stringtranslate.com

Липоксигеназа

Липоксигеназы ( EC 1.13.11.- ) ( LOX ) представляют собой семейство (негемовых ) железосодержащих ферментов , а точнее окислительных ферментов , большинство из которых катализируют диоксигенацию полиненасыщенных жирных кислот в липидах, содержащих цис, цис-1,4- пентадиен, в клеточные сигнальные агенты, которые выполняют различные функции: аутокринные сигналы , регулирующие функцию родительских клеток, паракринные сигналы, регулирующие функцию близлежащих клеток, и эндокринные сигналы, регулирующие функцию отдаленных клеток.

Липоксигеназы связаны друг с другом на основе их схожей генетической структуры и активности диоксигенации. Однако одна липоксигеназа, ALOXE3, хотя и имеет генетическую структуру липоксигеназы, обладает относительно небольшой активностью диоксигенации; скорее ее основная активность, по-видимому, является изомеразной, которая катализирует превращение гидропероксиненасыщенных жирных кислот в их 1,5- эпоксидные , гидроксильные производные.

Липоксигеназы обнаружены у эукариот (растений, грибов, животных, простейших); в то время как третий домен наземной жизни, археи , обладает белками с небольшим (~20%) сходством аминокислотной последовательности с липоксигеназами, эти белки не содержат железосвязывающих остатков и, следовательно, не обладают липоксигеназной активностью. [2]

Биохимия

На основании детального анализа 15-липоксигеназы 1 и стабилизированной 5-липоксигеназы, структуры липоксигеназы состоят из 15 килодальтон N-концевого бета-бочки домена, небольшого (например, ~0,6 килодальтон) линкерного междоменного домена (см. Белковый домен § Домены и гибкость белка ) и относительно большого С-концевого каталитического домена, который содержит негемовое железо, имеющее решающее значение для каталитической активности ферментов. [3] Большинство липоксигеназ (исключение, ALOXE3) катализируют реакцию полиненасыщенная жирная кислота + O 2 → гидропероксид жирной кислоты в четыре этапа:

Остаток (—OO − ) может затем протонироваться с образованием гидропероксидной группы (—OOH) и далее метаболизироваться липоксигеназой, например, до лейкотриенов , гепоксилинов и различных специализированных про-разрешающих медиаторов , или восстанавливаться повсеместными клеточными глутатионпероксидазами до гидроксигруппы, тем самым образуя гидроксилированные (—OH) полиненасыщенные жирные кислоты, такие как гидроксиэйкозатетраеновые кислоты и HODE (т. е. гидроксиоктадекаеновые кислоты). [3]

Полиненасыщенные жирные кислоты, которые служат субстратами для одной или нескольких липоксигеназ, включают омега-6 жирные кислоты , арахидоновую кислоту , линолевую кислоту , дигомо-γ-линоленовую кислоту и адреновую кислоту ; омега-3 жирные кислоты , эйкозапентаеновую кислоту , докозагексаеновую кислоту и альфа-линоленовую кислоту ; и омега-9 жирную кислоту , мидовую кислоту . [4] Некоторые типы липоксигеназ, например, человеческая и мышиная 15-липоксигеназа 1, 12-липоксигеназа B и ALOXE3, способны метаболизировать жирнокислотные субстраты, которые являются составными частями фосфолипидов, эфиров холестерина или сложных липидов кожи. [3] Большинство липоксигеназ катализируют образование изначально образованных гидропероксидных продуктов, которые имеют S- хиральность . Исключения из этого правила включают 12R-липоксигеназы человека и других млекопитающих (см. ниже). [3] [4] [5]

Липоксигеназы зависят от доступности их субстратов полиненасыщенных жирных кислот, которые, особенно в клетках млекопитающих, обычно поддерживаются на крайне низком уровне. В целом, различные фосфолипазы A2 и диацилглицероллипазы активируются во время стимуляции клеток, продолжают высвобождать эти жирные кислоты из мест их хранения и, таким образом, являются ключевыми регуляторами в образовании липоксигеназозависимых метаболитов. [3] Кроме того, клетки, будучи таким образом активированными, могут переносить свои высвобождаемые полиненасыщенные жирные кислоты в соседние или близлежащие клетки, которые затем метаболизируют их через свои липоксигеназные пути в процессе, называемом трансцеллюлярным метаболизмом или трансцеллюлярным биосинтезом. [6]

