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{{Infobox Protein
| Name =
| Bild = Pyrophosphatase.svg
| Bild_legende = <big>Abb. 1:</big> ''Links'': Anorganische Pyrophosphatase (PPi). ''Rechts'': Diphosphatase ("organische Pyrophosphatase", oP), R1 = organischer Rest, R2 = organischer Rest oder H
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| EC-Nummer = 3.6.1.-
| Kategorie = Hydrolasen
| Reaktionsart = Exergonische Hydrolyse
| Substrat = Anionen oder organische Derivate der Diphosphorsäure
| Produkte = Anionen oder organische Derivate der Phosphorsäure
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| Taxon = Lebewesen
| Taxon_Ausnahme =
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}}
Als '''Pyrophosphatasen''' werden meist [[Enzym]]e bezeichnet, die [[Anion]]en der [[Diphosphorsäure]] ([[Diphosphat|Pyrophosphat]]e) zu [[Phosphat]] aufspalten. Die aktuell gültige Bezeichnung für diese Pyrophosphatasen ist '''anorganische Diphosphatasen'''.<ref>Laut [[International Union of Biochemistry and Molecular Biology|IUBMB]] gilt für (anorganische) Pyrophosphatasen die Bezeichnung ''(inorganic) diphosphatase'' [https://www.qmul.ac.uk/sbcs/iubmb/enzyme/EC3/6/1/1.html] [https://www.qmul.ac.uk/sbcs/iubmb/newsletter/2004/item4.html]</ref> '''PPase''' ist die verbreitete Abkürzung, die im Folgenden verwendet wird.

Daneben werden auch noch (organische) Diphosphatasen, die (organische) Derivate der Pyrophosphorsäure [[Hydrolyse|unter Wasseraufnahme]] spalten, als Pyrophosphatasen bezeichnet.

== Anorganische Diphosphatasen (PPasen) ==
[[Datei:Cytosolic and membrane bound PPases.svg|mini|242px|links|Abb. 2: Die an einen [[Kation]]en-Fluss (+) [[Chemiosmotische Kopplung|gekoppelte]] membranständige [[ATP-Synthase]] produziert [[Adenosintriphosphat|ATP]] aus [[Adenosindiphosphat|ADP]] und anorganischem [[Phosphat]] (Pi). Bei vielen [[Anabolismus|anabolischen]] Reaktionen werden diese beiden Ausgangsstoffe zurück geliefert (schwarze Pfeile). Dagegen entsteht bei einer Reihe anderer Prozesse [[Diphosphat|Pyrophosphat (PPi)]] und [[Adenosinmonophosphat|AMP]]. Letzteres wird durch eine [[Adenylat-Kinase]] unter ATP-Verbrauch zu ADP umgesetzt. Zur Regeneration von Phosphat können verschieden platzierte Diphosphatasen (cPPase, vPPase und mPPase) dienen.]]

Anorganisches Diphosphat (Pyrophosphat, PPi) entsteht unter anderem bei allen<ref name="Heinonen11">{{Literatur |Autor=Jukka K. Heinonen |Titel=Biological role of inorganic pyrophosphate |Verlag=Springer Science & Business Media (vormals Kluwer Academic Publ) |Ort=Berlin |Datum=2001 |Sprache=en |ISBN=978-1-4615-1433-6 |Seiten=11}}</ref> Biosynthesen von Makromolekülen (Proteine, DNA, RNA, Zellwände, Cellulose etc.).

Seine Spaltung zu Phosphat ist nötig, um dieses Substrat der [[ATP-Synthase]] zu regenerieren. Zudem muss die Diphosphat-Konzentration im Cytosol gering gehalten werden, damit die Reaktionen, bei denen es entsteht, nicht ins Stocken kommen.

Die von PPasen katalysierte [[Hydrolyse]] von Pyrophosphat (PPi) zu Phosphat (Pi) ist [[Exergone und endergone Reaktion|exergon]]:<ref name="Alexander 2013 - Pyrophosphate-Fueled Na">{{Literatur |Autor=Alexander A. Baykov, Anssi M. Malinen, Heidi H. Luoto, Reijo Lahti |Titel=Pyrophosphate-Fueled Na+ and H+ Transport in Prokaryotes |Sammelwerk=Microbiology and Molecular Biology Reviews |Band=77 |Nummer=2 |Datum=2013 |Sprache=en |DOI=10.1128/MMBR.00003-13 |Seiten=267–276}}</ref>

:: PPi + H2O ⇌ 2 Pi
::: [[Gibbs-Energie|ΔG]][[Gruppenübertragungspotenzial|0']] = −20–25 kJ/mol

Pyrophosphatasen findet man von der Bakterienzelle bis zum menschlichen Organismus in allen Lebewesen. Es gibt drei unterschiedliche Gruppen von PPasen, die sich in ihrer Struktur, ihrer Evolution und ihrem Reaktionsmechanismus grundlegend unterscheiden.

