Anorganische Chemie für Biochemiker

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Anorganische Chemie für Biochemiker
Skriptum zur Vorlesung im 4. Semester für den Studiengang
Biochemie/Molekularbiologie
an der Universität Hamburg
Dieter Rehder
Sommersemester 2006
1. Einleitende Bemerkungen
Neben „organischen Elementen“, d.h. solchen, die am Aufbau der Biomasse beteiligt sind –
C, H, O, N, S – spielen viele „anorganische Elemente“ eine Rolle im physiologischen
Geschehen, darunter insbesondere viele Metallionen. Vergl. hierzu das Periodensystem der
biologisch und medizinisch wichtigen Elemente in Abb. 1.
Abbildung 1. Periodensystem biologisch essentieller und therapeutisch/diagnostisch wichtiger
Elemente. Farbcode: die Biomasse aufbauende Elemente, weitere essentielle Elemente,
essentiell in einigen Organismengruppen, therapeutisch/diagnostisch verwendete Elemente.
Bedeutung einiger Bioelemente (Auswahl)
Na+ und K+: wichtigste „freie“ Ionen; Regulation des osmotischen Druckes, der
Membranpotenziale, der Enzymaktivität, ...
Mg2+: Chlorophyll; anaerober Energie-„Metabolismus“ (ATP  ATP); Knochenaufbau
Ca2+: Muskelkontraktion; als Hydroxylapatit (Calciumphosphat Ca5(PO4)3(OH)) wichtiger
Bestandteil der Knochen; als Aragonit und Calcit (beides CaCO3) Gerüstsubstanz in
Muscheln, Schnecken, Korallen.
VIV/V, MoIV/VI, WIV/VI, MnII/III/IV, FeII/III, NiI/II/III, CuI/II: aktive Zentren in ElektronentransferEnzymen, Oxigenasen, Dismutasen, ...
Fe und Cu: Sauerstofftransport
FeIII: Eisenspeicherproteine (Ferritine)
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FeII + FeIII: als Magnetit (Fe3O4) in Orientierungsorganen von Bakterien, Bienen, Tauben
Co: Syntheasen und Isomerasen (Cobalamine, z.B. Vitamin-B12); Methylierungen
Zn2+: im aktiven Zentrum von Hydrolasen, Carboanhydrase, Alkoholdehydrogenase;
Zinkfinger (genetische Transskription), Stabilisierung der Tertiär- und Quartärstrukturen von
Proteinen; Reparaturenzyme
SiIV: Knochenaufbau; in Form von SiO2/Silicagelen Stützsubstanz (Pflanzen) und
Gerüstsubstanz (Kieselalgen)
PV: als Bestandteil des Hydroxylapatits im Knochen; als Phosphat Aktivierung diverser
organischer Substrate (s. z.B. ATP, NADPH, Glucosephosphat ...); als Phosphatester
Bestandteil der Zellmembran.
Se-II: als Selenocystein in einigen Enzymen (z.B. Glutathionperoxidase)
F-: als Fluorapatit (Ca5(PO4)3F) im Knochen, Zahnbein), Zahnschmelz
Cl-: neben Hydrogencarbonat wichtigstes freies Anion.
I: Bestandteil mehrerer Schilddrüsenhormone.
Medizinisch relevante Elemente (Auswahl):
Li+: Behandlung manisch Depressiver (bipolar disorder).
Gd3+: Kontrastmitteln bei der Diagnose durch kernmagnetische Resonanz.
BaSO4: Kontrastmittel bei der Röntgendiagnose im Darmtrakt.
Tc (metastabiler -Strahler): in der Radiodiagnostik
99m
PtII: z.B. als Cisplatin (cis-[Pt(NH3)2Cl2]) in der Chemotherapie von Hoden- und
Ovariarkrebs.
AuI: in der Therapie rheumatischer Arthritis.
SbIII: Behandlung von entzündlichen Hautunreinheiten.
BiIII: Behandlung von Magengeschwüren.
Ganz generell trägt die anorganischen Chemie zu Fragestellungen aus dem Bereich des
Lebens über ihr Teilgebiet „Bioanorganische Chemie“ bei. Im Rahmen der bioanorganischen
Chemie wird, oft in enger Kooperation mit Biochemikern und Medizinern, der Frage
nachgegangen, welche chemischen Eigenschaften z.B. eines bestimmten Metallions oder
eines anorganischen Moleküls (wie CO, NO, O3) eine spezifische Struktur-FunktionsWechselbeziehung generieren. Warum z.B katysiert Zink Hydrolyse-Reaktionen, während
Eisen vornehmlich Bestandteil von Redox-Enzymen ist? Warum eignet sich Platin in der
Krebstherapie, nicht aber Silber? Nicht selten steht der Wunsch im Vordergrund, natürliche
3
Abläufe, an denen Metallionen beteiligt sind, „im Reagenzglas“ nachzuvollziehen – und
letztlich industriell zu verwerten: Wie bringen es Mikroorganismen unter Verwendung von
Eisen und Molybdän (oder Vanadium) fertig, unter Normaldruck und Normaltemperatur aus
Luftstickstoff Ammoniumionen zu erzeugen (im Haber-Bosch Prozess werden hierzu Drucke
um 200 bar und Temperaturen um 500 °C benötigt)?
2. Eisen
Eisen spielt eine zentrale Rolle im biologischen Geschehen. Hierfür sind einerseits
Abundanz und das ubiquitäres Vorkommen von Eisens in der Biosphäre verantwortlich, also
dessen prinzipielle Verfügbarkeit, andererseits eine Reihe besonderer Eigenschaften:
(1) Der leicht erfolgende Übergang zwischen den Oxidationszuständen +II und +III;
(2) die Befähigung der Hexaaquaeisenionen, Protonen zu übertragen, also als
Kationensäure zu fungieren;
(3) die Tendenz zur Oligo- und Polymerisation der Aquahydroxo-Komplexe;
(4) der Wechsel zwische high-spin- und low-spin-Eisen in Ligandenfeldern mittlerer
Stärke (z.B. hämartige Eisenzentren);
(5) Flexibilität gegenüber der Ligandenart (weiche Thioliganden werden ebenso
komplexiert wie harte Sauerstoff- und Stickstoff-funktionelle Liganden), der
Koordinationszahl (3, 4, 5, 6) und Koordinationsgeometrie.
Mit durchschnittlich 5 g (bei ca. 70 kg Körpergewicht) ist Eisen das häufigste
Übergangsmetall im Organismus. 70% hiervon sind in den Sauerstofftransport/speicherProteinen Hämoglobin und Myoglobin festgelegt, annähernd 30 % in den
Eisenspeicherproteinen (Ferritine), und etwa 1 % im Eisentransportprotein Transferrin und in
zahlreichen eisenhaltigen Enzymen. Letztere kann man, wie in Abb. 2 gezeigt, auf drei
Gruppen aufteilen.
L
Hämartige
N
(z.B . C ytochrome, C atalase)
N
Fe
N
N
L
Eisen-Schwefel-Proteine
(B eispiel: [2Fe-2Fe]-Ferredoxin)
Zweieisen-Zentren
(z.B . RibonucleotidReduktase)
O/N
S
SR
SR
Fe
Fe
SR
SR
S
O
Fe
O/N
N
H
O
O
O
Abbildung 2. Gruppen eisenhaltiger Enzyme.
O/N
Fe
O/N
O
N
4
Die wässrige Eisenchemie
Das Redoxpotential für Fe2+/Fe3+ bei pH = 7 zeigt, dass Eisen(II) unter aeroben Bedingungen
zu Eisen(III) oxidiert wird:
4Fe2+ + O2 + 4H+  4Fe3+ + 2H2O + 4e-; E = -0.23 V
(bei pH 7)
vergl. 2H2O  O2 + 4H+ + 4e-; E (pH 7) = +0.82 V
NADH + H+  NAD+ + 2H+ + 2e-; E (pH 7) = -0.32 V
Hexaaquaeisen(III)-Ionen wirken als Kationsäuren:
[Fe(H2O)6]3+ + H2O  [Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+
[Fe(H2O)5(OH)]2+ + H2O  [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H3O+
[Fe(H2O)4(OH)2]+ + H2O  [Fe(H2O)3(OH)3] (= Fe(OH)3·aq) + H3O+
pKS1 = 2.2
pKS2 = 3.5
pKS3 = 6.0
Die Bildung von Eisenhydroxid (Fe(OH)3·aq) beginnt danach bereits in schwach saurem
Medium. Neben solchen Protolysereaktionen sind Kondensationsreaktionen, bei denen Oxound Hydroxo-verbrückte Aggregate entstehen, für Eisen typisch:
2[Fe(H2 O)6 ]3+
-H2O, -2H
+
H2 O
OH2
Fe
H2 O
OH2
H
O
O
H
OH2
OH2
Fe
4+
-2H
+
OH2
H2 O
OH2
2+
OH2
Fe
O
OH2
H O
O
Fe
Fe
O
HO
Fe
OH2
O
Fe
OH2
Kolloide
H2 O
OH2
OH2
Fe
Die Kondensation führt über Kolloide (Sphäroide mit einer Molmasse M von ca. 1.5·105
g/mol und einem Durchmesser von ca. 70 Å; oder Nadeln mit M = 1.9·106 und einer Länge
von 500 Å) schließlich zu schwerlöslichen Eisenoxid-Hydraten [Eisenhydroxide der
Zusammensetzung FeO(OH) (Goethit) bis 5Fe2O3·9H2O (Ferrihydrit)].
Mobilisierung von Fe3+ durch Siderophore
Die Schwerlöslichkeit von Eisenhydroxid [Löslichkeitsprodukt L = 2·10-39, Löslichkeit (pH
7) l = 10-18 mol·l-1] hat viele Organsimengruppen gezwungen, geeignete
Mobilisierungssysteme für FeIII zu entwickeln. Diese von den Zellen exkretierten so gen.
Siderophore sind mehrzähnige, anionische Liganden, die mit Fe3+ äußerst stabile Komplexe
bilden (die Komplexbildungskonstanten können, wie in den Enterobactin-Komplexen, bis zu
1050 betragen). Die funktionellen Gruppen sind in vielen Fällen Catecholate (bei den
Enterobactinen) oder Hydroxamate (bei den Ferrioxaminen und Ferrichromen). Die
Komplexe sind mehr oder weniger globulär gebaut und verfügen über eine Peripherie aus
5
hydrophilen Gruppen (Amid- und Esterfunktionen), die die Wasserlöslichkeit und den
Transport im aquatischen System gewährleisten. Das Herauslösen des Eisens aus dem
Komplex nach dessen Internalisierung – z.B. mittels Endocytose – erfolgt durch Reduktion
des Fe3+ zu Fe2+ und/oder oxidative Zerstörung des Liganden. Beispiele für zwei Klassen von
Siderophoren sind in Abb. 3 zusammengestellt.
Exkurs: Komplexe (1)
Komplexe sind in sich geschlossene Verbindungen, in deren Zentrum ein Metallion steht,
das eine definierte Anzahl von Liganden (Ionen oder Moleküldipole) in definierter
Anordnung bindet. Jeder Ligand stellt dabei ein freies e--Paar als Bindungselektonenpaar
zur Verfügung (koordinative Kovalenz; dative Bindung; Donorbindung). Stabile e-Konfigurationen für das Metall (eigene Valenzelektronen + Summe der von den Liganden
stammenden Elektronen) sind 18 oder 16 Elektronen.
M + nL  [MLn]q (M = Metall, L = Ligand, n = Anzahl der Liganden, q = Ladung)
c(MLn)
=K
c(M) cn(L)
K ist die Stabilitäts- oder Komplexbildungskonstante (sie wird groß bei stabilen
Komplexen); ihr Kehrwert wird als Zerfalls- oder Dissoziationskonstante bezeichnet.
pK = -log(K)
O
-
O
O
O
-O
HN
Catecholate
O
R
O
O
3-
NH
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
NH
O
O
-
Fe3+ -Enterobaktin-Komplex
-
O
Hydroxamate
NH
NH
N O
Ferrichrom
NH
NH
O
(CH2)3
-
R'
O
NH
O
O
O
Fe
O
-
Enterobaktin
R-C
-
-
N
O
C
O
CH3
Abbildung 3. Beispiele für Siderophore
NH
O
(CH2)3
-
O
N
O
C
O
CH3
(CH2)3
-
N
O
C
O
CH3
-
6
Exkurs: Komplexe (2)
Biologisch wichtige Liganden
NH
R = -CH2

N
-CH2
N
-H
NH
-CH2
N
-CH2
+
N
His (H)
Tyr (Y)
O
O
-(CH2)n-C
n = 1: Asp (D), n = 2 Glu (E)
O
Koordinationsmodi
(M = Metallion):
-C
O
-C
O M
Ser (S)
-(CH2)2-S
CH3
H
O
O H
Aqua
Hydroxo
O
-CH2-S
O
O M
O M
end-on
verbrückend
C ys (C )
-CH2-Se
Selenocysteinat
M et (M )
2
O-O
O-O
S
H
Oxo
-C
M
side-on
(zeizähnig,
chelatartig)
end-on
einzähnig
-CH2-O
O
Peroxo
Hyperoxo
(Superoxo)
2
Sulfido
(Thio)
N
N
N
Porphyrine
N
Eisenaufnahme, -transport und -speicherung
Eisen gelangt über die Nahrung üblicherweise als Fe3+ in den Magen-Darm-Trakt. Im
Darm erfolgt, bei intaktem Darmmilieu, Reduktion zu Fe2+. Nur in dieser Form kann Eisen
durch die Epithelzellen der Darmmucosa resorbiert werden. Für den Weitertransport ist
erneute Oxidation zu Fe3+ erforderlich. Die Oxidation Fe2+  Fe3+ in der Mucosa wird durch
ein kupferhaltiges Enzym (Ceruloplasmin; Cu+  Cu2+) katalysiert. Die Fe3+ werden sodann
vom Apotransferrin (H2Tf) aufgenommen (zugleich wird Carbonat an das Eisen koordiniert)
und über das Serum an den Ort einer potenziellen Verwendung transportiert, z.B. zum Einbau
in Hämoglobin. Hierzu muss das Eisen reduktiv (durch Ascorbat) aus dem Transferrin (Tf)
herausgelöst werden:
H2Tf + Fe3+ + HCO3-  [(Tf)FeIII(CO3)]- + 3 H+
s. Abbildung 4
[(Tf)FeIII(CO3)]- + e- + 3 H+  H2Tf + HCO3- + Fe2+
7
Fe2+ + (Protoporphyrin-IX)2- + Globin  Hämoglobin
Etwa 40 mg Fe werden täglich von Tf in das Rückenmark zur Synthese von Hämoglobin
verbracht; ca. 1 mg Fe werden täglich resorbiert; ca. 6 mg Fe werden mittels Tf aus Ferritin
mobilisiert oder dort eingebaut (s.u.). Transferrin ist ein Glycoproteid der Molmasse 80 kD
(mit ca. 6% Kohlenhydratanteil) und zwei Bindungstellen für Eisen – jeweils im C- und im Nterminalen Ende. pK bei pH 7.4: -20.2.