Биологическая функция и классификация

Эти ферменты наиболее распространены в растениях, где они могут быть вовлечены в ряд различных аспектов физиологии растений, включая рост и развитие, устойчивость к вредителям и старение или реакцию на ранение. [7] У млекопитающих ряд изоферментов липоксигеназ участвует в метаболизме эйкозаноидов (таких как простагландины , лейкотриены и неклассические эйкозаноиды ). [8] Имеются данные о последовательностях следующих липоксигеназ:

Растительные липоксигеназы

Растения экспрессируют множество цитозольных липоксигеназ ( EC 1.13.11.12; InterPro :  IPR001246 ), а также то, что, по-видимому, является изоферментом хлоропластов. [9] Растительная липоксигеназа в сочетании с гидропероксидлиазами отвечает за многие ароматы и другие сигнальные соединения. Одним из примеров является цис-3-гексеналь , запах свежескошенной травы .

Иллюстративное преобразование с участием гидропероксидлиазы. Здесь цис-3-гексеналь образуется из линоленовой кислоты в гидропероксид под действием липоксигеназы, а затем лиазы. [10]

Липоксигеназы человека

За исключением гена, кодирующего 5-LOX ( ALOX5 ), который расположен на хромосоме 10q11.2, все шесть генов LOX человека расположены на хромосоме 17.p13 и кодируют одноцепочечный белок массой 75–81 килодальтон , состоящий из 662–711 аминокислот. Гены LOX млекопитающих содержат 14 ( ALOX5 , ALOX12 , ALOX15 , ALOX15B ) или 15 ( ALOX12B , ALOXE3 ) экзонов с границами экзон/ интрон в высококонсервативных позициях. [11] [12] 6 липоксигеназ человека вместе с некоторыми из основных продуктов, которые они производят, а также некоторые из их связей с генетическими заболеваниями, следующие: [11] [13] [14] [15] [16]

Две липоксигеназы могут действовать последовательно, чтобы производить дигидрокси- или тригидроксипродукты, которые имеют активность, совершенно отличную от продуктов каждой из липоксиеназ. Этот последовательный метаболизм может происходить в разных типах клеток, которые экспрессируют только одну из двух липоксигеназ в процессе, называемом трансцеллюлярным метаболизмом. Например, ALOX5 и ALOX15 или, альтернативно, ALOX5 и ALOX12 могут действовать последовательно, чтобы метаболизировать арахидоновую кислоту в липоксины (см. 15-гидроксиэйкозатетраеновая кислота §§  Дальнейший метаболизм и Активность 15(S)-HpETE, 15(S)-HETE, 15(R)-HpETE, 15(R)-HETE и 15-оксо-ETE и липоксина § Синтез ), в то время как ALOX15 и, возможно, ALOX15B могут действовать вместе с ALOX5, чтобы метаболизировать эйкозапентаеновую кислоту в резолвин D (см. Резолвин § Биохимия и производство ).

Липоксигеназы мыши

Мышь является распространенной моделью для изучения функции липоксигеназы. Однако существуют некоторые ключевые различия между липоксигеназами у мышей и людей, которые затрудняют экстраполяцию исследований на мышах на людей. В отличие от 6 функциональных липоксигеназ у людей, у мышей есть 7 функциональных липоксигеназ, и некоторые из последних имеют другую метаболическую активность, чем их человеческие ортологи . [11] [19] [21] В частности, мышиный Alox15, в отличие от человеческого ALOX15, метаболизирует арахидоновую кислоту в основном до 12-HpETE, а мышиный Alox15b, в отличие от человеческого ALOX15b, является в первую очередь 8-липоксигеназой, метаболизирующей арахдионовую кислоту до 8-HpETE; у людей нет сопоставимой липоксигеназы, образующей 8-HpETE. [22]

