Cystathionin-β-Lyase

Cystathionin-β-Lyase ist ein Enzym, das Cystathionase abbaut. Es gibt zwei Arten von β‑Cystathionase und γ‑Cystathionase. Beide Typen verwenden Pyridoxalphosphat als Coenzym. Die β‑Cystathionase spaltet Cystathionin zu Homocystein, Ammoniak und Pyruvat; diese Aktivität findet sich in Bakterien und Brotschimmel. Die durch die γ‑Cystathionin‑katalysierte Spaltung entstehenden Produkte sind Cystein, Ammoniak und α‑Ketobuttersäure; diese kommen in der Leber und in Brotschimmel vor.

Einleitung

Cystathionin‑β‑Lyase wurde in Pflanzen und Mikroorganismen nachgewiesen und ist ein Pyridoxal‑5′‑phosphat(PLP)‑abhängiges, homotetrameres Enzym mit einer Molekülmasse von etwa 35–40 kDa. Es katalysiert den vorletzten Schritt der Methioninbiosynthese, d. h. eine α,β‑Eliminierungsreaktion, bei der Cystathionin zu Pyruvat, Ammoniak und Homocystein umgesetzt wird. Anschließend wird Homocystein zu Methionin methyliert. Es wurde gezeigt, dass die Überexpression des CBL‑kodierenden metC‑Gens in D‑Alanin‑Gen‑Knockout‑Modellen mehrerer Bakterien für deren Persistenz in der Wirtszellumgebung von Bedeutung ist. Darüber hinaus beeinflusst CBL auch die Virulenz von Salmonella enterica und spielt damit eine entscheidende Rolle für deren Pathogenität.

Struktur

Cystathionin‑β‑Synthase (CBS) ist ein homotetrameres, im Zytoplasma lokalisiertes Enzym, das aus 63‑kDa‑Untereinheiten besteht und PLP‑abhängig ist. Cystathionin‑β‑Lyase ist als Dimer aus Dimeren aufgebaut; jede Untereinheit ist mit einem PLP‑Molekül assoziiert, das über einen Lysinrest an der katalytischen Stelle gebunden ist. Dimere entstehen aus zwei Monomeren, die über mehrere elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und hydrophobe Interaktionen assoziiert sind, während Tetramere durch die Interaktion zwischen der N‑terminalen Domäne und der Schlüssel‑α‑Helix stabilisiert werden. Unter Katalyse von Vitamin B6 kann CBS aus Serin und Homocystein (Homocystein, Hcy) Cystathionin synthetisieren. Als Schlüsselenzym, das den Hcy‑Spiegel beeinflusst, spielt CBS eine zentrale Rolle im Stoffwechselweg der Umwandlung von Hcy zu Cystathionin. Dieses Enzym wird im Rahmen der Enzym‑Cycling‑Methodik zum Nachweis von Homocystein im Blut eingesetzt.

Abbildung 1. Struktur der Cystathionin‑β‑Synthase (CBS).

Funktionen

Der Katabolismus schwefelhaltiger Aminosäuren spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Käsearomas. Es wird angenommen, dass Cystathionin‑β‑Lyase (CBL) während der Reifung zur Bildung flüchtiger Schwefelverbindungen (volatile sulfur compounds, VSC) wie Methylmercaptan und Dimethyldisulfid beiträgt. Die Rolle von CBL bei der VSC‑Bildung im Katabolismus spezifischer schwefelhaltiger Aminosäuren ist jedoch unklar. Cystathionin‑β‑Lyase (CBL) ist ein Pyridoxal‑5′‑phosphat(PLP)‑abhängiges Enzym, das aus Lactococcus lactis gereinigt und kloniert wurde. CBL ist an der α,β‑Eliminierung von Cystathionin beteiligt und bildet dabei Homocystein, Pyruvat und Ammoniak. CBL aus Lactococcus lactis kann zudem die Umwandlung von Methionin zu Methylmercaptan katalysieren. Im Vergleich zu Wildtyp‑Stämmen wurde gezeigt, dass CBL‑Überexpressionsvarianten von Lactococcus lactis bei Verwendung von Methionin als Substrat mehr VSC produzieren, was auf einen möglichen Mechanismus zur Steigerung der VSC‑Produktion in Käse hindeutet. Dieses Verfahren könnte jedoch insbesondere für die Anwendung von Lactobacillus‑Stämmen mit metabolischer Aktivität während der Käsefermentation von größerem Wert sein. Die Rolle von CBL sowie die katabolen Stoffwechselwege, die für die Bildung von VSC aus schwefelhaltigen Aminosäuren/Derivaten verantwortlich sind, sind in Lactobacillus bislang nicht ausreichend charakterisiert.

Nebenwirkungen

Cystathionase wird mit dem Auftreten eines zerebralen Infarkts in Verbindung gebracht. Die Cystathionin‑β‑Synthase ist ein Schlüsselenzym des Homocystein‑Metabolismus, und ihre genetische Mutation ist kein potenzieller genetischer Kandidat für einen zerebralen Infarkt. Die Beziehung zwischen dem Polymorphismus des Cystathionin‑β‑Synthase(CBS)‑Gens und Typ‑2‑Diabetes ist eines der Schlüsselenzyme des Cystathionase‑Metabolismus.

Bedeutung

Cystathionin‑β‑Lyase katalysiert die Bildung von Homocystein, dem direkten Vorläufer von Methionin. Methionin ist eine essenzielle Aminosäure für Bakterien und wird für die Proteinsynthese sowie die Synthese von S‑Adenosylmethionin benötigt; daher stehen Aminosäuren in direktem Zusammenhang mit der DNA‑Replikation. Aufgrund ihrer Notwendigkeit für die DNA‑Replikation ist die Hemmung der Cystathionin‑β‑Lyase ein attraktives Ziel für Antibiotika. Darüber hinaus kommt dieses Enzym im menschlichen Körper nicht vor, wodurch die Wahrscheinlichkeit unerwünschter, schädlicher Nebenwirkungen reduziert wird. Studien haben die antimykotische Aktivität mehrerer Antimykotika mit der Hemmung der Cystathionin‑β‑Lyase in Verbindung gebracht. Andere Studien konnten jedoch keine hemmende Wirkung dieser Wirkstoffe auf das Enzym beobachten. Eine weiterführende Untersuchung der hemmenden Wirkung von Cystein auf die β‑Lyase ist von umfassender Bedeutung für das Wachstum von Mikroorganismen und Pilzen.

Referenz