stringtranslate.com

Глутатионредуктаза

Глутатионредуктаза ( GR ), также известная как глутатиондисульфидредуктаза ( GSR ), представляет собой фермент , который у людей кодируется геном GSR . Глутатионредуктаза ( EC 1.8.1.7 ) катализирует восстановление дисульфида глутатиона ( GSSG ) до сульфгидрильной формы глутатиона ( GSH ), которая является критической молекулой в сопротивлении окислительному стрессу и поддержании восстановительной среды клетки. [5] [6] [7] Глутатионредуктаза функционирует как димерная дисульфидоксидоредуктаза и использует простетическую группу FAD и NADPH для восстановления одного молярного эквивалента GSSG до двух молярных эквивалентов GSH:

Общая реакция, катализируемая глутатионредуктазой

Глутатионредуктаза сохраняется во всех царствах . У бактерий , дрожжей и животных обнаружен один ген глутатионредуктазы; однако в геномах растений закодированы два гена GR. У дрозофилы и трипаносом вообще нет GR. [8] В этих организмах восстановление глутатиона осуществляется либо тиоредоксиновой , либо трипанотионовой системой соответственно. [8] [9]

Функция

Глутатион играет ключевую роль в поддержании правильного функционирования и предотвращении окислительного стресса в клетках человека. Он может действовать как поглотитель гидроксильных радикалов , синглетного кислорода и различных электрофилов . Восстановленный глутатион восстанавливает окисленную форму фермента глутатионпероксидазы , которая, в свою очередь, восстанавливает перекись водорода (H 2 O 2 ), опасно реактивный вид внутри клетки. [На следующей иллюстрации окислительно-восстановительных реакций крайняя правая стрелка перевернута; она должна указывать вверх, а не вниз.] Кроме того, он играет ключевую роль в метаболизме и выведении ксенобиотиков , действует как кофактор в некоторых детоксицирующих ферментах, участвует в транспорте и восстанавливает антиоксиданты, такие как витамины E и C, до их реактивных форм. Соотношение GSSG/GSH, присутствующее в клетке, является ключевым фактором в правильном поддержании окислительного баланса клетки, то есть, критически важно, чтобы клетка поддерживала высокий уровень восстановленного глутатиона и низкий уровень окисленного дисульфида глутатиона. Этот узкий баланс поддерживается глутатионредуктазой, которая катализирует восстановление GSSG до GSH. [5]

Восстановленная глутатионредуктаза, глутатионпероксидаза и глутатион взаимодействуют, восстанавливая перекись водорода до воды, чтобы защитить клетку от окислительного повреждения.

Структура

Глутатионредуктаза из эритроцитов человека представляет собой гомодимер, состоящий из мономеров 52Kd, каждый из которых содержит 3 домена. GR демонстрирует однослойную, двухслойную топологию, где антипараллельный бета-слой в значительной степени открыт растворителю с одной стороны, в то время как с другой стороны покрыт случайными спиралями. [10] Сюда входят домен связывания NADPH , домен(ы) связывания FAD и домен димеризации. Каждый мономер содержит 478 остатков и одну молекулу FAD. GR является термостабильным белком, сохраняющим функцию до 65 °C. [11] [12]

Механизм реакции

Графическое представление общей реакции, катализируемой GR
каталитический цикл ГР

Шаги:

Редукционная половина

Действие GR протекает через две отдельные полуреакции, восстановительный механизм полуреакции, за которым следует окислительный механизм. В первой половине НАДФН восстанавливает ФАД, присутствующий в ГСР, для получения транзитного аниона ФАДН − . Затем этот анион быстро разрывает дисульфидную связь Cys 58 - Cys 63 , образуя короткоживущую ковалентную связь - стабильный комплекс переноса заряда между флавином и Cys 63 . Теперь окисленный НАДФ+ высвобождается и впоследствии заменяется новой молекулой НАДФН. Это конец так называемой восстановительной половины механизма.

