schlängelt sich das Archidonat S-förmig um die Seitenkette von Ser 530 (C7 bis C14 in violett, Seitenkette von Ser 530 in cyan). Der eigentliche katalytische Bereich des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums umgibt die Arachidonat-C-Atome C8 bis C13 (C8 bis C13 in weiß, die Umgebung in cyan). In diesem Abschnitt finden sämtliche chemische Reaktionen am Arachidonat auf dem Weg zum PGG2 statt.

Das ω-Ende des Arachidonats von C14 bis C20 liegt entlang den Helices 6 (Aminosäuren 325-353) und 17 (Aminosäuren 520-535) in einem langgestreckten Käfig mit einem ausgeprägten hydrophoben Charakter (C14 bis C20 in weiß, die Käfig-Aminosäuren in cyan).

Günstige Voraussetzungen für die Reaktion zum PGG2

C13 (violett) des Arachidonats befindet sich in direkter Nachbarschaft zum phenolischen Sauerstoff-Atom (rote Kalotte) von Tyr 385 (cyan) und ist dabei so orientiert, dass das proS-13-H-Atom (weiße Kalotte) abstrahiert werden kann: anzeigen. Dies ist der erste Reaktionsschritt des Arachidonats in der Cyclooxygenase-Reaktion.

C11 liegt direkt neben einer kleinen Tasche, die das Sauerstoff-Molekül aufnehmen kann, das durch den Angriff auf C11 die Bildung des Endoperoxids einleitet.

Eine weitere, vom Arachidonat zunächst nicht ausgefüllte Tasche wird von den Aminosäuren Phe 381, Leu 384, Trp 387, Phe 518 und Met 522 gebildet (diese Aminosäuren in grünblau mit Dots, die übrigen Aminosäuren der Bindetasche in Elementfarben). Diese ist vermutlich erforderlich, um genügend Raum für die konformativen Änderungen des Arachidonats bei der Bildung des Endoperoxid-Cyclopentan-Systems des PGG2 zur Verfügung zu haben.

Hier nochmal die letzte Ansicht in einer COX-Gesamtübersicht (ohne Dots und das Arachidonat in Kalotten).

Und abschließend dieselbe Gesamtübersicht mit dem Arachidonat und den Aminosäuren des Cyclooxygenase-Reaktionszentrums in Kalotten.

Literatur

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
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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