*Zwei Gruppen von im Cytosol gelösten cPPasen (''cPPasen I'' und ''cPPasen II'') setzen die Energie der Hydrolyse als Wärme frei. Sie dienen lediglich der Kontrolle der intrazellulären PPi-Konzentration.<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas" />
*Bei der dritten, sehr alte Gruppe von anorganischen PPasen, handelt es sich um [[Membranprotein]]e, das als Ionenpumpen die Energie der Pyrophosphat-Spaltung durch Aufbau eines [[Membranpotential]]s konservieren können.<ref name="2Crystal structur">{{Literatur
|Autor=Shih-Ming Lin, Jia-Yin Tsai, Chwan-Deng Hsiao, Yun-Tzu Huang, Chen-Liang Chiu, Mu-Hsuan Liu, Jung-Yu Tung, Tseng-Huang Liu, Rong-Long Pan, Yuh-Ju Sun |Titel=Crystal structure of a membrane-embedded H+-translocating pyrophosphatase |Sammelwerk=Nature |Band=484 |Nummer=7394 |Datum=2012 |Seiten=399–403 |Sprache=en |DOI=10.1038/nature10963}}</ref> Aus dem Zellinneren durch eine ''mPPase'' nach außen gepumpte Ionen können dann [[Chemiosmotische Kopplung|chemiosmotisch]] zur [[ATP-Synthase|ATP-Regenerierung]] verwendet werden. Quasi baugleich sind die vPPasen, die ihre Fracht in [[Acidocalcisom]]en bzw. in [[Eukaryoten|eukaryotische]] [[Vakuole]]n pumpen.<ref name="2Na+-translocatin">{{Literatur |Autor=Heidi H. Luoto, Georgiy A. Belogurov, Alexander A. Baykov, Reijo Lahti, Anssi M. Malinen |Titel=Na+-translocating Membrane Pyrophosphatases Are Widespread in the Microbial World and Evolutionarily Precede H+-translocating Pyrophosphatases |Sammelwerk=Journal of Biological Chemistry |Band=286 |Nummer=11 |Datum=2011 |Sprache=en |DOI=10.1074/jbc.M111.244483 |Seiten=21633–21642}}</ref>
Verglichen mit der langsamen, nicht katalysierten Hydrolyse steigern alle Pyrophosphatasen die Geschwindigkeit der Diphosphatspaltung um viele Größenordnungen. Allerdings sind die in [[Biomembran|Membrane]] integrierten mPPasen und vPPasen deutlich langsamer.

Sie alle benötigen zu ihrer Funktion [[Magnesium|Mg2+]]-Ionen. Diese bilden im Reaktionszentrum die Bindeglieder zwischen negativ geladenen Aminosäuregruppen des Enzyms und den beiden Substraten Pyrophosphat und Wasser. Weil bei den drei Gruppen die Reaktionszentren ganz verschieden strukturiert sind, reagieren sie unterschiedlich sensibel auf selektive [[Enzymhemmung|Hemmstoffe]]. Sie werden vom Pyrophosphat-Analogon AMDP (Aminomethylen-Diphosphonat, PO3-CHNH2-PO34−) bei unterschiedlichen Konzentrationen [[Enzymhemmung#Kompetitive Hemmung|kompetitiv]] gehemmt, ebenso durch [[Fluorid]], das sich störend an die H2O-Bindungsstelle anlagern kann.<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas" />
{| class="wikitable"
|-
!
!cPPasen I
!cPPasen II
!mPPasen und vPPasen
|-
|[[Enzymkinetik|Reaktionsgeschwindigkeit kcat]] (s−1)
|style="text-align:right"|200–400
|style="text-align:right"|1700–3000
|style="text-align:right"|3,5–20
|-
|[[Enzymhemmung|ki]] AMDP-[[Enzymhemmung|Hemmung]] (µM)
|style="text-align:right"|11–150
|style="text-align:right"|1000
|style="text-align:right"|1,2–1,8
|-
|[[Enzymhemmung|ki]] [[Fluorid]]-[[Enzymhemmung|Hemmung]] (µM)
|style="text-align:right"| 11–90
|style="text-align:right"|6
|style="text-align:right"|3000–4800
|}

