CPO

CPO (EC 1.11.1.10, Chloroperoxidase) gehört zur Klasse der Oxido-Reduktasen und ist eine Peroxidase. Der systematische Name dieses Enzyms ist Chlorid:Wasserstoffperoxid-Oxidoreduktase. Weitere gebräuchliche Namen sind Chloroperoxidase, CPO, Vanadium-Haloperoxidase. CPO katalysiert die Chlorierung organischer Verbindungen, die anorganisches Substratchlorid und Wasserstoffperoxid kombinieren, um Cl⁺ zu erzeugen, wobei Protonen im Kohlenwasserstoffsubstrat ersetzt werden. Es verwendet Häm oder Vanadium als Cofaktor während der Reaktion. CPO ist ein hämhaltiges Glykoprotein, das von dem marinen Pilz Caldariomyces fumago sekretiert wird. Jedes Molekül von CPO enthält eine Ferriprotoporphyrin IX-Prosthetikgruppe, die verschiedene Reaktionen wie Halogenierung, Peroxidation und Epoxidierung katalysiert. Seit vielen Jahren ist CPO die einzige Peroxidase, von der bekannt ist, dass sie ähnliche spektrale Eigenschaften wie P450 aufweist, aber ähnliche Enzyme wurden jetzt in anderen Organismen gefunden.

Struktur

Das vollständige CPO-Gen kodiert ein 373 Aminosäuren umfassendes Protein, das durch zwei proteolytische Prozesse in reifes CPO verarbeitet wird, einen am N-Terminus, um ein 20 Aminosäuren umfassendes Signalpeptid zu entfernen, und den anderen am C-Terminus, um ein 52 Aminosäuren umfassendes Peptid zu entfernen. Die tertiäre Struktur von CPO enthält 50% Helices, ähnlich wie andere Peroxidase und P450s, aber die gesamte Topologie ist nicht identisch mit anderen Häm-Enzymen. Es gibt Ähnlichkeiten in der Struktur in der Nähe der aktiven Stelle. Wie andere hämhaltige Peroxidase faltet sich CPO in N-terminalen und C-terminalen Domänen, und das Häm ist zwischen zwei Domänen eingeklemmt. Die Faltung umfasst 8 α-helicale Segmente (A-H), drei kurze 3₁₀-Helices (C', D', G') und ein kurzes antiparalleles β-Paar. Wie andere Häm-Enzyme hat CPO eine proximale Helix (Helix A) auf der Häm-Seite, die das axiale Häm-Ligand des Proteins enthält, und eine distale Helix (Helix F), die die katalytische Gruppe bereitstellt, die für die Peroxidaktivierung erforderlich ist. In CPO steht die proximale Helix A senkrecht zur Häm-Ebene, während sie in Peroxidase und P450 parallel zur Häm-Ebene ist.

Abbildung 1. Struktur von CPO. (Sundaramoorthy M. 1995)

Studien haben gezeigt, dass Cys29 ein thioliertes Häm-Ligand bereitstellt, das axiale Ligand-Rest im N-terminalen Bereich des CPO. Die anderen beiden Cysteins, Cys79 und Cys87, bilden eine Disulfidbindung. Die drei Proline (Pro9, Pro230 und Pro292) haben eine cis-Konformation, in der Pro9 eine klassische cis-Prolin-Wendung zeigt. Das Polypeptid in den Resten 26-37 umgibt das Cystein-Ligand (Cys29) und bildet ein starres Gerüst für die Wechselwirkung von Eisen und Schwefel. Die Seitenkette von Asn33 und die Rückgrat-Atome von Ala27 bilden ein Paar Wasserstoffbrücken, während die Seitenketten von Arg26 und Asp37 Wasserstoffbrücken miteinander bilden.

