Dokument: Einblicke in den Mechanismus der mitochondriellen Sulfidoxidation bei Tieren

Titel:	Einblicke in den Mechanismus der mitochondriellen Sulfidoxidation bei Tieren
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=6549
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20071217-110959-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Hildebrandt, Tatjana [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 8,38 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 14.12.2007 / geändert 14.12.2007
Beitragende:	Prof. Dr. Grieshaber, Manfred K. [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter] Prof. Dr. Wieczorek, Helmut [Gutachter]
Stichwörter:	Sulfidoxidation, Mitochondrien, Arenicola marina
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Sulfid war zunächst als Gift bekannt, bevor seine Rolle als Energielieferant mariner Invertebraten entdeckt wurde und sich schließlich vor einigen Jahren herausstellte, dass Sulfid auch als Signalmolekül dienen kann. Die genauen Mechanismen dieser Wirkungsweisen des Sulfids wurden bisher noch nicht vollständig aufgeklärt. Der Stoffwechselweg der enzymatischen Oxidation von Sulfid ist bei allen drei Aspekten von Bedeutung, denn er kann sowohl der Entgiftung dienen als auch das Signal beenden und ist außerdem unter bestimmten Umständen mit einer ATP-Produktion verbunden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Mechanismus der mitochondriellen Sulfidoxidation bei dem sulfidadaptierten Invertebraten Arenicola marina und der Ratte als Beispiel eines Säugetieres. Eine Reaktionssequenz aus drei enzymatischen Schritten wurde identifiziert, die in den Mitochondrien des Wattwurms genauso wie in Rattenlebermitochondrien Sulfid zu Thiosulfat umsetzt. Die an die innere Mitochondrienmembran gebundene Sulfid-Chinon-Oxidoreduktase (SQR), die bei A. marina bereits bekannt war, oxidiert auch in Säugetiermitochondrien Sulfid zu Persulfiden, also Schwefel der Oxidationsstufe Null, und überträgt die Elektronen dabei auf Ubichinon. Eine Schwefeldioxigenase in der mitochondriellen Matrix oxidiert im zweiten Schritt den Sulfanschwefel unter Verbrauch von molekularem Sauerstoff und Wasser zu Sulfit. Anschließend überträgt eine Schwefeltransferase ein weiteres Persulfid von der SQR auf Sulfit, und als Endprodukt der mitochondriellen Sulfidoxidation entsteht Thiosulfat. Die an dieser Reaktion beteiligte Schwefeltransferase aus den Rattenlebermitochondrien wurde bis zur Homogenität gereinigt und als Rhodanase identifiziert. Die Persulfidübertragung auf Sulfit bei der Sulfidoxidation ist also offenbar eine weitere physiologische Funktion dieses in allen Reichen des Lebens vorhandenen Enzyms, dessen Bedeutung für den Stoffwechsel noch umstritten ist. Während die Enzyme zur Thiosulfatproduktion aus Sulfid offenbar Bestandteil des allgemeinen mitochondriellen Schwefelstoffwechsels sind, erfolgt eine spezifische Anpassung an sulfidhaltige Lebensräume den vorliegenden Ergebnissen zufolge auf der Ebene der Atmungskette. Diese ermöglicht außerdem eine Regulation der Sulfidoxidation. Die Säugetiermitochondrien aus der Rattenleber übertragen die Elektronen aus dem ersten Oxidationsschritt von der SQR über die Komplexe III und IV der Atmungskette auf Sauerstoff und produzieren dabei ATP. Glutamat verhindert durch einen noch unbekannten Mechanismus die Hemmung der Cytochrom c Oxidase durch Sulfid und ermöglicht dadurch, dass Sulfid auch in vergleichsweise hohen Konzentrationen von bis zu 100 micromolar von den Lebermitochondrien umgesetzt werden kann. Ohne Glutamat wird die ATP-Produktion dagegen, wie bei allen bisher untersuchten Tieren, bereits ab etwa 20 micromolar Sulfid gehemmt. Als Anpassung an die erhöhten Sulfidkonzentrationen und die hypoxischen Bedingungen in seinem Lebensraum besitzt der Wattwurm darüber hinaus eine verzweigte Atmungskette, die zusätzliche Regulationsmöglichkeiten für die Sulfidoxidation bietet. Glutathion und Ascorbat