=== cPPasen der Gruppe I ===
[[Datei:Cytoplasmic PPase Family 1 evolution.svg|mini|300px|links|Abb. 3: Verbreitung und Evolution der ''cPPasen Gruppe I'' (Stand 1999), weitere Erläuterungen im Text.<ref name="Toni 1999Evolutionary asp">{{Literatur |Autor=Toni Sivula, Anu Salminen, Alexey N. Parfenyev, Pekka Pohjanjoki, Adrian Goldman, Barry S. Cooperman, Alexander A. Baykov, Reijo Lahti |Titel=Evolutionary aspects of inorganic pyrophosphatase |Sammelwerk=FEBS Letters |Band=454 |Nummer=1–2 |Datum=1999 |Sprache=en |DOI=10.1016/S0014-5793(99)00779-6 |Seiten=75–80}}</ref>]]

Lösliche cPPasen der Gruppe I finden sich in allen drei [[Domäne (Biologie)|Domänen]] der Lebewesen. Dazu zählen die cPPasen von ''[[Escherichia coli]]'' (EPPase) und der [[Bäckerhefe]] ''Saccharomyces cerevisiae'' (YPPase). Beide sind seit langem bekannt und intensiv untersucht.<ref>{{Literatur |Autor=A. Kunitz |Titel=Crystalline inorganic pyrophosphatase isolated from baker's yeast |Sammelwerk=The Journal of General Physiology |Datum=1952 |Band=35 |Nummer=3 |Sprache=en |DOI=10.1085/jgp.35.3.423 |Seiten=423–450}}</ref>
Die [[Eukaryoten|eukaryotischen]] cPPasen leiten sich von [[Prokaryoten|prokaryotischen]] Vorgängern ab und sind größer. Die cPPase aus ''[[Escherichia coli]]'' bildet ein [[Quartärstruktur|Hexamer]] (also sechs Protein-Domänen). [[Eukaryoten|eukaryotische]] cPPasen, z. B. die aus menschlichen Zellen und Hefezellen bilden [[Quartärstruktur|Dimere]].<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas">{{Literatur |Autor=Tommi Kajandera, Juho Kellosalob, Adrian Goldman |Titel=Inorganic pyrophosphatases: One substrate, three mechanisms |Sammelwerk=FEBS Letters |Band=587 |Nummer=13 |Datum=2013 |Sprache=en |DOI=10.1016/j.febslet.2013.05.003 |Seiten=1863–1869}}</ref>

In Abb. 3 sind Bakterien in roter und [[Archaeen]] in lila Schrift dargestellt. Inzwischen hat sich gezeigt, dass die cPPasen der Archaeen und der [[Bakterien]] zwei getrennte Gruppen bilden<ref name="Lana 2016Archaeal Inorgan">{{Literatur |Autor=Lana J. McMillana, Nathaniel L. Hepowit, Julie A. Maupin-Furlow |Titel=Archaeal Inorganic Pyrophosphatase Displays Robust Activity under High-Salt Conditions and in Organic Solvents |Sammelwerk=Applied and Environmental Microbiology |Band=82 |Nummer=2 |Datum=2016 |Sprache=en |DOI=10.1128/AEM.03055-15 |Seiten=538–548}}</ref> Klar davon abgegrenzt finden sich die pflanzlichen (grün) cPPasen, die eng miteinander verwandt sind. Die zu den [[Opisthokonta]] gehörenden Tiere (blau) und der Pilz ''S. cervisiae'' (cyan) haben eng verwandte cPPasen.<ref name="Toni 1999Evolutionary asp" />

