Cyclooxygenasen
| Cyclooxygenasen | ||
|---|---|---|
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| Cyclooxygenase-2dimer,PDB1CVU | ||
| Enzymklassifikation | ||
| EC, Kategorie | 1.14.99.1,Dioxygenase | |
| Substrat | Arachidonsäure+ AH2+ 2 O2 | |
| Produkte | Prostaglandin-H2+ A + H2O | |
Cyclooxygenasen(COX), auchProstaglandinsynthasen(PTGS), sind die wesentlichenEnzymeam Anfang einerProstaglandinsynthese aus derArachidonsäure,Dihomogammalinolensäure(DGLA) oderEicosapentaensäure(EPA). Da dieser erste Schritt geschwindigkeitsbestimmend ist, haben die COX eine zentrale Funktion in der Regulation desEntzündungsgeschehens;sie werden durchNichtsteroidale Antiphlogistikagehemmt.
Cyclooxygenasen sind im Inneren desEndoplasmatischen Retikulums,innerhalb derKernhülleund imGolgiapparatlokalisiert und haften den Innenseiten der Membranen dieserZellkompartimentean. Sie kommen in Zellen von Tieren seit der frühen Entwicklung derwirbellosen Tierevor, z. B. schon in Zellen derKoralle,nicht jedoch in einzelligen Organismen, Pflanzen oder Insekten. Hier kommen jedoch verwandte Enzyme aus der übergeordneten Familie derPathogen-induzierbaren Oxygenasen(PIOXs) vor.
Es gibt bereits sehr früh in der Evolution der Cyclooxygenasen zweiIsoenzyme,dieCyclooxygenase-1und dieCyclooxygenase-2,die sich durch ihrenGenlocusunterscheiden, eine leicht unterschiedliche Struktur haben, in verschiedenen Zelltypen vorkommen, unterschiedlich reguliert werden, eine unterschiedlicheSubstratspezifitätzeigen und pharmakologisch unterschiedlich beeinflussbar sind.
Geschichte der Erforschung
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Prostaglandinezählen zu denEicosanoidenund sind seit den 1930er Jahren bekannt. In den 1970er Jahren wurden erstmals Cyclooxidasen ausGewebehomogenatenderSamenblasenvon Rindern und Schafen gereinigt hergestellt und als die Enzyme der Prostaglandinsynthese mit Cyclooxygenase- und Peroxidaseaktivität erkannt. 1971 konnte demonstriert werden, dass damals schon gebräuchlicheNichtsteroidale Antiphlogistikadie Cyclooxygenaseaktivität hemmen. Ab 1972 wurde aufgrund unterschiedlicher Kinetiken der Enzymreaktionen spekuliert, dass es mehr als eine Cyclooxygenase geben müsse.
Die Proteinstrukturen derCyclooxygenase-1und derCyclooxygenase-2wurden in den 1990er Jahren sequenziert und in ihrerTertiär-undQuartärstrukturaufgeklärt und führten zur Entwicklung weiterer diese Enzyme beeinflussenden Medikamente.
Die ersten Cyclooxygenase-2 selektiven Inhibitoren waren 1999 auf dem Markt.
Ferner fand in den frühen 1990er Jahren einParadigmenwechselin der Prostaglandinforschung statt, als erkannt wurde, dass die Regulation der Cyclooxygenasen den wesentlichen Kontrollpunkt in der Prostaglandinsynthese darstellt (vorher hatte man gedacht, dass dies diePhospholipasenseien, welche u. a. Arachidonsäure bilden).[1]
Struktur
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Cyclooxygenasen sind globuläre Proteine mit ca. 600 Aminosäuren. Sie haben eine Molare Masse von 67 bis 72kDa,sind zu 65 % gleich in ihrerAminosäurensequenzund haben nahezu identischeaktive Zentren.Sie fügen sich je zu zweiDimerenzusammen. Mit einerhydrophobenRegion schwimmen sie auf oder in den Innenseiten dermikrosomalenMembranen z. B. des Endoplasmatischen Retikulums. Diese membranbindende Region bildet eine ebenfalls hydrophobe, enge Öffnung in einen blind endenden Kanal zu dem aktiven Zentrum mit der Cyclooxygenaseaktivität. Dieser Kanal ist in der Cyclooxygenase-1 enger als in der Cyclooxygenase-2 (durch einen Austausch an Position 523 vonIsoleucininValin).
