Phosphoesterbindung

Eine Phosphoesterbindung entsteht in einer Kondensationsreaktion, bei der eine Hydroxygruppe mit einer der sauren OH-Gruppen der Phosphorsäure unter Abspaltung von Wasser reagiert. Reagieren mehrere Hydroxygruppen, können pro Phosphatgruppe bis zu drei Esterbindungen geknüpft werden. In der Zelle läuft die Bildung nicht über eine direkte Kondensation ab, sondern über energiereiche, aktivierte Zwischenstufen wie Nukleosidtriphosphate, bei deren Umsetzung Pyrophosphat abgespalten wird.

Je nach Anzahl der veresterten OH-Gruppen der Phosphorsäure werden drei Typen unterschieden:

Phosphodiesterbindung im DNA-Rückgrat

Von der Phosphoesterbindung abzugrenzen ist die Phosphoanhydridbindung, die zwischen zwei Phosphatgruppen ausgebildet wird. In Adenosintriphosphat (ATP) ist lediglich die Bindung zwischen der Ribose und der ersten Phosphatgruppe eine Phosphoesterbindung, während die beiden Bindungen zwischen den drei Phosphatresten Phosphoanhydridbindungen darstellen.

Merke: Die energiereichen Bindungen des ATP sind Phosphoanhydridbindungen, nicht Phosphoesterbindungen.

Phosphodiester tragen bei physiologischem pH-Wert eine negative Ladung. Diese Ladung stabilisiert das Molekül gegenüber Hydrolyse und hält geladene Metaboliten in der Zelle bzw. innerhalb von Membranen zurück.

Die Spaltung von Phosphoesterbindungen erfolgt biologisch enzymkatalysiert durch Phosphatasen, Phosphodiesterasen und Nukleasen. Ohne enzymatische Katalyse verläuft die Hydrolyse extrem langsam, was die hohe chemische Stabilität etwa des DNA-Rückgrats erklärt.

Zahlreiche Enzyme knüpfen oder spalten Phosphoesterbindungen:

Phosphodiesterase-5-Hemmer wie Sildenafil verhindern den Abbau von cGMP und werden bei erektiler Dysfunktion und pulmonaler Hypertonie eingesetzt. Weitere Phosphodiesterase-Isoformen sind Angriffspunkte von Wirkstoffen bei Herzinsuffizienz und chronisch-obstruktiver Lungenerkrankung.

Therapeutische Antisense-Oligonukleotide werden häufig mit Phosphorothioat-Bindungen versehen, bei denen ein nicht-brückenständiges Sauerstoffatom der Phosphodiesterbindung durch Schwefel ersetzt ist. Diese Modifikation erhöht die Resistenz gegenüber Nukleasen und damit die Halbwertszeit im Organismus.

Organophosphate wie Insektizide oder chemische Kampfstoffe phosphorylieren die aktive Serin-Hydroxygruppe der Acetylcholinesterase und bilden dabei eine stabile Phosphoesterbindung. Die dadurch gehemmte Enzymaktivität führt zur Akkumulation von Acetylcholin mit cholinerger Symptomatik.

• Rassow et al., Duale Reihe Biochemie, 5. Aufl., Thieme, 2022
• Löffler et al., Biochemie und Pathobiochemie, 10. Aufl., Springer, 2022
• Nelson und Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8th ed, Macmillan, 2021