Кроличья 15-липоксигеназа (синяя) с ингибитором (желтая), связанным в активном центре

3D структура

Известно несколько структур липоксигеназы, включая: липоксигеназу сои L1 и L3, 8-липоксигеназу кораллов, 5-липоксигеназу человека, 15-липоксигеназу кролика и 12-липоксигеназу лейкоцитов свиньи. Белок состоит из небольшого N-концевого домена PLAT и основного каталитического домена C-концевого домена (см. базу данных Pfam ), который содержит активный сайт . В ферментах растений и млекопитающих N-концевой домен содержит восьмицепочечный антипараллельный β-цилиндр, но в липоксигеназах сои этот домен значительно больше, чем в ферменте кролика. Липоксигеназы растений могут быть ферментативно расщеплены на два фрагмента, которые остаются тесно связанными, пока фермент остается активным; разделение двух доменов приводит к потере каталитической активности. С-концевой (каталитический) домен состоит из 18–22 спиралей и одного (в ферменте кролика) или двух (в ферментах сои) антипараллельных β-слоев на противоположном конце от N-концевого β-ствола.

Активный сайт

Атом железа в липоксигеназах связан четырьмя лигандами, три из которых являются остатками гистидина. [23] Шесть гистидинов сохраняются во всех последовательностях липоксигеназ, пять из них обнаружены сгруппированными в отрезке из 40 аминокислот. Этот регион содержит два из трех цинковых лигандов; было показано [24], что другие гистидины важны для активности липоксигеназ.

Две длинные центральные спирали пересекаются в активном центре; обе спирали включают внутренние участки π-спирали , которые обеспечивают три гистидиновых (His) лиганда для железа активного центра. Две полости в основном домене соевой липоксигеназы-1 (полости I и II) простираются от поверхности к активному центру. Воронкообразная полость I может функционировать как канал для дикислорода; длинная узкая полость II предположительно является субстратным карманом. Более компактный фермент млекопитающих содержит только одну полость в форме ботинка (полость II). В соевой липоксигеназе-3 есть третья полость, которая идет от железного центра к интерфейсу β-цилиндрического и каталитического доменов. Полость III, железный центр и полость II образуют непрерывный проход через молекулу белка.

Железо активного центра координируется N ε трех консервативных остатков His и одним кислородом C-концевой карбоксильной группы. Кроме того, в ферментах сои кислород боковой цепи аспарагина слабо связан с железом. В липоксигеназе кролика этот остаток Asn заменен на His, который координирует железо через атом N δ . Таким образом, координационное число железа равно пяти или шести, с гидроксильным или водным лигандом к гексакоординированному железу.

Подробности об особенностях активного центра липоксигеназы были выявлены в структуре комплекса каталитического домена 12-липоксигеназы лейкоцитов свиньи [23] [25] В трехмерной структуре ингибитор-аналог субстрата занимал U-образный канал, открытый рядом с железным сайтом. Этот канал мог вмещать арахидоновую кислоту без особых вычислений, определяя детали связывания субстрата для реакции липоксигеназы. Кроме того, для кислородного пути можно было бы подсчитать вероятный канал доступа, который перехватывает канал связывания субстрата и простирается до поверхности белка.

Биохимическая классификация

Липоксигеназа сои 1 демонстрирует самый большой кинетический изотопный эффект H/D (КИЭ) на kcat (kH/kD) (81 около комнатной температуры) из известных на сегодняшний день для биологической системы. Недавно в двойном мутанте липоксигеназы сои 1 был обнаружен чрезвычайно высокий КИЭ от 540 до 730. [26] Из-за большой величины КИЭ липоксигеназа сои 1 послужила прототипом для реакций туннелирования водорода, катализируемых ферментами.