Окислительная половина

В окислительной половине механизма Cys 63 нуклеофильно атакует ближайшую сульфидную единицу в молекуле GSSG (промотируемую His 467 ), что создает смешанную дисульфидную связь (GS-Cys 58 ) и анион GS − . Затем His 467 GSR протонирует анион GS- , высвобождая первую молекулу GSH. Затем Cys 63 нуклеофильно атакует сульфид Cys 58 , высвобождая анион GS − , который, в свою очередь, забирает протон растворителя и высвобождается из фермента, тем самым создавая второй GSH. Таким образом, для каждого GSSG и NADPH получаются две восстановленные молекулы GSH, которые снова могут действовать как антиоксиданты, удаляющие активные формы кислорода в клетке . [13]

Ингибирование

In vitro глутатионредуктаза ингибируется низкими концентрациями арсенита натрия и метилированных метаболитов арсената, но in vivo значительное ингибирование глутатионредуктазы арсенатом натрия наблюдалось только при дозе 10 мг/кг/день. [14] Глутатионредуктаза также ингибируется некоторыми флаваноидами , классом пигментов, вырабатываемых растениями. [15]

Клиническое значение

GSH является ключевым клеточным антиоксидантом и играет важную роль в метаболическом клиренсе электрофильных ксенобиотиков фазы 2. Важность пути GSH и ферментов, которые влияют на этот тонкий баланс, привлекает все большее внимание в последние годы. Хотя глутатионредуктаза была привлекательной целью для многих фармацевтических препаратов, до сих пор не было создано ни одного успешного терапевтического соединения, связанного с глутатионредуктазой. В частности, глутатионредуктаза, по-видимому, является хорошей целью для противомалярийных препаратов, поскольку глутатионредуктаза малярийного паразита Plasmodium falciparum имеет существенно иную белковую укладку, чем глутатионредуктаза млекопитающих. [16] Разрабатывая препараты, специфичные для p. falciparum, можно избирательно вызывать окислительный стресс у паразита, не влияя при этом на хозяина.

Существует два основных класса соединений, нацеленных на GR: [17] [18] [19] [20]

  1. Ингибиторы связывания GSSG или димеризации: реактивные электрофилы, такие как соединения золота и фторнафтохиноны.
  2. Препараты, которые используют глутатионредуктазу для регенерации, такие как окислительно-восстановительные циклеры. Два примера таких соединений — метиленовый синий и нафтохинон .

Клинические испытания, проведенные в Буркина-Фасо, выявили неоднозначные результаты при лечении малярии нафтохинонами.

В клетках, подверженных высокому уровню окислительного стресса , таких как эритроциты , до 10% потребления глюкозы может быть направлено на пентозофосфатный путь (ПФП) для производства НАДФН, необходимого для этой реакции. В случае эритроцитов, если ПФП нефункционален, то окислительный стресс в клетке приведет к лизису клетки и анемии . [21]

Волчанка — это аутоиммунное заболевание, при котором у пациентов вырабатывается повышенное количество антител, которые атакуют ДНК и другие компоненты клеток. В недавнем исследовании было обнаружено, что полиморфизм одного нуклеотида (SNP) в гене глутатионредуктазы тесно связан с волчанкой у афроамериканцев в исследовании. [22] Также было показано, что афроамериканцы с волчанкой экспрессируют меньше восстановленного глутатиона в своих Т-клетках. [23] Авторы исследования полагают, что сниженная активность глутатионредуктазы может способствовать увеличению выработки реактивного кислорода у афроамериканцев с волчанкой . [22]

У мышей глутатионредуктаза участвует в окислительном взрыве, компоненте иммунного ответа. [24] Окислительный взрыв — это защитный механизм, при котором нейтрофилы производят и высвобождают реактивные окислительные виды вблизи бактерий или грибков для уничтожения чужеродных клеток. Было показано, что нейтрофилы с дефицитом глутатионредуктазы производят более кратковременный окислительный взрыв в ответ на бактерии, чем нейтрофилы, которые экспрессируют GR на обычных уровнях. [24] Механизм глутатионредуктазы в поддержании окислительного взрыва до сих пор неизвестен. [24]

