PTGS2 (COX-2) преобразует арахидоновую кислоту (AA) в простагландин эндопероксид H2. PTGS являются мишенями для НПВП и ингибиторов PTGS2 (COX-2), называемых коксибами. PTGS-2 представляет собой гомодимер последовательности. Каждый мономер фермента имеет пероксидазу и активный центр PTGS (COX) . Ферменты PTGS (COX) катализируют преобразование AA в простагландины в два этапа. Сначала водород отщепляется от углерода 13 арахидоновой кислоты, а затем PTGS2 (COX-2) добавляет две молекулы кислорода, давая PGG 2 . Во-вторых, PGG 2 восстанавливается до PGH 2 в активном центре пероксидазы. Синтезированный PGH 2 преобразуется в простагландины ( PGD 2 , PGE 2 , PGF 2α ), простациклин (PGI 2 ) или тромбоксан A 2 тканеспецифическими изомеразами (рисунок 2). [6]
Метаболизируя арахидоновую кислоту в первую очередь до PGG 2 , COX-2 также преобразует эту жирную кислоту в небольшие количества рацемической смеси 15-гидроксиикозатетраеновых кислот (т. е. 15-HETE), состоящей из ~22% 15( R )-HETE и ~78% 15( S )-HETE стереоизомеров , а также небольшого количества 11( R )-HETE. [7] Два 15-HETE стереоизомера обладают внутренней биологической активностью, но, что, возможно, более важно, могут далее метаболизироваться в основной класс агентов, липоксины . Кроме того, обработанный аспирином COX-2 метаболизирует арахидоновую кислоту почти исключительно до 15( R )-HETE, продукт которого может далее метаболизироваться в эпилипоксины . [8] Липоксины и эпилипоксины являются мощными противовоспалительными средствами и могут способствовать общей активности двух ЦОГ, а также аспирина. [ необходима цитата ]
ЦОГ-2 естественным образом ингибируется кальцитриолом (активной формой витамина D). [9] [10]
Механизм
Арахидоновая кислота связана с ферментом PTGS2 (COX-2). Полярные взаимодействия между арахидоновой кислотой (циан) и остатками Ser -530 и Tyr -385 показаны желтыми пунктирными линиями. Субстрат стабилизируется гидрофобными взаимодействиями. [11]Механизм активации и катализа ЦОГ. Гидропероксид окисляет гем до феррил-оксопроизводного, которое либо восстанавливается на первом этапе цикла пероксидазы , либо окисляет тирозин 385 до тирозильного радикала. Затем тирозильный радикал может окислить водород 13-про(S) арахидоновой кислоты , чтобы инициировать цикл ЦОГ.
Активность пероксидазы и PTGS инактивируется во время катализа с помощью механизмов, основанных на процессах первого порядка, что означает, что активность пероксидазы PGHS-2 или PTGS падает до нуля в течение 1–2 минут, даже при наличии достаточного количества субстратов. [12] [13] [14]
Превращение арахидоновой кислоты в PGG 2 можно представить как ряд радикальных реакций, аналогичных автоокислению полиненасыщенных жирных кислот . [15] 13-про(S)-водород отщепляется, а дикислород захватывает пентадиенильный радикал у углерода 11. 11-пероксильный радикал циклизуется у углерода 9, а углерод-центрированный радикал, образующийся у C-8, циклизуется у углерода 12, образуя эндопероксид . Образующийся аллильный радикал захватывается дикислородом у углерода 15 с образованием 15-(S)-пероксильного радикала; затем этот радикал восстанавливается до PGG 2. Это подтверждается следующими доказательствами: 1) наблюдается значительный кинетический изотопный эффект для отщепления 13-про(S)-водорода; 2) углерод-центрированные радикалы захватываются во время катализа ; [16] 3) небольшое количество продуктов окисления образуется из-за захвата кислорода промежуточным аллильным радикалом в положениях 13 и 15. [17] [18]