Человеческие белки, экспрессируемые из семейства липоксигеназ, включают ALOX12 , ALOX12B , ALOX15 , ALOX15B , ALOX5 и ALOXE3 . Хотя люди также обладают геном ALOX12P2 , который является ортологом хорошо экспрессируемого гена Alox12P у мышей, человеческий ген является псевдогеном ; следовательно, белок ALOX12P2 не обнаружен у людей. [27]

Ссылки

  1. ^ Choi J, Chon JK, Kim S, Shin W (февраль 2008 г.). «Конформационная гибкость 15S-липоксигеназы млекопитающих: переосмысление кристаллографических данных». Proteins . 70 (3): 1023–32. doi :10.1002/prot.21590. PMID  17847087. S2CID  40013415.
  2. ^ Powell WS, Rokach J (2015). «Биосинтез, биологические эффекты и рецепторы гидроксиэйкозатетраеновых кислот (HETE) и оксоэйкозатетраеновых кислот (оксо-ETE), полученных из арахидоновой кислоты». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1851 (4): 340–55. doi :10.1016/j.bbalip.2014.10.008. PMC 5710736. PMID 25449650  . 
  3. ^ abcde Kuhn H, Banthiya S, van Leyen K (2015). «Липоксигеназы млекопитающих и их биологическая значимость». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1851 (4): 308–30. doi : 10.1016 /j.bbalip.2014.10.002. PMC 4370320. PMID  25316652. 
  4. ^ ab Gabbs M, Leng S, Devassy JG, Monirujjaman M, Aukema HM (2015). «Достижения в нашем понимании оксилипинов, полученных из пищевых ПНЖК». Advances in Nutrition . 6 (5): 513–40. doi :10.3945/an.114.007732. PMC 4561827. PMID  26374175 . 
  5. ^ Mashima R, Okuyama T (2015). «Роль липоксигеназ в патофизиологии; новые идеи и перспективы на будущее». Redox Biology . 6 : 297–310. doi : 10.1016/j.redox.2015.08.006. PMC 4556770. PMID  26298204 . 
  6. ^ Capra V, Rovati GE, Mangano P, Buccellati C, Murphy RC, Sala A (2015). «Трансцеллюлярный биосинтез эйкозаноидных липидных медиаторов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1851 (4): 377–82. doi :10.1016/j.bbalip.2014.09.002. PMID  25218301.
  7. ^ Vick BA, Zimmerman DC (1987). "Окислительные системы для модификации жирных кислот: липоксигеназный путь". Окислительные системы для модификации жирных кислот: липоксигеназный путь . Том 9. С. 53–90. doi :10.1016/b978-0-12-675409-4.50009-5. ISBN 9780126754094.
  8. ^ Needleman P, Turk J, Jakschik BA, Morrison AR, Lefkowith JB (1986). «Метаболизм арахидоновой кислоты». Annu. Rev. Biochem . 55 : 69–102. doi :10.1146/annurev.bi.55.070186.000441. PMID  3017195.
  9. ^ Tanaka K, Ohta H, Peng YL, Shirano Y, Hibino T, Shibata D (1994). «Новая липоксигеназа из риса. Первичная структура и специфическая экспрессия при несовместимом заражении грибком рисовой пирикуляриоза». J. Biol. Chem . 269 (5): 3755–3761. doi : 10.1016/S0021-9258(17)41924-7 . PMID  7508918.
  10. ^ KenjiMatsui (2006). «Летучие вещества зеленых листьев: путь гидропероксидлиазы метаболизма оксилипина». Current Opinion in Plant Biology . 9 (3): 274–280. Bibcode : 2006COPB....9..274M. doi : 10.1016/j.pbi.2006.03.002. PMID  16595187.
  11. ^ abc Krieg, P; Fürstenberger, G (2014). «Роль липоксигеназ в эпидермисе». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1841 (3): 390–400. doi :10.1016/j.bbalip.2013.08.005. PMID  23954555.
  12. ^ "ALOX5 арахидонат 5-липоксигеназа [Homo sapiens (человек)] - Ген - NCBI".
  13. ^ Haeggström, JZ; Funk, CD (2011). «Пути липоксигеназы и лейкотриена: биохимия, биология и роль в болезнях». Chemical Reviews . 111 (10): 5866–98. doi :10.1021/cr200246d. PMID  21936577.
