stringtranslate.com

Альдозоредуктаза

В энзимологии альдозоредуктаза (или альдегидредуктаза ) ( EC 1.1.1.21) — фермент у людей , кодируемый геном AKR1B1 . Это цитозольная НАДФН -зависимая оксидоредуктаза , которая катализирует восстановление различных альдегидов и карбонилов, включая моносахариды, и в первую очередь известна тем, что катализирует восстановление глюкозы до сорбита , первый шаг в полиольном пути метаболизма глюкозы. [1]

Реакции

Альдозоредуктаза катализирует НАДФН-зависимое превращение глюкозы в сорбит , первый шаг в полиольном пути метаболизма глюкозы. Второй и последний шаг в пути катализируется сорбитолдегидрогеназой , которая катализирует НАД-связанное окисление сорбита до фруктозы. Таким образом, полиольный путь приводит к превращению глюкозы во фруктозу со стехиометрическим использованием НАДФН и образованием НАДН. [1]

глюкоза + НАДФН + Н + сорбит + НАДФ +

Галактоза также является субстратом для полиолового пути, но соответствующий кето-сахар не образуется, поскольку сорбитолдегидрогеназа неспособна окислять галактитол. [2] Тем не менее, альдозоредуктаза может катализировать восстановление галактозы до галактитола.

галактоза + НАДФН + Н + галактитол + НАДФ +
альтернативный текст пути
Схема полиольного пути, изображающая как этап восстановления, зависящий от НАДФН, катализируемый альдозоредуктазой, так и окисление, вызванное НАД + , катализируемое сорбитолдегидрогеназой.

Функция

Реакция альдозоредуктазы, в частности, образующийся сорбитол, важен для функционирования различных органов в организме. Например, он обычно используется в качестве первого шага в синтезе фруктозы из глюкозы; второй шаг - окисление сорбитола до фруктозы, катализируемое сорбитолдегидрогеназой . Основной путь от глюкозы до фруктозы ( гликолиз ) включает фосфорилирование глюкозы гексокиназой с образованием глюкозо-6-фосфата , за которым следует изомеризация до фруктозо-6-фосфата и гидролиз фосфата, но путь сорбитола полезен, поскольку он не требует ввода энергии в форме АТФ :

Альдозоредуктаза также присутствует в хрусталике , сетчатке , шванновских клетках периферических нервов, плаценте и эритроцитах . [ необходима ссылка ]

У Drosophila CG6084 кодирует высококонсервативный белок человеческой альдокеторедуктазы 1B. dAKR1B в гемоцитах необходим и достаточен для увеличения плазменных сахарных спиртов после кишечной инфекции. Повышенный сорбит впоследствии активирует металлопротеазу 2, которая расщепляет PGRP-LC для активации системного иммунного ответа в жировых телах. Таким образом, альдозоредуктаза обеспечивает критически важную метаболическую контрольную точку в глобальном воспалительном ответе. [3]

Структура фермента

Альдозоредуктазу можно считать прототипическим ферментом суперсемейства ферментов альдокеторедуктаз. Фермент состоит из 315 аминокислотных остатков и сворачивается в структурный мотив β/α-бочонка, состоящий из восьми параллельных β-нитей. [4] Соседние нити соединены восемью периферическими α-спиральными сегментами, идущими антипараллельно β-слою. [5] Каталитический активный центр расположен в ядре бочонка. [5] [6] Кофактор НАДФН расположен в верхней части β/α-бочонка, при этом никотинамидное кольцо выступает вниз в центре бочонка, а пирофосфат охватывает край бочонка. [1]

альтернативный текст пути
Механизм НАДФН-зависимого превращения глюкозы в сорбит. Обратите внимание на перенос гидрида от НАДФН к карбонильному углероду альдозы.
альтернативный текст пути
Изображение НАДФН в расширенном подтверждении и водородных связей с остатками, физически расположенными вблизи активного центра фермента.
Роль альдегидредуктазы (показана в желтом поле) в деградации норадреналина , способствующей образованию MHPG , второстепенного метаболита катехоламинов. [7]
Роль альдегиддегидрогеназы (показана в красном поле) в норадреналине . [7]

Механизм фермента

Механизм реакции альдозоредуктазы в направлении восстановления альдегида следует последовательному упорядоченному пути, где связывается НАДФН, а затем субстрат. Связывание НАДФН вызывает конформационное изменение (Фермент•НАДФН → Фермент*•НАДФН), которое включает в себя шарнирное движение поверхностной петли (остатки 213–217) таким образом, чтобы покрыть часть НАДФН способом, аналогичным ремню безопасности. Спиртовой продукт образуется посредством переноса про-R-гидрида НАДФН на поверхность карбонильного углерода субстрата. После высвобождения спиртового продукта происходит другое конформационное изменение (E*•НАДФ + → E•НАДФ + ) для высвобождения НАДФ + . [8] Кинетические исследования показали, что переориентация этой петли, позволяющая высвобождение НАДФ + , по-видимому, представляет собой этап, ограничивающий скорость в направлении восстановления альдегида. [9] [10] [11] Поскольку скорость высвобождения кофермента ограничивает каталитическую скорость, можно увидеть, что возмущение взаимодействий, стабилизирующих связывание кофермента, может иметь драматические эффекты на максимальную скорость (Vmax). [11]