Im inneren Teil des Kanals befindet sich (an Position 385) einTyrosin,welches zu einem Tyrosyl-Radikalaktiviert wird, bevor die Cyclooxygenasen ihre eigentliche Reaktion ausführen können. Dies geschieht mit Hilfe der Peroxidaseaktivität der Cyclooxygenasen, welche in einem anderen aktiven Zentrum (an der der Membran des Endoplasmatischen Retikulums gegenüberliegenden Seite des Enzyms) liegt. Hier wird zunächst mit Hilfe von im Endoplasmatischen Retikulum vorkommendenOxidantienanHämgebundenesFe3+zu einem Ferryl-Oxo-Porphyrin-Radikal (Fe4+=O•) oxidiert, welches dann einElektronvom Tyrosin-OH im Zentrum der Cyclooxygenaseaktivität abzieht und so das aktive Radikal Tyrosyl-O•bildet. (Genaueres siehe Seite 400 und 401 bei Simmons et al.[1]).
Funktion
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Die Cyclooxygenasen katalysieren die Umwandlung vonArachidonsäurezuProstaglandin-H2,bzw. auch derDGLAundEPAzu den entsprechenden Vorläufern der PG1und PG3.Dies geschieht in zwei Schritten in zwei unterschiedlichen Reaktionszentren des Enzyms:
- Der erste Reaktionsschritt findet im oben beschriebenen katalytischen Zentrum mit der Cyclooxygenaseaktivität statt. Dabei wird ein Ringschluss zwischen den Kohlenstoffatomen C8und C12erreicht sowie zwei Sauerstoffatome an C9und C11eingefügt, die anschließend einekovalente Bindungmiteinander eingehen, so dass eine Peroxidbrücke imProstaglandin-G2entsteht (genaueres siehe in[1]). Das entstandene Prostaglandin-G2diffundiert aus dem Kanal heraus.
- Der zweite Reaktionsschritt wird durch das Reaktionszentrum mit Peroxidaseaktivität katalysiert: hier wird das Prostaglandin-H2aus dem Prostaglandin-G2gebildet.
Aus dem entstandenenProstaglandin-H2werden dann teilweise durch spontaneIsomerisation,teils mit Hilfe verschiedenerSynthasenoderOxidasendie unterschiedlichen anderenProstaglandinesynthetisiert.
Die Cyclooxygenasen sind aber bei derProstaglandinbildungder geschwindigkeitsbestimmende Schritt, sie haben so eine zentrale Stellung in der Regulation des Entzündungsgeschehens. Sie haben eineHalbwertzeitvon 1–2 Minuten, wenn sieArachidonsäurein einer Konzentration ausgesetzt sind, die zu maximaler Auslastung des Enzyms führen.
Unterformen (Isoenzyme)
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Es gibt zwei Unterformen der Cyclooxygenasen. Sie haben sich früh in der Evolution der wirbellosen Tiere durchGenduplikationvoneinander getrennt und gehen seither ihre eigenen evolutionären Wege. Sie haben 65 % der Aminosäuresequenzen gemeinsam, katalysieren dieselbe enzymatische Reaktion, finden sich aber im Organismus unterschiedlich verteilt und reguliert. Ein wichtiger Unterschied zwischen derCyclooxygenase-1und derCyclooxygenase-2ist der Austausch an Position 523 von Isoleucin gegen Valin, welches das aktive Zentrum der Cyclooxygenase-2 etwas größer macht und dort auch etwas sperrigere Substrate außer Arachidonsäure oxidieren kann. Dies ist zum Beispiel fürEndocannabinoidewie zum BeispielAnandamidmöglich (siehe Seite 399 von[1]). Ein weiterer Unterschied ist die vielfache Regulation der Transkription der Cyclooxygenase-2, die vor allem durch Entzündungsprozesse und andere Bedingungen der Zellaktivierung induziert wird.
