Die Kupfertasche der Superoxid-Dismutase

Weshalb ein einzelnes Elektron Aufmerksamkeit verdient

Sauerstoffmoleküle sind in jeder Zelle vorhanden. Nimmt ein solches Molekül nur ein einziges Elektron auf statt der vier, die bis zum Wasser nötig wären, entsteht das Superoxid-Radikalanion, in Formeln O₂^•− geschrieben. Es existiert nur kurz, trägt eine negative Ladung und geht bereitwillig Reaktionen mit Molekülen in seiner Umgebung ein.

Von oxidativem Stress sprechen Biochemikerinnen und Biochemiker, wenn das Verhältnis zwischen der Bildung reaktiver Sauerstoffverbindungen und ihrem Abbau über längere Zeit zur Bildungsseite hin kippt. Der Begriff beschreibt also keine einzelne Substanz, sondern eine Schieflage zwischen zwei Seiten einer Bilanz.

Auf der Abbauseite dieser Bilanz steht als eine der ersten Stationen ein Enzym, dessen aktives Zentrum ein Kupferatom enthält: die Kupfer-Zink-Superoxid-Dismutase, in Fachtexten meist SOD1 genannt. An ihr lässt sich besonders anschaulich zeigen, worauf sich die zugelassene EU-Angabe zu Kupfer bezieht — deshalb steht sie auf diesen Seiten im Mittelpunkt.

Die Kupferstelle der SOD1 bei der Arbeit

SOD1 besteht aus zwei gleich gebauten Untereinheiten mit je rund 150 Aminosäuren. Jede Untereinheit bindet ein Kupferion und ein Zinkion, die nur wenige Zehntel Nanometer voneinander entfernt liegen. Die eigentliche chemische Umsetzung findet am Kupfer statt.

Wechsel zwischen zwei Ladungszuständen

Das Kupferion kann als Cu²⁺ oder als Cu⁺ vorliegen. Trifft ein Superoxid-Molekül auf die oxidierte Form, gibt es sein überschüssiges Elektron an das Kupfer ab und verlässt das Enzym als gewöhnlicher Sauerstoff. Das nun reduzierte Kupfer reicht dieses Elektron an das nächste Superoxid-Molekül weiter, das zusammen mit zwei Protonen zu Wasserstoffperoxid wird.

2 O₂^•− + 2 H⁺ → O₂ + H₂O₂

Danach liegt das Kupfer wieder als Cu²⁺ vor, und der Kreislauf kann von vorn beginnen. Das Enzym selbst wird dabei nicht verbraucht. Genau dieser Vorgang ist der biochemische Hintergrund der folgenden Angabe:

Warum ein Zinkion daneben sitzt

Das Zinkion nimmt selbst keine Elektronen auf. Es ist über einen gemeinsamen Histidin-Rest mit dem Kupfer verbunden und hält die Schleife des Proteins, die das aktive Zentrum formt, in der richtigen Position. Ohne diese strukturelle Verankerung wäre die Tasche um das Kupfer weniger formstabil.

Eine Reaktion nahe am physikalischen Tempolimit

Die gemessene Geschwindigkeitskonstante von SOD1 liegt in der Größenordnung von 10⁹ pro Mol und Sekunde. Das ist ungefähr so schnell, wie Moleküle in wässriger Lösung überhaupt aufeinandertreffen können. Möglich wird dies durch positiv geladene Aminosäuren am Eingang der Tasche, die das negativ geladene Superoxid gezielt zum Kupfer hinleiten.