Metalloenzyme im Nervensystem
Ein Drittel aller bekannten Reaktionen bei Enzymkatalysen beruht auf Metallen, die entweder als Cofaktor fungieren oder Bestandteil des Enzymmoleküls sind. Bei Metallen wie Eisen, Kupfer, Zink und Magnesium findet ein Elektronentransfer statt, auch katalysieren diese Metalle viele wichtige Reaktionen. Die EU-finanzierte Marie-Curie-Maßnahme "An integrated computational and spectroscopic investigation of the enzyme mechanism of tryptophan hydroxylase" (ICSTH) widmete sich nun diesen Metalloenzymen. Während des Projekts verlagerte sich der Schwerpunkt vom Enzym Tryptophan-Hydroxylase, das an der Synthese von Serotonin beteiligt ist, auf zweikernige Kupferenzyme. PAM (Peptidylglycin α-hydroxylierende Monooxygenase) und DβM (Dopamin-β-Monooxygenase) katalysieren die Hydroxylierung von Substraten, die für neurologische Funktionen wichtig sind. Zwar wird die Katalyse sowohl von PAM als auch DβM durch Kupferreduktion und Sauerstoffaktivierung initiiert, wenig ist jedoch über den Mechanismus dieser Reaktionen bekannt. Ziel des Projekts war also, die Mechanismen der Sauerstoffaktivierung, Wasserstoffabstraktion, Wasserbindung und direkten Hydroxylierungsreaktionen zu erforschen, die durch PAM und DβM katalysiert werden. Wegen der Komplexität der Kupfer-katalytischen Zentren wurden modernste computergestützte chemische und spektroskopische Methoden eingesetzt. Um die Elektronenstruktur des ursprünglichen Enzymkomplexes zu definieren, wurden der Oxidationszustand von Kupfer und die chemische Struktur des Sauerstoffaddukts analysiert. Untersuchungen des Hydroxylierungsmechanismus gaben Aufschluss über die Reaktionswege, detaillierte Übergangszustände und mögliche Reaktionszwischenstufen der einzelnen Schritte. Mittels kombinierter Modelle der Quantenmechanik, Molekülmechanik und Moleküldynamik wurden die Effekte mehrerer Mutationen untersucht, was wiederum zeigte, wie sich Konformationsänderungen auf den Reaktionsmechanismus auswirken. Die Ergebnisse von ICSTH erweitern den Kenntnisstand über wesentliche Schritte der Hydroxylierung bei ungekoppelten Di-Kupfer-Enzymen, was für modernste Anwendungen beim Wirkstoffdesign, Protein-Engineering und in der Biotechnologie von Bedeutung ist.
Schlüsselbegriffe
Metalloenzym,, Kupfer, PAM, DβM, Hydroxylierung
