Haloperoxidasen
Enzymfamilie
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Haloperoxidasen sind eine Klasse von Enzymen, die organische Verbindungen halogenieren können. Die Reaktionen basieren auf der Oxidation von Halogenidionen (Chlorid, Bromid, Iodid aber nicht Fluorid) zu hypohalogenigen Säuren, die als eigentliches Halogenierungsmittel fungieren. Eine genauere Einteilung wird nach dem elektronegativsten Halogen vorgenommen, das ein Enzym oxidieren kann: Chloroperoxidasen (oxidieren Cl-, Br-, I-), Bromoperoxidasen (oxidieren Br- und I-) und Iodoperoxidasen (oxidieren nur I-).
Klassifizierung
Haloperoxidasen katalysieren die Halogenierung organischer Verbindungen, wobei sie Halogenid-Ionen und Wasserstoffperoxid nutzen. Das eigentliche Halogenierungsmittel ist eine hypohalogenige Säure.[1] Klassifiziert werden Haloperoxidasen nach dem elektronegativsten Halogen, das sie oxidieren können. Bromoperoxidasen können beispielsweise Bromid und Iodid oxidieren aber nicht Chlorid. Chloroperoxidasen können alle drei Halogenide oxidieren, Iodoperoxidasen nur Iodid.[2]
Elektropositive Fluorverbindungen können unter physiologischen Bedingungen nicht generiert werden, daher sind auch keine Haloperoxidasen bekannt, die Fluorierungen katalysieren. Weiterhin können Haloperoxidasen danach klassifiziert werden, welche Art von Cofaktor sie nutzen, um die Halogenoxidation zu katalysieren. Das kann einerseits Eisen sein, in Form von Häm als prosthetische Gruppe oder Vanadium in Form von Vanadat als prosthetische Gruppe.[1]
Vertreter und Vorkommen
Die erste Haloperoxidase, die entdeckt wurde, war eine Häm-Chloroperoxidase aus dem Pilz Caldariomyces fumago im Jahr 1959. Diese ist nötig um das chlorierte Antiobiotikum Caldariomycin zu biosynthetisieren.[1] Ein Beispiel für eine Vanadium-Haloperoxidase ist die aus Curvularia inaequalis. Aus dem Bakterium Streptomyces aureofaciens ist eine Chloroperoxidase bekannt, die ohne metallische Cofaktoren auskommt und stattdessen eine katalytische Triade aus Serin, Histidin und Asparaginsäure aufweist. Weitere cofaktorfreie Haloperoxidasen sind aus Streptomyces lividans und Pseudomonas fluorescens bekannt.[3] Besonders verbreitet sind Haloperoxidasen in Pilzen, sowohl in Schlauchpilzen als auch in Ständerpilzen.[4]
Unter den Vanadium-Haloperoxidasen sind in Braunalgen Bromoperoxidasen aus Ascophyllum nodosum bekannt, während Laminaria digitata sowohl Bromo- als auch Iodoperoxidasen aufweist. Aus Rotalgen, beispielsweise der Gattung Corallina, sind ebenfalls Bromoperoxidasen bekannt. Der Pilz Zobellia galactanivorans besitzt Iodoperoxidasen.[2]
Reaktionsmechanismen
Ein vorgeschlagener Mechanismus einer vanadium-haltigen Chloroperoxidase (aus Curvularia inaequalis) basiert darauf, dass Wasserstoffperoxid zunächst einfach deprotoniert wird, dann an die prosthetische Gruppe bindet (Vanadat an einem Histidin). Wird zusätzlich ein Chloridion an das Vanadium gebunden kann es zu hypochloriger Säure oxidiert werden. Bei der cofaktorfreien Haloperoxidase aus Streptomyces aureofaciens basiert der vorgeschlagene Mechanismus darauf, dass zunächst Serin am aktiven Zentrum acetyliert wird. Durch Angriff von Wasserstoffperoxid bildet sich Peroxyessigäure, die in der Bindungstasche gegen Hydrolyse geschützt ist, bis in einer nichtenzymatischen Reaktion mit einem Halogenidion reagieren kann, um eine hypohalogenige Säure zu bilden.[3]
Katalysierte Reaktionen
Die Bromoperoxidase aus Corallina pilulifera kann beispielsweise die Bromierung von Cytosin, Uracil, Cytidin und Pyrazol und die Iodierung von Uracil und Pyrazol. Neben Halogenierungen durch Bildung von hypohalogeniden Säuren oder molekularen Halogenen, sind auch weitere Oxidationsreaktionen wie Sulfoxidierungen und Epoxidierungen von Haloperoxidasen bekannt.[3] Curvularia inaequalis bildet selbst keine Organohalogenverbindungen, vermutlich dient die Bildung von hypochloriger Säure stattdessen dem Abbau von Lignocellulose pflanzlicher Substrate.[5] Die Bildung von iodierten Schilddrüsenhormonen beim Menschen (zum Beispiel Thyroxin) wird von einer Häm-Haloperoxidase katalysiert.[6]