Multi-Kupfer-Oxidase-Familien

Multikupferoxidasen umfassen Ascorbatoxidase, Laccase, Plasma-Ceruloplasmin und weitere Typen. Sie stellen eine sehr wichtige Klasse von Metalloxidasen in Pflanzen dar und spielen eine Schlüsselrolle in verschiedenen physiologischen Prozessen. Zu den Multikupferoxidasen zählen Ceruloplasmin, Laccase, Ascorbatoxidase und Nitritreduktase.

Abbildung 1. Kristallstrukturen der E.-coli-Laccase CueO unter unterschiedlichen Kupferbindungsbedingungen.

1. Ceruloplasmin

Ceruloplasmin ist ein kupferhaltiges α2-Glykoprotein mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 bis 160.000, das sich nur schwer reinigen lässt. Es handelt sich um ein einzelkettiges Polypeptid, das pro Molekül 6–7 Kupferatome enthält. Aufgrund des Kupfers ist es blau und enthält etwa 10 % Zucker. Die terminale Sialinsäure ist an die Polypeptidkette gebunden und weist einen genetischen Polymorphismus auf. Seine Funktion besteht in der Regulation der Kupferverteilung in verschiedenen Körperkompartimenten sowie in der Synthese kupferhaltiger Enzymproteine; zudem wirkt es antioxidativ, besitzt Oxidaseaktivität und kann die Oxidation von Polyphenolen und Polyaminsubstraten katalysieren. Allgemein wird angenommen, dass Ceruloplasmin in der Leber synthetisiert wird, teilweise über die Gallenwege ausgeschieden wird und nur in sehr geringen Mengen im Urin vorkommt. Die Bestimmung von Aeruginin hat eine gewisse Bedeutung für die Diagnostik bestimmter Erkrankungen der Leber, Gallenblase, Niere und weiterer Organe.

Funktionen

Ergebnisse einer weiteren Studie der letzten Jahre deuten darauf hin, dass CERs als Antioxidanzien wirken. Die antioxidative Aktivität von CER im Blutkreislauf kann die Bildung von Lipidperoxiden und freien Radikalen im Gewebe verhindern, was insbesondere bei Entzündungen von großer Bedeutung ist. CER ist zudem ein Akute-Phase-Protein. Das Plasma-CER steigt bei Infektionen, Traumata und Tumorerkrankungen an. Seine wichtigste klinische Relevanz liegt in der Unterstützung der Diagnostik des Morbus Wilson: Dabei ist der Plasma-CER-Gehalt der Patientinnen und Patienten deutlich vermindert, während der Gehalt an dialysierbarem Kupfer im Plasma erhöht ist. Die meisten Betroffenen können Leberschäden mit neurologischen Symptomen aufweisen. Unbehandelt verläuft die Erkrankung progredient und potenziell letal; daher ist eine zeitnahe Diagnosestellung erforderlich und eine Behandlung mit dem Kupferchelator Penicillamin einzuleiten. Plasma-CER nimmt ebenfalls tendenziell bei Mangelernährung, schwerer Lebererkrankung und nephrotischem Syndrom ab. Bei Frauen steigt der Wert während der Schwangerschaft sowie bei Einnahme oraler Kontrazeptiva deutlich an.

2. Laccase

Laccase ist eine Polyphenoloxidase, die vier Kupferionen enthält. Sie gehört zu den „Blue-Copper“-Oxidasen und liegt als monomeres Glykoprotein vor. Laccase kommt in Pilzen, Bakterien und Pflanzen vor und kann auch in der Luft überleben. Das einzige Reaktionsprodukt ist Wasser, weshalb es sich im Wesentlichen um ein umweltfreundliches Enzym handelt. Die besonderen katalytischen Eigenschaften der Laccase führen zu einer breiten Anwendung in der biologischen Detektion; als effizienter Biodetektor stellt sie ein wirksames Werkzeug und Verfahren zur Analyse von Komponenten wie Substraten, Coenzymen und Inhibitoren dar. Da dem Umweltschutz in den letzten Jahren zunehmend Bedeutung beigemessen wird, ist Laccase in jüngerer Zeit Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten. Laccase ist ein blaues Kupferprotein mit einem Molekulargewicht von etwa 120.000 und enthält vier Kupferatome; sie kann durch CN- gehemmt werden. Laccase kann Polyphenole oxidieren, die Methoxy-Substitution von Phenolen und Diaminen fördern und nahezu alle Substrate mit einer ähnlichen Struktur wie p-Polyphenole oxidieren. Darüber hinaus können einige pilzliche Laccasen auch Monophenole wie Kresol sowie Ascorbinsäure oxidieren.

Abbildung 2. L-Ascorbatoxidase.

3. Ascorbatoxidase

Ascorbatoxidase ist ein kupferhaltiges Enzym, das im Zytoplasma lokalisiert oder an die Zellwand gebunden ist und in Kopplung mit anderen Redoxreaktionen als terminale Oxidase wirkt. Sie kann die Oxidation von Ascorbinsäure katalysieren und besitzt Anti-Aging-Effekte. Sie spielt eine wichtige Rolle im Stoffwechsel. Unter der Katalyse dieses Enzyms kann molekularer Sauerstoff Ascorbinsäure zu Dehydroascorbinsäure oxidieren; das Enzym kommt im Zytosol und in der Zellwand vor und enthält Kupfer.

4. Nitritreduktase

Nitritreduktasen (NiRs) sind eine Enzymklasse, die die Reduktion von Nitrit katalysiert. Die meisten Nitritreduktasen sind intrazelluläre Enzyme und können Nitrit in der Zelle effektiv abbauen. Dieses Enzym ist eine Oxidoreduktase. Der katalytische Reaktionsablauf erfordert die Beteiligung von Elektronendonoren und -überträgern, und die Reaktion benötigt Sauerstoffbedingungen. Nitritreduktase ist in Mikroorganismen und Pflanzen weit verbreitet und ein Schlüsselenzym im natürlichen Stickstoffkreislauf. Sie kann Nitrit zu NO oder NH3 abbauen und dadurch die Anreicherung von Nitritstickstoff in der Umwelt sowie die daraus resultierenden toxischen Effekte auf Organismen reduzieren.

Abbildung 3. Proteinstruktur der Nitritreduktasen.

Referenz

1. Bento I.; et al. Dioxygen reduction by multi-copper oxidases; a structural perspective. Dalton Transactions. 2005, (21): 3507-13.