Bemerkenswert ist, dass [[Mitochondrium|Mitochondrien]] eigene cPPasen der Gruppe I besitzen. Das trifft auch auf die mitochondriale PPase von ''S. cervisiae'' (rot dargestellt) zu. In der Abbildung nicht dargestellt sind die mitochondriale und cytosolische cPPase der Maus, die auch beide in die Opisthokonta-Gruppe einzuordnen sind.<ref name="María 2007Comparative bioc">{{Literatur |Autor=María R Gómez‐García, Manuel Losada, Aurelio Serrano |Titel=Comparative biochemical and functional studies of family I soluble inorganic pyrophosphatases from photosynthetic bacteria |Sammelwerk=FEBS Journal |Band=274 |Nummer=15 |Datum=2007 |Sprache=en |DOI=10.1111/j.1742-4658.2007.05927.x |Seiten=3948–3959}}</ref> Bei vielen Pflanzen finden sich cPPasen der Gruppe I nicht im Cytosol, sondern in den Mitochondrien und [[Chloroplasten|Plastiden]]. Die Diphosphat-Konzentration im Cytosol kann Werte von 0,2–0,3 mM annehmen und wird dort von vPPasen energetisch genutzt (siehe unten).<ref name="Marco 2003The β-subunit of">{{Literatur |Autor=Marco Zancani, Valentino Casolo, Carlo Peresson, Giorgio Federici, Andrea Urbani, Francesco Macrı̀, Angelo Vianello |Titel=The β-subunit of pea stem mitochondrial ATP synthase exhibits PPiase activity |Sammelwerk=Mitochondrion |Band=3 |Nummer=2 |Datum=2003 |Sprache=en |DOI=10.1016/S1567-7249(03)00105-3 |Seiten=111–118}}</ref>
{{Infobox Protein
|Name=Anorganische cPPase I
|Bild=Inorganic pyrophosphatase.png
|Bild_legende = Abb. 4. Bändermodell der cPPase I (''Thermococcus litoralis)''
|EC-Nummer=3.6.1.1
|CAS=9024-82-2
}}
Das Bakterium ''[[Thermus thermophilus]]'' besitzt eine für die [[Polymerase-Kettenreaktion]] (PCR) geeignete, temperaturbeständige Pyrophosphatase. Bei der PCR entsteht durch die [[Polymerisation]] der [[Nukleosidtriphosphate|Desoxyribonukleosidtriphosphate]] (dNTP) Pyrophosphat, das inhibierend auf den Prozess wirken kann. Durch den Abbau von Pyrophosphat lässt sich die Effizienz und Ausbeute der PCR steigern.

=== cPPasen der Gruppe II ===
Die cPPasen der Gruppe II finden sich nur bei [[Prokaryoten]], insbesondere bei den bakteriellen [[Firmicutes]] (Bacilli und Clostridien). Die wenigen Vertreter dieser cPPasen außerhalb dieser Gruppe sind wahrscheinlich durch [[Horizontaler Gentransfer|horizontalen Gentransfer]] zu den Organismen gelangt. Zu ihrer Funktion benötigen sie [[Mangan]]2+ (oder Co2+). Diese Enzyme hydrolysieren Pyrophosphat noch im nanomolaren Bereich. [[Mangan|Mn2+]] bedingt vermutlich ihre höhere Affinität gegenüber ihren Substraten und ihre höhere Umsatzgeschwindigkeit. Man geht davon aus, dass es die [[Nukleophilie]] des hydrolysierenden H2O steigert und auch für die größere Sensibilität gegenüber [[Fluorid|F−]] verantwortlich ist.<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas" />

Die cPPase des [[pathogen]]en Bakteriums ''[[Staphylococcus aureus]]'' gehört zur Gruppe II. Sie wird intensiv als mögliches Ziel für neu zu entwickelnde Antibiotika untersucht.<ref name="Chathurada 2015Structure of ino">{{Literatur |Autor=Chathurada S. Gajadeera, Xinyi Zhang, Yinan Wei, Oleg V. Tsodikov |Titel=Structure of inorganic pyrophosphatase from Staphylococcus aureus reveals conformational flexibility of the active site |Sammelwerk=Journal of Structural Biology |Band=189 |Nummer=2 |Datum=2015 |Sprache=en |DOI=10.1016/j.jsb.2014.12.003 |Seiten=81–86}}</ref>

=== Membrangebundene Energie konservierende mPPasen und vPPasen ===
==== Chemiosmotische Funktion ====
Die Membran gebundenen Pyrophosphatasen (mPPasen und vPPasen) unterscheiden sich nicht nur strukturell, sondern noch mehr funktionell von den im Cytosol gelösten Pyrophosphat hydrolysierenden cPPasen. Sie koppeln die Hydrolyse von PPi an den Export von H+ oder Na+-Kationen aus dem Cytosol durch eine Membran:

::: PPi + Kation+innen + H2O ⇌ 2 Pi + Kation+außen

Die exergone Hydrolyse ist an einen endergonen Vorgang gekoppelt, nämlich an den Transport der Ionen gegen ein [[Membranpotential]]. Die darin enthaltene potentielle Energie steigt durch die gekoppelte Hydrolyse. Ein Teil der im Pyrophosphat enthaltenen Energie wird also in dem Membranpotential konserviert.

