Phosphatase

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Einführung

Phosphatasen sind Enzyme, die das jeweilige Substrat dephosphorylieren können, d. h. die Phosphatgruppe durch Hydrolyse eines Phosphatmonoesters vom Substratmolekül abspalten und dabei ein Phosphat-Ion sowie eine freie Hydroxylgruppe erzeugen. Die Funktion von Phosphatasen steht damit im Gegensatz zu der von Kinasen, also Phosphorylasen, die unter Nutzung energiereicher Moleküle wie ATP Phosphatgruppen an entsprechende Substratmoleküle übertragen können. Eine in vielen Organismen häufig vorkommende Phosphatase ist die alkalische Phosphatase.

Abbildung 1. Struktur von Phosphatasen.

Saure Phosphatase

Die Induktion und Sekretion saurer Phosphatasen ist eine der wichtigen adaptiven Reaktionen von Pflanzen auf eine phosphorarme Umgebung. Saure Phosphatasen können Phosphatgruppen aus unterschiedlichen organophosphorhaltigen Substraten hydrolysieren, sodass diese von der Pflanze aufgenommen und verwertet werden können. Die meisten pflanzlichen sauren Phosphatasen weisen keine ausgeprägte Substratspezifität auf und können Substrate wie RNA, DNA, 3-Phosphoglycerat und Hexosephosphate hydrolysieren. Die Sekretion saurer Phosphatasen ist eine verbreitete Anpassungsreaktion auf Phosphormangelstress bei Pflanzen; diese adaptive Veränderung ist zudem das Ergebnis einer koordinierten Expression von Genen der Phosphormangelantwort, deren Genprodukte die Phosphoraufnahme, -translokation und effiziente Nutzung durch direkte oder indirekte Wirkmechanismen fördern.

Abbildung 2. Saure Phosphatase.

Alkalische Phosphatase

Die alkalische Phosphatase ist eine unspezifische Phosphatmonoesterase, die die Hydrolyse nahezu aller Phosphatmonoester katalysiert und dabei anorganisches Phosphat sowie die entsprechenden Alkohole, Phenole, Zucker usw. bildet. Sie kann auch die Übertragung von Phosphatgruppen katalysieren und ist in E. coli eine phosphitabhängige Hydrogenase. AP kommt in nahezu allen Organismen außer höheren Pflanzen vor und kann direkt am Phosphorstoffwechsel beteiligt sein; sie spielt eine Rolle bei der Verdauung, Resorption, Sekretion sowie bei der Knochenmineralisation von Calcium und Phosphor. Sie ist von wesentlicher Bedeutung für die Verdauung, Aufnahme und Sekretion von Calcium und Phosphor sowie für den Prozess der Ossifikation.

Abbildung 3. Alkalische Phosphatase.

Biologische Funktion

Phosphatasen wirken der durch Kinasen vermittelten Phosphorylierung entgegen. Phosphorylierung kann zur Aktivierung oder Inaktivierung eines Enzyms führen oder Protein-Protein-Interaktionen auslösen (z. B. über die SH2-Domäne). Daher sind Phosphatasen für die Regulation des Phosphorylierungsstatus in zahlreichen Signaltransduktionswegen erforderlich. Phosphorylierung bzw. Dephosphorylierung entspricht jedoch nicht zwingend einer Aktivierung oder Hemmung; einige Enzyme besitzen mehrere Phosphorylierungsstellen, die an der Regulation von Aktivierung oder Inhibition beteiligt sind. Beispielsweise weist die Cyclin-abhängige Kinase (CDK) mehrere spezifische Aminosäurereste auf, die phosphoryliert werden können; Aktivierung oder Inhibition korreliert dabei mit der Phosphorylierung unterschiedlicher Reste. Die Bedeutung von Phosphat für die Signalübertragung beruht auf seiner Fähigkeit, die Funktion des gebundenen Proteins zu modulieren; die Entfernung des Phosphats bewirkt den gegenteiligen Effekt (ist Phosphorylierung aktivierend, ist Dephosphorylierung inhibierend). In diesem Kontext kommt Phosphatasen eine zentrale Rolle zu.

Katalytischer Mechanismus

Cysteinabhängige Phosphatasen katalysieren die Spaltung von Phosphatbindungen über die Bildung eines Phosphat-Cystein-Intermediats im folgenden Prozess (als Beispiel dient die Dephosphorylierung von Tyrosin). Zunächst greift die freie nukleophile Cystein-Gruppe im aktiven Zentrum des Enzyms das Phosphoratom der Phosphatgruppe an und bildet eine Bindung. Anschließend nimmt die P–O-Bindung, die die Phosphatgruppe mit dem Tyrosin verbindet, ein Proton auf, das von einer geeignet positionierten sauren Aminosäure (z. B. Asparaginsäure) oder einem Wassermolekül bereitgestellt wird, und wird protoniert; dadurch entsteht ein Phosphat-Cystein-Intermediat. Dieses Intermediat wird durch ein weiteres Wassermolekül hydrolysiert, das aktive Zentrum wird wieder freigesetzt und kann die nächste Dephosphorylierungsreaktion katalysieren. Das aktive Zentrum von Metallphosphatasen bindet zwei für die Katalyse erforderliche Metallionen. Die Ergebnisse von Untersuchungen zur Identität dieser beiden Metallionen sind bislang uneinheitlich und daher nicht abschließend. Die vorliegenden Evidenzen deuten lediglich darauf hin, dass es sich um beliebige Kombinationen aus Magnesium, Mangan, Eisen und Zink handeln kann und dass die beiden Metallionen über ein Hydroxid-Ion verknüpft sind. Dieses Hydroxid-Ion gilt derzeit als an dem nukleophilen Angriff auf das Phosphoratom beteiligt.