Ferritine sind Eisenspeicherproteine. Sie bestehen aus einer Protein-Hohlkugel
(Apoferritin) mit einem Außendurchmesser von 130 Å und einem Innendurchmesser von 70
Å. Die Innenseite der Hohlkugel (M = 450 kD, 24 Untereinheiten zu je 163 Aminosäuren) ist
mit Carboxylatfunktionen ausgekleidet, die Fe3+ koordinieren. Bis zu 4500 Fe3+ können
aufgenommen werden. Dreizählige Kanäle von 10 Å Weite gestatten den Austausch der Fe3+.
Der Eisenkern hat die Zusammensetzung 8FeO(OH)·FeO(H2PO4). Und ähnelt in seinem
Aufbau kolloiden Eisenoxidhydraten (s.o.).
NH2
Arg
HN
NH2
O
Tyr
O
O
Asp
O
O
O
Fe
N
O
Tyr
NH
His
Abbildung 4: Fe3+-Carbonat-Transferrin-Komplex
Abbildung 5. Ferritin. Links: Protein-Hohlkugel (Apoferritin) mit Carboxylatfunktionen im
Inneren; Mitte: Schematische Darstellung des Aufbaus aus Untereinheiten mit Kanälen;
rechts: Untereinheit.
8
Exkurs: Komplexe (3)
Ligandenfeldaufspaltung
[Fe(H 2O)6] 2+
Jahn-Teller-Verzerrung
Energie
[Fe(CN) 6]
2-
eg
schwache
Störung unter
Oh-Symmetrie
Störung unter
D4h-Symmetrie
starke
Störung unter
Oh-Symmetrie
t2g
sphärische
Störung
OH2
ungestört
CN
H2O
H2O
OH2
OH2
NC
NC
CN
CN
CN
OH2
Kristallfeldstabilisierungsenergie: Energiegewinn durch Einfüllen der Elektronen in energetisch stabilisierte Orbitale. Das Einfüllen von zwei Elektronen in ein Orbital erfordert
Paarungsenergie. Bei schwacher Aufspaltung (H2O) wird daher größt mögliche Multiplizität
angestrebt  high-spin Komplex. Bei starker Aufspaltung (CN-) erfolgt dagegen Paarung 
low-spin Komplex. Ungepaarte Elektronen geben Anlass zu Paramagnetismus. Abschätzung
des magnetischen Momentes µ mittel µ = n(n+2) [in den Einheiten „Bohrsche Magnetone“,
µB], n = Anzahl der ungepaarten Elektronen. s.a. Komplexe (4)
Exkurs: Komplexe (4)
Reihe der Ligandenstärke: Halogenide  {S} < {O} < {N} < CN- < NO+  CO
„hart-weich“-Prinzip (nach Pearson): harte Metallzentren (hoch geladene, z.B. Fe3+) bevorzugen
harte Liganden (d.h. stärker elektronegative, z.B. {O}), weiche Metallzentren (z. B. Cu+) dagegen
weiche Liganden, z.B. {S}. Hier gibt es allerdings viele Ausnahmen.
Chelateffekt: Stabilisierung eines Komplexes durch mehrzähnige Liganden. Der Chelateffekt ist ein
Entropieeffekt (Zunahme der Teilchenzahl):
[Fe(H2O)6]3+ + Enterobactin6-  [Fe(Enterobactin)]3- + 6H2O
9
Exkurs: Symmetrie
2
3
1
2
E
Einheitsoperation
4
1
2
C4
3
1
3
4
4
C4
2
1
4
3
3
4
C4
1
3
2
2
4
C4
1
1
C2
3
1
1
4
C2
4
2
2
3
3
1
4
(C2)2 = E
2
C2
3
1
4
C2
1
2
3
2
4
1
4
2
3
1
h
3
1
2
3
4
Drehung um zweizählige
diagonale Achse (180°)
3
Spiegelung an horizontaler Spiegelebene
1
v
4
1
4
2
v
4
2
3
1
3
4
Spiegelung
an vertikaler Spiegelebene
v)2 = E
h
C8
2
1
3
4
4
i
3
1
2
Drehspiegelung
2
i
1
3
4
4
Drehung um
zweizählige Achse
(180°)
(C2)2 = E
2
3
(C4)4 = E
Drehung um vierzählige Achse (90°)
2
2
Inversion (Punktspiegelung)
i2 = E
Die Gesamtheit der Symmetrieoperationen definiert die Symmetrie- (Punkt-)Gruppe
10
Bei unterschiedlichen Vorzeichen kann sich ein System bezüglich Inversion gerade (g)
oder ungerade (u) verhalten:.
z
+
x, y
s-Orbitale sind gerade
z
z
y
x, y
d-Orbitale sind gerade
x
dxz, dxy, dyz
dx2-y2
px, py, pz
p-Orbitale
sind ungerade
dz2
(offen: +; schraffiert: -)
3. Sauerstofftransport
Sauerstoff, in der Trockenluft zu 20.96 Vol.-% enthalten (in 100 ml Wasser von 20 °C
lösen sich 30.5 ml O2; das entspricht einer Stoffmengenkonzentration von ca. 20 mM), wird in
der Lunge vom Erythrocyten-gebundenen Hämoglobin (Hb, M = 65 kD; Abbildung 6)
aufgenommen. Simultan wird Hydrogencarbonat in Kohlensäure überführt. Die Kohlensäure
wird, katalysiert durch ein Zinkenzym (Carboanhydrase), in CO2 und H2O zerlegt:
Hb·H+ + O2 + HCO3-  Hb·O2 + H2CO3
Desoxi-Hb
Oxi-Hb
H2CO3  H2O + CO2
Nach Transport über die Blutbahn erfolgt die Übertragung des O2 auf Myoglobin (Mb) im
Gewebe. Mb hat, wie in Abbildung 6 gezeigt, eine höhere Affinität zu O2 als Hb.
Abbildung 6. Links: Schematischer Aufbau des Hämoglobins (Homo-Tetramer; je
Untereinheit eine Häm-Gruppierung). Myoglobin ist ein Monomer. Rechts: Affinität von
Hämoglobin und Myoglobin zu Sauerstoff. Der Sauerstoffpartialdruck am Sättigungspunkt
11
(100%) beträgt etwa 100 Torr (ca. 0.13 bar = 13 kPa). Die Kurven gelten für normalen BlutpH von 7.35. Erniedrigung des pH vermindert die Affinität.
In der Desoxiform des Hb liegt Fe2+ im high-spin Zustand vor, entsprechend einem
Paramagnetismus von vier ungepaarten Elektronen. Der Durchmesser beträgt 92 pm; das Fe2+
Ion ist damit zu groß für eine coplanare Koordination mit den vier Stickstofffunktionen des
Porphyrinliganden: es steht 40 pm unterhalb dessen Ebene in Richtung auf das proximale His.
Vergl. hierzu Abbildung 7. Diese Form bezeichnet man als T-Form (T = tensed). Bei der
Sauerstoffaufnahme geht das Eisen in den low-spin Zustand über; damit veringert sich der
Durchmesser auf 75 pm (Fe2+, keine ungepaarten Elektronen) bzw. 69 pm (Fe3+, 1
ungepaartes Elektron), und das Eisenion wandert nun in die Porphyrinebene. Hierbei wird auf
das proximale His ein Zug ausgeübt, der sich den anderen Untereinheiten vermittelt, sodass
auch deren Eisenzentren Sauerstoff aufnehmen (kooperativer Effekt): R-Form (R = relaxed).
Oxi-Hb ist diamagnetisch. Bleibt das Eisen bei der O2-Aufnahme im Zustand Fe2+, so muss
davon ausgegangen werden, dass der Sauerstoff bei der Koordination vom
(paramagnetischen) Triplettzustand in den (diamagnetische) Singulettzustand übergeht. Wenn
andererseits die Koordination von O2 im Sinne einer oxidativen Addition erfolgt (Fe2+ + O2
 Fe3+-O2-), muss es zu einer Kopplung zwischen dem ungepaarten e- am Hyperoxid und
dem ungepaarten e- des Fe3+ kommen. Die Situation beschreibt man zweckmäßig durch ein
Resonanzhybrid:
O
Fe2+
O Fe3+
O
O
Exkurs: Sauerstoff
Man unterscheidet drei Sauerstoffmodifikationen: Singulett-Sauerstoff (1O2; energiereich und
instabil, diamagnetisch), Triplett-Sauerstoff (3O2, stabil, Biradikal und damit paramagnetisch)
und O3 (Ozon; toxisch; sehr reaktiv [starkes Oxidationsmittel]).
O O
O O
1O2
3O2
O
O
O3
O
O O
O2
-
O O
O22-
Ozonaufbau in der Troposphäre (Ozonsmog): NO + O2  NO2 + O; O2 + O  O3;
NO2 + h  NO + O
Ozon in der Stratosphäre: Stratosphärisches Ozon filtert einen Großteil des (u.U. Hautkrebs
auslösenden) „harten“ (d.h. kurzwelligen) UV-Lichtes heraus:
O2 + h ( < 240 nm)  2O; O2 + O  O3
O3 + h ( < 315 nm)  O2 + O
In Gegenwart von Radikalen, z.B. NO, wird Ozon katalytisch abgebaut (Ozonloch)
NO + O3  NO2 + O2, NO2 + O  NO + O2
Auch andere Radikale katalysieren den Ozonabbau, z.B. Chloratome, die unter
stratosphärischen Bedingungen aus FCKWs [Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen] freigesetzt
werden.
Durch Reduktion von O2 können Peroxid (O22-, starkes Oxidans) und Hyperoxid (engl.:
superoxide: O2-, Radikal, starkes Oxidans) enstehen. Diese Spezies treten auch im
physiologischen Geschehen auf, und müssen zügig liquidiert werden (Peroxid durch Katalasen:
H2O2  H2O + O2; Hyperoxid durch Superoxiddismutasen: 2O2- + 2H+  H2O2 + O2).
12
Abbildung 7 (s. unten). Desoxi- und Oxiform des Hämoglobins/Myoglobins. Das zentrale
Ligandensystem, Protoporphyrin IX, ist hier ohne die charakteristischen Substituenten
gezeigt.
N
distales His
N
N
H
N
H
O
N
N
N
N
Fe
Fe
N
N
N
N
N
proximales His
N
O
N
N
Desoxi-Hb, T-Form
Oxi-Hb, R-Form
Bildung, Transport, und Zerlegung von Hydrogencarbonat
Der Sauerstoff wird letztendlich in der mitochondrialen Atmungskette (s. Kapitel 4) zu
Wasser reduziert. Die Reduktionsäquivalente entstammen organischen Verbindungen wie
Glucose, die dabei zu CO2 (und Wasser) abgebaut werden. CO2 wird gemäß CO2 + H2O 
H2CO3 enzymatisch in Kohlensäure überführt, aus der, wie oben gezeigt, mit Hb·O2 unter
Deprotonierung Hydrogencarbonat (HCO3-) entsteht. Etwa 95% des HCO3- wird aus den
Erythrocyten ausgeschleust (im Gegenzuge wird Cl- aufgenommen) und über das Blutserum
in die Lunge transportiert, wo die Rückreaktion mit Hb·H+ zu Kohlensäure erfolgt (gekoppelt
mit der O2-Aufnahme durch Hämoglobin), die sodann enzymatisch in CO2 und H2O zerlegt
wird. Das den Auf- und Abbau der Kohlensäure katalysierende Enzym ist die Carboanhydrase
(älterer Name: Kohlensäureanhydratase, engl.: carbonic anhydrase), ein Enzym der Molmasse
29.7 kD mit Zn2+ im Wirkzentrum. Zn2+ ist an drei Histidinreste koordiniert sowie an einen
Aqua- (im „resting state“) bzw, einen Hydroxoliganden (im aktiven Zustand). Der
Wirkmechanismus ist in Abbildung 8 dargelegt.
H
O
C
Zn
N
O
O
N N
(His)
H
O
O
C
O
O
O
Zn
Zn
N
N N
(His)
N N
(His)
N
N
H
O H
H
O
H2O
N
N
NH
C
Zn
N
HCO3-
N N
(His)
13
Abbildung 8. Mechanismus der Aktivierung und Protonierung von CO2 im aktiven Zentrum
der Carboanhydrase. Die weitere Protonierung von Hydrogencarbonat zu Kohlensäure
übernimmt im Enzym ein His in der Nähe des aktiven Zentrums.
Inaktivierung von Hämoglobin
Eine Sauerstoffaufnahme kann natürlich nur dann erfolgen, wenn die Position am
Eisen in Richtung auf das distale His frei ist. Kommt es, etwa mutationsbedingt, zu
Veränderungen in der Aminosäuresquenz in der Nähe des Häm-Zentrums, z.B. zum
Austausch eines Phe gegen ein Tyr (so gen. Boston-Hämoglobin), so wird diese Position
durch Koordination an den Phenolat-Sauerstoff blockiert. Auch Kohlenmonoxid blockiert Hb
(Toxizität von CO!). CO wird etwa 220mal stärker an das Fe gebunden als O2. Bereits ¼ VolPromille CO in der Atemluft blockiert ¼ des Hb. Ähnlich problematisch wirkt NO (entsteht
z.B. durch Reduktion von Nitrit).