Die membrangebundenen PPasen dienen nicht nur als [[Protonenpumpe|Ionenpumpen]], denn Prozess ist reversibel. Beim Rückstrom der Kationen wird Pyrophosphat produziert.<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas" /> Diese Rückreaktion ist nach [[Substratkettenphosphorylierung]] und ATP-Bildung durch die [[ATP-Synthase]]n ein dritter Weg zum Aufbau energiereicher Phosphatbindungen.<ref name="Laura 2014Pyrophosphate sy">{{Literatur |Autor=Laura M. Barge, Ivria J. Doloboff, Michael J. Russell, David VanderVelde, Lauren M. White, Galen D. Stucky, Marc M. Baum, John Zeytounian, Richard Kidd, Isik Kanik |Titel=Pyrophosphate synthesis in iron mineral films and membranes simulating prebiotic submarine hydrothermal precipitates |Sammelwerk=Geochimica et Cosmochimica Acta |Band=128 |Datum=2014 |Sprache=en |DOI=10.1016/j.gca.2013.12.006 |Seiten=42705}}</ref>

==== Vorkommen ====
Nachgewiesen wurde die [[Chemiosmotische Kopplung]] der Pyrophosphat-Synthese an einen [[Protonengradient]]en bereits 1966, als Membranvesikel eines [[Phototrophie|phototrophen]] Bakteriums der Familie der ''[[Rhodospirillaceae]]'' Phosphat zu Pyrophosphat umsetzten.<ref name="Herrick 1966Inorganic Pyroph">{{Literatur |Autor=Herrick Baltscheffsky, Lars-Victor von Stedingk, Hans-Walter Heldt, Martin Klingenberg |Titel=Inorganic Pyrophosphate: Formation in Bacterial Photophosphorylation (Inorganic pyrophosphate is identified as the major product of photophosphorylation by isolated chromatophores from Rhodospirillum rubrum in the absence of added nucleotides.) |Sammelwerk=Science |Band=274 |Nummer=3740 |Datum=1966 |Sprache=en |JSTOR=1719164 |Seiten=1120–1122}}</ref> Eine durch ein Membranpotential ermöglichte Synthese einer energiereichen Phosphatverbindung war damals nur von der [[ATP-Synthase]] bekannt, die allerdings eine völlig andere Struktur als die PPase aufweist.<ref name="Mitchell 1972 – Proton-translocating pyr">{{Literatur |Autor=Jennifer Moyle, Roy Mitchell, Peter Mitchell |Titel=Proton-translocating pyrophosphatase of Rhodospirillum rubrum |Sammelwerk=FEBS Letters |Band=23 |Nummer=2 |Datum=1972 |Sprache=en |DOI=10.1016/0014-5793(72)80349-1 |Seiten=233–236}}</ref> Allerdings gibt es bei ''Rhodospirillum'' offenbar noch einen funktionellen Unterschied zur ATP-Synthase, denn seine PPase ist primär nicht wie jene in der Zellmembran, sondern in der Membran der [[Acidocalcisom]]en (saure [[Polyphosphat]]-haltige Organellen<ref name="Roberto 2005 – Acidocalcisomes? conserv">{{Literatur |Autor=Roberto Docampo, Wanderley de Souza, Kildare Miranda, Peter Rohloff, Silvia N. J. Moreno |Titel=Acidocalcisomes? conserved from bacteria to man |Sammelwerk=Nature Reviews Microbiology |Band=3 |Nummer=3 |Datum=2005 |Sprache=en |DOI=10.1038/nrmicro1097 |Seiten=251–261}}</ref>) angesiedelt.<ref name="The H+-pyrophosp">{{Literatur |Autor=Manfredo Seufferheld, Christopher R. Lea, Mauricio Vieira, Eric Oldfield, Roberto Docampo |Titel=The H+-pyrophosphatase of Rhodospirillum rubrum is predominantly located in Polyphosphate-rich Acidocalcisomes |Sammelwerk=Journal of Biological Chemistry |Band=279 |Datum=2004 |Sprache=en |DOI=10.1074/jbc.M406099200 |Seiten=51193–51202}}</ref>

Membranständige PPasen sind bei 25 % aller [[Prokaryot]]en nachgewiesen. Bei Pilzen und mehrzelligen Tieren scheinen sie dagegen nicht vor zu kommen.<ref name="2Na+-translocatin" /> Eine wesentliche Rolle spielen sie als vPPasen bei tierischen Einzellern wie dem [[Krankheitserreger]] ''[[Trypanosoma brucei]]'', einzelligen Algen und insbesondere bei allen [[Pflanzen|Landpflanzen]]. Sie sind bei Organismen besonders verbreitet, die regelmäßig unter Energie-, Sauerstoffmangel, Salz- und anderen Stressbedingungen leiden.<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas" />