Дефицит

Дефицит глутатионредуктазы — редкое заболевание, при котором активность глутатионредуктазы отсутствует в эритроцитах , лейкоцитах или и в тех, и в других. В одном исследовании это заболевание наблюдалось только в двух случаях из 15 000 тестов на дефицит глутатионредуктазы, проведенных в течение 30 лет. [25] В том же исследовании дефицит глутатионредуктазы был связан с катарактой и фавизмом у одного пациента и его семьи, а также с тяжелой неконъюгированной гипербилирубинемией у другого пациента. [25] Было высказано предположение, что окислительно-восстановительная система глутатиона (частью которой является глутатионредуктаза) почти исключительно отвечает за защиту клеток хрусталика глаза от перекиси водорода , поскольку эти клетки испытывают дефицит каталазы , фермента, который катализирует распад перекиси водорода , и высокой частотой возникновения катаракты у лиц с дефицитом глутатионредуктазы. [26]

У некоторых пациентов наблюдается дефицит активности глутатиона из-за недостаточного потребления рибофлавина в рационе. Рибофлавин является предшественником FAD, восстановленная форма которого отдает два электрона дисульфидной связи, присутствующей в окисленной форме глутатионредуктазы, чтобы начать каталитический цикл фермента. В 1999 году исследование показало, что 17,8% мужчин и 22,4% женщин, обследованных в Саудовской Аравии, страдали от низкой активности глутатионредуктазы из-за дефицита рибофлавина. [27]

Связь с фавизмом

При фавизме у пациентов отсутствует глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа , фермент в их пентозофосфатном пути, который восстанавливает НАДФ + до НАДФН, катализируя превращение глюкозо-6-фосфата в 6-фосфоглюконо-δ-лактон . У людей с дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы меньше НАДФН, доступного для восстановления окисленного глутатиона через глутатионредуктазу. Таким образом, их базальное соотношение окисленного к восстановленному глутатиону значительно выше, чем у пациентов, которые обычно экспрессируют глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу, что делает их неспособными эффективно реагировать на высокие уровни активных форм кислорода, что вызывает лизис клеток. [28]

Мониторинг активности глутатионредуктазы

Активность глутатионредуктазы используется в качестве индикатора окислительного стресса . Активность можно контролировать по потреблению НАДФН с поглощением при 340 нм, или образованный GSH можно визуализировать с помощью реагента Эллмана . [29] Альтернативно активность можно измерить с помощью roGFP (редокс-чувствительный зеленый флуоресцентный белок). [30]

В растениях

Как и в клетках человека, глутатионредуктаза помогает защищать клетки растений от активных форм кислорода. В растениях восстановленный глутатион участвует в цикле глутатион-аскорбат , в котором восстановленный глутатион восстанавливает дегидроаскорбат , реактивный побочный продукт восстановления перекиси водорода. В частности, глутатионредуктаза способствует реакции растений на абиотический стресс. [31] Было показано, что активность фермента модулируется в ответ на металлы, металлоиды, засоление, засуху, УФ-излучение и тепловой стресс. [31]

История

Глутатионредуктаза была впервые очищена в 1955 году в Йельском университете П. Джанмедой. [32] Джанмеда также определил НАДФН как основной донор электронов для фермента. Более поздние группы подтвердили наличие ФАД и тиоловой группы, и в 1965 году был предложен первоначальный механизм для этого механизма. [33] [34] Первоначальная (низкого разрешения) структура глутатионредуктазы была решена в 1977 году. За ней быстро последовала 3Å-структура Шульце и др. в 1978 году. [35] Глутатионредуктаза была тщательно изучена с тех пор, как были проведены эти ранние эксперименты, и впоследствии стала одним из наиболее хорошо охарактеризованных ферментов на сегодняшний день.

