COX-1

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Einführung

Die Cyclooxygenase-Isoenzyme COX-1 und COX-2 sind verantwortlich für die Katalyse der Bildung von Prostaglandinen, Thromboxan und Levuloglandinen. Die Prostaglandine sind autokoide Mediatoren, deren reversible Wechselwirkungen mit G-Protein-gekoppelten Membranrezeptoren nahezu alle bekannten physiologischen und pathologischen Prozesse beeinflussen können, einschließlich kardiovaskulärer, neuronaler, renaler, immunologischer, gastrointestinaler und reproduktiver Systeme. Die Levuloglandine sind eine neuere Klasse von Produkten, die anscheinend durch irreversible kovalente Bindung an eine Vielzahl von Proteinen wirken. COX-Enzyme spielen klinisch eine wichtige Rolle, da sie durch Aspirin und viele andere nicht-steroidale entzündungshemmende Medikamente (NSAIDs) gehemmt werden, und diese Hemmung kann entzündliche, pyretische, thrombotische, neurodegenerative und onkologische Erkrankungen lindern. Etwa hundert Jahre sind vergangen, seit Hoffman Acetylsalicylsäure (Aspirin) als ein Mittel entworfen und synthetisiert hat, das darauf abzielt, die gastrointestinalen Reizungen von Salicylaten zu reduzieren und gleichzeitig deren Wirksamkeit aufrechtzuerhalten.  

Katalytische Mechanismen der Cyclooxygenase

Etwa 95 % der Wechselwirkungen betreffen hydrophobe Reste. Analysen der gerichteten Mutagenese haben den Rest positioniert, der das proS-Wasserstoffatom von C-13 des Arachidonsäure abstrahiert (Tyr-385); den Rest, der für die elektrostatische Wechselwirkung mit dem Carboxylatanion der Arachidonsäure verantwortlich ist (Arg 120); und die Reste, die die Orientierung der Arachidonsäure steuern, sodass sie optimal angeordnet ist, um PGG2 zu erzeugen (Val-349, Trp-387 und Leu-534).  Abb. 1 zeigt die Wechselwirkung und die katalytische Reaktion zwischen Arachidonsäure und Aminosäureresten im aktiven Zentrum von COX-1. Die beiden Isoformen von COX teilen sich ähnliche Aminosäuresequenzen und katalytische Mechanismen. Die Kristallstruktur von murinem apo-COX-2 bestätigte auch, dass Arachidonsäure eine katalytisch inkompetente Orientierung im aktiven Zentrum einnehmen kann. Zum Beispiel kann das anionische Carboxylatende des Substrats Wasserstoffbrücken mit Tyr 385 und Ser 530 bilden, jedoch nicht das vorhergesagte Ionenpaar mit Arg120. Stattdessen kontaktiert der Rest Arg 120 das hydrophobe ω-Ende des Substrats. In seinem katalytisch aktiven Zustand ähnelt COX-2 COX-1, d.h. das Carboxylatanion der Arachidonsäure wird von Arg 120 und Tyr 355 koordiniert, und das C13 pro(S)-Wasserstoffatom des Substrats befindet sich in der Nähe von Tyr 385.

Abbildung 1. Aminosäurereste in COX 1, die die Substratpositionierung und Katalyse steuern (Fitzpatrick, F. 2004)

Bi-funktionale Katalyse in einem einzelnen Enzymprotein: integrierte Aktionen von Peroxidase und Cyclooxygenase

Von den ersten Berichten über die wichtige Rolle von Radikalen in der COX-Katalyse bis heute gab es mehrere Erkenntnisse. Zum Beispiel produzieren gereinigte COX-1- und COX-2-Enzyme, die mit Manganprotoporphyrin IX rekonstruiert und mit Peroxid untersucht wurden, Elektronenspinresonanz (EPR)-Spektren, die radikalabhängige Oxidation widerspiegeln. Diese Studie zeigt, dass durch Peroxid erzeugte Radikale in COX 2 und MnCOX-1 jeweils dasselbe Arachidonsäureradikal bilden, das anschließend mit Sauerstoff reagiert, um Lipid-Hydroperoxide zu bilden. Die EPR-Daten deuten auch darauf hin, dass das metastabile Arachidonatradikal ein planarer Pentadienylradikal enthält, wie weitgehend spekuliert wurde.

Angesichts der Ähnlichkeiten zwischen ihren primären Sequenzen, Kristallstrukturen und katalytischen Mechanismen ist die kompositionelle Regulation der COX-1- und COX-2-Katalyse ebenfalls ähnlich, mit nur wenigen Unterschieden. Zum Beispiel erfordert die Katalyse der COX-2-Isoenzyme 10-mal weniger Hydroperoxidspiegel als bei der Förderung der COX-1-Katalyse. Wissenschaftler spekulieren, dass dies auf einen Mechanismus zurückzuführen sein könnte, durch den COX-2 bevorzugt PGs produziert, wenn beide Isoformen im selben intrazellulären Kompartiment vorhanden sind, aber es ist unklar, warum Zellen diesen Vorteil finden. Die strukturelle Stabilität von COX-2 ist sowohl im aktiven Bereich als auch insgesamt in den Untereinheiten geringer als die von COX-1, was auf ihre unterschiedlichen Präferenzen für Fettsäuresubstrate und Inhibitoren sowie auf die Anwesenheit der größeren Tasche von COX-2 zurückzuführen sein könnte. Ein Valinrest an Position 509 in COX-2 entspricht dem Isoleucinrest an Position 523 in COX-1, aber mutationale Studien in beiden COX-1 und COX-2 deuten darauf hin, dass der Austausch von Valin und Isoleucin an Position 509/523 nicht vollständig für alle Unterschiede in der Inhibitorspezifität zwischen den Isoformen verantwortlich ist. Daher könnten Unterschiede in der strukturellen Stabilität zur Selektivität von Liganden an den jeweiligen aktiven Zentren des Enzyms beitragen.

Abbildung 2. Wirkung der Acetylierung auf den Substratzugang zu COX-1 und COX-2. Spekulative Wirkung der Acylierung auf COX-2 (Fitzpatrick, F. 2004)