==== Evolution ====
[[Datei:MembranPyrophosphatase.svg|mini|300px|Abb. 5. Membranständige mPPase des Bakteriums ''Thermotoga maritima'' (oben)<ref name="Juho 2012The Structure an" /><ref>[http://bioinformatics.org/firstglance/fgij/fg.htm?mol=4AV6]</ref> und der [[Mungobohne]] ''Vigna radiata'' (unten).<ref>{{Literatur |Autor=Shih-Ming Lin, Jia-Yin Tsai, Chwan-Deng Hsiao, Yun-Tzu Huang, Chen-Liang Chiu, Mu-Hsuan Liu, Jung-Yu Tung, Tseng-Huang Liu, Rong-Long Pan, Yuh-Ju Sun |Titel=Crystal structure of a membrane-embedded H+-translocating pyrophosphatase |Sammelwerk=Nature |Band=484 |Nummer=7394 |Datum=2012 |Sprache=en |DOI=10.1038/nature10963 |Seiten=399–403}} Grafik vgl. [http://www.nature.com/nature/journal/v484/n7394/fig_tab/nature10963_F4.html A working model for proton pumping in VrH+-PPase]</ref><ref>[http://bioinformatics.org/firstglance/fgij//fg.htm?mol=http://opm.phar.umich.edu/pdb/4a01.pdb]</ref> ''P'' = Periplasma, ''M'' = Membran, ''C'' = Cytosol, ''V'' = Vakuole]]
Die mPPasen und vPPasen haben einen prinzipiell gleichen Aufbau (vgl. Abb. 5) und eine gemeinsame evolutionäre Wurzel, die wohl bis zum [[Urvorfahr]] aller Lebewesen zurückreicht. Es wird auch vermutet, dass sie aus einer Phase der [[Chemische Evolution|chemischen Evolution]] stammen, als abiotisch entstandenes Pyrophosphat vielleicht die zentrale Rolle als Energieüberträger für die Bildung von [[Nukleinsäure]]n spielte.<ref name="Alexander 2013 - Pyrophosphate-Fueled Na"/><ref>{{Literatur |Autor=Herrick Baltscheffsky |Titel=Origin and evolution of biological energy conversion. |Verlag=John Wiley & Sons |Datum=1996 |Sprache=en |Kapitel=Energy conversion leading to the origin and early evolution of life: did inorganic pyrophosphate precede adenosine triphosphate?}}</ref><ref name="Nils 2011Links between hy">{{Literatur |Autor=Nils G. Holm, Herrick Baltscheffsky |Titel=Links between hydrothermal environments, pyrophosphate, Na+, and early evolution. |Sammelwerk=Origins of Life and Evolution of Biospheres |Band=41 |Nummer=5 |Datum=2011 |Sprache=en |DOI=10.1007/s11084-011-9235-4 |Seiten=483–493}}</ref>

Die erste membranständige PPase hat vermutlich Na+ transportiert.<ref name="2Na+-translocatin"/><ref name="Tommi1866">{{Literatur |Autor=Tommi Kajandera, Juho Kellosalob, Adrian Goldman |Titel=Inorganic pyrophosphatases: One substrate, three mechanisms |Sammelwerk=FEBS Letters |Band=587 |Nummer=13 |Datum=2013 |Sprache=en |DOI=10.1016/j.febslet.2013.05.003 |Seiten=1866 f}}</ref> Das legt die vergleichende Untersuchung der Aminosäurensequenzen dieser Enzyme nahe. Zur selben Vermutung, nämlich dass Na+-Pumpen den H+-Pumpen vorausgingen, kam man auch bei den [[ATP-Synthase]]n.<ref>{{Literatur |Autor=Armen Y. Mulkidjanian, Pavel Dibrov, Michael Y. Galperin |Titel=The past and present of sodium energetics: May the sodium-motive force be with you |Sammelwerk=Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics |Band=1777 |Nummer=7–8 |Datum=2008 |Sprache=en |DOI=10.1016/j.bbabio.2008.04.028 |Seiten=985–992}}</ref> Biomembrane sind generell leichter für H+-Ionen zu durchdringen als für Na+, und so erforderte es eine ganze Zeit der [[Koevolution]] von [[Membranprotein]]en und Membranen, bis eine H+-ATP-Synthase funktionieren konnte.<ref>{{Literatur |Autor=Armen Y Mulkidjanian, Michael Y Galperin, Kira S Makarova, Yuri I Wolf, Eugene V Koonin |Titel=Evolutionary primacy of sodium bioenergetics |Sammelwerk=Biology Direct |Band=3 |Nummer=13 |Datum=2008 |Sprache=en |DOI=10.1186/1745-6150-3-13}}</ref><ref name="InventingDynamo">{{Literatur |Autor=Armen Y Mulkidjanian, Kira S Makarova, Michael Y Galperin, Eugene V Koonin |Titel=Inventing the dynamo machine: the evolution of the F-type and V-type ATPases |Sammelwerk=Nature Reviews Microbiology |Band=5 |Nummer=11 |Datum=2007 |Sprache=en |DOI=10.1038/nrmicro1767 |Seiten=892–899 |Online={{Webarchiv |url=http://www.macromol.uni-osnabrueck.de/paperMulk/Mulkid_Nat_Rev_Micro_2007.pdf |text=dieser Artikel bei Uni Osnabrück: Perspectives |wayback=20081031175618}} |Format=PDF}}</ref> Aus den Na+ PPasen haben sich in ihrer weiteren Evolution verschiedene H+-PPasen entwickelt, die zum Teil K+für ihr Funktionieren benötigen.<ref name="Tommi1866" />