Другой механизм, в котором 13-про (S)-водород депротонируется , а карбанион окисляется до радикала , теоретически возможен. Однако оксигенация 10,10-дифторарахидоновой кислоты до 11-(S)-гидроксиэйкоза-5,8,12,14-тетраеновой кислоты не согласуется с образованием промежуточного карбаниона, поскольку это привело бы к удалению фторида с образованием сопряженного диена. [19] Отсутствие эндопероксидсодержащих продуктов, полученных из 10,10-дифторарахидоновой кислоты, как предполагалось, указывает на важность карбокатиона C-10 в синтезе PGG 2. [20] Однако катионный механизм требует, чтобы образование эндопероксида происходило до удаления 13-про (S)-водорода. Это не согласуется с результатами изотопных экспериментов по оксигенации арахидоновой кислоты. [21]
Структура
Как показано, различные лиганды связывают либо аллостерическую, либо каталитическую субъединицу. Аллостерическая субъединица связывает не-субстрат, активируя FA (например, пальмитиновую кислоту). Аллостерическая субъединица со связанной жирной кислотой активирует каталитическую субъединицу, уменьшая Km для AA. [22]
PTGS2 (COX-2) существует в виде гомодимера, каждый мономер с молекулярной массой около 70 кДа. Третичная и четвертичная структуры ферментов PTGS1 (COX-1) и PTGS2 (COX-2) практически идентичны. Каждая субъединица имеет три различных структурных домена: короткий N-концевой домен эпидермального фактора роста ( EGF ); α-спиральный мембраносвязывающий фрагмент; и C-концевой каталитический домен. Ферменты PTGS (COX, который можно спутать с « цитохромоксидазой ») являются монотопными мембранными белками; мембраносвязывающий домен состоит из серии амфипатических α-спиралей с несколькими гидрофобными аминокислотами , экспонированными на монослое мембраны. PTGS1 (COX-1) и PTGS2 (COX-2) являются бифункциональными ферментами, которые выполняют две последовательные химические реакции в пространственно различных, но механически связанных активных центрах. Активные центры циклооксигеназы и пероксидазы расположены в каталитическом домене, который составляет около 80% белка. Каталитический домен гомологичен пероксидазам млекопитающих, таким как миелопероксидаза . [23] [24]
Было обнаружено, что человеческий PTGS2 (COX-2) функционирует как конформационный гетеродимер, имеющий каталитический мономер (E-cat) и аллостерический мономер (E-allo). Гем связывается только с пероксидазным сайтом E-cat, в то время как субстраты, а также некоторые ингибиторы (например, целекоксиб ), связывают сайт COX E-cat. E-cat регулируется E-allo способом, зависящим от того, какой лиганд связан с E-allo. Субстратные и несубстратные жирные кислоты (FAs) и некоторые ингибиторы PTGS (COX) (например, напроксен ) предпочтительно связываются с сайтом PTGS (COX) E-allo. Арахидоновая кислота может связываться с E-cat и E-allo, но сродство AA к E-allo в 25 раз больше, чем к Ecat. Пальмитиновая кислота, эффективный стимулятор huPGHS-2, связывает только E-allo в сокристаллах пальмитиновой кислоты/мышиного PGHS-2. Несубстратные FA могут усиливать или ослаблять ингибиторы PTGS (COX) в зависимости от жирной кислоты и того, связывает ли ингибитор E-cat или E-allo. Исследования показывают, что концентрация и состав пула свободных жирных кислот в среде, в которой функционирует PGHS-2 в клетках, также называемый тоном FA, является ключевым фактором, регулирующим активность PGHS-2 и его реакцию на ингибиторы PTGS (COX). [22]
Клиническое значение
НПВП (неспецифический ингибитор PTGS2 (COX-2)) флурбипрофен (зеленый) связан с PTGS2 (COX-2). Флурбипрофен стабилизируется посредством гидрофобных взаимодействий и полярных взаимодействий ( Tyr -355 и Arg -120). [25]
