Sulfite-Oxidase

Sulfite-Oxidase (EC 1.8.3.1) ist ein homodimeres Metallenzym, das im Intermembranraum der Mitochondrien aller Eukaryoten lokalisiert ist. Es gehört zu den Cytochromen b5 und zur Enzym-Superfamilie der Molybdän-Oxotransferasen. Jede Untereinheit der Sulfite-Oxidase besteht aus einer Hämgruppe und einer Molybdopterin-bindenden Domäne. Der Molybdopterin-Kofaktor ist entscheidend für das Enzym, da das Molybdän-Zentrum als aktives Zentrum fungiert und den Elektronentransport gewährleistet. Sulfite-Oxidase katalysiert die Zwei-Elektronen-Oxidation des schädlichen Sulfits zu Sulfat mit Sauerstoff und/oder hämkoordinierten Eisenionen als dem letzten Elektronenakzeptor, was den letzten Schritt im oxidativen Stoffwechsel von schwefelhaltigen Verbindungen wie den schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin darstellt. Das erzeugte Sulfat wird schließlich ausgeschieden. Die während dieses Verfahrens erzeugten Elektronen werden über Cytochrom c in die Elektronentransportkette übertragen, was die ATP-Produktion durch oxidative Phosphorylierung ermöglicht. Bei Säugetieren wird die Sulfite-Oxidase aktiv in Niere, Leber und Herz exprimiert, während nur sehr wenig in Gehirn, Milz, Blut und Skelettmuskulatur nachgewiesen werden kann. Punktmutationen in der Sulfite-Oxidase und Defekte in der Biosynthese des Molybdän-Kofaktors können letztendlich zu einer tödlichen genetischen Erkrankung, der Sulfite-Oxidase-Defizienz, führen.

Struktur

Sulfite-Oxidase, die aus verschiedenen Quellen isoliert wurde, hat ein Molekulargewicht im Bereich von 101-110 kDa. Als Homodimer besteht die Sulfite-Oxidase aus zwei identischen Untereinheiten mit einer N-terminalen Domäne und einer C-terminalen Domäne, die durch eine Schleife aus zehn Aminosäuren 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 bietet ein Molybdän-Zentrum, das an ein Schwefelatom aus Cystein, ein Ene-Dithiolaten aus Pyranopterin und zwei terminale Sauerstoffatome gebunden ist. Die katalytische Oxidation von Sulfit findet am Molybdän-Zentrum statt.

Abbildung 1. Dreidimensionale Struktur der Sulfite-Oxidase.

Aktionsmechanismus

Das aktive Zentrum der Sulfite-Oxidase unterstützt Molybdän, um seinen höchsten Oxidationszustand, Mo⁶⁺, zu zeigen. Wenn das Enzym in einem oxidierten Zustand bleibt, ist Molybdän mit einem Cystein-Thiolat, der Dithiolene-Gruppe des Molybdopterins und zwei terminalen Sauerstoffatomen koordiniert. Bei der Reaktion mit Sulfit wird ein Sauerstoffatom mit Sulfit kombiniert, um Sulfat zu erhalten, und das Molybdän-Zentrum wird folglich durch zwei Elektronen zu Mo⁴⁺ reduziert. Der intramolekulare Elektronentransfer von Mo⁴⁺ zu Fe³⁺ führt zu Fe²⁺ und Mo⁵⁺. Dann bewegt die photochemische Reduktion eines einzelnen Elektrons Fe²⁺ zum äußeren Cytochrom und erzeugt Fe³⁺. Der Austausch von Sulfat durch Wasser und die Entfernung von zwei Protonen (H⁺) und zwei Elektronen (e⁻) ermöglichen es dem aktiven Zentrum, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Ein charakteristisches Merkmal dieses Sauerstoffatom-übertragenden Enzyms ist, dass das übertragene Sauerstoffatom aus Wasser stammt, nicht aus molekularem O₂. Tryptophan ist eine entscheidende Aminosäure in diesem Enzym, da es eine wichtige Rolle im Elektronentransfer spielt. Es wird vorgeschlagen, dass der mehrstufige Elektronentunnel hilfreich ist, um die Ladungstransferraten zu erhöhen, wobei redoxaktive Aminosäure-Seitenketten als Zwischen-Donoren oder -Akzeptoren fungieren.

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

Biologische Bedeutung

In allen Organismen sind Sulfite-Oxidasen von großer Bedeutung für die Zellentgiftung, indem sie Sulfit, eine starke nucleophile, reduzierende und schädliche Verbindung, zu einer harmloseren Form, Sulfat, oxidieren. Alle lebenden Zellen sind exogenen Umweltsulfiten ausgesetzt, die aus dem Schadstoff Schwefeldioxid stammen, der durch einige geologische und industrielle Prozesse sowie einige andere Prozesse erzeugt wird. Sulfit kann auch intrazellulär als Stoffwechselprodukt organischer Schwefelverbindungen, wie schwefelhaltigen Aminosäuren, akkumuliert werden. Daher bieten Sulfite-Oxidasen einen robusten Schutz gegen Schäden durch sowohl exogenes als auch endogenes Sulfit. In Organismen, die einen mixotrophen, heterotrophen, chemolithoautotrophen und phototrophen Wachstumsstil zeigen, ist die Oxidation von elementarem Schwefel über Sulfite-Oxidase eine der energieertragreichsten Reaktionen. Tatsächlich fungiert elementarer Schwefel als Elektronendonor in aeroben und fakultativ aeroben Archaeen, wo er über Sulfit und Thiosulfat in einem Weg oxidiert wird, der Sulfit:Akzeptor-Oxidasen impliziert und kürzlich als mit der aeroben Atmungskette assoziiert nachgewiesen wurde, was auf eine potenzielle Verbindung zwischen Sauerstoffreduktion und Schwefeloxidation hinweist.

Sulfite-Oxidase-Defizienz

Sulfite-Oxidase ist entscheidend für den Abbau der schwefelhaltigen Aminosäuren Cystein und Methionin in Lebensmitteln. Der Mangel an funktioneller Sulfite-Oxidase führt zu einer Erkrankung, die als Sulfite-Oxidase-Defizienz bezeichnet wird, eine seltene autosomal vererbte Störung des normalen Stoffwechsels von sulfatierten Aminosäuren. Die Sulfite-Oxidase-Defizienz resultiert aus einem genetischen Defekt, der das Fehlen eines Molybdopterin-Kofaktors und Punktmutationen im Enzym verursacht. Personen, die von dieser Krankheit betroffen sind, zeigen häufig im Neugeborenenalter charakteristische dysmorphe Merkmale, tiefgreifende geistige Behinderungen, neurologische Störungen, körperliche Deformitäten, Gehirnabbau und schließlich den Tod.

Referenz