  14. ^ Barden AE, Mas E, Mori TA (2016). "n-3 жирные кислоты и проразрешающие медиаторы воспаления". Current Opinion in Lipidology . 27 (1): 26–32. doi :10.1097/MOL.00000000000000262. PMID  26655290. S2CID  45820130.
  15. ^ Qu Q, Xuan W, Fan GH (2015). «Роль резольвинов в разрешении острого воспаления». Cell Biology International . 39 (1): 3–22. doi :10.1002/cbin.10345. PMID  25052386. S2CID  10160642.
  16. ^ Романо М., Чианчи Э., Симиеле Ф., Реккиути А. (2015). «Липоксины и липоксины, вызываемые аспирином, при разрешении воспаления». Европейский журнал фармакологии . 760 : 49–63. doi : 10.1016/j.ejphar.2015.03.083. PMID  25895638.
  17. ^ "WikiGenes - Collaborative Publishing". WikiGenes - Collaborative Publishing . Получено 17 апреля 2018 г. .
  18. ^ ab "WikiGenes - Collaborative Publishing". WikiGenes - Collaborative Publishing . Получено 17 апреля 2018 г. .
  19. ^ abcd Муньос-Гарсия, А.; Томас, К.П.; Кини, Д.С.; Чжэн, И.; Браш, А.Р. (2014). «Значение пути липоксигеназы-гепоксилина в эпидермальном барьере млекопитающих». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1841 (3): 401–8. doi :10.1016/j.bbalip.2013.08.020. PMC 4116325. PMID  24021977 . 
  20. ^ ab "WikiGenes - Collaborative Publishing". WikiGenes - Collaborative Publishing . Получено 17 апреля 2018 г. .
  21. ^ Тейлор, PR; Хейдек, D; Джонс, GW; Кренке, G; Фанк, CD; Кнаппер, S; Адамс, D; Кюн, H; О'Доннелл, VB (2012). «Развитие миелопролиферативного заболевания при дефиците 12/15-липоксигеназы». Кровь . 119 (25): 6173–4, ответ автора 6174–5. doi :10.1182/blood-2012-02-410928. PMC 3392071 . PMID  22730527. 
  22. ^ Cole, BK; Lieb, DC; Dobrian, AD; Nadler, JL (2013). «12- и 15-липоксигеназы при воспалении жировой ткани». Простагландины и другие липидные медиаторы . 104–105: 84–92. doi :10.1016/j.prostaglandins.2012.07.004. PMC 3526691. PMID  22951339 . 
  23. ^ ab Boyington JC, Gaffney BJ, Amzel LM (1993). "Трехмерная структура 15-липоксигеназы арахидоновой кислоты". Science . 260 (5113): 1482–1486. ​​Bibcode :1993Sci...260.1482B. doi :10.1126/science.8502991. PMID  8502991.
  24. ^ Steczko J, Donoho GP, Clemens JC, Dixon JE, Axelrod B (1992). «Консервативные остатки гистидина в липоксигеназе сои: функциональные последствия их замены». Биохимия . 31 (16): 4053–4057. doi :10.1021/bi00131a022. PMID  1567851.
  25. ^ Xu, S.; Mueser TC; Marnett LJ; Funk MO (2012). «Кристаллическая структура комплекса ингибитора каталитического домена 12-липоксигеназы определяет канал связывания субстрата для катализа». Structure . 20 (9): 1490–7. doi :10.1016/j.str.2012.06.003. PMC 5226221 . PMID  22795085. 
  26. ^ Ху, С.; Шарма, С.К.; Скурас, А.Д.; Судаков, А.В.; Карр, К.А.; Хаммес-Шиффер, С.; Альбер, Т.; Клинман, Дж.П. (2014). «Чрезвычайно повышенные кинетические изотопные эффекты при комнатной температуре количественно определяют критическую роль ширины барьера в ферментативной активации CH». Журнал Американского химического общества . 136 (23): 8157–60. doi :10.1021/ja502726s. PMC 4188422. PMID  24884374 . 
  27. ^ "WikiGenes - Collaborative Publishing". WikiGenes - Collaborative Publishing . Получено 17 апреля 2018 г. .

Внешние ссылки

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR001024