Durch Oxidantien (Peroxid, Hyperoxid, OH-Radikale, ...) wird ständig ein Teil des
Eisens in Methämoglobin (MetHb) überführt:
Hb(Fe2+) + H2O  MetHb(Fe3+-OH) + e- + H+
Met-Hb vermag gleichfalls keinen Sauerstoff mehr aufzunehmen. Durch MethhämoglobinReduktase (Cofaktor: NADH) wird der Schaden jedoch wieder behoben.
Sauerstofftransport durch Hämocyanine und Hemerythrin
Hämocyanine sind Sauerstofftransportproteine, die in Arthropoden (Spinnen, Krebse)
und Mollusken (Schnecke, Tintenfische) vorkommen und je Untereinheit ein zweikerniges
Kupferzentrum enthalten. Die Molmassen liegen zwischen 450 kD (Arthropoden,
Untereinheiten zu 75 kD) und bis zu 9 MD, (Mollusken, Untereinheiten 50-55 kD). Der
Sauerstoff wird im Sinne einer oxidativen Addition (O2  O22-, 2Cu+  2Cu2+) reversibel
gebunden; das Peroxid koordiniert dabei side-on verbrückend; Abbildung 9a. Zwischen den
beiden Typen von Hämocyaninen besteht nur im Bereich der Cu-Bindungszentren
weitgehende Sequenzhomologie.
I
HN
N
Cu
N
NH
I
Cu
N
N
N
N
NH
HN
NH
HN
NH
N
II
+ O2
- O2
N
NH
HN
N
O
Cu
N
II
Cu
NH
N
O
N
NH
NH
Abbildung 9a. Reversible Aufnahme/Abgabe von Sauerstoff durch Hämocyanine.
Ein weiteres Sauerstofftransportprotein, dessen sich einige niedere Würmer bedienen,
ist das Hämerythrin (Abbildung 9b) mit einer Molmasse von 108 000 D (acht Untereinheiten
mit zwei Eisenzentren je UE), die in der sauerstofffreien Desoxiform (Fe2+) über eine OHGruppe, ein Aspartat und ein Glutamat verbrückt sind. Eines der Fe-Zentren ist zusätzlich an
3 His, das andere an 2 His gebunden. Die Sauerstoffaufnahme erfolgt am unterkoordinierten
Fe im Sinne einer oxidativen Addition: Fe2+ wird zu Fe3+; die µ-OH Gruppe wird deprotoniert
14
zur µ-O Gruppe, das Proton übertragen auf das koordinierte Peroxid, das hiermit zum
Hydroperoxid HO2- wird.
O O
2+
(His)N Fe
(His)N
(His)N
O O
3+
(His)N Fe
(His)N
O O N(His)
+ O2
Fe2+
O
N(His)
H
(His)N
O
O O N(His)
Fe3+ N(His)
O
H O
Abbildung 9b. Haemerythrin.
4. Die mitochondrielle Atmungskette
Die Bruttoreaktion kann z.B. wie folgt repräsentiert werden:
O2 + 2 (NADH + H+)  2H2O + 2 NAD+
Die Freie Reaktionsenthalpie (Reaktionsarbeit) dieser Reaktion beläuft sich auf –217 kJ/mol;
das Redoxpotenzial unter physiologischen Bedingungen beträgt 1.14 V. Die
Reduktionsäquivalente für die (4-Elektronen-)Reduktion des O2 zu Wasser entstammen
energiereichen organischen Verbindungen, typischerweise Glucose bzw. ihren
Abbauprodukten, z. B. Lactat:
H
-
H3C C CO2
OH
Lactat
+
+ NAD
-
H3C C CO2
+
+ NADH + H
O
Pyruvat
Die Reduktion des O2 verläuft schrittweise im Sinne einer Reaktionskaskade; hiermit wird
gewährleistet, dass die Reaktionsenthalpie nicht schlagartig (und damit zellschädigend) frei
wird. Die Reaktionskaskade wird als Atmungskette bezeichnet. Ort: Mitochondrien. Sie dient
der aeroben Energieerzeugung. Zum Gesamtablauf s. Abbildung 10.
15
NADH
Ferredoxin
Fe 2.5+
NAD
H
S
O
O
NH2
NH2
N
N
R
R
+
2H
Ubichinon
Fe2.25+ 4
S
Fe S
Fe S
S
S Fe
S Fe
MeO
MeO
O
Me
O
OH
Me
H2O
O2, 4H +
Cu
Fe 2.5+ 2
N
S
Fe
Fe
S
S
N
H
6-10
Cytochrom-c-Oxidase
2+
Fe 3+
S
R
R=
S
OH
Rieske-Protein
2 Fe 3+/Fe 3+ Cu2+
Cytochrom-b/c
Fe 3+
Fe 2+
L
Cu1.5+ 2 Fe 2+ /Fe 2+ Cu+
N
N
Fe
N
N
N
Abbildung 10. Reaktionskaskade der mitochondriellen Atmungskette (verkürzt).
Schritt 1: Primärer Akzeptor für die Reduktionsäquivalente (2e-) des NADH ist ein
Eisenschwefelprotein vom Typ der [4Fe,4S]-Ferredoxine (zur Systematik der FeS-Proteine s.
weiter unter). Ein solcher Eisen-Schwefelcluster vermag nur ein e- aufzunehmen bzw.
abzugeben; die Ladung ist über den gesamten Cluster delokalisiert: die mittlere
Oxidationsstufe eines Eisenzentrums beträgt +2.5 in der oxidierten und +2.25 in der
reduzierten Form.
Schritt 2: Elektronenakzeptor für das Ferredoxin ist sodann ein Chinon (so gen. Ubichinon),
ein 2e--Akzeptor. Das Chinon geht, unter gleichzeitiger Aufnahme von 2 Protonen, in
Hydrochinon über.
Schritte 3 uns 4: Ein weiteres Eisen-Schwefelprotein, das Rieske-Protein, übernimmt die
Reduktionsäquivalente, die sodann an ein Cytochrom-b (Cyt-b) und schließlich an
Cytochrom-c (Cyt-c) weitergeleitet werden. In der oxidierten Form des Rieskeproteins liegen
beide Eisenzentren in der Oxidationsstufe +III vor; in der reduzierten Form wird das von den
vier Schwefelfunktionen koordinierte Eisen in die Stufe +II reduziert (die mittlere
Oxidationsstufe beträgt also +2.5; im reduzierten Rieske-Zentrum sind die Ladungen jedoch
lokalisiert). Die Cytochrome sind hämartige, einkernige Eisenproteine (s.u.) mit FeIII bzw.
FeII.
Schritt 5: Die reduzierte Form des Cytochrom-c wird von der Cytochrom-c-Oxidase oxidiert,
einem Enzym mit einem komplexen Mehrmetallzentrum (2 FeII/III vom Hämtyp, 3 CuI/II,
sowie Zn2+ und Mg2+). Zn und Mg haben lediglich Strukturfunktion; die Cu- und Fe-Zentren
sind redoxaktiv. Zu Details s.u.
Schritt 6: Cytochrom-c-Oxidase (Cyt-c-Ox) kann insgesamt 4e- aufnehmen. Diese vier
Elektronen werden zur Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser verwendet:
4Cyt-c(Fe2+) + [Cyt-c-Ox]ox  4Cyt-c(Fe3+) + [Cyt-c-Ox]red
[Cyt-c-Ox]red + O2 + 8H+in  [Cyt-c-Ox]ox + 2H2O + 4H+ex
16
Parallel hierzu wirkt die Cyt-c-Ox auch als Protonenpumpe (Transport von H+ aus dem
mitochondrialen Innen- in den Außenraum).
Die Eisen-Schwefel-Proteine
Eine Zusammenstellung der wichtigsten Typen findet sich in Abbildung 11. Man
unterteilt die FeS-Proteine in vier Gruppen: (1) Rubredoxine mit einem Eisenzentrum und
vier Cysteinat-Liganden; (2) [2Fe,2S]-Ferredoxine mit zwei Eisenzentren, zwei
verbrückenden Sulfid- und je zwei Cysteinat-Liganden; (3) [4Fe,4S]-Ferredoxine mit vier
Eisenzentren und vier verbrückenden S2- in kuboidaler Anordnung sowie einem Cysteinat pro
Fe; (4) HiPIPs (High Potential Iron Proteins) mit derselben Anordnung wie in den 4-FeFerredoxinen. Während in den [4Fe,4S]-Ferredoxinen die Redoxpotenziale typischerweise
-200 bis -400 mV betragen, liegen die Redoxpotenziale der HiPIPs bei +400 mV. Die mittlere
Oxidationsstufe der Eisenionen der reduzierten Form ist +2¼ ([4Fe,4S]-Ferredoxine) bzw.
+2½ (HiPIPs), die der oxidierten Form +2½ ([4Fe,4S]-Ferredoxine) bzw. +2¾ (HiPIPs). In
der reduzierten Form der [2Fe,2S]-Ferredoxine liegen lokalisierte FeII und FeIII Zentren vor.
Dagegen sind in den Proteinen mit 4 Fe-Zentren in der Regel die Elektronen über alle
Eisenzentren delokalisiert. Der Sulfidschwefel wird auch als anorganischer oder labiler (mit
HCl als H2S mobilisierbar) Schwefel bezeichnet. Neben diesen klassischen Formen sind vor
allem noch die Rieske-Proteine von Bedeutung. In den Rieske-Proteinen mit relativ hohen
Redoxpotenzialen sind die beiden Cysteinat-Liganden eines der beiden Fe-Zentren der
[2Fe,2S]-Ferredoxine durch Histidin ersetzt. Die Koordinationsgeometrie dieses FeS2N2Zentrums weicht stark von der Tetraeder-Geometrie ab: der N-Fe-N Winkel liegt bei ca. 90°.
SR
SR
2-/SR
Fe
SR
S
Fe
SR
SR
Fe
S
SR
(His)
1-/0
SR
S
N
Fe
Fe
SR
S
N
(His)
Rieske-Zentrum
3-/2-
SR
[2Fe-2S]-Ferredoxin
Rubredoxin
3-/2-
SR
Fe
S
Fe
S
Fe
SR
S
SR
Fe
S
SR
SR
[4Fe-4S]-Ferredoxin
2-/Fe
S
S
Fe
S
Fe
SR
Fe
S
SR
SR
HiPIP
Abbildung 11. Die Eisenzentren der häufigsten Eisenschwefelproteine. Die Ladungen sind für
die reduzierte/oxidierte Form angegeben. SR steht für Cysteinat.
17
Exkurs: Oxidation und Reduktion
Oxidationen entsprechen der Abgabe von e- (Erhöhung der Oxidationszahl), Reduktionen der
Aufnahme von e- (Erniedrigung der Oxidationszahl):
2Fe2+ + ½O2 + 2H+
2Fe3+ + H2O
Das Oxidationsmittel für FeII ist hier der Sauerstoff; das Reduktionsmittel für den Sauerstoff
FeII. Reduktion und Oxidation laufen gekoppelt ab. Eine Redoxreaktion ist grundsätzlich eine
Gleichgewichtsreaktion. In welcher Richtung die Reaktion läuft, hängt von den
elektrochemischen Redxpotenzialen der Redoxpaare ab. Die Standardpotenziale E0 (298 K, 105
Pa, c = 1 mol/l) sind tabelliert:
Fe2+  Fe3+ + e-, E0 = +0.771 V
H2O  ½O2 + 2e- + 2H+, E0 = +1.229 V
[zu beachten: in der angelsächsischen Literatur wird die oxidierte Form des Redoxpaares links,
die reduzierte Form rechts des Gleichheitspfeils gesetzt]
Die Umrechnung auf E für reale Konzentrationen erfolgt mittels der Nernstschen Gleichung:
E = E0 + (0.059/n)log(cOx/cRed)
Hierin ist n die Zahl der transferierten Elektronen, cOx die Konzentration der oxidierten, cRed die
Konz. der reduzierten Reaktionspartner. Insbesondere die pH-Abhängigkeit von E ist hier auch
zu beachten: So wird bei pH 7 (c(H+) = 10-7) das Potenzial E für H2/H+ -0.414 V (E0 = O), für
H2O/O2 +0.815 V.
Cytochrome und Cytochrom-c-Oxidase
Cyt-b und Cyt-c, sowie die Cytochrome-a und -a3 der Cytochrom-c-Oxidase enthalten
Eisenzentren vom Häm-Typ. Sie unterscheiden sich durch das Substitutionsmuster am
Protoporphyrin und durch die axialen Liganden am Eisens; vergl. Abb. 12). Sie transportieren
Elektronen über einen Wechsel der Oxidationsstufe des Eisens zwischen +II und +II. Die Cytc-Oxidase (zur Organisation s. Abb. 13) enthält neben zwei Eisenzentren vom Typ Häm-A
(Cyt-a und Cyt-a3; Abb. 12) drei Kupferzentren. Zwei der drei Cu bilden ein zweikerniges
Zentrum (CuA). In der reduzierten Form liegt das Kupfer in der mittleren Oxidationsstufe 1.5
vor, in der oxidierten Form sind beide Cu in der Stufe +II. Das dritte Kupferzentrum (CuB)
kooperiert mit dem Cyt-a3; der Abstand Cu···Fe beträgt 5.6 Å. Es wechselt zwischen CuI und
CuII. Der Sauerstoff wird durch Bindung als Peroxid zwischen CuB und Cyt-a3 aktiviert.
Cytochrom a: R1= Vinyl, R 2 = C17H34OH, R3 = Formyl
L2
3
R
Me
L1 = L2 = His
2
HO2(CH2)2
R
N
N
L1 und L2 frei oder His
Fe
N
N
Me
Me
1
HO2(CH2)2
L1
Cytochrom b: R 1= R 2= Vinyl, R 3 = Me
R
Cytochrom c: R1 = R 2 = -CH(Me)-S-CH2-C(O)NHR3 = ; L1 = His, L2 = Met
Cytochrom P450 : R1 = R 2 = Vinyl, R 3 = Me
L1 = Cys, L2 = H 2O
Hb und Mb: R1= R 2 = Vinyl, R 3 = Me (Protoporphyrin IX)
L1 = His, L2 frei oder O2
18
Abbildung 12. Proteine mit Häm als prosthetischer Gruppe. Zum Cyt-P450 s. den Abschnitt
über Oxigenasen.
