COMT

Catechol-O-Methyltransferase (COMT, EC 2.1.1.6) ist ein zwei-phasiges Stoffwechselenzym, das durch ein endogenes Gen exprimiert wird und an der Inaktivierung der Katecholamin-Neurotransmitter (Dopamin, Epinephrin und Norepinephrin) sowie an Katechol-haltigen Verbindungen wie L-Dopa, Katecholestrogene und Flavonoide beteiligt ist. Dieses Enzym kann eine Methylgruppe einführen, die von S-Adenosyl-L-Methionin (AdoMet) gespendet wird, in das Katecholamin. Eine Stoffwechselstörung von COMT führt im Allgemeinen zu einem erhöhten Risiko für Krankheiten wie Parkinson, Schizophrenie und Brustkarzinom, da COMT eng mit dem metabolischen Abbau von Verbindungen in vivo verbunden ist. Die Kapazität von COMT in den peripheren Geweben ist wahrscheinlich so hoch, dass COMT nicht leicht induziert oder unterdrückt wird.

Verteilung

COMT ist ein ubiquitär vorkommendes Enzym, das in Pflanzen, Mikroorganismen und Tieren vorhanden ist. Bei Säugetieren ist COMT weit verbreitet in den Organen des Körpers und wird als intrazelluläres Enzym angesehen. COMT zeigt keine signifikante Aktivität in präsynaptischen dopaminergen Neuronen im Gehirn, während es in postsynaptischen Neuronen und in Gliazellen eine gewisse Aktivität zeigt. Darüber hinaus ist der COMT-abhängige Dopaminabbau von extrem wichtiger Bedeutung in Gehirnregionen mit niedriger Expression des präsynaptischen Dopamintransporters. Trotz seiner Bedeutung in Neuronen wird COMT tatsächlich hauptsächlich in der Leber exprimiert. Die höchste COMT-Aktivität sowohl bei Ratten als auch bei Menschen befindet sich in der Leber, gefolgt von den Nieren und dem Magen-Darm-Trakt (sowohl Magen als auch Darm). Die Sequenzen von COMT aus verschiedenen Säugetierarten weisen eine hohe Ähnlichkeit auf.

Molekulare Struktur

COMT hat eine einzelne Domäne mit einer α/β-gefalteten Struktur, in der acht α-Helices um das zentrale gemischte β-Faltblatt angeordnet sind. Die aktiven Stellen von COMT bestehen aus einer AdoMet-bindenden Domäne und den eigentlichen katalytischen Stellen, die aus einigen Aminosäuren gebildet werden, die wichtig für die Bindung des Substrats, Wasser und Mg²⁺ sowie die Katalyse der O-Methylierung sind. Das Lysin-Rest (Lys144), der das Proton einer der Hydroxylgruppen akzeptiert, fungiert als allgemeine katalytische Base in der nukleophilen Methyltransferreaktion.

Vorhandene Formen

Zwei verschiedene Formen von COMT wurden bestätigt: eine ist löslich (S-COMT) und die andere ist membranständig (MB-COMT), die beide durch ein einzelnes Gen mit Hilfe von zwei separaten Promotoren kodiert werden. Das lösliche COMT-Enzym enthält 221 Aminosäuren, während die MB-COMT-Form fast 50 (menschliche) und 43 (Ratte) Reste mit einer langen aminoterminalen Erweiterung enthält, die eine hydrophobe Membranankerregion enthält. Es wurde kürzlich festgestellt, dass MB-COMT intrazellulär am rauen endoplasmatischen Retikulum vorkommt, während S-COMT hauptsächlich zytoplasmatisch und bis zu einem gewissen Grad nuklear ist. Bei Wirbeltieren existiert das COMT-Protein größtenteils in einer löslichen Form, und nur ein kleiner Teil ist in der speziellen Form. Dieses Verteilungsmuster von COMT in mehreren zellulären Kompartimenten deutet darauf hin, dass der Beitrag von S- und MB-COMT zur Methylierung verschiedener Substrate sowohl von den kinetischen Eigenschaften der Enzyme als auch von der intrazellulären Verteilung der Substrate abhängen kann.