Von der Cyclooxygenase-1 ist 2002 eineSplicing-Variante alsCOX-3beschrieben worden.[2]Dabei wird vom selben Gen, dem PTSG1, einIntronweniger exprimiert. Dies führt beim Hund durch Auslassung von 93Basenpaarengenau zu einer enzymatisch aktiven Cyclooxygenase mit 31Aminosäurenweniger. Aber durch eine Frameshift-Mutationist das nicht exprimierte Intron bei Mäusen und Menschen 94 Basenpaare lang und daraus ergibt sich eine gänzlich andere Proteinstruktur, die keine Cyclooxygenase-Aktivität aufweist. Über diese beiden Formen hinaus sind weitere neun Splicing-Varianten beschrieben.[3]
COX-Inhibitoren
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- Weil bei einer Hemmung der Cyclooxygenase mehr Arachidonsäure für denLipoxygenasewegzur Verfügung steht, was die Bildung vonLeukotrienenzur Folge hat, die entzündungsverstärkend undanaphylaxieverstärkendsind, können Hemmstoffe der Cyclooxygenase einenAsthmaanfallauslösen.
- Acetylsalicylsäure(Aspirin) führt zu einer Transacetylierung am Serin in Position 530 im katalytischen Zentrum der Cyclooxygenase, die das Enzym funktionsunfähig macht, bis es wieder neu gebildet wird. DieCyclooxygenase-1ist hierfür 10–100 mal sensitiver als dieCyclooxygenase-2.[1]
- Acetylsalicylsäure wird als Thrombozytenaggregationshemmer mit einer Standarddosierung von 100 mg gegeben. Der Wirkmechanismus beruht auf der irreversiblen Hemmung der Cyclooxygenase-1. Die thrombozytenaggregationshemmende Wirkung hält wesentlich länger an, als die ebenso COX-1 vermittelte Hemmung der Prostacyclinsynthese im Endothel. Das liegt daran, dass Thrombozyten keinen Zellkern mehr besitzen und somit kein neues Enzym für die Synthese von Thromboxan A2 produzieren können. Somit ist die Thrombozytenaggregation erst wieder möglich, sobald neue Plättchen entstanden sind.[4]
- Kompetitiv wirkendeNSAIDskonkurrieren im Cyclooxygenasezentrum um die Bindungsstelle für dieArachidonsäure.Ibuprofenbindet hierbei sehr schnell und wird auch schnell wieder ausgewaschen.DiclofenacoderIndometacinhaben ein trägeres Bindungsverhalten.
- SelektiveCOX-2-Hemmerhemmen vor allem die Aktivität derCyclooxygenase-2(Näheres siehe dort).
- Analgetische/antipyretische Substanzen wieParacetamoloderMetamizolsind wichtige Medikamente bei Schmerz und Fieber ohne antiinflammatorische Eigenschaften. Der Mechanismus und die Bedingungen ihrer eher schwachen Hemmung der Cyclooxygenasen sind noch unerforscht.[1]
Behandlung entzündlicher Erkrankungen
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]NSAIDswerden zurzeit als Medikamente der ersten Wahl zur Behandlung derOsteoarthritis,desRheuma,dessystemischen Lupus erythematodes(SLE) und anderer entzündlicher Erkrankungen genutzt. Die Behandlung ist meistens palliativ und ändert nicht den Krankheitsverlauf. NSAIDs hemmen die Entzündung und reduzieren den Schmerz.
Siehe auch
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]Einzelnachweise
[Bearbeiten|Quelltext bearbeiten]- ↑abcdefSimmons, D.L.et al.(2004):Cyclooxygenase isozymes: the biology of prostaglandin synthesis and inhibition.In: Pharmacol. Rev.Bd. 56, S. 387–437.PMID 15317910
- ↑Regina Botting:COX-1 and COX-3 inhibitors.Thrombosis Research2003, Band 110, Doppelausgabe 5–6 vom 15. Juni 2003, Seiten 269.272;doi:10.1016/S0049-3848(03)00411-0;PMID 14592546
- ↑ENSEMBL-Eintrag
- ↑R. Schüppel:Arzneimittelwirkungen. Ein Lehrbuch der Pharmakologie für Pharmazeuten, Chemiker und Biologen. Von E. Mutschler. 476 S. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart 1970. Preis DM 48,–.In:Archiv der Pharmazie.Band303,Nr.12,Januar 1970,ISSN0365-6233,S.1016–1017,doi:10.1002/ardp.19703031214.