Cyt-c
e
(Cys)
S
(His) N
S (Met)
Cu A Cu
+
H
S
(Cys)
O
N (His)
e
außen
(His) N
Fe N (His)
a
Membran
e
(His)
N
innen
+
H
B
(His) N Cu
N
(His)
(O2)
Fe N (His)
a3
Abbildung 13. Organisation der redoxaktiven Metallzentren in der Cytochrom-c-Oxidase.
Exkurs: Eisensulfide und Evolution
Eisen(II)sulfid (FeS) war möglicherweise maßgeblich beteiligt bei der Genese
organischer Grundbausteine für größere „Biomoleküle“ als Bauelemente für erste
präzelluläre Strukturen.
Hauptbestandteile der Uratmosphäre der Erde waren N2, CO2 und H2O. Daneben
enthielt die Uratmosphäre O2 und H2 (größenordnungsmäßig jeweils ca. 0.1%) und
Spurengase wie H2S und CH3SH. Mit H2O steht H2S in einem Brønstedtschen SäureBase-Gleichgewicht (H2O + H2S  H3O+ + HS-). In Gegenwart von FeS bildet sich
Eisen(II)disulfid (Pyrit, FeS2), wobei zwei Reduktionsäquivalente freigesetzt werden:
FeS + HS-  FeS2 + 2e- + H+; E0 = -620 mV
Die Reduktionskraft reicht z.B. zur reduktiven C-C-Kupplung von CO2 und CH3SH.
Der dabei gebildete Thioessigsäuremethylester („aktive Essigsäure“) kann mit Aminen
Amide bilden:
O
CO2 + 2CH3SH + FeS
H3C C
SCH3
+ FeS2 + H2O
+ H2NR + FeS
O
H3C C
NHR
+ CH4 + FeS2
Ein weiteres biogenes Eisensulfid, das von einigen magnetostatischen Bakterien für die
Orientierung im Magnetfeld der Erde genutzt wird, ist der Greigit, FeII(FeIII)2S4.
19
5. Die Photosynthese
Die Phostosynthese (Assimilation) ist der zur Atmung (Dissimilation) komplementäre
Prozess:
h
CO2 + 2H2O*  {CH2O} + O2* + H2O
{CH2O} symbolisiert ein Kohlenhydrat, z.B. 1/6 Glucose. Kohlendioxid wird durch Wasser
in einer 4e--Reduktion zu Glucose {CH2O} reduziert, die Oxogruppe des Wassers dabei zu
Sauerstoff oxidiert. Der Vorgang bedarf der Energiezufuhr in der Form von Licht (h). Statt
Licht kann auch chemische Energie verwendet werden; statt CO2 sind auch alternative
Kohlenstoffquellen (z.B. Acetat) möglich:
Lichtenergie: phototroph
Chemische Energie: chemotroph
CO2 als C-Quelle: autotroph
Andere C-Quellen: heterotroph
Grüne Pflanzen, Cyanobakterien und andere Mikroorganismen, die Chlorophyll enthalten
oder auf Chlorophyll zurückgreifen können, erzeugen Biomasse photo-autotroph. Eine 100
Jahre alte Buche produziert pro Tag etwa 1000 l O2 und 12 kg Kohlenhydrate (oder, je m2
Blattwerk, 100 ml O2 und 1.2 g Glucose). Eine deutlich größere Menge an Biomasse wird
jedoch von chemo-autotrophen und chemo-heterotrophen Mikroorganismen produziert.
Beispiele für chemische Prozesse, die die erforderliche Energie liefern, sind Oxidationen wie
Fe2+  Fe3+ + eH2  2H+ + 2eHS- + 4H2O  SO42- + 9H+ + 8eMn2+ + 3H2O  MnO(OH)2 +4H+ + 2eMan unterscheidet bei der Photosynthese zwischen Lichtreaktion und Dunkelreaktion. An der
Lichtreaktion sind zwei Photosysteme beteiligt: Photosystem II (PSII) und Photosystem I
(PSI):
Lichtreaktion:
PSII: P680 + h  [P680]+ + e- (über Phäophytin, ein „Chlorophyll“ ohne Mg))
2[P680]+ + H2O  2P680 + ½O2 + 2H+ (katalysiert durch die Wasseroxidase)
e--Übertragungskette vom PSII zum PSI (s. Abb. 14)
PSI: P700 + h  [P700]+ + e[P700]+ + e-  P700
NADP+ + 2e- + 2H+  NADPH + H+ (katalysiert durch [2Fe,2S])
Dunkelreaktion: 2(NADPH + H+) + CO2  {CH2O} + 2 NADP+ + H2O (unter ATPVerbrauch)
Die Photosysteme sind Kollektive von proteingebundenen Pigmentmolekülen (ca. 200), im
Wesentlichen Chlorophyll-a und -b, sowie Carotinoide, die das Sonnenlicht einsammeln und
an die Reaktionszentren leiten: spezielle Moleküle Chlorophyll-a, P680 im PSII; P700 im PSI; s.
Abb. 15.
20
P680
h
O
-
e ,H
[P680]+
OH
Me
Me
+
{FeN4O}
Me
Me
O
Me 6-10
Me 6-10
OH
Plastochinon/Hydrochinon
- H+
[S(Met)]
N
S(Met)
N
Fe
e-
(His)N
N
Cu
S(Cys)
(His)N
[P700]+
(Cu 2+
N
(Fe3+
Plastocyanin
N(His)
S
Fe
Fe
S
(Cys)S
(Fe3+
N(His)
Fe2.5+ )
Rieske-Protein
N
Cu 1+ )
(Cys)S
Fe2+ )
Cytochrome b, c
Abbildung 14. Vereinfachte Darstellung der Elektronenübertragungskette vom PSII zum PSI.
Dimerisierung über
H-Brücken in den
Reaktionszentren der
O
Photosysteme
H
H
R
H2C=CH O
R
gesättigt im
Bakteriochlorophyll
CH2CH3
H3C
N
N
Mg
N
N
H3C
= CH3: Chl. a
= CHO: Chl. b
H2C
H2C
O=C
O
H29C20
N C=O
NH
O
OCH3
(His)
Dimerisierung über
H-Brücken in den
Reaktionszentren der
Photosysteme
CH3
H O
Mg
H
Abbildung 15: Chlorophylle
Die Wasseroxidase (Oxygen Evolving Centre, OEC), die die Oxidation von Wasser
durch P680 katalysiert, ist ein Enzym mit einem Cluster aus vier Mn und einem Ca, die wie in
Abb. 16 gezeigt organisiert sind. Abb. 16 illustriert auch einen möglichen Mechanismus der
enzymatischen Reaktion:
21
P680
(Asp)O
H2O
P680
OH2
H2O Mn
O(Glu)
H2O
O
H2O Ca
(Glu)O
O
Mn
O
III
Mn
(Asp)
O
H
Tyr
+
e
H
III
Mn
O
-
-
Tyr
H
O
N(His)
O
+
H
Mn
O
H
IV
Mn
O
Mn
H
III
H2O
H
III
O(Glu)
Mn
2 Mn
Mn
N(His)
H2O + 1/2O2
O
O
Mn
O.
2x
H
Abbildung 16. Organisation der Wasseroxidase (links) und ein möglicher Ablaufmechanismus der Katalyse (rechts).
Das am Ende der Elektronenübertragungskette stehende Plastocyanin gehört zur
Gruppe der Blauen Kupferproteine (Typ I Cu-Proteine). Hier ist das Cu+/2+ trigonal-pyramidal
von zwei Cys und einem His koordiniert. Das axiale Met ist nur schwach gebunden. Die
intensiv blaue Farbe der oxidierten Form (mit CuII, d9) kommt durch einen Ligand-to-MetalCharge-Transfer (LMCT) zustande, also eine Übertragung von Elektronendichte von den
freien Elektronenpaaren am koordinierten Cysteinat-Schwefel in die 3d-Elektronenlücke des
Cu2+. Während elektronischen Übergänge innerhalb des d-Systems, so gen. d-d-Übergänge
(und damit Übergänge zwischen geraden Orbitalen; s. Exkurs „Symmetrie“, unten) Paritäts(Laport-)verboten und daher intensitätsschwach sind (vergl. wässrige Cu2+-Salzlösungen, die
das Ion [Cu(H2O)6]2+ enthalten), sind LMCT-Übergänge erlaubt und somit ausgesprochen
intensitätsstark.
Exkurs: Systematik Kupferproteine
Typ I (Blaue Cu-Proteine): trigonale Koordinationsgeometrie; Liganden: zwei Cys(1-), 1 His,
1 schwach koordinierendes Met; starke LMCT-Bande bei 600 nm; Funktion: e-Transfer;
Beispiel: Plastocyanin in der e-Übertragungskette PSII PSI.
Typ II: tetragonale Koordinationsgeometrie; Liganden: His, Tyr(1-), H2O; „normales“
optisches Verhalten (d-d-Übergänge); Funktion: Redoxreaktionen; Beispiele:
Galaktoseoxidase (RCH2OH  RCHO + 2H+ + 2e-), CuZn-Superoxiddismutase (2O2- + 2H+
 O2 + H2O2)
Typ III: enthalten zwei kooperierende Cu-Zentren; trigonale Koordinationsgeometrie;
Liganden: 3 His je Cu; in der oxidierten Form ebenfalls blau (LMCT); Funktion:
Sauerstofftransport und –übertragung; Beispiele Hämocyanin (s. Abb. 9), Tyrosinase (Tyr +
½O2 + 2e-  DOPA).
Ceruloplasmin, ein Cu-Protein mit 7 Cu-Zentren, das die Eisen- und Kupferresorption
reguliert, enthält TypI-, TypII- und TypIII-Kupfer.
Sonstige: s. z.B. CuA und CuB in der Cytochrom-c-Oxidase; Abb. 13.
22
6. Oxigenasen, Oxidoreduktasen und Dismutasen
Hydrogenasen/Dehydrogenasen (häufig mit NADH oder FADH2 als Cofaktor)
H2  2H+ + 2eSubstratH2  Substrat + 2H+ + 2e- (bzw. H+ + H-)
Oxigenasen übertragen, ausgehend zumeist von Sauerstoff O2, Oxogruppen auf ein
Substrat:
Substrat + O2  Substratoxid/-hydroxid
oft gekoppelt mit: ½O2 + 2H+ + 2e-  H2O
Die Substrate können organischer Natur sein (RH  ROH; (CH3)2S  (CH3)2S=O), oder
anorganisch (NO  NO2).
Oxidoreduktasen verwenden Sauerstoff, um ein Substrat zu dehydrogenieren (Oxidasen), oder
Wasser, um ein Substrat zu hydrogenieren (Reduktasen):
SubstratH2 + ½O2  Substrat + H2O
Peroxidasen verwenden H2O2 als Oxidationsmittel:
Substrat + H2O2  Substratoxid + H2O
Dismutasen disproportionieren Sauerstoffspezies mittlerer Oxidationsstufe (Peroxid,
Hyperoxid (engl: superoxide)):
Katalasen: H2O2  H2O + ½O2
Teilschritte: H2O2  O2 + 2H+ + 2eH2O2 + 2H+ + 2e-  2H2O
Superoxiddismutasen: 2O2- + 2H+  H2O2 + O2
Teilschritte: O2-  O2 + eO2- + e- + 2H+  H2O2
Im Folgenden werden ausgewählte Beispiele diskutiert.
Cytochrom P450, eine Oxigenase vom Typ der Hämeisenproteine. Axiale Liganden sind
Cysteinat und – in der Ruheform (resting form) – H2O; das Substrat RH wird in der Nähe des
aktiven Zentrums vom Protein gebunden. Summenreaktion: RH + O2 + 2H+ + 2e-  ROH +
H2O. Mechanismus:
23
N
N
RH
RH
OH2
Fe
N
RH
N
III
N
N
e-
N
III
Fe
N
N
N
N
S(Cys)
S(Cys)
S(Cys)
N
II
Fe
O2
ROH
H2O
RH
O
N V N
Fe
N
RH
+
2H
N
N
N
S(Cys)
O
O
RH O
III
Fe
N
N
eN
N
S(Cys)
H2O
O
III
Fe
N
N
S(Cys)
Im ersten Schritt wird FeIII zu FeII reduziert. Sauerstoff wird sodann oxidativ addiert (FeII + O2
 FeIII-O2-). Im folgenden Schritt wird das Hyperoxid zu Peroxid reduziert (Fe III-O2- + e- 
FeIII-O22-). Sodann kommt es zu einer intramolekularen Redoxreaktion: FeIII überträgt zwei
Elektronen auf den Peroxoliganden; eine der Oxogruppen (O2-) verbleibt am Eisen (FeV), die
andere wird durch zwei Protonen unter Bildung von Wasser abgefangen. Das hoch reaktive
{O=FeV} überträgt sodann die Oxogruppe auf das Substrat und wird seinerseits vom Substrat
zu FeIII zurückreduziert: RH + O=FeV  ROH + FeIII)
Tyrosinase und Catecholoxidase: Diese eng verwandten Enzyme enthalten ein
Kupferzentrum vom Typ III, ähneln also, was das aktive Zentrum anbelangt, dem
Hämocyanin (Kap. 3). Die Homologie der Aminosäureabfolge beschränkt sich allerdings auf
die unmittelbare Umgebung des aktiven Zentrums. Die Aktivierung des Sauerstoffs erfolgt im
Sinne einer oxidativen Addition:
2CuI + O2  CuII(O22-)CuII
Die Tyrosinase-Funktion besteht in einer Oxigenierung von Tyrosin zu Dopa, die
Catecholoxigenase-Funktion in der Oxidation von Dopa zum entsprechenden o-Chinon. Im
Weiteren wird dann durch Dehydrogenierung Indolchinon gebildet, das weiter reagiert zum
Melanin. Melanin, eine äußerst komplexe Verbindung, ist das braune Pigment z.B. der Haut
(Sonnenbräune oder natürliche Pigmentierung), der Leberflecken, und der Bruchflächen
frischen Obstes und Gemüses.
