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Vitamin K

Biochemie des Vitamin K - Der Mechanismus der Glutamyl-Carboxylierung

Die Carboxylierung von proteinogenen Glutamyl-Einheiten wird durch die beiden mikrosomalen Enzyme γ-Glutamyl-Carboxylase und Vitamin K-2,3-Epoxidase katalysiert.

Die γ-Glutamyl-Carboxylase
Die γ-Glutamyl-Carboxylase (gGCX) ist ein aus 758 Aminosäuren bestehendes, integrales Membranprotein des rauen endoplasmatischen Retikulums (RER) und des Golgi-Apparates. Die Vorläufer-Proteine der Gerinnungsfaktoren werden noch während der Synthese (cotranslational) am RER in das ER1) hineingezogen, dabei wird die N-terminale Signalsequenz abgespalten und dann carboxyliert.

Die synthetische Arbeit der Enzyme erfordert die Anwesenheit der Hydrochinonform des Vitamin K (KH2) sowie von Sauerstoff und Kohlendioxid. Unter Einwirkung dieser Enzyme bindet das KH-Anion des Vitamin K-Hydrochinons zunächst das Sauerstoff-Molekül in Form eines Peroxyanions. Wahrscheinlich ist es diese starke Base, die unter Bildung des Vitamin K-2,3-Epoxids stereospezifisch den pro-S-Wasserstoff am C-4 der Glutaminsäure (Glu) eliminiert und so die CO2/HCO3-abhängige α-Carboxylierung einleitet. Die Phytyl-Seitenkette des Coenzyms Vitamin K dient bei diesem Prozess möglicherweise als "Anker" in einer hydrophoben Region der membranständigen Carboxylase.

Die Regeneration des Vitamin KH2 durch Reduktion des K-2,3-Epoxids (3) und des Vitamin K wird über die beiden, möglicherweise identischen Dithiol-abhängigen Enzymsysteme der Vitamin K-Epoxid-Reduktase und der Vitamin-K-Reduktase vollzogen. Die Stereoselektivität der Vitamin K-Epoxid-Reduktase begünstigt die Reduktion des (-)-Enantiomers. Als Zwischenstufe wurde das 2-Thio-3-hydroxy-Addukt nachgewiesen.

Abb.1
Vereinfachter Carboxylierungsmechanismus von Glutaminsäure-Resten über KH2

Übergangszustand der KH2-Epoxidierung

Die Aktivität der Vitamin-K-Reduktase kann jedoch auch von einer NAD(P)H+H+-abhängigen Chinon-Reduktase, dem Flavoprotein DT-Diaphorase übernommen werden. Antikoagulanzien des Cumarin-Typs (Dicumarol, Warfarin, Marcumar etc.) hemmen insbesondere die beiden Dithiol-abhängigen Reduktasen, jedoch nicht das NAD(P)H+H+-abhängige Enzymsystem. Eine auf diese Weise verursachte Unterbrechung der Blutgerinnungskaskade führt zur Ausbildung eines abnormen Acarboxy-Prothrombins, das nicht mehr zur Bindung von Calcium befähigt ist.

Conotoxine - die Gifte der Kegelschnecken

Vitamin K-abhängig carboxylierte Proteine kommen nur in Wirbeltieren vor, mit einer Ausnahme, den Conotoxinen. Diese aus nur wenigen Aminosäuren bestehenden Neurotoxine werden von Kegelschnecken (Conus spec.) produziert, die das lähmende Gift in ihre Beute injizieren. Die Vorläufer-Oligopeptide tragen wie das Precurser-Prothrombin ein konserviertes Motiv aus Glutaminsäure-Resten und werden Vitamin-K-abhängig zu den Ca2+- und Mg2+-komplexierenden Conotoxinen carboxyliert.

Das Kegelschneckengift Conantokin-G (Conotoxin GV, PDB-Code: 1onu)

Literatur

Furie, B.; Bouchard, B. A.; Furie, B. C. (1999): Vitamin K-Dependent Biosynthesis of γ-Carboxyglutamic Acid. In: Blood. 93 (No. 6) , 1798-1808
Titel des Artikels
Vitamin K-Dependent Biosynthesis of γ-Carboxyglutamic Acid
Abstract
The sole known biological role of vitamin K is as a cofactor for the vitamin K-dependent γ-glutamyl carboxylase in the synthesis of γ-carboxyglutamic acid. This enzyme has been purified to homogeneity and both its cDNA sequence and gene structure determined. The mechanism of action of vitamin K in the reaction catalyzed by this enzyme remains hypothetical.Protein precursors destined to undergo posttranslational γ-carboxylation contain a γ-carboxylation recognition site, often within the propeptide of a precursor protein, that binds to the γ-carboxylase. This recognition element assures conversion of glutamic acid to γ-carboxyglutamic acid on carboxylase substrates. γ-Carboxyglutamic acid is a calcium-binding amino acid and is required for the function of vitamin K-dependent proteins. The blood clotting and regulatory proteins require γ-carboxyglutamic acid for Ca2+-induced interaction with membrane surfaces.A common feature of vitamin K-dependent proteins is the formation of a network of protein carboxylate ligands bound to Ca2+. This network, first described in prothrombin, is defined by γ-carboxyglutamic acid and is associated with the stabilization of a unique conformer and the exposure of solvent-accessible hydrophobic amino acids that are available for membrane or protein interaction.
Dowd, P.; Ham, S. W.; Naganathan, S.; Hershline, R. (1995): The Mechanism of Action of Vitamin K. In: Annual Review of Nutrition. 15 , 419-440
Dowd, P.; Ham, S. W.; Geib, S. J. (1991): Mechanism of action of vitamin K. In: J. Am. Chem. Soc.. 113 , 7734-7743
Dowd, P.; Ham, S. W. (1991): Mechanism of Cyanide Inhibition of the Blood-Clotting, Vitamin K-Dependent Carboxylase. In: Proceed. Natl. Acad. Sci.. 88 , 10583-10585
Titel des Artikels
Mechanism of Cyanide Inhibition of the Blood-Clotting, Vitamin K-Dependent Carboxylase
Abstract
Cyanide is a competitive inhibitor of carbon dioxide in the vitamin K-dependent glutamate carboxylase system, which plays a central role in the function of the blood clotting cascade. The mechanism of cyanide inhibition has been obscure for some time. At pH 7.2, cyanide (pKa = 9.21) will exist in solution as hydrogen cyanide to the extent of 99 %. Hydrogen cyanide is a linear triatomic molecule able to serve as a surrogate for carbon dioxide at the enzyme active site. Hydrogen cyanide is an acid; it will quench the deprotonated glutamate carbanion precursor to γ-carboxyglutamate, resulting in inhibition of the carboxylation sequence.
1)ER: endoplasmatisches Retikulum
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