COMT

Catechol-O-Methyltransferase (COMT, EC 2.1.1.6) ist ein zweiphasiges metabolisierendes Enzym, das durch ein endogenes Gen exprimiert wird und an der Inaktivierung der katecholaminergen Neurotransmitter (Dopamin, Epinephrin und Norepinephrin) sowie von catecholhaltigen Verbindungen wie L-Dopa, Catecholöstrogenen und Flavonoiden beteiligt ist. Dieses Enzym kann eine von S-Adenosyl-L-Methionin (AdoMet) bereitgestellte Methylgruppe auf das Catecholamin übertragen. Stoffwechselstörungen der COMT erhöhen im Allgemeinen das Risiko für Erkrankungen wie Morbus Parkinson, Schizophrenie und Mammakarzinom, da COMT eng mit dem metabolischen Abbau von Verbindungen in vivo verknüpft ist. Die Kapazität von COMT in peripheren Geweben ist vermutlich so hoch, dass COMT nicht leicht induziert oder supprimiert wird.

Verteilung

COMT ist ein ubiquitär vorkommendes Enzym, das in Pflanzen, Mikroorganismen und Tieren vorhanden ist. Bei Säugetieren ist COMT in den Organen des Körpers weit verbreitet und gilt als intrazelluläres Enzym. In präsynaptischen dopaminergen Neuronen des Gehirns zeigt COMT keine signifikante Aktivität, während es in postsynaptischen Neuronen eine gewisse Aktivität und in Gliazellen eine ausgeprägte Aktivität aufweist. Darüber hinaus ist der COMT-abhängige Dopaminabbau von außerordentlicher Bedeutung in Hirnregionen mit geringer Expression des präsynaptischen Dopamintransporters. Trotz ihrer Bedeutung in Neuronen wird COMT tatsächlich primär in der Leber exprimiert. Die höchste COMT-Aktivität findet sich sowohl bei Ratten als auch beim Menschen in der Leber, gefolgt von den Nieren und dem Gastrointestinaltrakt (Magen und Darm). Die COMT-Sequenzen verschiedener Säugetierarten weisen eine hohe Ähnlichkeit auf.

Molekulare Struktur

COMT besitzt eine Ein-Domänen-Struktur mit α/β-Faltung, bei der acht α-Helices um ein zentrales gemischtes β-Faltblatt angeordnet sind. Die aktiven Zentren von COMT bestehen aus einer AdoMet-Bindedomäne und den eigentlichen katalytischen Zentren, die durch wenige Aminosäuren gebildet werden, welche für die Bindung von Substrat, Wasser und Mg²⁺ sowie für die Katalyse der O-Methylierung wesentlich sind. Der Lysinrest (Lys144), der das Proton einer der Hydroxylgruppen aufnimmt, fungiert als allgemeine katalytische Base in der nukleophilen Methyltransferreaktion.

Vorliegende Formen

Zwei unterschiedliche Formen von COMT sind bestätigt: eine lösliche (S-COMT) und eine membrangebundene (MB-COMT). Beide werden durch ein einziges Gen kodiert, unterstützt durch zwei separate Promotoren. Das lösliche COMT-Enzym umfasst 221 Aminosäuren, während die MB-COMT-Form eine um nahezu 50 (Mensch) bzw. 43 (Ratte) Reste längere aminoterminale Erweiterung mit einer hydrophoben Membranankerregion aufweist. Kürzlich wurde festgestellt, dass MB-COMT intrazellulär am rauen endoplasmatischen Retikulum vorkommt, während S-COMT überwiegend zytoplasmatisch und in gewissem Umfang nukleär lokalisiert ist. Bei Wirbeltieren liegt das COMT-Protein überwiegend in löslicher Form vor; nur ein kleiner Anteil ist in der membrangebundenen Form vorhanden. Dieses Verteilungsmuster von COMT in mehreren zellulären Kompartimenten legt nahe, dass der Beitrag von S- und MB-COMT zur Methylierung unterschiedlicher Substrate sowohl von den kinetischen Eigenschaften der Enzyme als auch von der intrazellulären Verteilung der Substrate abhängen kann.