NH
OC
NH
OH
+
-
+ O2 + 2H + 2e
OC
OH
Tyrosin
Dopa OH
- 2[H]
N
Melanin
O
NH
OC
O
Indolchinon
- 4[H]
O
OC
O
+ H2O
24
Galaktoseoxidase, ein Typ II Kupferprotein, katalysiert die Oxidation primärer Alkohole zu
Aldehyden:
RCH2OH  RCHO + H2O + 2H+ + 2e-
Cu2+-Tyr· + 2e-  Cu+-Tyr-
½O2 + 2H+ + 2e-  H2O
In dieser Zweielektronen-Oxidation kann Cu nur ein Elektron aufnehmen (CuII + e-  CuI).
Das zweite Elektron wird von einem der an das Kupfer koordinierte Tyrosinreste (als TyrosylRadikal, Tyr·) aufgenommen, das dabei in Tyrosinat übergeht (Tyr· + e- Tyr-). Die
Stabilisierung des Tyr· erfolgt durch Delokalisierung des ungepaarten Elektrons über den
Phenylring und eine Thioethergruppierung in o-Position zum Tyrosinsauerstoff:
O(Tyr)
(His)N
N(His)
I
Cu
reduzierte (links) und oxidierte Form (unten; drei
mesomere Grenzformen sind skizziert) der
Galaktoseoxidase
O
H2O
S
H2C
HO(Tyr)
HO(Tyr)
(His)N
II
Cu
H2O
N(His)
(His)N
.O
S
(His)N
N(His)
II
Cu
H2O
HO(Tyr)
.S
O
O
H2O
.
S
H2C
H2C
H2C
N(His)
II
Cu
Molybdän-haltige Oxigenasen/Desoxigenasen enthalten den Cofaktor Molybdopterin, Abb.
17.
O
N
H2 N
O
N
N
N
O
N
N
O
O
H
P
O
Pterin
O O
VI
Mo
X
S
S
H
N
N
H2N
O O
VI
Mo
X
S
S
O
O
P
O Cyt/Gua
OH
Molybdopterin
+ Substrat
S
O
IV
Mo
X + SubstratO
S
25
Abbildung 17. Oxidierte Form des Cofactors Molybdopterin (rechts oben) aus
molybdänhaltigen Oxigenasen. X ist z.B. Serinat oder Cysteinat. Molybdopterin überträgt
Oxogruppen in einer 2-Elektronenoxidation/reduktion auf ein Substrat (Su).
Ein Beispiel ist die Nitratreduktase, ein Enzym, das im ersten Schritt der bakteriellen
Denitrifizierung (Überführung von Nitrat in Nitrit: NO3- + 2e- + 2H+  NO2- + H2O) eine
Rolle spielt:
O
O
IV
Mo + NO3
Mo
O
O
O
NO2
N O
VI
Mo O
+
+ FADH 2
Ein weiteres Beispiel ist Xanthinoxidase, die die folgende Reaktion katalysiert:
OH
(Adenosin
OH
N
)
O
N
NH
N
NH
O
NH
NH
Xanthin
O
NH
Harnsäure
Vanadatabhängige Haloperoxidasen aus marinen Algen katalysieren die Oxidation von
Halogenid (Hal-) zu Hypohalogeniger Säure mittels Wasserstoffperoxid Die Hypohalogenige
Säure halogeniert sodann nicht-enzymatisch organische Substrate; s.a. Abb. 18:
Hal- + H2O2 + H+  HalOH + H2O
HalOH + RH  RHal + H2O
NH
N
H 2O
H
H
+
OH
H 2O
O OH
O V
HO CH2
O
CH
N
V O
+
H
O
+ H2O2
V
O
O
H2O
-
O
V
Br
O
O
H
HOBr
NH
Abbildung 18. Aktives Zentrum der vanadatabhängigen Haloperoxidasen (links), und
Mechanismus der Bildung von Unterbromiger Säure aus Bromid, H2O2 und H+.
Cu,Zn-Superoxiddismutase enthält neben dem katalytisch aktiven Kupferzentrum ein
strukturelles Zinkzentrum; Abb. 19. Das Enzym katalysiert die Disproportionierung (engl.:
dismutation) von Hyperoxid (engl.: superoxide) zu Wasserstoffperoxid und Sauerstoff.
Wasserstoffperoxid wird von Katalysen zu Wasser und Sauerstoff abgebaut.
26
(Arg)
+NH2
H
H
O
(His)N
II
N(His)
Cu
(His)N
N(His)
N - N
Zn
N(His)
O(Asp)
Abbildung 19. Aktives Zentrum der Cu,ZnSuperoxiddismutase
Summenreaktion: 2O2- + 2H+  H2O2 + O2
Reaktionsfolge:
(1)
CuII(H2O) + O2-  CuII(O2-) + H2O (Austausch Wasser gegen Hyperoxid)
(2)
CuII(O2-) + O2-  CuI(O2-) + O2 (Oxidation externen Hyperoxids durch Cu2+)
(3)
CuI(O2-) + H+  CuII(HO2-) (Bildung von Hydroperoxid am Cu-Zentrum)
(4)
CuII(HO2-) + H+ + H2O CuII(H2O) + H2O2 (Abspaltung von Wasserstoffperoxid)
6. Die Biochemie des Zinks
Mit 2.5 g/70 kg Körpergewicht ist Zink das zweithäufigste Übergangsmetall mit
biologischer Bedeutung. Anders als etwa Eisen, Kupfer, Mangan und Molybdän ist Zink nicht
redoxaktiv (Valenzelektronenkonfiguration 3d10). Zn2+ übernimmt in den Zinkproteinen
entweder eine katalytische oder strukturelle Funktion; s. die Klassifizierung weiter unten. Der
tägliche Bedarf an Zink liegt bei 3-25 mg; dieser Bedarf wird, da Zink ubiquitär ist, durch die
Nahrung gedeckt. Zinkmangel-Erkrankungen (Wachstumsstörungen, Arthritis-ähnliche
Erscheinungen, Immunversagen, Geschmacksbeeinträchtigung) treten daher für gewöhnlich
nur bei Resorptionsstörungen auf. Den Transport von Zn2+ im Blut übernehmen Albumin und
Transferrin, die Speicherung Thioneine (s.u.).
Exkurs: Anorganische Chemie des Zinks
Wichtige Vorkommen: ZnS (Zinkblende, Wurtzit, Sphalerit), ZnCO3 (Zinkspat, Galmei). Die
Erdhülle (Erdkruste (17 km) + Hydro- + Atmosphäre) enthält 0.007 Gew.-% Zn.
Darstellung durch Rösten von ZnS (  ZnO + SO2) und Reduktion des ZnO mit Kohle, oder
durch elektrolytische Reduktion von Zinksulfatlösungen. Verwendung z.B. zum Verzinken,
in Legierungen, in der Taschenlampenbatterie (Leclanché-Element).
Das Redoxpotenzial beträgt E0 = -0.763 V, d.h. Zn wird von H+ oxidiert. An der Luft ist Zink
jedoch infolge Passivierung [Bildung dichter Überzüge aus ZnO, Zn(OH)2, Zn(OH)(HCO3)]
beständig. In wässrigem Medium liegt Zn in Form der Brønstedtsäure [Zn(H2O)6]2+ vor; Zn2+
ist eine Lewissäure (u.a. hierauf beruht seine enzymatische Funktion). Zinkhydroxid ist
amphoter: Zn(OH)2 + 2H+  Zn2+ + 2H2O; Zn(OH)2 + 2OH-  [Zn(OH)4]2-. Mit
Halogenalkanen RX bildet Zn die den Grignardreagenzien verwandten zinkorganischen
Verbindungen RZnX, die durch Erwärmen in ZnX2 und ZnR2 übergehen. RZnX und ZnR2
sind Alkylierungsmittel.
Zn2+ bildet Komplexe u.a. der Koordinationszahl 4 ([Zn(SR)4]2-, tetraedrisch; [Zn(Gly)2],
quadratisch planar), 5 ([Zn(acac)2H2O] (acac = acetylacetonat(1-), quadratisch-pyramidal)
und 6.
27
Zinkhaltige (ZnO, Zn(OH)2, Zn-Lactat) Salben wurden bereits im Mittelalter – und
werden bis heute – als Wundsalben verwendet. Die Essentialität von Zn wurde 1869 von
Raulin entdeckt (Hemmung des Wachstums von Asparagillus niger bei Zn-Mangel). 1940
wurde die Carboanhydrase als erstes Zn-Enzym von Keilin und Mann entdeckt, 1954 folgte
die Carboxipeptidase, 1985 die Etablierung der Rolle des Zn in der genetischen Transkription,
und um 1995 die Entdeckung von Zn im Ada Repair-Protein.
Klassifizierung von Zinkproteinen nach Funktion:
1. Enzymatisch:
- Ligasen und Syntheasen (C-C-Verknüpfung, z.B. Aldolasen)
- Hydrolasen: Hier ist Zn2+ von drei Aminosäureseitenresten (His, Cys und/oder Asp) aus der
Proteinmatrix sowie von einem Wasser (in der inaktiven „resting“ Form) bzw. einer
Hydroxylgruppe (in der aktiven Form) koordiniert.
+
O
O
+ H2O
R-C
H
R-C
Z-R'
+ HZ-R'
OH
z.B. Z = O: Esterasen
Z = NH: Peptidasen
Z = Phosphat: Phosphatasen
saure Hilfsgruppe
H
2+
Zn
O
Protein
nukleophiler
Angriff
- Andere: Carboanhydrase (CO2 + OH  HCO3 ; s. Kap. 3)
Alkoholdehydrogenase (RCH2OH  RCHO + 2H+ + 2e-; s.u.)
elektrophiler
Angriff
Strukturell: - Stabilisierung der Tertiärstruktur (von Proteindomänen) in Enzymen (z.B.
Cu,Zn-Superoxiddismutase, Alkoholdehydrogenase, Cytochrom-c-Oxidase). Zn2+ ist von vier
Aminosäureseitenresten der Proteinmatrix tetraedrisch koordiniert.
Stabilisierung von Quartärstrukturen, z.B. der hexameren Speicherform des
Peptidhormons Insulin: die monomeren Einheiten werden von drei [Zn(His)3(H2O)3]2+
verknüpft.
Zinkfinger sind Bestandteile von Transkriptionsfaktoren. Koordination typischerweise
[Zn(Cys)2(His)2].
Ada Repair-Protein: Repariert (entmethyliert) methylierte
Phosphatlinker in der DNA durch Übertragung der
Methylgruppe auf den Cysteinat-S.
Thioneine: Speicherung von Zn2+/Speicherung von Cystein;
Entgiftung von Cd2+ u.a.; Koordination: [Zn(Cys)4]2-
O Base
O
O
P
O
O CH3
O Base
S
S
Zn S
S
Funktionsbeispiele für Enzyme
(zur Carboanhydrase s. Kap. 3 )
Carboxypeptidase A (aus Rinderpankreas), ein Enzym der Molmasse 36.4 D, ist eine vom Cterminalen Ende her Proteine abbauende Exopeptidase. Das Substrat (Peptid) wird durch
28
Koordination über den Carbonylsauerstoff der Peptidbindung an das Zn2+ aktiviert. Zum
Ablauf der enzymatischen Hydrolyse s. Abb. 20.
O
C
O
(Glu)
O
H H
HO
C
O
O
(Tyr)
(Glu)
R
H
C N
r
O
H
N
Zn
r
N
N (His)
(His) O O
C
(Glu)
HO
(Tyr)
H
H
O
Zn
N
(His) O
R
O
C
+
N (His)
C
O
(Glu)
O
H
C
O
(Glu)
R = Restprotein
r =
CH
R'
CO2H
+ H2O
O
(Tyr)
R OH H
H
C N
r
O
Zn
R
C
OH + H
N
O
N
O
(His) O
H
C
r
N (His)
(Glu)
Abbildung 20. Funktionsablauf der enzymatische Peptidhydrolyse durch Carboxypeptidase.
Alkoholdehydrogenase ist ein Homodimer der Molmasse 80 kD, das die folgende Reaktion
katalysiert: RCH2OH + NAD+  RCHO + NADH2
Der Cofaktor NAD ist in der Nähe des aktiven Zentrums in das Protein über H-Brücken
eingebunden. Je Untereinheit gibt es ein katalytisches Zinkzentrum (Cys, H2O, zweimal His)
und ein strukturelles Zink-Zentrum (viermal Cys). Der Mechanismus der
Alkoholdehydrogenierung ist in Abb. 21 skizziert: Der Alkohol wird an das Zinkzentrum
gebunden und durch die benachbarte OH-Gruppe deprotoniert. Der Alkoxoligand überträgt
sodann ein Hydridion auf den Cofaktor NAD+, und das Carbokation stabilisiert sich durch
Abspaltung als Aldehyd.
H
H
H
O
O
O
Zn
S
+ HOCH2R
O
Zn
N
S
CH2R
CH2R
Zn
S
N
S
+
NAD
S
- H2O
+
+
NAD
H
NAD
H
O
+
-H
N
S
CHR
O
Zn
S
N
S
+ H2O
Zn
S
S
+
NAD
+
-
- RCHO, H + 2e
NADH
N
29
Abbildung 21. Funktionsablauf der enzymatischen Oxidation primärer Alkohole durch
Alkoholdehydrogenase.
Zink in der genetischen Transkription (Zinkfinger)
Zellkern
DNA
Ribosom
RNA-Synthease
t-RNA
m-RNA
Proteinsynthese
Transkriptionsfaktor
Transkription
Translatation
Die Transkription der in der DNA enthaltenen genetischen Informationen in eine Proteinstruktur erfolgt im ersten Schritt derart, dass an der DNA eine Messenger-RNA synthetisiert wird, und zwar unter Mitwirkung einer RNA-Polymerase. Zur Erkennung des Bindungsortes für dieses Enzym bedarf es der Transskriptionsfaktoren. Diese Proteine mit „Lotsenfunktion", die an
X
spezifischen Basenkombinationen der DNA andocken
F
und ihrerseits die Anbindung der RNA-Polymerase vermitteln, sind u.a. die Zinkfinger, so genannt, weil durch
Y
Zn2+-Ionen (typischerweise tetraedrisch an zwei Cys und
zwei His koordiniert) fingerartige Proteinschlaufen mit
C
L
spezifischen Aminosäureabfolgen stabilisiert werden, die
C
H
dann in die große Furche der DNA binden. NebensteZn
hend ist ein solcher Zinkfingern schematisch dargestellt.