==== Molekulare Struktur und Reaktionsmechanismus ====
Seit 2012 konnte die genaue Struktur einer Na+-mPPase des Bakteriums ''Thermotoga maritima'' und einer davon evolutionär weit entfernten pflanzlichen H+-abhängigen vPPase ermittelt werden. Beiden unterscheiden sich im Wesentlichen nicht (Abb. 5). Sie bestehen beide aus zwei funktionell gleichen Proteinketten. Diese durchdringen die Membran in 16 Segmenten. Ihre reaktiven Zentren befinden sich auf der Cytosol-Seite etwa 20 Å entfernt von der Membran in einer hydrophilen Trichter-förmigen Struktur.<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas" />

In Abb. 5 ist die bakterielle mPPase und die pflanzliche vPPase schematisch dargestellt. In der Frontansicht sind die [[Quartärstruktur|dimeren]] Enzyme 85 Å breit und 75 Å hoch.

Das reaktive Zentrum liegt auf Seiten des [[Cytosol]]s unterhalb der Membran. Beide Enzyme bieten nach der Cytosolseite hin einen [[Hydrophilie|hydrophilen]] Zugang zu dem Enzym und oben einen hydrophilen Kanal (Pfeil), durch den die [[Kation]]en die Membran durchdringen können.

Im reaktiven Zentrum sind die Substrate dargestellt. Pyrophosphat ist mit 4 Mg+-Ionen an beide Proteine gekoppelt. Das zur Hydrolyse dienende Wasser ist durch zwei [[Asparaginsäure]]-Gruppen an das Enzym assoziiert<ref name="2Crystal structur" /> (in Abb. 5 nicht dargestellt).

[[Datei:Membrane bound Pyrophosphatase.svg|mini|300px|Abb. 6. Möglicher Reaktionsmechanismus<ref name="Juho 2012The Structure an">{{Literatur |Autor=Juho Kellosalo, Tommi Kajander, Konstantin Kogan, Kisun Pokharel, Adrian Goldman |Titel=The Structure and Catalytic Cycle of a Sodium-Pumping Pyrophosphatase |Sammelwerk=Science |Band=337 |Nummer=6093 |Datum=2012 |Sprache=en |DOI=10.1126/science.1222505 |Seiten=473–476}}</ref>]]
In Abb. 6 findet sich ein Arbeitsmodell für die reversible, Ionen transportierende Hydrolyse. Man kann sich den [[Hydrolyse|hydrolytischen]] Weg (in Abb. 6 im Uhrzeigersinn) folgendermaßen vorstellen:
# Der Pump-Mechanismus wird dadurch vorbereitet, dass ein Pyrophosphat-Ion im Austausch gegen ein Hydrogenphosphat-Ion in das Reaktionszentrum eindringt. In der ''PP''-Phase ist das Enzym zur cytosolischen Seite geschlossen, aber der Transmembrankanal ist kurz geöffnet.
# Synchron mit dem Entweichen des Kations nach außen findet die Hydrolyse statt. Dabei bewegt sich ein zunächst an die Asparaginsäure D287 gebundenes H+ an den Ort D294, an den vorher das Kation gebunden war. Die an D273 zurückbleibende OH−-Gruppe ist so [[Nukleophilie|nukleophil]], dass die [[nukleophile Substitution]]<ref>{{Literatur |Autor=Suzanne J. Admiraal, Daniel Herschlag |Titel=Mapping the transition state for ATP hydrolysis: implications for enzymatic catalysis |Sammelwerk=Chemistry & Biology |Band=2 |Nummer=11 |Datum=1995 |Sprache=en |DOI=10.1016/1074-5521(95)90101-9 |Seiten=729–739}}</ref> zu zwei Hydrogenphosphat-Ionen gelingt (''2P'' in der Abbildung).
# In Phase ''P'' ist das Enzym nach Austausch des ersten Phosphat-Ions mit einem Hydroxylion OH− unten geöffnet. Es kann ein zu transportierendes Kation eindringen. Danach ist der Zustand wieder hergestellt, in dem das zweite Phosphation gegen Pyrophosphat ersetzt werden kann und ein neuer Zyklus beginnt.<ref name="Juho 2012The Structure an" />

