ZinkhaltigeEnzyme spieleneine wihtige Rollebeider Spaltung vonPeptid-sowie
Phos-phatbindungen. So nden sih eine Vielzahl von Enzymen im Bereih des
Informations-transports mittels Proteinen in Zellen und bei Vorgängen rund um die DNA und RNA
wieder. Zinkhaltige Enzyme spielen jedoh auh eine Rolle bei weiteren Vorgängen wie
der Hydrolyse von CO
2
oder der Oxidation vonAlkoholen zu Aldehyden und Ketonen.
[3℄
1.1.1 Carboxypeptidase A
Carboxypeptidase A (CPA) ist in der Lage, Polypeptide ausgehend vom C-terminalen
Ende zu spalten. CPA war eines der ersten Metalloproteine, von dem detaillierte
Kri-stallstrukturen gewonnen werden konnten.
[4℄
Das Enzym katalysiert spezish die
Ab-spaltung aller Aminosäuren auÿer Arginin, Lysin und Prolin.
[4℄
Das aktive Zentrum des
Enzyms besteht aus einem Zink(II)-Kern, welher vonzweiHistidinen (His
69 , His
196 ),
ei-ner Glutaminsäure (Glu
72
) und einem Wassermolekül (HOH
571
) tetraedrish koordiniert
wird.
Shema 1.1: ReaktionsmehanismusvonCPA.
Im ersten Shritt erfolgteine Protonenübertragung des amaktiven Zentrum
koordinier-ten Wassermoleküls auf Glu
270
. Die so gebildete Hydroxy-Spezies reagiert mit der
Car-bonylgruppe des Substrats. Im abshlieÿenden zweiten Shritt erfolgt die Übertragung
des ProtonsvonGlu
270
zurAmidgruppedesIntermediats.HierbeierfolgtdieSpaltungzu
den beiden Endprodukten.
1.1.2 Thermolysin (THL)
Thermolysin isteinzinkhaltigesEnzymaus der Familieder Endopeptidasen.
[5 7℄
Es
spal-tet spezishdie Peptidbindungnahhydrophoben Aminosäuren (z.B.Isoleuin, Leuin,
Phenylalanin).
[5℄
Das Protein ist ungewöhnlih stabil gegenüber thermishen Einüssen.
Bei 80°C besitzt es noh über die Hälfte seiner Aktivität, während bei 65°C noh keine
Inaktivierungerfolgt.
[5℄
VerantwortlihfürdieseStabilitätsindvierCaliumatome,dieim
Enzym eingebaut sind.
[5,6,8℄
Die Struktur vonThermolysin konnteerstmals 1972bestimmtwerden.
[5℄
Es folgtennoh
einige genauere Untersuhungen, so daÿ eine Vielzahlvonröntgenographishen Analysen
vorliegt.
[5,8,9℄
Das aktive Zentrum besteht aus einem Zink(II)-Kern, welher von 2
Histi-dinresten (His
142
und His
146
), einem Glutamat(Glu
143
) sowie zwei Wassermolekülen
ko-ordiniertwird.
[9℄
InälterenVeröentlihungen [5℄
wurdenureinWassermolekülamMetall
gefunden, wasaufuntershiedlihe pH-Werteder Puerlösungenbeider Kristallzühtung
zurükzuführen ist.
[6℄
Der Reaktionsmehanismuskonnte 1987geklärt werden.
[9℄
N
-Shema 1.2: Reaktionsmehanismus vonTHL.
AnalogzurReaktionvonCPA polarisiertdasaktiveZentrumdas koordinierteW
assermo-lekül. Mit zusätzliher Hilfe vonGlu
143
ndet eine Protonenübertragung auf die
Amino-säurestatt. DiesogebildeteGlutaminsäurefungiertanshlieÿendalsBaseundprotoniert
die Amidbindungdes Peptids. Im letzten Shritt ndet dann dieSpaltung der
Amidbin-dung statt, und es bildensih diebeiden Endprodukte.
1.1.3 Leukotrien A
4
Hydrolase (LTA4H)
Leukotrien A
4
Hydrolase (LTA4H) katalysiert die Hydrolyse von Leukotrien A
4 (LTA
4 )
zu Leukotrien B
4 (LTB
4
). LTB
4
bewirkt im menshlihen Körper die Aggregation von
Leuoyten, die Freisetzung oxidierender Enzyme und die Erzeugung von
Superoxid-Radikalen.
[1012℄
Diese wirken entzündungsfördernd und gewebezerstörend. Aus diesem
Grund spielen Leukotriene bei Entzündungen, der Immunabwehr und bei
Shokzustän-den eine Shlüsselrolle. Neuere Therapieansätze bei entzündlihen Erkrankungen zielen
daher auf die Hemmung der Leukotrien-Biosynthese. Die Aufklärung der
Reaktionsme-hanismen bei der Bildung der Leukotriene steht dabei im Mittelpunkt intensiver F
or-shung, da man sih hieraus auh Erfolge bei der Therapie hronisher Erkrankungen
wie Asthma oder Rheumaverspriht.1994 konnteeine ersteKristallstrukturdes Enzyms
aufgenommen werden, [13℄
die endgültigeStrukturaufklärung erfolgte 2001.
[10℄
Shema 1.3: Postulierter Reaktionsmehanismus für die Umsetzung von LTA
4
Folgender Reaktionsmehanismus wurde postuliert.
[10℄
Das aktive Zentrum fungiert als
shwahe Lewis-Säure und katalysiert die Spaltung des Epoxids in LTA
4
. Hierbei wird
zwishen C
6
und C
12
ein delokalisiertes
π
-Elektronensystem gebildet, welhes einen nu-kleophilen Angri in diesem Bereih ermögliht. Asp375
polarisiert ein Wassermolekül,
und eserfolgtdiestereospezishe InsertioneinerHydroxy-GruppeamC
12
unterBildung
vonLTB
4 .