Z
F
H
C = Cys(1-), H = His, F = Phe, Y = Tyr, L = Leu, Z =
Glx (Glu, Glu(1-) oder Gln).
Thioneine
Thioneine sind kleine Proteine (ca. 6000 D; 61 Aminosäuren) mit einem hohen Anteil
an Cystein (ca. 1/3) und Serin. Aromatische Aminosäuren fehlen ganz. Die Thioneine können
bis zu sieben Zn2+ oder andere Metallionen aufnehmen und dienen wahrscheinlich als Zinkund/oder Cystein-Speicherproteine. Sie werden vom Organismus weiterhin zur
vorübergehenden Detoxifizierung von Schwermetallionen wie Cd2+ und Hg2+ eingesetzt. Abb.
22 skizziert die Metallbindungsdomänen.
S
S
S
S
S
OOC
S S
S
NH3
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S
S S
S
30
Abbildung 22. Struktur eines (M2+)7-Thioneins. Die Metallzentren sind durch schraffierte
Kreise dargestellt, die ausgezogen geschlängelte Linie markiert das „Rückrat“ des Proteins,
der Pfeil die Position, an der die beiden Domänen (sesselförmiger Sechsring bzw.
adamantanoide Anordnung) enzymatisch voneinander getrennt werden können.
7. Cadmium und Quecksilber
Die beiden höheren Homologen des Zinks, Cadmium und Quecksilber, sind entgegen
dem Zink toxisch. Die Toxizität von Cd2+ beruht dabei einerseits darauf, dass es wegen seiner
höheren Affinität zu Cysteinat Zn2+ aus dessen Enzymen verdrängt. Da Cd2+ wegen seines
größeren Ionenradius (s. Tabelle) eine deutlich geringere Lewis-Azidität hat als Zn2+ führt
dies zu einer Deaktivierung der Enzyme. [Es gibt allerdings auch – in der Kieselalge
Thalassiosira weissflogii – eine spezielle Cd-Carboanhydrase der Molmasse 43 kD]. Die
Vergleichbarkeit der Ionenradien von Cd2+ und Ca2+ macht Cd2+ auch zu einem Antagonisten
von Ca2+. So kann Cd2+ anstelle des Ca2+ in den Hydroxylapatit der Knochen eingebaut
werden, was zu Osteoporose-ähnlichen Erscheinungen führt (Itai-Itai-Krankheit).
Gegenüberstellung einiger Daten für Cd2+, Zn2+ und Ca2+
Elektronegativität
Ionenradius (Koord.Zahl 6) / pm
2+
Cd
1.5
95
Zn2+
1.7
73
2+
Ca
1.0
100
Schließlich hat Cd2+ auch eine hohe Affinität zu den
Phospholipiden der Zellmembranen; durch Koordination von Cd2+
wird deren Funktionen beeinträchtigt (s. rechts). Die Entgiftung
erfolgt durch Phytochelatine (-Glu-Cys)n-Gly, durch Thioneine (s.
o.), oder durch Glutathion -Glu-Cys-Gly (s. u.). Die Entgiftung
durch Thioneine ist allerdings nur vorübergehender Natur, da Cd
nach ca. 2 Wochen in der Nierenrinde deponiert wird (
chronische Vergiftung durch Nierenversagen). Die biologische
Halbwertszeit wird auf 10-30 Jahre geschätzt.
O
O
H2N CH CH2 C NH CH C NH CH2 CO2H
CO2H
Normalpotenzial / V
-0.40
-0.76
-2.87
H2C O C O
R
O
HC O C
R
H2C O
P
O
(H2O)nCd
O
O
CH2
O
C CH
O NH2
CH2
SH
Während der anthropogene Eintrag von Cd in die Atmosphäre und Aquasphäre den
natürlichen Eintrag (Vulkanismus, Verwitterung, mikrobilelle Aktivität um das Zwanzigfache
übertrifft, halten sich bei Hg natürlicher und anthropogener Eintrag in etwa die Waage. Der
anthropogene Eintrag wird durch den natürlichen "maskiert", sodass es keine nennenswerte
globale Kontamination durch Hg gibt. Quecksilber wird heute vor allem im Rahmen der
Chloralkalielektrolyse nach dem Amalgamverfahren, von Müllverbrennungsanlagen (HgBatterien) und Krematorien (Amalgamplomben) emittiert. Diese Emissionen können zu
erheblichen lokalen Belastungen führen. Die Emissionen sind aber wegen sich ständig verbessernder Rückhaltemethoden, der verstärkten Rezyklierung von Hg und nachlassenden
Einsatzes von Hg rückläufig.
31
Quecksilber und Quecksilberverbindungen sind sehr toxisch, organische Hg-Verbindungen auch teratogen. Erinnert sei an die Unglücksfälle an der Minamata-Bucht [Japan,
1953-56: Vergiftung durch Quecksilberverbindungen industriellen Ursprungs (papierverarbeitende Industrie), die sich über die Nahrungskette in Fischen angereichert hatten;
"Minamatagift" MeHgSH] und im Irak (1971-72: Vergiftung mit Saatgut, das mit
Ethylquecksilber-p-tolylsulfanilid gebeizt worden war). Besonders toxisch ist wegen seiner
Lipo- und Hydrophilie das "Methylquecksilber MeHg+" (eigentlich MeHgCl). Wegen des
hohen Dampfdruckes aller Hg-Verbindungen, aber auch des Hg selbst (1 m3 Luft vermag bei
20 °C 14 mg Hg-Dampf aufzunehmen), sind Hg und seine Verbindungen Atemgifte. Selbst
Zinnober (HgS) steht noch mit 10 ng Hg pro m3 Luft im Gleichgewicht.
Exkurs: Cadmium
Cadmium ist ständiger Begleiter von Zink (z.B. enthält die Zinkblende 0.1-0.5% Cd).
Geringe Mengen finden sich ferner im Schiefer, in der Steinkohle, in Sedimenten marinen
Ursprungs und in Phosphormineralien (Phosphorit). Durch letztere kommt Cd auch in die
Düngemittel. Verwendet wird Cd in Akkus, als Korrosionsschutz für Eisen, in gelben bis
roten Cd-Pigmenten und Cd-Seifen (Weichmachern), sowie in Regelstäben in den AKWs.
Küstennahes Meerwasser enthält bis zu 30 µg/l Cd. Angereichert wird Cd durch
Meeresalgen, Muscheln, Tintenfische und Fische, Pilze und Blattgemüse wie Spinat.
Andere Gemüse (z.B. Kartoffeln, Karotten, Weizen) und Gras reichern Cd nur dann an,
wenn sie auf Cd-belasteten Böden wachsen. Die Belastung wird durch Phosphatdünger
und Düngen mit Schlamm aus Flusssedimenten eingebracht, in Industrieregionen auch
durch Immission.
Laut WHO ist die Aufnahme von 70 µg Cd pro Tag tolerierbar. Über nicht-belastete
Nahrung werden ca. 35 µg per diem aufgenommen; Raucher inhalieren noch einmal etwa
die selbe Menge. Akute Vergiftungssymptome treten ab 15 mg bei einmaliger Aufnahme
auf; ca. 500 mg sind tödlich. Der MAK-Wert liegt in Deutschland bei 0.1 mg/m3
Atemluft, der BAT-Wert für Urin bei 15 µg/l, für Blut bei 1.5 µg/l. [MAK = maximale
Arbeitsplatz-Konzentartion; BAT = Biologische Arbeitsstoff-Toleranz]. Cd ist
kanzerogen (A2), mutagen (C2) und teratogen.
Exkurs: Quecksilber
Hg kommt in der Natur hauptsächlich gediegen und als Zinnober (HgS) vor. Metallisches
Quecksilber ist „edel“, d.h. es verändert sich an der Luft nicht und wurde früher vor allem
zur Füllung von Thermometern, Barometern und dergl. verwendet. Weitere
Verwendungsbereiche: Batterien; Zahntechnik (Amalgamplomben), Chloralkalielektrolyse.
Die MAK-Werte liegen bei 0.1 (Hg und HgCl2) bzw. 0.01 (MeHgCl) mg/m3, BAT-Werte
bei 50 (Hg in Blut), 200 (HgCl2 in Harn) und 100 (MeHg+) µg/l. der LD50-Wert (Ratte, oral)
beträgt 57 mg/kg [LD50: letale Dosis für 50% der Versuchstiere].
Paracelsus verwendete Hg-haltige Präparate gegen Hautkrankheiten, Syphilis und
Entzündungen im Augenbereich. Hg-Verbindungen wurden lange zur Desinfektion
eingesetzt (Sublimat = HgCl2; Mercurochrom). Anders als seine höheren Homologen Cd
und Zn bildet Hg neben zwei- auch einwertige Verbindungen, z.B. Kalomel = Hg2Cl2.
32
Quecksilber und seine Verbindungen unterliegen einer umfangreichen Speziation in
der Atmo-, Aqua- und Siderosphäre, die teils abiotisch (chemisch und photochemisch), teils
biotisch (z. B. Methylierung von Hg) abläuft. Einige wichtige wechselseitige Umwandlungen
sind in Abb. 23 zusammengefasst. Die Methylierung anorganischer Hg-Verbindungen (in der
Regel HgCl2) erfolgt durch Methylcobalamin.
C2H6
2e-
Hg
Licht
Hg 2+Reduktase
MeI +
Licht
Hg(SMe)2
MeS
HgMe2
MeHgI
-
Methylierung
Cl-
SuCH3 + Hg(SMe)+
MeHgCl Methylierung HgCl2
H 2S
Lyase Su
MeHg(SMe)
Atmosphäre
Methylierung
2x
MeHgSH
2x
Hydrosphäre
sulfidoxidierende Bakterien
HgS + HgMe2 + H2S
H2S + (MeHg)2S
Acetat + Licht
Siderosphäre
MeHg+
Abbildung 23. Speziation von Quecksilber. Anthropogene Hg-Einträge sind eingerahmt,
mikrobielle Vorgänge in rot gekennzeichnet. Su ist ein Substrat.
8. Stickstofffixierung
Hierunter versteht man die biogene und nicht-biogene Überführung von Luftstickstoff
in Stickstoffverbindungen, wozu es der Überwindung der Bindungsenergie (949 kJ/mol)
bedarf. Die biogene Fixierung durch stickstofffixierende Bakterien (freilebend: Azotobacter;
Cyanobakterien; in Symbiose mit Schmetterlingsblütlern als „Knöllchenbakterien“ in deren
Wurzelbereich: Rhizobium) führt zum Ammoniumion, die nicht-biogene (aus Luft unter dem
Einfluss elektrischer Entladungen in der Troposphäre und der Höhenstrahlung in der
Stratosphäre [N2  2N; N + O2  NO + O]) über Stickstoffoxide NOx zu Nitrat. Vergl.
hierzu den Stickstoffkreislauf Abb. 24. Eine wichtige Rolle spielt auch die anthropogene
Stickstofffixierung: industriell nach dem Haber-Bosch-Verfahren (s. u.), sowie –
umweltrelevant – als Nebenprodukt bei der Mitverbrennung stickstoffhaltiger Bestandteile
fossiler „Brennstoffe“ (Erdgas, Kohle, Öl, sowie daraus durch Raffination gewonnener
Produkte wie Diesel und Benzin).
Vergleich Haber-Bosch-Verfahren // biogene Stickstofffixierung:
Haber-Bosch
biogen
N2 + 3H2  2NH3
N2 + 10H+ + 8e-  2NH4+ + H2
( je e- gekoppelt mit: 2 ATP + 2H2O  2ADP + 2Pi)
Temperatur: 500 °C
Temperatur: um 20 °C
33
Druck: 200 bar
Druck: 1 bar
Katalysator: Fe (+ Al2O3 + K2O + …)
Kat.: Nitrogenase (Fe/Mo- oder Fe/V-S-Cluster)
Ausbeute: 17%
Ausbeute: 75%
Jahresproduktion ca. 109 t
Jahresproduktion ca. 108 t
Exkurs: Stickstoff
Vorkommen: Atmosphäre (als N2, 78.1 Vol-%; 4·1015 t); Hydrosphäre (als N2 gelöst im Wasser;
1012 t); mineralisch (Salpeter NaNO3) und in Gesteine (2·1017 t); organisch gebunden in
Bodenorganismen (3·1011 t) und Pflanzen und Tieren (1010 t).
Die N-Atome im N2 sind durch eine Dreifachbindung miteinander verknüpft; die Bindungsenergie
beträgt 945 kJ/mol  N2 ist reaktionsträge.
Wasserstoffverbindungen: NH3 (Ammoniak; Herstellung aus H2 und N2 nach dem Haber-Boschverfahren) und Ammoniumionen (NH4+), N2H4 (Hydrazin), HN3 (Stickstoffwasserstoffsäure; deren
Salze sind die Azide, z.B NaN3, gebräuchlich als Fungizid und Bakterizid in Bioessays). Nitride,
z.B. Na3N, leiten sich formal vom Ammoniak her.
Sauerstoffverbindungen: N2O (Distickstoffmonoxid, Lachgas), NO (Stickstoffmonoxid;
Herstellung durch Ammoniakverbrennung nach dem Ostwald-Verfahren), NO2 (Stickstoffdioxid,
steht im Gleichgewicht mit N2O4. NO2 bildet mit Wasser Salpetrige Säure HNO2 + Salpetersäure
HNO3), N2O5 (Distickstoffpentoxid). Die sich von der Salpetersäure herleitenden Salze heißen
Nitrate, die der Salpetrigen Säure Nitrite.
Verwendung: Düngemittel (Ammoniumverbindungen, Nitrate), Sprengstoffe (Nitrate;
Schwarzpulver ist eine Mischung aus Salpeter, Aktivkohle und Schwefelblume). HNO3 auch als
Nitriermittel in der organischen Chemie.
Organische Stickstoffverbindungen: Amine (NH2R, R = Phenyl: Anilin; NHR2; NR3), StickstoffHeterocyclen (Auswahl, s.u.), Säureamide (1a) und Peptide (1b), Hydroxamsäuren (2),
Aminosäuren (3), Nitroverbindungen (4), Nitrosamine (5), Diazoverbindungen (6).