Jeder dieser Schritte ist reversibel. Wenn kaum Pyrophosphat vorhanden ist, steigt die Wahrscheinlichkeit in der ''P+''-Phase, dass das zweite Phosphat nicht ausgetauscht wird. Nach Entweichen des Kations nach innen kann ein zweites Phosphat (im Austausch gegen OH−) in das Enzym eindringen. Eine hohe Kationenkonzentration außen erhöht dann die Chance, dass die [[Kondensationsreaktion]] zu Pyrophosphat gelingt.

Die im Vergleich zu den cPPasen langsame Reaktionsgeschwindigkeit ergibt sich aus der Reversibilität der Teilschritte. Die oben erwähnte schwache Fluorid-Hemmung (erst im [[Mol#Dezimale Vielfache|millimolaren]] Bereich) liegt vermutlich an der schwachen Bindung des Substrats H2O.<ref name="Tommi 2013 - Inorganic pyrophosphatas" />

== Organische Diphosphatasen ==
[[Datei:Diphosphatasen-organisch.svg|mini|links|Abb. 7. Organische Pyrophosphatasen]]
Als „Pyrophosphatasen“ werden bisweilen auch Hydrolasen bezeichnet, die organische [[Substrat (Biochemie)|Substrate]] spalten. Sie folgen in der Regel dem Schema oben in der nebenstehenden Abbildung.

* [[Nukleotid-Diphosphatase]]n ({{EC|3.6.1.9}}), alias Dinukleotid-''Pyrophosphatase'' spalten [[Dinukleotid]]e wie beispielsweise [[Flavinadenindinukleotid|FAD]]. Dieses wird zu [[Flavinmononukleotid|FMN]] und [[Adenosinmonophosphat|AMP]] hydrolysiert. In der Abbildung ist dabei R1 = Flavin und R2 = Adenosin. Diese Enzyme sind meist unspezifisch und setzen eine Reihe anderer [[Cofaktor (Biochemie)#Coenzyme, Cosubstrate|Coenzyme]] hydrolytisch außer Funktion, wie z. B. [[Nicotinamidadenindinukleotid|NAD]] und [[Coenzym A|CoA]]. Hydrolysiert wird ebenfalls [[UDP-Glucose]].
* Zu den als ''Pyrophosphatasen'' bezeichneten Enzymen gehören die Nukleosid-Diphosphatasen ({{EC|3.6.1.6}}). Auch sie dienen dem Abbau von Coenzymen. Zu diesen gehört die sogenannte Thiamin-''Pyrophosphatase''. (R1 = [[Thiamin]], R2 = H.)<ref name="Bettendorff">{{Literatur |Autor=Lucien Bettendorff, Pierre Wins |Titel=Thiamin diphosphate in biological chemistry: new aspects of thiamin metabolism, especially triphosphate derivatives acting other than as cofactors |Sammelwerk=FEBS Journal |Band=276 |Nummer=11 |Datum=2009 |Sprache=en |DOI=10.1111/j.1742-4658.2009.07019.x |Seiten=2917–2925}}</ref> Eine ADPase, alias Adenosin-''Pyrophosphatase'' (R1 = [[Adenosin]]) baut ADP unter Abspaltung von Phosphat zu AMP ab.
* Die nicht mehr [[International Union of Biochemistry and Molecular Biology|IUBMB]]-konforme Bezeichnung [[Neopterin#Biochemische Bedeutung|Dihydroneopterin]]-''Pyrophosphatase'' bezeichnet eine Dihydroneopterin Triphosphat-Diphosphatase {{EC|3.6.1.67}}, die anorganisches Pyrophosphat nicht spaltet, sondern freisetzt (Abbildung unten).

{{Absatz}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Pyrophosphatases|Pyrophosphatasen}}
* [https://tools.thermofisher.com/content/sfs/manuals/mp06645.pdf Pyrophosphate Assay Kit] (PDF; 253 kB)

== Einzelnachweise ==
<references responsive />

[[Kategorie:Hydrolase| Pyrophosphatase]]
[[Kategorie:Proteingruppe]]
[[Kategorie:Zellbiologie]]
[[Kategorie:Biochemische Reaktion]]
[[Kategorie:Stoffwechsel]]

Pyrophosphatasen - Versionsgeschichte

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