Katalytischer Mechanismus

COMT katalysiert in Anwesenheit von Mg²⁺ die Übertragung der Methylgruppe von AdoMet auf eine der Hydroxylgruppen des Catecholsubstrats oder substituierter Catechole. Dabei wird ein direkter nukleophiler Angriff einer der Hydroxylgruppen des Catecholsubstrats auf das Methylkohlenstoffatom von AdoMet über einen engen S_N2-ähnlichen Übergangszustand angenommen, wobei Mg²⁺ sowohl an MB-COMT als auch an S-COMT in einem schnellen Gleichgewicht vor der Bindung von AdoMet bindet (Abbildung 1). Darüber hinaus deutet eine Untersuchung eines sequentiell geordneten Mechanismus darauf hin, dass das Coenzym AdoMet als erstes Substrat an das Enzym bindet, gefolgt von Mg²⁺, dessen Bindung die Ionisierung der Hydroxylgruppen begünstigt, anschließend das Catecholsubstrat, und dass S-Adenosyl-L-Homocystein (AdoHcy) als letztes Produkt vom Enzym dissoziiert (Abbildung 2). Die Anwesenheit von Mg²⁺ ist für die Katalyse erforderlich; auch einige andere zweiwertige Kationen wie Cd²⁺, Hg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺ und Cu²⁺ fördern die Methylierung. COMT kann nur eine der beiden Catechol-Hydroxylgruppen methylieren, und die O-Methylierung erfolgt primär an der 3-Hydroxylgruppe (meta-Position). Gleichzeitig hängt die O-Methylierung auch von den experimentellen Bedingungen und der Natur der Seitenkette des Catecholsubstrats ab, sodass in variablen Mengen auch 4-methylierte (para-Position) Catechole gebildet werden. Es wurde gezeigt, dass die kinetischen Mechanismen der löslichen und der membrangebundenen COMT identisch sind; S-COMT und MB-COMT sind jedoch eindeutig unterschiedliche Enzyme, und MB-COMT ist kein Vorläufer von S-COMT.

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

Abbildung 2 Ein sequentiell geordneter Mechanismus von COMT. (E = Enzym; S = Catecholsubstrat; P = methyliertes Catecholprodukt). (Lotta T; et al. 1995)

Funktionen

Die allgemeine Funktion von COMT ist der Abbau bioaktiver oder toxischer Catechole sowie einiger weiterer hydroxylierter Metaboliten. Zu den spezifischen, durch COMT katalysierten Reaktionen zählen: (1) Dopamin→3-Methoxytyramin; (2) DOPAC→HVA (Homovanillinsäure); (3) Norepinephrin→Normetanephrin; (4) Epinephrin→Metanephrin; (5) Dihydroxyphenylethylenglykol (DOPEG)→Methoxyhydroxyphenylglykol (MOPEG); (6) 3,4-Dihydroxymandelsäure (DOMA) →Vanillinmandelsäure (VMA). In der Plazenta vorhandenes COMT schützt den sich entwickelnden Embryo im ersten Schwangerschaftstrimenon vor Schädigungen durch aktivierte hydroxylierte Verbindungen. COMT wirkt zudem als enzymatische Entgiftungsbarriere zwischen Blut und anderen Geweben, indem es diese vor den nachteiligen Effekten von Xenobiotika schützt. COMT kann den dopaminergen Tonus modulieren und erfüllt damit bestimmte einzigartige oder indirekte Funktionen in Niere und Darmtrakt; dies könnte auch im Gehirn relevant sein, da aktives COMT die Mengen an aktivem Dopamin und Norepinephrin in verschiedenen Hirnarealen regulieren und dadurch mit Stimmung und anderen psychischen Prozessen in Zusammenhang stehen kann.

Literatur