PTGS2 (COX-2) не экспрессируется в нормальных условиях в большинстве клеток, но повышенные уровни обнаруживаются во время воспаления . PTGS1 (COX-1) конститутивно экспрессируется во многих тканях и является преобладающей формой в слизистой оболочке желудка и в почках. Ингибирование PTGS1 (COX-1) снижает базальную продукцию цитопротекторных PGE 2 и PG1 2 в желудке , что может способствовать образованию язвы желудка . Поскольку PTGS2 (COX-2) обычно экспрессируется только в клетках, где повышен уровень простагландинов (например, во время воспаления), предполагалось, что лекарственные препараты, которые селективно ингибируют PTGS2 (COX-2), демонстрируют меньше побочных эффектов [24], но, как было доказано, существенно увеличивают риск сердечно-сосудистых событий, таких как сердечный приступ и инсульт. Два разных механизма могут объяснить противоречивые эффекты. Низкие дозы аспирина защищают от сердечных приступов и инсультов, блокируя PTGS1 (COX-1) от образования простагландина, называемого тромбоксаном A2. Он склеивает тромбоциты и способствует свертыванию крови; ингибирование этого помогает предотвратить сердечные заболевания. С другой стороны, PTGS2 (COX-2) является более важным источником простагландинов, в частности простациклина, который находится в выстилке кровеносных сосудов. Простациклин расслабляет или отклеивает тромбоциты, поэтому селективные ингибиторы COX-2 (коксибы) увеличивают риск сердечно-сосудистых событий из-за свертывания крови. [26]
Экспрессия PTGS2 (COX-2) повышается при многих видах рака. Повышенная экспрессия PTGS2 (COX-2) вместе с повышенным ангиогенезом и экспрессией SLC2A1 (GLUT-1) в значительной степени связана с карциномами желчного пузыря. [28] Кроме того, продукт PTGS2 (COX-2), PGH 2, преобразуется простагландин E 2 синтазой в PGE 2 , который, в свою очередь, может стимулировать прогрессирование рака. Следовательно, ингибирование PTGS2 (COX-2) может иметь преимущество в профилактике и лечении этих типов рака. [29] [30]
Экспрессия ЦОГ-2 была обнаружена в идиопатических эпиретинальных мембранах человека. [31] Блокирование циклооксигеназ лорноксикамом в острой стадии воспаления снизило частоту образования мембран на 43% в диспазной модели ПВР и на 31% в конканавалиновой . Лорноксикам не только нормализовал экспрессию циклооксигеназ в обеих моделях ПВР, но и нейтрализовал изменения сетчатки и толщины хориоидеи, вызванные инъекцией провоспалительных агентов. Эти факты подчеркивают важность циклооксигеназ и простагландинов в развитии ПВР. [32]
Повышение экспрессии гена PTGS2 также связано с несколькими стадиями человеческой репродукции. Присутствие гена обнаружено в хориальной пластинке , в эпителии амниона , синцитиотрофобластах , ворсинчатых фибробластах, хорионических трофобластах , амниотических трофобластах , а также в базальной пластинке плаценты , в децидуальных клетках и вневорсинчатых цитотрофобластах . Во время процесса хориоамнионита /децидуита повышение экспрессии PTGS2 в амнионе и хориодецидуальной оболочке является одним из трех ограниченных эффектов воспаления в матке . Повышенная экспрессия гена PTGS2 в плодных оболочках связана с наличием воспаления, вызывая экспрессию гена простагландина в матке и иммунолокализацию белков пути простагландина в клетках хорионического трофобласта и прилегающей децидуальной оболочке, или хориодецидуальной оболочке. PTGS2 связан с воспалительной системой и был обнаружен в воспалительных лейкоцитах . Было отмечено, что существует положительная корреляция с экспрессией PTGS2 в амнионе во время спонтанных родов, и было обнаружено, что его экспрессия увеличивается с гестационным возрастом после родов, при этом никаких изменений не наблюдается в амнионе и хориодецидуальной оболочке во время преждевременных или срочных родов. Кроме того, окситоцин стимулирует экспрессию PTGS2 в клетках миометрия . [33]
Было показано, что носители мутантного аллеля PTGS2 5939C среди населения ханьской народности имеют более высокий риск рака желудка . Кроме того, была обнаружена связь между инфекцией Helicobacter pylori и наличием аллеля 5939C. [34]
^ Mulugeta S, Suzuki T, Hernandez NT, Griesser M, Boeglin WE, Schneider C (2010). «Идентификация и абсолютная конфигурация дигидрокси-арахидоновых кислот, образованных оксигенацией 5S-HETE нативным и ацетилированным аспирином COX-2». J. Lipid Res . 51 (3): 575–85. doi : 10.1194/jlr.M001719 . PMC 2817587. PMID 19752399 .
