Einblicke in den Mechanismus der mitochondriellen Sulfidoxidation bei Tieren

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Sulfid war zunächst als Gift bekannt, bevor seine Rolle als Energielieferant mariner Invertebraten entdeckt wurde und sich schließlich vor einigen Jahren herausstellte, dass H2S auch als Signalmolekül dienen kann. 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 Mitochondrienmatrix 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 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 µM von den Säugetiermitochondrien energiekonservierend umgesetzt werden kann. Ohne Glutamat wird die ATP-Produktion dagegen, wie bei allen bisher untersuchten Tieren, bereits ab etwa 20 µM Sulfid gehemmt. Als Anpassung an die erhöhten Sulfidkonzentrationen und die hypoxischen Bedingungen in seinem Lebensraum besitzt der Wattwurm 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.