08.07.2009 (fjh)
Das Element Selen beschleunigt die Aktivität von Enzymen, wenn es als Bindungspartner in ihrem aktiven Zentrum vorkommt. Das schließen Biochemiker um Dr. Antonio Pierik von der Philipps-Universität und Prof. Dr. Holger Dobbek von der Universität Bayreuth aus der Struktur eines Selen-haltigen Enzyms.
Die Wissenschaftler haben ihre Forschungsergebnisse in der aktuellen Ausgabe des US-amerikanischen Forschungsmagazins "Proceedings of the National Academy
of Sciences" (PNAS) veröffentlicht.
Selen kommt als Teil der Aminosäure Selenocystein in vielen Organismen vor. Allein im menschlichen Körper findet es sich in 25 Proteinen, die an Entgiftung, Spermenbildung und Schilddrüsen-Funktion beteiligt sind.
Anders verhält es sich allerdings beim Mikroorganismus "Eubacterium barkeri", der Energie aus der Vergärung des Vitamins Nicotinat bezieht: Das hierfür zuständige Enzym NDH enthält Selen als essentielle Komponente, aber nicht im Form von Selenocystein.
Wird das Selen entfernt, so vermindert sich die biokatalytische Aktivität des Enzyms. Worauf die Bedeutung des Selens bei der Fermentation des Substrats beruht, war bisher jedoch nicht bekannt.
Pierik und Kollegen haben nun durch röntgenkristallografische Strukturaufklärung nachgewiesen, dass Selen im aktiven Zentrum des NDH als Bindungspartner des Metalls "Molybdän" auftritt. Es wirkt hier als sogenannter "Ligand" im Unterschied zum verwandten menschlichen Enzym Xanthin-Oxidase, das Schwefel anstelle des Selens enthält.
Aufgrund eines Vergleichs erschließen die Autoren, welchen Vorteil Selen an dieser Stelle bietet. Bei schwefelhaltigen Enzymen kommt es zu einer vollständigen Inaktivierung, wenn der Schwefel durch Sauerstoff ersetzt wird. Die Wissenschaftler führen das darauf zurück, dass Sauerstoff sehr viel stärker an das Metall bindet als Schwefel.
Diese Tatsache erschwert einen weiteren Reaktionsschritt, der für die Fermentation unerlässlich ist. Er besteht aus der Übertragung eines negativ geladenen Wasserstoff-Ions auf den Molybdän-Liganden.
Die Konsequenz ist einschneidend: Die Gärung kommt zum Stillstand.
Da Selen noch schwächer bindet als Schwefel, ist die Enzym-Aktivität entsprechend höher. Modellrechnungen der Autoren zufolge findet die Umsetzung bis zu 300-mal schneller statt, wenn in einer ähnlichen Reaktion Selen anstelle von Schwefel benutzt wird. Dann steigert sich die Geschwindigkeit auf mehr als 400 Reaktionen pro Sekunde.
"Diese Variationen zeigen, wie die Natur ein Motiv durch Austausch eines Liganden an unterschiedliche Substrate und Reaktivitäten anpasst", schreiben die Verfasser abschließend.
pm: Philipps-Universität Marburg
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