^ Serhan CN (2005). «Липоксины и 15-эпилипоксины, вызываемые аспирином, являются первыми липидными медиаторами эндогенного противовоспалительного действия и разрешения». Prostaglandins Leukot. Essent. Fatty Acids . 73 (3–4): 141–62. doi :10.1016/j.plefa.2005.05.002. PMID 16005201.
^ Wang Q, He Y, Shen Y, Zhang Q, Chen D, Zuo C, Qin J, Wang H, Wang J, Yu Y (2014). «Витамин D ингибирует экспрессию COX-2 и воспалительную реакцию, воздействуя на члена суперсемейства тиоэстеразы 4». J Biol Chem . 289 (17): 11681–11694. doi : 10.1074/jbc.M113.517581 . PMC 4002078. PMID 24619416 .
^ Касси Э., Адамопулос С., Басдра Е.К., Папавассилиу А.Г. (2013). «Роль витамина D при атеросклерозе». Тираж . 128 (23): 2517–2531. doi : 10.1161/CIRCULATIONAHA.113.002654 . ПМИД 24297817.
^ PDB : 3OLT
^ Смит В. Л., Гаравито Р. М., ДеВитт Д. Л. (декабрь 1996 г.). "Простагландиновые эндопероксидные H-синтазы (циклооксигеназы)-1 и -2". J. Biol. Chem . 271 (52): 33157–60. doi : 10.1074/jbc.271.52.33157 . PMID 8969167.
^ Wu G, Wei C, Kulmacz RJ, Osawa Y, Tsai AL (апрель 1999 г.). «Механистическое исследование самоинактивации активности пероксидазы в простагландин H-синтазе-1». J. Biol. Chem . 274 (14): 9231–7. doi : 10.1074/jbc.274.14.9231 . PMID 10092596.
^ Callan OH, So OY, Swinney DC (февраль 1996 г.). «Кинетические факторы, определяющие сродство и селективность медленного ингибирования связывания человеческой простагландин H-синтазы 1 и 2 индометацином и флурбипрофеном». J. Biol. Chem . 271 (7): 3548–54. doi : 10.1074/jbc.271.7.3548 . PMID 8631960.
^ Porter NA (1986). «Механизмы автоокисления полиненасыщенных липидов». Accounts of Chemical Research . 19 (9): 262–8. doi :10.1021/ar00129a001.
^ Mason RP, Kalyanaraman B, Tainer BE, Eling TE (июнь 1980 г.). «Свободный радикальный промежуточный продукт с углеродным центром в окислении арахидоновой кислоты простагландинсинтетазой. Исследования захвата спина и поглощения кислорода». J. Biol. Chem . 255 (11): 5019–22. doi : 10.1016/S0021-9258(19)70741-8 . PMID 6246094.
^ Hecker M, Ullrich V, Fischer C, Meese CO (ноябрь 1987 г.). «Идентификация новых метаболитов арахидоновой кислоты, образованных простагландин H-синтазой». Eur. J. Biochem . 169 (1): 113–23. doi : 10.1111/j.1432-1033.1987.tb13587.x . PMID 3119336.
^ Xiao G, Tsai AL, Palmer G, Boyar WC, Marshall PJ, Kulmacz RJ (февраль 1997 г.). «Анализ тирозильных радикалов, индуцированных гидропероксидом, и активности липоксигеназы в человеческой простагландин-H-синтазе-2, обработанной аспирином». Биохимия . 36 (7): 1836–45. doi :10.1021/bi962476u. PMID 9048568.
^ Kwok PY, Muellner FW, Fried J (июнь 1987). «Ферментативные превращения 10,10-дифторарахидоновой кислоты с помощью PGH-синтазы и соевой липоксигеназы». Журнал Американского химического общества . 109 (12): 3692–3698. doi :10.1021/ja00246a028.
^ Дин AM, Дин FM (май 1999). «Карбокатионы в синтезе простагландинов циклооксигеназой синтазы PGH? Радикальный отход!». Protein Sci . 8 (5): 1087–98. doi :10.1110/ps.8.5.1087. PMC 2144324 . PMID 10338019.
^ Hamberg M, Samuelsson B (ноябрь 1967). «О механизме биосинтеза простагландинов E-1 и F-1-альфа». J. Biol. Chem . 242 (22): 5336–43. doi : 10.1016/S0021-9258(18)99433-0 . PMID 6070851.
