Aconitase

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Aconitase wird auch als Aconitsäurehydratase bezeichnet. Im Tricarbonsäurezyklus ist sie ein Enzym, das die Umwandlung zwischen Citrat und Isocitrat katalysiert. Unter Gleichgewichtsbedingungen beträgt das Verhältnis der drei Substanzen 91:3:6 (Aconitsäure-Enzymgleichgewicht). Sie ist weit verbreitet in Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen; besonders hohe Gehalte finden sich in Leber, Niere, Muskel und Prostata. Früher wurde angenommen, dass es sich um dasselbe Enzym wie Fumarase handelt; zudem wurde vermutet, dass die oben genannte Reaktion durch zwei unterschiedliche Enzyme vermittelt wird, was inzwischen eindeutig als durch ein einzelnes Enzym katalysiert belegt ist. Die Enzymaktivität kann durch trans-Aconitsäure und fluorierte Citronensäure stark gehemmt werden. Der Reaktionsmechanismus beruht auf einer hochspezifischen Dreipunkt-Bindung über den Eisen-Citrat-Komplex; die Bindung an das aktive Zentrum des Enzyms hat dabei besondere Aufmerksamkeit erhalten.

Struktur

Die am rechten Seitenrand dargestellte Aconitase weist je nach Aktivierungs- bzw. Inaktivierungszustand zwei leicht unterschiedliche Strukturen auf. In der inaktiven Form ist die Struktur in vier Domänen gegliedert. Vom N-Terminus ausgehend sind nur die ersten drei dieser Domänen an der engen Wechselwirkung mit dem [3Fe-4S]-Cluster beteiligt; das aktive Zentrum wird jedoch aus Resten aller vier Domänen gebildet, einschließlich der größeren C-terminalen Domäne. Fe-S-Cluster und SO4²⁻-Anionen sind ebenfalls im aktiven Zentrum lokalisiert. Nach Aktivierung des Enzyms wird ein zusätzliches Eisenatom aufgenommen, wodurch ein [4Fe-4S]-Cluster entsteht. Die Struktur des übrigen Enzyms verändert sich dabei kaum. Die konservierten Atome liegen in beiden Formen im Wesentlichen an derselben Position; die Abweichung beträgt etwa 0,1 Å.

Abbildung 1. Aconitase-Familie.

Biochemische Eigenschaften

Ähnlich wie bei Tieren besitzt Aconitase mindestens zwei Isoenzyme im Zytoplasma und in den Mitochondrien. Bellis et al. fanden jedoch in Kürbiskeimblättern, dass neben Isoenzym I (ACO I) und Isoenzym II (ACO II) möglicherweise auch ein Isoenzym III (ACO III) existiert. Weitere Untersuchungen zeigten, dass cis-Aconitsäure-Enzyme, insbesondere die mitochondrialen Isoenzyme, relativ instabil sind und während der Isolations- und Reinigungsprozesse leicht inaktiviert werden; ein wesentlicher Unterschied zu tierischen Systemen besteht darin, dass sie aus demselben pflanzlichen Ausgangsmaterial stammen. Die subzelluläre Verteilung der Aconitase-Isoenzyme ist aufgrund ihrer ähnlichen isoelektrischen Punkte (pI) schwer zu trennen. Daher sind die Isolierung und Reinigung pflanzlicher Aconitase und ihrer Isoenzyme im Vergleich zu tierischen Systemen in der Forschung relativ weniger weit fortgeschritten. Darüber hinaus unterscheiden sich einige enzymatische Eigenschaften der cis-Aconitsäure auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Pflanzenmaterial.

Sensitivität gegenüber reaktiven Sauerstoffspezies

Tierische und humane Aconitase sind sehr empfindlich gegenüber ROS, was mit dem Vorhandensein des leicht oxidierbaren 4Fe-4S-Clusters im aktiven Zentrum zusammenhängen kann. So enthält die humane mitochondriale Aconitase einen 4Fe-4S-Cluster und fungiert als Redoxsensor mit hoher ROS-Sensitivität; O₂⁻ inaktiviert sie und führt gleichzeitig zu einem Anstieg von H₂O₂ und freiem Fe²⁺ in den Mitochondrien, wodurch die Bildung von OH· induziert wird. Die bei Stressbedingungen und Alterungsprozessen entstehenden großen Mengen an ROS können cis-Aconitase irreversibel inaktivieren; diese Inaktivierung steht im Zusammenhang mit einer durch ROS am aktiven Zentrum der cis-Aconitase ausgelösten Carboxylierungsreaktion, ist metallionenabhängig und eng mit ortsspezifischer Oxidation verknüpft.

Schlussfolgerungen

Bislang wurde zwar ein gewisses Verständnis der Eigenschaften und Funktionen der Aconitase gewonnen, jedoch ist die Regulation dieses Enzyms durch NO, ROS und andere reaktive Moleküle bislang nur in wenigen Pflanzenmaterialien wie Kürbis und Tabak bestätigt worden.