1.1.4 Neurotoxine von Bakterien der Gattung Clostridium
Clostridiumbotulinum gehörtzurGattungClostridiumundführtimmenshlihenKörper
zuBotulismus.
[15℄
DieGiftwirkungberuhtaufderBildungderBotulinustoxineA-G.Diese
untersheiden sih in den Angristellen im Ablaufsshema der Aetylholinbildung, [16℄
bewirken aberinallenFällendieselbenSymptome.DieFreisetzungdesNeurotransmitters
Aetylholinwird gehemmt,eskommtzur Ershlaung undLähmungderMuskulatur.
[15℄
Bei den Botulinustoxinen handeltessihum diestärksten bekannten Gifte.
[15,17,18℄
Etwa
10
µ
g oral verabreiht sind für einen Erwahsenen tödlih. Aus diesem Grund wurdenAerosolemitBotulinustoxinenshoninmindestensdreiFällenzuterroristishenZweken
zumEinsatzgebraht.
[16℄
DieStrukturdesNeurotoxinsvomTypBkonnte2000aufgeklärt
werden.
[17,19,20℄
Es handeltsih dabei um eine Endopeptidase, welhe neuronale Proteine
spaltet und so in die Aetylholinbildung eingreift. Der genaue Reaktionsmehanismus
ist noh ungeklärt, es wird jedoh der in Shema 1.4 beshriebene Verlauf postuliert.
[20℄
Glu
230
polarisiert das am aktiven Zentrum koordinierte Wassermolekül und ermögliht
so einen nukleophilen Angrian der Carbonylbindungdes Substrats. Im zweiten Shritt
erfolgt dann die Übertragung des zweiten Protons und Spaltung der N-C-Bindung. Es
bilden sih hierbei diebeiden Endprodukte.
N O
N N
Ph O
O Zn O
-O Glu 230
H H
O OH N
N N
Arg 369 Tyr 372
N O
N N
Ph O O
Zn H
O O N
N N
Arg 369 Tyr 372
H
N O
N N
Ph O O
Zn O
OH N
N N
Arg 369 Tyr 372
H
H
H
Shema 1.4: Postulierter Reaktionsmehanismusfür dieUmsetzung vonSynaptobrevin
durh Botulinustoxin.
[14℄
Ein engerVerwandter von Clostridium botulinum stellt Clostridium tetani dar.
[21℄
Dieser
Erreger löst im menshlihen Körper Tetanus (Wundstarrkrampf) aus. Die Wirkung des
vonihmproduziertenGiftesberuhtebenfallsaufder BlokierungvonNeurotransmittern.
Tetanus-Toxin verhindert u.a. die Freisetzung von
γ
-Aminobutyrat (GABA) und Glyin undruftsoeineständigeMuskelkontraktionhervor.[21,22℄
Interessanterweise ershöpftsih
der Kenntnisstand bezüglih Clostridium tetani im wesentlihen in der Erforshung von
Tetanus. Genauere Untersuhungen des Mehanismus sowie der beteiligtenEnzyme sind
erst im Gange.
[21,22℄
1.1.5 Anthrax Letal Faktor (LF)
Baillus anthrais (Milzbranderreger, Anthrax) stellt neben Clostridium botulinum eine
der potentesten Biowaen dar und wurde in der Vergangenheit bereits mehrfah zu
ter-roristishen Zweken eingesetzt.
[23 26℄
Der Name Milzbrand leitet sih vom griehishen
Wort für Kohle (anthrakis) ab, da die Milz von Tieren, die an Milzbrand starben,
ne-krotish shwarz zerfällt und optish an Kohle erinnert.
[23,24℄
Unter ungünstigen
Kul-turbedingungen bildet Baillus anthrais Sporen aus, welhe eine hohe Resistenz gegen
Umwelteinüsse besitzen. Mit solhen Sporen kontaminierte Gebiete sind für mehrere
Jahrzehnteunbewohnbar.Sosindz.B.einigeunbewohnteAtlantikinseln,diewährenddes
2. Weltkrieges bei B-Waenversuhen mit Milzbrandsporen verseuht wurden, bis heute
unbewohnbar. Shafe,die zu Testzweken ausgesetzt werden, verenden in kurzer Zeit an
Milzbrand.
Die tödlihe Wirkung von Anthrax beruht auf drei Proteinen, dem protektiven Antigen
(PA),Ödemfaktor(EF)undLetalFaktor(LF).
[27℄
PAstelltdieBindungsstellezur
befalle-nenZelleherundermöglihtdasEindringendesToxinsindasZellinnere.DasausEFund
PA gebildete Ödemtoxin steigert den Gehalt von AMP (yl. Adenosinmonophosphat,
Botensto)inderbefallenenZelle.DiesführtzueinerVeränderungder
Membranpermea-bilität und damit zu Ödemen.
[28℄
Letal Toxin, gebildet aus LF und PA, greift Proteine
der MAPKK-Familie (mitogen aktivierte Protein-Kinase Kinase) an.
[2730℄
Diese werden
für die Signalübermittlung u.a. bei der Regulierung der Abwehrreaktionen bei
bakteriel-lenInfektionenbenötigt.
[30℄
MitderröntgenstrukturellenAufklärung desLetal Faktors [25℄
konnte ein wihtiger Shritt zum Verständnis der Funktionsweise von Anthrax geleistet
werden. Eszeigte sihhierbei,daÿ das aktiveZentrum aus einemZink(II)-Atom besteht,
welhes durh His
686 ,His
690 , Glu
735
sowie einWassermolekül tetraedrish koordiniertist.