NH2
NH
N
NH
N
Pyridin
Piperidin
Jahresproduktion ca. 109 t
NH2
O
CH2 C
R
NH
NH
NH
Adenin
Pyrrol
Imidazol
H2N CH CO2H bzw. H3N
R (1b) NH CH
R'
R
R N
N OH
(4)
(5)
H
R
CH CO2
R
(3)
NO
R NO2
(2) R
N
Jahresproduktion ca. 108 t
CH C
CH2 C
(1a)
N
O
O
R
N
N N
R'
(6)
Weitere Stickstoffverbindungen: Cyanid CN-, Cyanat NCO- und Thiocyanat NCS- (können als
Stoffwechselprodukte auftreten und an Metallionen komplexieren). Insbesondere Cyanid ist
toxisch: Blockierung der Cytochrome. Die Amide der Kohlensäure H2CO3: Carbamate, z.B.
NH4+(CO2NH2)- = Hirschhornsalz, und Harnstoff O=C(NH2)2.
34
N2O
Fixierung
N2
NO
Denitrifizierung
Fixierung
NH4
+
Nitrifizierung
-
NO3
Ammonifizierung
NO2
-
Assimilation
{N-C}
Abbau
Abbildung 24: Der Stickstoffkreislauf. Biogene Prozesse sind rot gekennzeichnet. Zur
Reduktion von Nitrat zu Nitrit mittels der Nitratreduktase s. Abschnitt 5.
Die Organisation der Nitrogenase ist in Abb. 25 gezeigt. Die zur Reduktion des
Stickstoffs erforderlichen Elektronen werden vom Eisenprotein, das als Cofaktor ein 4Fe4SFerredoxin enthält, in das Eisen-Molybdän- (bzw. Eisen-Vanadium-)Protein überführt und
dort zunächst vom P-Cluster (ein Doppelcuban mit einem Fe8S7-Kern) aufgenommen und
sodann in den M-Cluster überführt, in dem die eigentliche Reduktion erfolgt.
M -Cluster
-
S
(Cys)S
Fe
S
Fe
Fe
S
Fe
CH2CO2 Gln
S
Fe
S
S
N
Fe S
O C
Mo O-C
-
CH2CH2CO2
O
N(His)
Fe
S
S
Abbildung 25. Aufbau der Nitrogenase (oben) und Struktur des M-Clusters. des EisenMolybdän-Proteins. Der zweizähnige Ligand am Molybdän ist Homocitrat.
9. Stickstoffmonoxid
N O
O
NO entsteht unter troposphärischen Bedingungen bei elektrischen Entladungen, unter
stratosphärischen Bedingungen unter dem Einfluss harter UV- und kosmischer Strahlung, und
wird leicht weiteroxidiert zu NO2:
N2  2 N; N + O2  NO + O
2NO + O2  2NO2
Mit der Luftfeuchtigkeit und weiterem Sauerstoff wird Salpetersäure gebildet (Beitrag zum
„Sauren Regen“):
2NO2 + H2O + ½O2  2HNO3
N
35
Industriell wird NO durch Ammoniakverbrennung am Platinkontakt erzeugt und zu
Salpetersäure weiterverarbeitet (Ostwaldverfahren):
2NH3 + 2½O2  2NO + 3H2O
NO ist, neben unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Wasser und CO2 auch Bestandteil der
Auspuffgase des Kfz-Verkehrs sowie industrieller Abgase und der Abgase des Hausbrandes.
Unter Sonneneinstrahlung zerfällt NO2 in NO und Sauerstoffatome, die Kohlenwasserstoffe
letztlich zu Alkylperoxiden oxidieren, und mit molekularem Sauerstoff Ozon bilden
(Sommersmog):
NO2 + h  NO· + O
O + O2  O3
O + C2H6 + NO2·  C2H5O2· + NO·
In der Stratosphäre katalysiert NO den Ozonabbau:
NO + O3  NO2 + O2
NO2 + O  NO + O2
__________________
O3 + O  2 O2 (ohne Katalysator kinetisch gehemmt)
(s. auch „Exkurs Sauerstoff in Kap. 3)
Im Organismus spielt NO als
weitverbreiteter und multifunktioneller
Botenstoff und Neurotransmitter eine
wichtige Rolle. Metallzentren in
Metallaproteinen (insbesondere vom HämTyp) und cGMPase sind die Zielobjekte
für NO. Synthetisiert wird NO durch
Oxidation einer NH2-Gruppe des Arginins
unter Mitwirkung einer NO-Synthase
(NOS) über Hydroxyarginin zu Citrullin.
Man kennt drei unterschiedliche NOS:
nNOS (in den Neuronen; beteiligt an der
Signalübertragung und
Gedächtnisfunktion), iNOS (in den
Macrophagen; induziert die Bildung von
NO bei Infektionen und ist damit an der
Funktion des Immunsystems beteiligt) und eNOS (in den Endothel-Zellen der Blutgefäße;
steuert den Muskeltonus der Gefäßmuskulatur und damit den Blutdruck). Die relaxierende
Wirkung von NO auf die Gefäßmuskulatur wird auch bei der Medikation akuten
Bluthochdrucks und von Angina pectoris mit NO-freisetzenden Agentien genutzt: Amylnitrit
(C5H11NO2); Nitroglycerin (Glycerintrinitrat); Nitroprussidnatrium (NaPentacyanonitrosylferrat Na2[Fe(NO)(CN)5]).
NO wird auch von den Glühwürmchen (Johanniskäfern) zum „Anknipsen“ ihrer
Leuchtorgane genutzt. Der Leuchtvorgang ist zurückzuführen auf die Oxidation von
Luciferyl-AMP über dessen Peroxid zum Oxiluciferin. Dieser – Sauerstoff-verbrauchende –
Vorgang läuft ab, wenn der konkurrierende Sauerstoffverbrauch durch die Mitochondien
durch NO-Freisetzung blockiert wird. Vergl. Abb. 26.
36
Größere Mengen von NO sind toxisch, da NO die Eisen- und Kupferzentren eisen- und
kupferhaltiger Enzyme durch Bildung von Nitrosylkomplexen blockiert. Hämoglobin bindet
NO etwa 3·105-mal effektiver als O2; NO wird dabei als NO- (Nitrosylanion; isoelektronisch
mit O2) wie O2 end-on gewinkelt gebunden.
NO
COOH
HO
S
N
N
Luciferin
S
ATP(Mg2+)
(Luciferase)
Luciferyl-AMP
O
HO P
O
O
O
P O
OH
O2
HO
S
N
N
S
OOH
O
C
OPO3H
HO
HOAMP
+ CO2 + Licht
O
S
N
S
N
Oxiluceferin
Abbildung 26. NO induzierter Leuchtvorgang in Glühwürmchen.
10. Die Rolle der Alkali- und Erdalkalimetallionen
Physiologisch relevant sind die Alkalimetallionen Na+ und K+, sowie die
Erdalkalimetallionen Mg2+ und Ca2+. Li+ ist von therapeutischem Interesse (z.B. bei der
Behandlung manisch-depressiv Kranker; s. Kap. 1). Das Übergangsmetallion Mn2+ weist
Ähnlichkeiten mit Ca2+ und Mg2+ auf.
Gehalte im Menschen (bezogen auf 70 kg): Na 105, K 140, Mg 35, Ca 1050 g
Täglicher Bedarf: Na 1.1-3.3, K 2.0-5.0, Mg 0.3.0.4, Ca 0.8-1.2 g.
Mit Ausnahme von Mg2+ weisen die Kationen starke Unterschiede hinsichtlich ihrer
intra- und extrazellulären Konzentrationen auf. In der folgenden Tabelle sind die
Konzentrationen, auch im Vergleich zu denen im Meerwasser („der Wiege des Lebens“) und
zu den wichtigsten Anion-Konzentationen zusammengestellt. Der Erhaltung dieser
Konzentrationsunterschiede und damit der spezifischen Aufgaben der unterschiedlichen
Kationen kommt große Bedeutung zu.
Ionen-Konzentrationen (mM) intrazellulär und extrazellulär (am Beispiel der roten
Blutkörperchen) sowie im Meerwasser; in mM
K+
Na+
Ca2+
Mg2+
ClHCO3HPO42Intrazellulär
92
11
0.1
2.5
155
190
in Erythrocyten
Blutplasma
5
152
2.5
1.5
130
195
30
Meerwasser
10
500
10
50
500
variabel 0.002
SO42-
29
37
Intracellulär
Mittelwert
Extrazellulär
Mittelwert
155
10
0.001
15
8
10
65
0.5
4
142
2.5
0.9
120
27
1
10
Funktionsübersicht (Auswahl):
- Stützfunktion (Endo- und Exoskelette, Zähne): Ca (und Mg)
- Informationstransfer durch Bewegung in einem Konzentrations- oder
Potenzialgradienten: alle Ionen
- Regulation des osmotischen Druckes und von Membranpotenzialen: Na, K
- Enzymaktivierung (durch Koordination): Ca (und Mg und K)
- Chlorophyll: Mg
- Phosphat und anaerober Energiemetabolismus: Mg
- Stabilisierung von Zellmembranen durch Ausbildung von Cross-links zwischen
Proteinen und Polysaccchariden: Mg (und Ca)
Für die physiologischen Funktionen spielen die Ladungsdichten (LD =
Ionenradius/Ionenladung) der Kationen eine Rolle:
Li+
Na+
K+
Mg2+
Ca2+
r/Å*
0.76
1.02
1.38
0.72
1.00
LD
0.76
1.02
1.38
0.36
0.50
*
für die Koordinationszahl 6
Mn2+
0.83
0.42
Je höher die Ladungsdichte, um so höher die Befähigung, andere Moleküle zu polarisieren. Es
fällt auf, dass die Ladungsdichte von Mg2+ besonders hoch ist; Mg2+ bildet im Unterschied
zum Ca2+ und den Alkalimetallionen, aber in Übereinstimmung mit vielen
Übergangsmetallionen, stabile Komplexe auch mit N-funktionellen Liganden; vergl.
Chlorophyll. Die Alkali- und Erdalkalimetallionen sind im Übrigen eher mobil; ihre
Komplexe haben in der Regel kleine Stabilitätskonstanten (große Dissoziationskonstanten).
Ohne Anwesenheit zusätzlicher Liganden liegen die Ionen hydratisiert vor. Die
Geschwindigkeitskonstanten für den Austausch hydratisierten Wassers mit
Umgebungswasser, also für den Vorgang
[M(H2O)x]n+ („Mn+·aq“)  Mn+ + xH2O
liegen für Na+, K+ und Ca2+ im Bereich 10-10-10-7 s-1, für Mg zwischen 10-7 und 10-5 s-1; Mg2+Komplexe sind damit nicht nur thermodynamisch sondern auch kinetisch stabiler als die der
anderen Ionen.
Magnesium übernimmt u.a. im Phosphat- (und damit auch im Energie-)Metabolismus eine
essentielle Rolle, indem es durch Bindung an Diphosphat oder Phosphat +
Carboxylat/Alkoholat die erforderlichen Aktivierungsschritte ermöglicht. Beispiele sind
Kinasen, ATPasen, Phosphatasen, Isomerasen, Enolasen, Proteinsyntheasen und
-Polymerasen; s. das folgende Beispiel sowie die ATPase weiter unten:
O
HO
O
P
O
O
P O
O
O
P O
O
Adenosyl
Mg2+
ATP hydrolysegeschützt
(Mg2+ koordiniert an P  und P)
O
HO P
O
O
O
O
P O P O
O
O
Mg2+
Adenosyl
ATP hydrolyseanfällig
(Mg2+ koordiniert an P  und P)
H2O
O
HO
O
P O P O
O
O
Mg2+
ADP
Adenosyl
O
+ HO P O
OH
P
i
Die Komplexbildungskonstanten der MgATP/ADP-Komplexe (Mg2+ + ATP3-  [MgATP]-)
liegen bei 104 M-1 (die Dissoziationskonstanten entsprechend bei 0.1 mM). Die
38
Koordinationssphäre des Mg2+ ist zusätzlich von Wasser besetzt. Die freie Reaktionsenthalpie
für die ATP-Hydrolyse liegt bei G = -35 kJ/mol. Die Phosphatgruppe kann z.B. auf Zucker
übertragen werden (katalysiert durch eine Hexosephosphatase), in Zellen mit hohem ATPUmsatz auch auf Creatin; Phosphocreatin dient seinerseits als Phosphatspeicher für die
rasche Regenerierung von ATP. Der tägliche Umsatz an ATP entspricht im Ruhezustand etwa
dem halben Körpergewicht.
-
H2C CO2
H3C N
(Creatinkinase)
NH2
+ MgATP
-
NH2
H2C CO2 O
P O
N
N
H3C
OH
H
NH2
+ MgADP
Creatin
Phosphocreatin
Mg vermitteln auch die Hydrolyse von Phosphoesterbindungen durch Phosphatasen, wobei
ein trigonal-bipyramidaler Übergangszustand durchlaufen wird:
2+
R
R
O
O
O P O
(H2O)nMg2+
OH
O
R'
O
(H2O)nMg2+
P O
OH O
Übergangszustand R'
(trigonal-bipyramidal)
HO
(H2O)nMg2+
O
P O
R
+
H
O
R
OH
O
R'
Exkurs: Gibbs-Helmholtz-Gleichung
Sie verknüpft die Reaktionsenthalpie (H) mit der Freien Reaktionsenthalpie (G,
Nutzarbeit), der Reaktionsentropie (S) und der Temperatur T:
G = H – TS
Hiernach wird ein Teil der Reaktionsenthalpie für eine Entropieänderung umgesetzt. Im
Gesamtsystem erfolgt stets eine Zunahme der Entropie (+S); in Teilsystemen kann die
Entropie auch abnehmen (-S). Nur für negative G kann eine Reaktion freiwillig ablaufen.