^ ab Dong L, Vecchio AJ, Sharma NP, Jurban BJ, Malkowski MG, Smith WL (май 2011 г.). «Человеческая циклооксигеназа-2 — это гомодимер последовательности, который функционирует как конформационный гетеродимер». J. Biol. Chem . 286 (21): 19035–46. doi : 10.1074/jbc.M111.231969 . PMC 3099718. PMID 21467029 .
^ ab Kurumbail RG, Kiefer JR, Marnett LJ (декабрь 2001 г.). «Циклооксигеназные ферменты: катализ и ингибирование». Curr. Opin. Struct. Biol . 11 (6): 752–60. doi :10.1016/S0959-440X(01)00277-9. PMID 11751058.
^ PDB : 3PGH
^ Ruan CH, So SP, Ruan KH (2011). «Индуцибельная ЦОГ-2 доминирует над ЦОГ-1 в биосинтезе простациклина: механизмы риска ингибиторов ЦОГ-2 для заболеваний сердца». Life Sciences . 88 (1–2): 24–30. doi :10.1016/j.lfs.2010.10.017. PMC 3046773 . PMID 21035466.
^ Ван Д., Патель В.В., Риччиотти Э., Чжоу Р., Левин М.Д., Гао Е., Ю З, Феррари В.А., Лу ММ, Сюй Дж, Чжан Х, Хуэй Ю, Ченг Ю, Петренко Н, Ю Ю, Фитцджеральд Г.А. (май 2009). «Кардиомиоцитарная циклооксигеназа-2 влияет на сердечный ритм и функцию». Учеб. Натл. акад. наук. США . 106 (18): 7548–52. Бибкод : 2009PNAS..106.7548W. дои : 10.1073/pnas.0805806106 . ПМК 2670242 . ПМИД 19376970.
^ Леган М (август 2010 г.). «Циклооксигеназа-2, p53 и переносчик глюкозы-1 как предикторы злокачественности при развитии карцином желчного пузыря». Bosn J Basic Med Sci . 10 (3): 192–6. doi :10.17305/bjbms.2010.2684. PMC 5504494. PMID 20846124 .
^ Menter DG, Schilsky RL, DuBois RN (март 2010 г.). «Циклооксигеназа-2 и лечение рака: понимание риска должно стоить награды». Clin. Cancer Res . 16 (5): 1384–90. doi :10.1158/ 1078-0432.CCR -09-0788. PMC 4307592. PMID 20179228.
^ KASE S, SAITO W, OHNO S, ISHIDA S (2010). «Экспрессия циклооксигеназы-2 в идиопатической эпиретинальной мембране человека». Retina . 30 (5): 719–723. doi :10.1097/iae.0b013e3181c59698. PMID 19996819. S2CID 205650971.
^ Тихонович МВ, Ердяков АК, Гаврилова СА (2017-06-21). «Нестероидная противовоспалительная терапия подавляет развитие пролиферативной витреоретинопатии эффективнее стероидной». International Ophthalmology . 38 (4): 1365–1378. doi :10.1007/s10792-017-0594-3. ISSN 0165-5701. PMID 28639085. S2CID 4017540.
^ Филлипс, Роберт Дж и др. «Экспрессия гена пути простагландина в человеческой плаценте, амнионе и хориодецидуальной оболочке по-разному влияет на преждевременные и срочные роды, а также на воспаление матки». BMC беременность и роды т. 14 241. 22 июля 2014 г., doi:10.1186/1471-2393-14-241
^ Li Y, He W, Liu T, Zhang Q (декабрь 2010 г.). «Новый вариант гена циклооксигеназы-2 в популяции китайцев хань связан с повышенным риском развития карциномы желудка». Mol Diagn Ther . 14 (6): 351–5. doi :10.1007/bf03256392. PMID 21275453. S2CID 1229751.
^ Liou JY, Deng WG, Gilroy DW, Shyue SK, Wu KK (сентябрь 2001 г.). «Колокализация и взаимодействие циклооксигеназы-2 с кавеолином-1 в фибробластах человека». J. Biol. Chem . 276 (37): 34975–82. doi : 10.1074/jbc.M105946200 . PMID 11432874.
