Prolyl-4-Hydroxylase

Prolyl-4-Hydroxylase
Masse/Länge Primärstruktur	534 / 535 / 544 Aminosäuren (Homo sapiens)
Sekundär- bis Quartärstruktur	Tetramer aus zwei α- und zwei β-Untereinheiten
Kofaktor	Vitamin C
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	1.14.11.2, Dioxygenase
Reaktionsart	Hydroxylierung
Substrat	Peptidyl-Prolin + α-Ketoglutarat + O2
Produkte	Peptidyl-Hydroxyprolin + Bernsteinsäureanhydrid + CO2
Vorkommen
Übergeordnetes Taxon	Eukaryoten (Eucaryota)

Die Prolyl-4-Hydroxylase (4-PH) (auch: Procollagenprolin-Dioxygenase, EC 1.14.11.2) ist ein Enzymkomplex in Eukaryoten (Eucaryota), der in Gewebetieren oder Wirbeltieren die Hydroxylierung von Prolylresten in Proteinen katalysiert. Dabei handelt es sich um eine posttranslationale Modifikation. Sie ist essentiell für die Biosynthese des Kollagens.

Katalysierte Reaktion

Mithilfe molekularen Sauerstoffs (O₂) werden bestimmte Prolylreste des physiologischen Substrats Kollagen hydroxyliert. Dabei geht jeweils ein Sauerstoffatom auf α-Ketoglutarat, welches (durch Decarboxylation) zum Succinat wird, das andere auf den Prolylrest, welcher zum 4-Hydroxyprolyl wird. Dabei können gleichzeitig zwei verschiedene Reaktionen ablaufen:

• die Prolyl-Hydroxylierung ohne Ascorbat:
  Prolyl-Procollagen + α-Ketoglutarat + O₂ ${\displaystyle {\xrightarrow {\mathrm {Fe} ^{2+}}}}$ 4-Hydroxyprolyl-Procollagen + Succinat + CO₂
• die ungekoppelte Decarboxylierung von Ketoglutarat mit Ascorbat (mit und ohne Anwesenheit des Prolylrests):
  (Prolyl-Procollagen +) α-Ketoglutarat + Ascorbat + O₂ ${\displaystyle {\xrightarrow {\mathrm {Fe} ^{2+}}}}$ (Prolyl-Procollagen +) Succinat + CO₂ + Dehydroascorbat

Bei der ersten Reaktion werden also nicht beide Atome eines Sauerstoffmoleküls auf dasselbe Substrat übertragen, sondern auf zwei verschiedene.

Struktur

Es handelt sich um ein Tetramer aus zwei α- und zwei β-Untereinheiten. Die α-Untereinheit kann beim Menschen von drei möglichen paralogen Genen codiert sein, wobei es jeweils noch Isoformen durch alternatives Spleißen gibt. Bei der zweiten Untereinheit handelt es sich um eine Proteindisulfid-Isomerase, die, an der posttranslationalen Modifikation von Proteinen teilnehmend, in hoher Konzentration als Chaperon fungieren kann. Sie ist außerdem Untereinheit des MTTP-Proteins.

Enzym und Koenzyme

Die Prolylhydroxylase ist eine mischfunktionelle Hydroxylase oder Dioxygenase.

In ihrem aktiven Zentrum befindet sich reduziertes Eisen (Fe²⁺), welches kurzfristig ein Elektron abgeben kann.

Kofaktoren: Zur Aktivität benötigt es α-Ketoglutarat, zur Regeneration Ascorbat (siehe Ascorbinsäure#Physiologische Bedeutung). Außerdem sind für die Aktivität das Substrat und molekularer Sauerstoff sowie Abwesenheit spezifischer Inhibitoren erforderlich.

Vorkommen und Expression

Prolylhydroxylasen sind bei der Biosynthese von Kollagen erforderlich, kommen also in allen Wirbeltier-Fibroblastenzellen und Bindegewebezellen sowie vielen anderen Zellen vor, werden aber nicht in allen Körperzellen exprimiert.

Stimulation / Inhibition

Die Enzymaktivität kann durch Bleomycin stimuliert werden.

Prolylhydroxylasen können durch Poly(L-Prolin), durch Poly(ADP-Ribose), Roxadustat oder durch Erythropoetin (EPO, siehe Erythropoietin #Induktoren der EPO-Synthese) spezifisch inhibiert werden.

Literatur

• R.A. Berg, D.J. Prockop: Affinity column purification of protocollagen proline hydroxylase from chick embryos and further characterization of the enzyme. In: J. Biol. Chem., 248, 1973, S. 1175–1182, PMID 4346946.
• J.J. Hutton Jr., A.L. Tappel, S. Udenfriend: Cofactor and substrate requirements of collagen proline hydroxylase. In: Arch. Biochem. Biophys., 118, 1967, S. 231–240.
• K.I. Kivirikko, Y. Kishida, S. Sakakibara, J. Prockop: Hydroxylation of (X-Pro-Gly)n by protocollagen proline hydroxylase. Effect of chain length, helical conformation and amino acid sequence in the substrate. In: Biochim. Biophys. Acta, 271, 1972, S. 347–356, PMID 5046811.
• K.I. Kivirikko, D.J. Prockop: Purification and partial characterization of the enzyme for the hydroxylation of proline in protocollogen. In: Arch. Biochem. Biophys., 118, 1967, S. 611–618.

Einzelnachweise

1. ↑ Nachweise in: Arabidopsis thaliana, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Homo sapiens, Paramecium bursaria, durch
   J. Myllyharju: Prolyl 4-hydroxylases, the key enzymes of collagen biosynthesis. In: Matrix Biol. 22. Jahrgang, 2003, S. 15–24 (englisch). 
2. ↑ L Kukkola, R Hieta, KI Kivirikko, J Myllyharju: Identification and characterization of a third human, rat, and mouse collagen prolyl 4-hydroxylase isoenzyme. In: J. Biol. Chem. 278. Jahrgang, Nr. 48, November 2003, S. 47685–93, doi:10.1074/jbc.M306806200, PMID 14500733 (englisch). 
3. ↑ KI Kivirikko, R Myllylä, T Pihlajaniemi: Protein hydroxylation: prolyl 4-hydroxylase, an enzyme with four cosubstrates and a multifunctional subunit. In: FASEB J. 3. Jahrgang, Nr. 5, März 1989, S. 1609–17, PMID 2537773 (englisch). 
4. ↑ UniProt P07237
5. ↑ K. Takeda, S. Kawai, F. Kato, T. Tetsuka, K. Konno: Stimulation of prolyl hydroxylase activity by bleomycin. In: Journal of Antibiotics. Band 31, Nr. 9, 1978, S. 884–887, PMID 81830 (englisch). 
6. ↑ D. F. Counts, G. J. Cardinale, S. Udenfriend: Prolyl hydroxylase half reaction: peptidyl prolyl-independent decarboxylation of alpha-ketoglutarate. In: Proceedings of the National Academy of Sciences. Band 75, Nr. 5, 1978, S. 2145–2149, PMID 209453 (englisch). 
7. ↑ M. Z. Hussain, Q. P. Ghani, T. K. Hunt: Inhibition of prolyl hydroxylase by poly(ADP-ribose) and phosphoribosyl-AMP. Possible role of ADP-ribosylation in intracellular prolyl hydroxylase regulation. In: The Journal of Biological Chemistry. Band 264, Nr. 14, 15. April 1989, S. 7850–7855, PMID 2542248 (englisch).