Интерактивная карта маршрутов

Интерактивный маршрут можно найти здесь: карта маршрута

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000104687 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000031584 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ ab Deponte M (май 2013). «Катализ глутатиона и механизмы реакции глутатионзависимых ферментов». Biochim. Biophys. Acta . 1830 (5): 3217–66. doi : 10.1016/j.bbagen.2012.09.018 . PMID  23036594.
  6. ^ Meister A (ноябрь 1988). «Метаболизм глутатиона и его селективная модификация». J. Biol. Chem . 263 (33): 17205–8. doi : 10.1016/S0021-9258(19)77815-6 . PMID  3053703.
  7. ^ Mannervik B (август 1987). «Ферменты метаболизма глутатиона: обзор». Biochem. Soc. Trans . 15 (4): 717–8. doi :10.1042/bst0150717. PMID  3315772.
  8. ^ ab Kanzok SM, Fechner A, Bauer H, Ulschmid JK, Müller HM, Botella-Munoz J, Schneuwly S, Schirmer R, Becker K (2001). "Замена системы тиоредоксина на глутатионредуктазу у Drosophila melanogaster". Science . 291 (5504): 643–6. Bibcode :2001Sci...291..643K. doi :10.1126/science.291.5504.643. PMID  11158675.
  9. ^ Krauth-Siegel RL, Comini MA (2008). «Редокс-контроль у трипаносоматид, паразитических простейших с метаболизмом тиола на основе трипанотиона». Biochim Biophys Acta . 1780 (11): 1236–48. doi :10.1016/j.bbagen.2008.03.006. PMID  18395526.
  10. ^ Гришэм Реджинальд Х. Гарретт,... Чарльз М. (2005). Биохимия (3-е изд.). Белмонт, Калифорния: Thomson Brooks/Cole. ISBN 0534490336.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ Masella R, Di Benedetto R, Vari R, Filesi C, Giovannini C (октябрь 2005 г.). «Новые механизмы природных антиоксидантных соединений в биологических системах: участие глутатиона и связанных с глутатионом ферментов». J. Nutr. Biochem . 16 (10): 577–86. doi :10.1016/j.jnutbio.2005.05.013. PMID  16111877.
  12. ^ Dym O, Eisenberg D (сентябрь 2001 г.). «Анализ структуры последовательности белков, содержащих FAD». Protein Sci . 10 (9): 1712–28. doi :10.1110/ps.12801. PMC 2253189. PMID  11514662 . 
  13. ^ Berkholz DS, Faber HR, Savvides SN, Karplus PA (октябрь 2008 г.). «Каталитический цикл человеческой глутатионредуктазы с разрешением около 1 А». J. Mol. Biol . 382 (2): 371–84. doi :10.1016/j.jmb.2008.06.083. PMC 2593804. PMID  18638483 . 
  14. ^ Родригес В.М., Дель Разо Л.М., Лимон-Пачеко Дж.Х., Джордано М., Санчес-Пенья Л.К., Урибе-Керол Э., Гутьеррес-Оспина Г., Гонсебатт М.Э. (март 2005 г.). «Ингибирование глутатионредуктазы и распределение метилированного мышьяка в мозге и печени мышей Cd1». Токсикол. Наука . 84 (1): 157–66. дои : 10.1093/toxsci/kfi057 . ПМИД  15601678.
  15. ^ Эллиотт А.Дж., Шайбер СА, Томас С., Пардини РС (октябрь 1992 г.). «Ингибирование глутатионредуктазы флавоноидами. Исследование структуры и активности». Biochem. Pharmacol . 44 (8): 1603–8. doi :10.1016/0006-2952(92)90478-2. PMID  1329770.