Richards JA, Petrel TA, Brueggemeier RW (февраль 2002 г.). «Сигнальные пути, регулирующие ароматазу и циклооксигеназы в нормальных и злокачественных клетках молочной железы». J. Steroid Biochem. Mol. Biol . 80 (2): 203–12. doi :10.1016/S0960-0760(01)00187-X. PMID 11897504. S2CID 12728545.
Wu T, Wu H, Wang J, Wang J (2011 ) . «Экспрессия и клеточная локализация циклооксигеназ и простагландин E-синтаз в геморрагическом мозге». J Neuroinflammation . 8 : 22. doi : 10.1186/1742-2094-8-22 . PMC 3062590. PMID 21385433.
Koki AT, Khan NK, Woerner BM, Seibert K, Harmon JL, Dannenberg AJ, Soslow RA, Masferrer JL (январь 2002 г.). «Характеристика циклооксигеназы-2 (COX-2) во время опухолеобразования при эпителиальных раковых заболеваниях человека: доказательства потенциальной клинической полезности ингибиторов COX-2 при эпителиальных раковых заболеваниях». Prostaglandins Leukot. Essent. Fatty Acids . 66 (1): 13–8. doi :10.1054/plef.2001.0335. PMID 12051953.
Саукконен К., Ринтахака Дж., Сивула А., Бускенс С.Дж., Ван Рис Б.П., Рио М.К., Хаглунд С., Ван Ланшот Дж.Дж., Офферхаус Г.Дж., Ристимаки А. (октябрь 2003 г.). «Циклооксигеназа-2 и канцерогенез желудка». АПМИС . 111 (10): 915–25. doi :10.1034/j.1600-0463.2003.1111001.x. PMID 14616542. S2CID 23257867.
Sinicrope FA, Gill S (2004). «Роль циклооксигеназы-2 в колоректальном раке». Cancer Metastasis Rev. 23 ( 1–2): 63–75. doi :10.1023/A:1025863029529. PMID 15000150. S2CID 21521040.
Jain S, Khuri FR, Shin DM (2004). «Профилактика рака головы и шеи: текущее состояние и будущие перспективы». Curr Probl Cancer . 28 (5): 265–86. doi :10.1016/j.currproblcancer.2004.05.003. PMID 15375804.
Саба Н., Джейн С., Хури Ф. (2004). «Химиопрофилактика рака легких». Curr Probl Cancer . 28 (5): 287–306. doi :10.1016/j.currproblcancer.2004.05.005. PMID 15375805.
Кардилло И, Спугнини Э.П., Вердина А., Галати Р., Ситро Дж., Бальди А. (октябрь 2005 г.). «Кокс и мезотелиома: обзор». Гистол. Гистопатол . 20 (4): 1267–74. ПМИД 16136507.
Brueggemeier RW, Díaz-Cruz ES (март 2006 г.). «Связь между ароматазой и циклооксигеназами при раке груди: потенциал для новых терапевтических подходов». Minerva Endocrinol . 31 (1): 13–26. PMID 16498361.
Fujimura T, Ohta T, Oyama K, Miyashita T, Miwa K (март 2006 г.). «Роль циклооксигеназы-2 в канцерогенезе рака желудочно-кишечного тракта: обзор и отчет о личном опыте». World J. Gastroenterol . 12 (9): 1336–45. doi : 10.3748/wjg.v12.i9.1336 . PMC 4124307 . PMID 16552798.
Bingham S, Beswick PJ, Blum DE, Gray NM, Chessell IP (октябрь 2006 г.). «Роль пути циклооксигеназы в ноцицепции и боли». Semin. Cell Dev. Biol . 17 (5): 544–54. doi :10.1016/j.semcdb.2006.09.001. PMID 17071117.
Minghetti L, Pocchiari M (2007). Циклооксигеназа-2, простагландин E2 и активация микроглии при прионных заболеваниях . International Review of Neurobiology. Vol. 82. pp. 265–75. doi :10.1016/S0074-7742(07)82014-9. ISBN 978-0-12-373989-6. PMID 17678966.
Объяснение влияния НПВП на сердечно-сосудистый риск согласно исследованиям Медицинской школы Перельмана
Wolfe MM (декабрь 2004 г.). «Рофекоксиб, Merck и FDA». N. Engl. J. Med . 351 (27): 2875–8, ответ автора 2875–8. doi :10.1056/NEJM200412303512719. PMID 15625749.
