Sulfitoxidase

Sulfitoxidase (EC 1.8.3.1) ist ein homodimeres Metalloenzym, das im Intermembranraum der Mitochondrien aller Eukaryoten lokalisiert ist. Es ist ein Mitglied der Cytochrome b5 und gehört zudem zur Enzym-Superfamilie der Molybdän-Oxotransferasen. Jede Untereinheit der Sulfitoxidase besteht aus einer Hämgruppe und einer Molybdopterin-bindenden Domäne. Der Molybdopterin-Kofaktor ist für das Enzym essenziell, da das Molybdänzentrum als aktives Zentrum fungiert und den Elektronentransport gewährleistet. Sulfitoxidase katalysiert die Zwei-Elektronen-Oxidation des schädlichen Sulfits zu Sulfat, wobei Sauerstoff und/oder hämkoordiniertes Eisen als finaler Elektronenakzeptor dient; dies stellt den letzten Schritt im oxidativen Metabolismus schwefelhaltiger Verbindungen wie der schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin dar. Das gebildete Sulfat wird schließlich ausgeschieden. Die dabei entstehenden Elektronen werden über Cytochrom c in die Elektronentransportkette übertragen und ermöglichen die ATP-Bildung durch oxidative Phosphorylierung. Bei Säugetieren wird Sulfitoxidase vorwiegend in Niere, Leber und Herz exprimiert; im Gehirn, in der Milz, im Blut und in der Skelettmuskulatur sind nur sehr geringe Mengen nachweisbar. Punktmutationen in der Sulfitoxidase sowie Defekte in der Biosynthese des Molybdän-Kofaktors können letztlich zu einer letalen genetischen Erkrankung führen, der Sulfitoxidase-Defizienz.

Struktur

Aus unterschiedlichen Quellen isolierte Sulfitoxidase weist ein Molekulargewicht im Bereich von 101–110 kDa auf. Als Homodimer besteht Sulfitoxidase aus zwei identischen Untereinheiten mit einer N-terminalen und einer C-terminalen Domäne, die durch eine Schleife aus zehn Aminosäuren miteinander verbunden sind. Die kleinere N-terminale Domäne enthält einen b5-Cytochrom-Kofaktor mit fünf Alpha-Helices und drei benachbarten antiparallelen Beta-Faltblättern. Die größere C-terminale Domäne beherbergt einen Molybdopterin-Kofaktor, der von drei Alpha-Helices und dreizehn Beta-Faltblättern umgeben ist. Der Molybdopterin-Kofaktor stellt ein Molybdänzentrum bereit, das an ein Schwefelatom aus Cystein, ein Enedithiolat aus Pyranopterin sowie zwei terminale Sauerstoffatome gebunden ist. Die katalytische Oxidation von Sulfit findet am Molybdänzentrum statt.

Abbildung 1. Dreidimensionale Struktur der Sulfitoxidase.

Wirkmechanismus

Das aktive Zentrum der Sulfitoxidase stabilisiert Molybdän in seiner höchsten Oxidationsstufe, Mo⁶⁺. Im oxidierten Zustand ist Molybdän mit einem Cystein-Thiolat, der Dithiolengruppe des Molybdopterins und zwei terminalen Sauerstoffatomen koordiniert. Bei der Reaktion mit Sulfit wird ein Sauerstoffatom mit Sulfit zu Sulfat verknüpft, und das Molybdänzentrum wird infolgedessen durch Aufnahme von zwei Elektronen zu Mo⁴⁺ reduziert. Ein intramolekularer Elektronentransfer von Mo⁴⁺ zu Fe³⁺ führt zur Bildung von Fe²⁺ und Mo⁵⁺. Anschließend überträgt eine photochemische Ein-Elektronen-Reduktion das Elektron von Fe²⁺ auf das externe Cytochrom und regeneriert Fe³⁺. Die Verdrängung von Sulfat durch Wasser sowie die Abgabe von zwei Protonen (H⁺) und zwei Elektronen (e⁻) ermöglichen die Rückkehr des aktiven Zentrums in seinen Ausgangszustand. Ein charakteristisches Merkmal dieses Sauerstoffatom-übertragenden Enzyms ist, dass das übertragene Sauerstoffatom aus Wasser stammt und nicht aus molekularem O₂. Tryptophan ist in diesem Enzym eine entscheidende Aminosäure, da es eine wesentliche Rolle beim Elektronentransfer spielt. Es wird angenommen, dass mehrstufiges Elektronentunneln zur Erhöhung der Ladungstransferraten beiträgt, wobei redoxaktive Aminosäureseitenketten als intermediäre Donoren oder Akzeptoren fungieren.

Abbildung 2. Katalytischer Mechanismus der Sulfitoxidase. (D'Errico G; et al. 2006)

Biologische Bedeutung

In allen Organismen sind Sulfitoxidasen für die zelluläre Detoxifikation von großer Bedeutung, indem sie Sulfit – eine stark nukleophile, reduzierende und schädliche Verbindung – zu der weniger toxischen Form Sulfat oxidieren. Alle lebenden Zellen sind exogenem, umweltbedingtem Sulfit ausgesetzt, das aus dem Schadstoff Schwefeldioxid stammt, welcher durch bestimmte geologische und industrielle Prozesse sowie weitere Prozesse entsteht. Sulfit kann sich zudem intrazellulär als Stoffwechselprodukt beim Abbau organischer Schwefelverbindungen, wie schwefelhaltiger Aminosäuren, anreichern. Sulfitoxidasen bieten daher einen robusten Schutz vor Schädigungen durch exogenes wie auch endogenes Sulfit. In Organismen mit mixotrophen, heterotrophen, chemolithoautotrophen und phototrophen Wachstumsformen ist die Oxidation von elementarem Schwefel über Sulfitoxidase eine der energieergiebigsten Reaktionen. Tatsächlich dient elementarer Schwefel in aeroben und fakultativ aeroben Archaeen als Elektronendonor; er wird über Sulfit und Thiosulfat in einem Stoffwechselweg oxidiert, der Sulfit:Akzeptor-Oxidasen einbezieht, und es konnte kürzlich gezeigt werden, dass dieser Prozess mit der aeroben Atmungskette assoziiert ist, was auf eine potenzielle Kopplung zwischen Sauerstoffreduktion und Schwefeloxidation hinweist.

Sulfitoxidase-Defizienz

Sulfitoxidase ist essenziell für den Abbau der schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin aus der Nahrung. Das Fehlen funktioneller Sulfitoxidase führt zu einer Erkrankung, die als Sulfitoxidase-Defizienz bezeichnet wird; hierbei handelt es sich um eine seltene autosomal vererbte Störung des physiologischen Stoffwechsels sulfathaltiger Aminosäuren. Die Sulfitoxidase-Defizienz ist auf einen genetischen Defekt zurückzuführen, der zum Fehlen eines Molybdopterin-Kofaktors sowie zu Punktmutationen im Enzym führt. Betroffene manifestieren sich am häufigsten im Neugeborenenalter mit charakteristischen dysmorphen Merkmalen, schwerer geistiger Behinderung, neurologischen Störungen, körperlichen Fehlbildungen, neurodegenerativen Veränderungen des Gehirns und letztlich Tod.

Literatur