  16. ^ Sarma GN, Savvides SN, Becker K, Schirmer M, Schirmer RH, Karplus PA (май 2003 г.). «Глутатионредуктаза малярийного паразита Plasmodium falciparum: кристаллическая структура и разработка ингибиторов». J. Mol. Biol . 328 (4): 893–907. doi :10.1016/s0022-2836(03)00347-4. PMID  12729762.
  17. ^ Бухгольц К, Ширмер Р. Х., Эйбель Дж. К., Акоахере М. Б., Дандекар Т., Беккер К., Громер С. (январь 2008 г.). «Взаимодействие метиленового синего с человеческими дисульфидредуктазами и их ортологами из Plasmodium falciparum». Antimicrob. Agents Chemother . 52 (1): 183–91. doi :10.1128/AAC.00773-07. PMC 2223905. PMID  17967916 . 
  18. ^ Müller T, Johann L, Jannack B, Brückner M, Lanfranchi DA, Bauer H, Sanchez C, Yardley V, Deregnaucourt C, Schrével J, Lanzer M, Schirmer RH, Davioud-Charvet E (август 2011 г.). «Каскад окислительно-восстановительных реакций, катализируемый глутатионредуктазой, для биоактивации мощных противомалярийных 1,4-нафтохинонов — новая стратегия борьбы с малярийными паразитами» (PDF) . J. Am. Chem. Soc . 133 (30): 11557–71. doi :10.1021/ja201729z. PMID  21682307.
  19. ^ Deponte M, Urig S, Arscott LD, Fritz-Wolf K, Réau R, Herold-Mende C, Koncarevic S, Meyer M, Davioud-Charvet E, Ballou DP, Williams CH, Becker K (май 2005 г.). «Механистические исследования нового, высокоэффективного золотофосфорного ингибитора человеческой глутатионредуктазы». J. Biol. Chem . 280 (21): 20628–37. doi : 10.1074/jbc.M412519200 . PMID  15792952.
  20. ^ Deponte M (май 2013). «Катализ глутатиона и механизмы реакции глутатионзависимых ферментов». Biochim. Biophys. Acta . 1830 (5): 3217–66. doi : 10.1016/j.bbagen.2012.09.018 . PMID  23036594.
  21. ^ Champe PC, Harvey RA, Ferrier DR (2008). Биохимия (четвертое издание). Lippincott Williams and Wilkins. ISBN 978-0-7817-6960-0.
  22. ^ ab Ramos PS, Oates JC, Kamen DL, Williams AH, Gaffney PM, Kelly JA, Kaufman KM, Kimberly RP, Niewold TB, Jacob CO, Tsao BP, Alarcón GS, Brown EE, Edberg JC, Petri MA, Ramsey-Goldman R, Reveille JD, Vilá LM, James JA, Guthridge JM, Merrill JT, Boackle SA, Freedman BI, Scofield RH, Stevens AM, Vyse TJ, Criswell LA, Moser KL, Alarcón-Riquelme ME, Langefeld CD, Harley JB, Gilkeson GS (июнь 2013 г.). "Изменчивая ассоциация реактивных промежуточных генов с системной красной волчанкой в ​​популяциях с различным африканским происхождением". J. Rheumatol . 40 (6): 842–9. doi :10.3899/jrheum.120989. PMC 3735344 . PMID  23637325. 
  23. ^ Gergely P, Grossman C, Niland B, Puskas F, Neupane H, Allam F, Banki K, Phillips PE, Perl A (январь 2002 г.). «Гиперполяризация митохондрий и истощение АТФ у пациентов с системной красной волчанкой». Arthritis Rheum . 46 (1): 175–90. doi :10.1002/1529-0131(200201)46:1<175::AID-ART10015>3.0.CO;2-H. PMC 4020417. PMID 11817589  . 
  24. ^ abc Yan J, Meng X, Wancket LM, Lintner K, Nelin LD, Chen B, Francis KP, Smith CV, Rogers LK, Liu Y (март 2012 г.). «Глутатионредуктаза способствует защите хозяина, поддерживая фагоцитарный окислительный взрыв и способствуя развитию нейтрофильных внеклеточных ловушек». J. Immunol . 188 (5): 2316–27. doi :10.4049/jimmunol.1102683. PMC 3480216. PMID  22279102 . 