Beispiel: H2 + ½ O2  H2O: H = -286 kJ/mol, TS = -49 kJ/mol (bei 298 K); G = -239
kJ/mol
Natrium und Kalium
Zur Aufrechterhaltung der intra- und extrazellulären Konzentrationen an Na+ und K+
sind Transportvorgänge über die Zellmembran erforderlich (vergl. Abb. 32). Ein solcher
Transport kann passiv (d.h. durch Diffusion) erfolgen, oder aktiv, d.h. mittels einer Na,KPumpe. Da die Zellmem-bran – eine lipophile Doppelschicht aus Phospholipiden – für die
hydrophilen, hydratisierten Natrium- und Kaliumionen nicht ohne Weiteres durchlässig ist,
müssen Transportmediatoren (Ionophore; s.u.) eingesetzt werden. Alternativ – und rascher –
kann der Transport auch durch Ionenkanäle in der Membran erfolgen. Solche Ionenkanäle
sind Gruppierungen von Transmembranproteinen mit nach innen weisenden sauren
(Carboxylat-) Gruppen.
Die Na+/K+-spezifische Pumpe ist eine ATPase, im Folgenden mit E (für Enzym)
abgekürzt, die durch Phosphorylierung die Energie liefert, Na+ gegen ein
Konzentrationsgefälle – also aktiv – aus der Zelle heraus und K+ in die Zelle
hineintransportiert. E besteht aus zwei Glycoproteiden der Molmassen 131 bzw. 62 kD, von
denen die größere Untereinheit das eigentliche Transportprotein ist. Im Verlaufe der mit dem
39
Ionentransport gekoppelten Phosphorylierung wechselt es zwischen den Konformationen E1
(Na+-sensitiv) und E2 (K+-sensitiv). Pro hydrolysiertem MgATP werden 2 K+ ein- und 3 Na+
ausgeschleust:
MgATP- + 3Na+in + 2K+ex  MgADP + Pi- + 3Na+ex + 2K+in
Das dadurch entstehende elektrische Ungleichgewicht wird z. Tl. durch eine Na+,Ca2+ATPase, zum Teil durch passiven Transport ausgeglichen. Im Einzelnen laufen die durch die
Na,K-ATPase katalysierten Vorgänge wie in Abb. 27 dargestellt ab. Das Durchschleusen der
Alkalimetallionen bei gleichzeitiger Änderung der Konformation des Enzyms kann man sich
anschaulich wie in Abb. 28 dargelegt vorstellen. Zur Phosphorylierung der ATPase s. Abb.
29.
MgATP
+
3Na
+
2K
E1(Na, Mg, ATP)
E1(K)
ADP
E1(Na)
Mg2+ ,Pi
E1(Na, Mg, P)
E
i n n e n
a u ß e n
E2(K)
E2(K, Mg, P)
E2(Na, Mg, P)
E2(Mg, P)
+
3Na
+
2K
Abbildung 27. Wirkungsweise
der Na,K-Pumpe (Na,Kabhängigen ATPase), E.
Einzelvorgänge (vergl. Abb. 27):
(1) Aufnahme von intrazellulärem Na+, Mg2+ und ATP durch E1;
(2) Phosphorylierung des Enzyms (vergl. Abb. 29);
(3) Konformationswechsel E1  E2 (vergl. Abb. 28);
(4) Extrusion von Na+ in den extrazellulären Raum und Aufnahme von K+;
(5) Dephosphorylierung des Enzyms: Abgabe von Phosphat und Mg2+ in das Zellinnere;
(6) Konformationsumkehr E2 E1;
(7) Abgabe von K+ in den intrazellulären Raum,
(8) Reaktivierung des Enzyms durch Aufnahme von Mg2+: E1 + Mg2+  E1(Mg2+).
vorstellen.
P
-
O
O
3Na+
O
O
C
C
-
O
O C
O
OO C
C
O
i n n e n
ATP
ADP
O
- -C
O O
O C
C
O O-
a u ß e n
E1
2K+
E2
40
Abbildung 28. Transmembrantransport von Na+ und K+ durch ATPase. E1 und E2
repräsentieren unterschiedliche Konformationen der ATPase.
Na
OH
+
OH
O
Mg
O
P
Na
OH
O
Mg
O
O
ADP H O
2
O O
NH C
HC
CH
HC
C
C
2
O
P
O
O
NH
+
OH
+ ADP
C
CH2
O
Abbildung 29. Phosphorylierung der ATPase. Durch den Phosphatantagonisten Vanadat
(H2VO4-) wird der trigonal-bipyramidale Zwischenzustand fixiert, der
Phosphorylierungsschritt damit blockiert, die ATPase also inhibiert.
Ionenkanäle und Ionophore
Neben dem ATP-getriebenen aktiven Transport können Alkali- (und Erdalkali-) Metallionen
die Membran auch "passiv" über Ionenkanäle (hydrophiler Transport) oder mit Hilfe von
Transportvehikeln, so gen. Ionophore überwinden (hydrophober Transport).
Ionenkanäle sind mit Carboxylatfunktionen von Asp und Glu ausgekleidet und
ermöglichen so den hydrophilen Transmembrantransport. Dieser kann als Symport (Kation
gegen Anion) oder Antiport (Kation gegen Kation) erfolgen. Im einzelnen unterscheidet man
die folgenden Typen von Kanälen:
- Leak channels (nur für K+): sie sind immer offen;
- Gated channels = Kanäle mit Schleusen: sie sind geschlossen, können aber bei Bedarf
geöffnet werden, und zwar
 spannungskontrolliert (voltage gated)
 durch chemische Reize, z.B. Neurotransmitter wie Acetylcholin, Glutamat, NO;
Toxine wie Nicotin; Ca2+-Ausschüttung
 mechanische Reize, z.B. physikalische Veränderung der Membran durch Dehnung.
Ionophore sind Makrozyklen mit im wesentlichen O-funktionellen Gruppen, die in
vivo spezifisch Na+ oder K+ komplexieren. Modelle für solche Ionophore sind Kronenether,
Kryptanden und Calixarene; Abb. 30. Die Spezifizität für von Na+ bzw. K+ wird hier wie in
den biogenen Ionophoren durch die Größe der verfügbaren Hohlräume prädestiniert. Abb. 31
zeigt als Beispiele für natürlich vorkommende Ionophore Nonactin, Enniatin (beide für K+)
und Antamanid (für Na+). Antamanid ist ein cyclisches Decapeptid (-Val-Pro-Pro-Ala-PhePhe-Pro-Pro-Phe-Phe-).
41
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
15C5
O
18C6
Dibenzo-18C6
R
O
N
O
O
N
O
O
O
C-221
O
N
O
O
O
O
OH
N
OH
HO
OH
R
R
R
C-222
Calix[4]aren
Abbildung 30. Für die Komplexierung von Alkalimetallionen geeignete Kronenether (oben),
Kryptanden (unten links und Mitte) und Calixarene (Metacyclophane, unten rechts). 18C6 =
18-Krone-6 (18-gliedrig, 6 O-Funktionen); C221 = Kryptand-221 (221 bezieht sich auf
Anzahl der O-Funktionen in den drei Brücken).
Antanamanid
Enniatin B
Abbildung 31. Ionophore für K+ (Nonactin und Enniatin B) und Na+ (Antamanid).
Calcium
Schwerlösliche Calciumverbindungen (Carbonate, Phosphate, Sulfate, Carboxylate)
übernehmen Stützfunktionen, indem sie am Aufbau von Exo- und Endoskelettstrukturen
beteiligt sind (s. Exkurs „Biomineralisation“). Ein 70 kg schwerer Mensch enthält ca. 1.1 kg
Calcium, im Wesentlichen in der Knochensubstanz. Nur etwa 10 g sind nicht an
Knochenmaterial gebunden. Diese 10 g sind für eine Vielzahl von Funktionen im Organismus
zuständig. Hierzu gehört die Regulation von Zellfunktionen, der Muskelkontraktion, der
Blutgerinnung und Enzymregulation, letztere mittels spezieller Ca2+-bindender Proteine
(Calmoduline; s.u.). Ganz allgemein wirkt Ca2+ als „second messenger“, indem es Signale
auslöst, reguliert und verstärkt. Daneben kann Ca2+, ähnlich wie Zn2+, als Cofaktor in
42
Enzymen auch Hydrolasefunktion übernehmen (z.B. die Hydrolyse der PhosphodiesterBindung durch bestimmte Nucleasen), sowie als Bestandteil von Proteinen Strukturfunktion
haben (z.B. im Thermolysin und der Proteinase-K). In der Regel ist für die Funktion von
Calcium eine nur sehr niedrige cytosolische Konzentration (von 0.1 bis 1 µM) erforderlich.
Die extrazellulären Konzentrationen liegen bei 1 mM. Den Austausch übernehmen Ca2+ATPasen (s.a. weiter unten). Fehlfunktionen im Ca2+-Stoffwechsel können u.a. zur
Ablagerung schwerlöslicher Calciumverbindungen in den Blutgefäßen und Sekretionsorganen
führen, sowie zu Erkrankungen des cardiovaskulären Systems.
Im Unterschied zu Mg2+, das oktedrische Koordination
bevorzugt, neigt Ca2+ zur Ausbildung der Koordinationszahlen 7
und 8. Bevorzugte Liganden sind H2O, Carboxylate (Asp, Glu), die
Carbonylgruppe aus der Peptidbindung, und Alkoholat (aus Serin).
Ein Beispiel ist Parvalbumin (s. rects), ein Ca2+-haltiges Protein in
der glatten Muskulatur, beteiligt an der Muskelrelaxation.
O
O
O
NH
H2O Ca O
O O
Exkurs: Biomineralisation
Hierunter versteht man die Generierung anorganischer („mineralischer“) Materialien oder
anorganisch-organischer Kompositmaterialien durch biologische Aktivität. Beispiele sind
Magnetit (Fe3O4) und Greigit (Fe3S4) in den Magnetosomen magnetostatischer Bakterien,
Calciumcarbonate (CaCO3: Calcit, Aragonit) als Exoskelette von Muscheln, Schnecken,
Seeigeln und Korallen sowie in den Zähnen der Raspelzungen von Schnecken, Gips
(CaSO4·½H2O) als Schwerkraftsensoren in Tiefseequallen (Periphylla) und in Algen der
Gattung Closterium, und Siliziumdioxid-Hydrate in den Exoskeletten von Radiolarien und
Diatomeen (Kieselalgen). In allen Fällen werden die mineralischen Stoffe an einer
Proteinmatrix aufgebaut (was zu den oft filigranartigen Strukturen führt), die sich – im 0.1%Bereich – in solchen Materialien auch wiederfinden.
Magnetit und Greigit in einem
magnetostatischem Bakterium
Calcit der
Seeigelschale
SiO2-Skelette von Radiolarien
(links) und Diatomeen
Ein Beispiel für ein Kompositmaterial ist das Endoskelett der Wirbeltiere: Knochen bestehen,
jeweils etwa zur Hälfte, aus Kollagenfasern und Hydroxylapatit, Ca5(PO4)3(OH)xF1-x (x 
0.01). Unerwünschte Deponate sind Ca-Oxalate, -Phosphate und -Steroide in Blutgefäßen
(„Verkalkung“) und exkretorischen Organen (Gallen-, Blasen-, Nierensteine).
Den Transmembran-Transport von Ca2+ (vom intra- in den extrazellulären
Raum), gekoppelt mit dem Transport von Na+ (vom extra- in den intrazellulären Raum; 2Na+
je Ca2+) übernimmt eine Na,Ca-ATPase. Die Ca2+-Extrusion ist dabei mit der Synthese von
43
ATP aus ADP und Pi verknüpft. Das so in die Zelle eingeschleuste Na+ wird durch die Na,KPumpe wieder hinausbefördert. S. a. Abb. 32.
extrazellulär
intrazellulär
+
c(Na ) = 140
+
c(K ) = 5
3Na+
+
c(Na ) = 10 mM
+
c(K ) = 150
ATP
+
2K
+
aktiver Transport
durch die Na,K-ATPase
+
K , Na
passiver Transport ("Diffusion")
Ca2+
2Na
c(Ca2+) = 1
ADP + Pi
+
ADP + Pi
ATP
aktiver Transport
durch die Na,C a-ATPase
c(Ca2+) = 10-3
Abbildung 32. Der Transmembran-Transport der Ionen Na+, K+ und Ca2+
Ca2+ spielt eine essentielle Rolle bei der Muskelkontraktion. Muskelzellen enthalten
Muskelfasern (Muskelfibrillen, Myofibrillen), die eingebettet sind in das Sarkoplasmatische
Retikulum (SR). Dieses enthält Zisternen (Vesikel; ves), die Ca2+ vorrätig halten. Die Ca2+Konzentration in den Vesikeln liegt bei 1-5 mM. Die Speicherung von Ca2+ wird durch das
saure Protein Calsequesterin gewährleistet: 50 kD, kann mittels zahlreicher Asp und Glu bis
zu 50 Ca2+ binden. Die Muskelkontraktion wird durch Ausschüttung von Ca2+ in das
Cytoplasma (cyt) des SR über die Membran des SR bewirkt, wobei wieder eine ATPase (E)
involviert ist, die zwischen den Konformationen E1 und E2 wechselt:
-
Der Transport aus den Vesikeln in das Cytoplasma (mit dem Konzentrationsgefälle),
gekoppelt mit der Synthese von ATP, löst die Kontraktion der Muskelfibrillen aus:
2Ca2+(ves) + E2-Phosphat + ADP  2Ca2+(cyt) + E1 + ATP
-
Rücktransport der Ca2+ aus dem Cytoplasma
in die Vesikeln des SR führt zur
Muskelrelaxation (Verbrauch von ATP):
2Ca2+(cyt) + E1 + ATP  2Ca2+(ves) + E2Phosphat + ADP
Die Aktivierung Ca2+-abhängiger Enzyme wird
durch Proteine der Calmodulin-Gruppe initiiert.
Calmodulin = calcium modulating protein. Dies
sind kleine Proteine der Molmasse 17 kD, die vier
Ca2+ binden können und dabei eine
Konformationsänderung erfahren, die eine
Ankopplung an die zu aktivierenden Enzyme (z.B.
Ca-ATPasen, NO-Synthasen [vergl. Abschnitt 9.],
NAD-Kinasen, Adenylat-Cyclase) ermöglicht; s.
Abb. 33.
+ 4Ca2+
44
Abbildung 33. Modell für die Aktivierung von Enzymen (grau; z.B. NO-Synthase) durch
Ca2+-Calmodulin. Blau: Substrat (z.B. Arginin); rot: aktiviertes Substrat.