Abbildung 2. Stereo-Diagramm, das die Wasserstoffbrückeninteraktionen zeigt. (Sundaramoorthy M. 1995)

Katalytischer Mechanismus

Unter allen derzeit bekannten hämhaltigen Peroxidase katalysiert CPO eine Vielzahl von Reaktionstypen und wird als das vielseitigste Enzym angesehen. Der erste Reaktionstyp ist die Halogenierung unter Verwendung von Wasserstoffperoxid oder anderen Hydroperoxiden als Initiator, einem Halid (außer Fluorid) und einer Verbindung, die für die Halogenierungsreaktion anfällig ist, als Substrat. Der zweite Reaktionstyp ähnelt dem ersten Reaktionstyp, aber das Substrat ist Harnsäure. Der dritte Reaktionstyp ist eine Peroxidationsreaktion. CPO kann die Disproportionierung von Wasserstoffperoxid katalysieren, was eine katalase-spezifische Reaktion ist. Darüber hinaus kann CPO auch die P450-ähnliche Monooxygenierungsreaktion und die Dehalogenierung ausgewählter halogenierter aromatischer Verbindungen katalysieren.

Abbildung 3. Reaktionen, die von CPO katalysiert werden. (Poulos T.L. 2014)

Der Ruhezustand des CPO enthält ein Ferrihäm-Zentrum. Die Bindung von Wasserstoffperoxid an das Häm-Eisen initiiert die Reaktion, und dann werden zwei Elektronen vom Häm-Zentrum auf Wasserstoffperoxid übertragen, was zur Spaltung der Peroxidbindung und zur Bildung von Wassermolekülen und dem aktivierten Häm-Intermediatverbindung I führt. Verbindung I ist ein gemeinsames Intermediat für die meisten von Häm-Peroxidase-katalysierten Reaktionen. Die chemische Struktur von Verbindung I ist ein Oxo-Ferryl-Porphyrin-Kation-Radikal [Häm (Fe⁴⁺=O)^•+]. Abhängig von der Natur des Proteins kann Verbindung I des Häm-Proteins an verschiedenen chemischen Reaktionen teilnehmen. In der Katalase-Reaktion interagiert Verbindung I mit dem zweiten Molekül Wasserstoffperoxid, um Dioxygen zu bilden und das Häm-Eisen zu ferrischem Eisen zu reduzieren. In der Peroxidationsreaktion kann Verbindung I ein organisches Molekül (HA) in ein radikales Produkt (A•) umwandeln und zu Verbindung II reduziert werden, indem ein Elektron auf ein organisches Substrat übertragen wird. Die Struktur von Verbindung II ist Fe^IV=O. Die Oxidation eines zweiten Substrats kann ferrisches Eisen regenerieren. In der Chlorierungsreaktion interagiert Verbindung I mit Chloridionen, um einen ferrischen Komplex (Häm Fe³⁺-O-X) zu bilden, der als Verbindung X bezeichnet wird, die instabil ist und leicht in einen Ruhezustand des Enzyms, Haloniumion (X⁺) und Hydroxidion (OH⁻) zerfällt, die weiter reagieren können, um Hypohalogen-Säure (HOX) zu bilden.

Abbildung 4. Mechanismus der von CPO-katalysierten Reaktionen. (Lin J. 2012)

Anwendung

CPO ist eine der vielversprechendsten hämhaltigen Peroxidase für synthetische Anwendungen. Optisch aktive 2,3-Epoxyalkohole sind wichtige Bestandteile synthetischer biologischer oder pharmazeutisch wichtiger Verbindungen. Die sharpless asymmetrische Epoxidierung von allylischen Alkoholen ist eine der vielseitigsten Methoden zur Herstellung optisch aktiver Epoxyalkohole. Die Epoxidierung von CPO zu Olefinen zeigt eine hohe Enantioselektivität, aber das Enzym katalysiert nicht die Bildung von allylischen Alkoholen zur Bildung von Epoxiden, sondern bildet stattdessen Aldehyde.

Literaturverzeichnis