Katalytischer Mechanismus

COMT katalysiert den Transfer der Methylgruppe von AdoMet zu einer der Hydroxylgruppen des Katechol-Substrats oder substituierten Katecholen in Anwesenheit von Mg²⁺, was als direkter nukleophiler Angriff einer der Hydroxylgruppen des Katechol-Substrats auf das Methylkohlenstoffatom von AdoMet durch einen engen S_N2-ähnlichen Übergangszustand angesehen wird, wobei Mg²⁺ sowohl an MB-COMT als auch an S-COMT in einem schnellen Gleichgewicht bindet, bevor AdoMet hinzugefügt wird (Abbildung 1). Darüber hinaus deutet eine Untersuchung des sequenziellen geordneten Mechanismus darauf hin, dass das Coenzym AdoMet das erste Substrat ist, das mit dem Enzym bindet, gefolgt von Mg²⁺, dessen Bindung vorteilhaft ist, um die Ionisierung der Hydroxylgruppen zu verbessern, das nachfolgende Katechol-Substrat und S-Adenosyl-L-Homocystein (AdoHcy) ist das letzte Produkt, das sich vom Enzym dissoziiert (Abbildung 2). Das Vorhandensein von Mg²⁺ ist für die Katalyse notwendig, und einige andere zweiwertige Kationen wie Cd²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ und Cu²⁺ fördern ebenfalls die Methylierung. COMT ist in der Lage, nur eine der beiden Katechol-Hydroxylgruppen zu methylieren, und die O-Methylierung erfolgt hauptsächlich an der 3-Hydroxyl- (meta-Position). Gleichzeitig hängt die O-Methylierung auch von den experimentellen Bedingungen und der Natur der Seitenkette des Katechol-Substrats ab, und es werden unterschiedliche Mengen der 4-methylierte (para-Position) Katechole produziert. Die kinetischen Mechanismen von löslichem und membranständigem COMT wurden als identisch nachgewiesen, während S-COMT und MB-COMT sicherlich unterschiedliche Enzyme sind und MB-COMT kein Vorläufer von S-COMT ist.

Abbildung 1. Ein vorgeschlagener katalytischer Mechanismus von COMT. (Männistö P T; et al. 1999)

Abbildung 2 Ein sequenzieller geordneter Mechanismus von COMT. (E = Enzym; S = Katechol-Substrat; P = methyliertes Katechol-Produkt). (Lotta T; et al. 1995)

Funktionen

Die allgemeine Funktion von COMT ist der Abbau von bioaktiven oder toxischen Katecholen und einigen anderen hydroxylierten Metaboliten. Einige spezifische Reaktionen, die von COMT katalysiert werden, umfassen: (1) Dopamin→3-Methoxytyramin; (2) DOPAC→HVA (Homovanillinsäure); (3) Norepinephrin→Normetanephrin; (4) Epinephrin→Metanephrin; (5) Dihydroxyphenylethylenglykol (DOPEG)→Methoxyhydroxyphenylglykol (MOPEG); (6) 3,4-Dihydroxymandelsäure (DOMA) →Vanillylmandelsäure (VMA). COMT, das in der Plazenta vorhanden ist, schützt den sich entwickelnden Embryo während des ersten Trimesters der Schwangerschaft vor den schädlichen Wirkungen aktivierter hydroxylierten Verbindungen. COMT fungiert auch als enzymatische Entgiftungsbarriere zwischen dem Blut und anderen Geweben, indem es sie vor den schädlichen Auswirkungen von Xenobiotika schützt. COMT könnte den dopaminergen Tonus modulieren und somit einige einzigartige oder indirekte Funktionen im Nieren- und Darmtrakt erfüllen, die möglicherweise auch im Gehirn verfügbar sind, da aktives COMT die Mengen an aktivem Dopamin und Norepinephrin in verschiedenen Teilen des Gehirns regulieren kann und daher mit der Stimmung und anderen mentalen Prozessen verbunden sein könnte.

Referenzen