bzw. Dehydroascorbat wurden als spezifische Aktivatoren für den entgiftenden und den energiekonservierenden Sulfidoxidationsweg bei A. marina identifiziert. In Abhängigkeit vom Redoxzustand werden die Elektronen entweder ohne Protonentranslokation durch eine Alternative Oxidase direkt vom Ubichinon-Pool auf Sauerstoff übertragen oder nehmen wie bei den Säugetiermitochondrien den mit ATP-Produktion verbundenen Weg über die Komplexe III und IV der Atmungskette. Hydrogen sulfide has been known as a toxic pollutant long before its physiological functions became apparent. Nevertheless, the exact mechanisms of sulfide toxicity and signalling as well as its exploitation in sulfide-adapted invertebrates remain to be elucidated. A pathway for sulfide oxidation might contribute to all of these aspects, as it potentially takes part in sulfide detoxification as well as in ATP-production and furthermore eliminates the signal molecule sulfide. Three enzymes have been identified, which are required for thiosulfate production from hydrogen sulfide in the mitochondria of the sulfide adapted invertebrate lugworm Arenicola marina and in the vertebrate rat liver mitochondria. The first step is catalyzed by a membrane-bound sulfide:quinone oxidoreductase (SQR), which has already been described for the lugworm. The SQR converts sulfide to sulfane sulfur and transfers the electrons to ubiquinone. Subsequently, a sulfur dioxygenase in the mitochondrial matrix oxidizes the persulfide to sulfite using molecular oxygen and water. The final reaction is catalyzed by a sulfurtransferase, which transfers a second persulfide from the SQR to sulfite, resulting in the final product thiosulfate. The sulfurtransferase was purified to homogenity from rat liver and identified as rhodanese. Therefore, the transfer of sulfane sulfur to sulfite in the process of sulfide oxidation can be added to the list of physiological functions of an enzyme, that still remains a mystery. As rhodanese is widely distributed in animals, plants and bacteria, it is expected to have further important functions other than cyanide detoxification, which are presently a matter of debate. Whereas the pathway for sulfide oxidation to thiosulfate seems to be identical in mammals and sulfide adapted invertebrates, adaptations as well as regulatory mechanisms can be found at the level of the respiratory chain. Rat liver mitochondria use the respiratory chain complexes III and IV to transfer the electrons from the first step of sulfide oxidation to oxygen. Therefore, they are able to gain ATP from the process. In the presence of glutamate, cytochrome c oxidase is not completely inhibited by sulfide concentrations as high as 100 micromolar. As in all animals studied so far, sulfide supported ATP-production in rat liver mitochondria is inhibited by 20 micromolar sulfide without glutamate as an activator. A branched respiratory chain enables the lugworm to switch to a pathway of rapid sulfide detoxification, which is independent of the ATP-demand. Selective activators of the energy conserving and the detoxifying sulfide oxidation pathway have been identified. In the presence of the ROS scavengers glutathione (GSH) and ascorbate, isolated lugworm mitochondria transfer the electrons from sulfide oxidation to oxygen via an alternative oxidase, which branches off the electron transport chain at the level of ubiquinone. With no proton translocation taking place, this reaction can be regarded as a mere detoxification process. In contrast, dehydroascorbate activates an energy conserving pathway, which requires complex III and IV of the respiratory chain. The present data indicate, that a redox mechanism might contribute to the regulation of sulfide oxidation in lugworm mitochondria in vivo.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Zoophysiologie
Dokument erstellt am:	14.12.2007
Dateien geändert am:	14.12.2007
Promotionsantrag am:	05.11.2007
Datum der Promotion:	12.12.2007