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)^[1], 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.^[2]

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:^[3]

• 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.

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.^[4]

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.

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.

Die Enzymaktivität kann durch Bleomycin^[5] stimuliert werden.

Prolylhydroxylasen können durch Poly(L-Prolin)^[6], durch Poly(ADP-Ribose)^[7], Roxadustat oder durch Erythropoetin (EPO, siehe Erythropoietin #Induktoren der EPO-Synthese) spezifisch inhibiert werden.

• 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.

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. 
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. 
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. 
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. 
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. 
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.