  25. ^ ab Камербек Н.М., Цвитен Р., Бур М., Моррен Г., Вуил Х., Баннинк Н., Линке С., Долман К.М., Беккер К., Ширмер Р.Х., Громер С., Роос Д. (2007). «Молекулярные основы дефицита глутатионредуктазы в клетках крови человека». Кровь . 109 (8): 3560–3566. дои : 10.1182/blood-2006-08-042531 . ПМИД  17185460.
  26. ^ Roos D, Weening RS, Voetman AA, van Schaik ML, Bot AA, Meerhof LJ, Loos JA (май 1979). «Защита фагоцитарных лейкоцитов эндогенным глутатионом: исследования в семье с дефицитом глутатионредуктазы». Blood . 53 (5): 851–66. doi : 10.1182/blood.V53.5.851.851 . PMID  435643.
  27. ^ Warsy AS, el-Hazmi MA (ноябрь 1999 г.). «Дефицит глутатионредуктазы в Саудовской Аравии». East. Mediterr. Health J . 5 (6): 1208–12. doi : 10.26719/1999.5.6.1208 . PMID  11924113.
  28. ^ Каппеллини, доктор медицинских наук, Фиорелли Дж. (январь 2008 г.). «Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы». Ланцет . 371 (9606): 64–74. дои : 10.1016/S0140-6736(08)60073-2. PMID  18177777. S2CID  29165746.
  29. ^ Смит IK, Вирхеллер TL, Торн CA (1988). "Анализ глутатионредуктазы в сырых гомогенатах тканей с использованием 5,5'-дитиобис(2-нитробензойной кислоты)". Anal Biochem . 175 (2): 408–13. doi :10.1016/0003-2697(88)90564-7. PMID  3239770.
  30. ^ Marty L, Siala W, Schwarzländer M, Fricker MD, Wirtz M, Sweetlove LJ, Meyer Y, Meyer AJ, Reichheld JP, Hell R (2009). «Система NADPH-зависимого тиоредоксинового комплекса представляет собой функциональную резервную копию цитозольной глутатионредуктазы в Arabidopsis». Proc Natl Acad Sci USA . 106 (22): 9109–14. Bibcode : 2009PNAS..106.9109M. doi : 10.1073/pnas.0900206106 . PMC 2690020. PMID  19451637 . 
  31. ^ ab Gill SS, Anjum NA, Hasanuzzaman M, Gill R, Trivedi DK, Ahmad I, Pereira E, Tuteja N (сентябрь 2013 г.). «Глутатион и глутатионредуктаза: замаскированное благо для защиты растений от абиотического стресса». Plant Physiol. Biochem . 70 : 204–12. doi :10.1016/j.plaphy.2013.05.032. PMID  23792825.
  32. ^ Racker E (декабрь 1955 г.). «Глутатионредуктаза из пекарских дрожжей и говяжьей печени». J. Biol. Chem . 217 (2): 855–65. doi : 10.1016/S0021-9258(18)65950-2 . PMID  13271446.
  33. ^ Massey V, Williams CH (ноябрь 1965 г.). «О механизме реакции дрожжевой глутатионредуктазы». J. Biol. Chem . 240 (11): 4470–80. doi : 10.1016/S0021-9258(18)97085-7 . PMID  4378936.
  34. ^ Mapson LW, Isherwood FA (январь 1963 г.). «Глутатионредуктаза из проросшего гороха». Biochem. J . 86 (1): 173–91. doi :10.1042/bj0860173. PMC 1201730 . PMID  13932735. 
  35. ^ Schulz GE, Schirmer RH, Sachsenheimer W, Pai EF (май 1978). «Структура флавофермента глутатионредуктазы». Nature . 273 (5658): 120–4. Bibcode :1978Natur.273..120S. doi :10.1038/273120a0. PMID  25387. S2CID  4153363.

Дальнейшее чтение