Гидрид, который переносится от NADP + к глюкозе, поступает из C-4 никотинамидного кольца в основании гидрофобной полости. Таким образом, положение этого углерода определяет активный сайт фермента. В ферменте существуют три остатка в пределах подходящего расстояния от C-4, которые могут быть потенциальными донорами протонов: Tyr-48, His-110 и Cys-298. Эволюционные, термодинамические и молекулярные данные моделирования предсказали Tyr-48 как донора протонов. Это предсказание было подтверждено результатами исследований мутагенеза. [5] [12] [13] Таким образом, [водородное связывающее] взаимодействие между фенольной гидроксильной группой Tyr-48 и аммонийной боковой цепью Lys-77, как полагают, помогает облегчить перенос гидрида. [5]

Роль в диабете

Сахарный диабет признан основной причиной новых случаев слепоты и связан с повышенным риском болезненной невропатии, заболеваний сердца и почечной недостаточности. Было выдвинуто много теорий для объяснения механизмов, приводящих к осложнениям диабета, включая стимуляцию метаболизма глюкозы полиоловым путем. Кроме того, фермент находится в глазу ( роговица , сетчатка , хрусталик ), почках и миелиновой оболочке — тканях, которые часто участвуют в диабетических осложнениях. [14] При нормальных гликемических условиях только небольшая часть глюкозы метаболизируется через полиоловый путь, так как большая часть фосфорилируется гексокиназой, и полученный продукт, глюкозо-6-фосфат, используется в качестве субстрата для гликолиза или метаболизма пентозофосфата. [15] [16] Однако в ответ на хроническую гипергликемию , обнаруженную у диабетиков, поток глюкозы через полиоловый путь значительно увеличивается. До 33% общего использования глюкозы в некоторых тканях может происходить через полиоловый путь. [17] У диабетиков часто повышается концентрация глюкозы , и альдозоредуктаза долгое время считалась ответственной за диабетические осложнения, затрагивающие ряд органов. Было разработано много ингибиторов альдозоредуктазы в качестве кандидатов на роль лекарств, но практически все они оказались неэффективными, хотя некоторые из них, такие как Эпалрестат, коммерчески доступны в нескольких странах. Дополнительные ингибиторы редуктазы, такие как Альрестатин , Эксисулинд , Имирестат, Зополрестат, Толрестат , Зенарестат , Кафикрестат, Фидарестат , Говорестат , Ранирестат , Поналрестат, Рисарестат, Сорбинил и Берберин , Полиумозид, Ганодеровая кислота [18] в настоящее время проходят клинические испытания. [19]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Petrash JM (апрель 2004 г.). «Все в семье: альдозоредуктаза и близкородственные альдо-кеторедуктазы». Cell. Mol. Life Sci . 61 (7–8): 737–49. doi :10.1007/s00018-003-3402-3. PMC  11138595. PMID  15094999. S2CID  25983505 .
  2. ^ Jedziniak JA, Yates EM, Kinoshita JH (июнь 1973). «Полиолдегидрогеназа линзы». Exp. Eye Res. 16 (2): 95–104. doi :10.1016/0014-4835(73)90304-7. PMID  4352688.
  3. ^ Yang S, Zhao Y, Yu J, Fan Z, Gong ST, Tang H, Pan L (август 2019). «Сахарные спирты полиолового пути служат аларминами для опосредования локально-системной врожденной иммунной связи у дрозофилы». Cell Host & Microbe . 26 (2): 240–251. doi : 10.1016/j.chom.2019.07.001 . PMID  31350199.
  4. ^ Barski OA, Gabbay KH, Bohren KM (сентябрь 1999 г.). «Характеристика гена и промотора альдегидредуктазы человека». Genomics . 60 (2): 188–98. doi :10.1006/geno.1999.5915. PMID  10486210.
  5. ^ abcd Wilson DK, Bohren KM, Gabbay KH, Quiocho FA (июль 1992 г.). «Невероятный участок субстрата сахара в структуре 1,65 А человеческого альдозоредуктазного голофермента, вовлеченный в осложнения диабета». Science . 257 (5066): 81–4. doi :10.1126/science.1621098. PMID  1621098.
  6. ^ Rondeau JM, Tête-Favier F, Podjarny A, et al. (январь 1992). "Новый домен связывания НАДФН, выявленный кристаллической структурой альдозоредуктазы". Nature . 355 (6359): 469–72. Bibcode :1992Natur.355..469R. doi :10.1038/355469a0. PMID  1734286. S2CID  4260654.
  7. ^ ab Рисунок 11-4 в: Rod Flower; Humphrey P. Rang; Maureen M. Dale; Ritter, James M. (2007). Фармакология Rang & Dale . Эдинбург: Churchill Livingstone. ISBN 978-0-443-06911-6.
  8. ^ Nakano T, Petrash JM (август 1996). «Кинетические и спектроскопические доказательства ингибирования активного центра человеческой альдозоредуктазы». Биохимия . 35 (34): 11196–202. doi :10.1021/bi9608121. PMID  8780524.
  9. ^ Grimshaw CE, Shahbaz M, Putney CG (октябрь 1990 г.). «Механистическая основа нелинейной кинетики восстановления альдегида, катализируемого альдозоредуктазой». Биохимия . 29 (42): 9947–55. doi :10.1021/bi00494a027. PMID  2125486.
  10. ^ Кубишески Т.Дж., Хайндман Д.Дж., Морьяна Н.А., Флинн Т.Г. (апрель 1992 г.). «Исследования альдозоредуктазы свиных мышц. Кинетический механизм и доказательства медленного конформационного изменения при связывании кофермента». J. Biol. Chem. 267 (10): 6510–7. doi : 10.1016/S0021-9258(19)50457-4 . PMID  1551865 . Получено 18.05.2010 .
  11. ^ ab Grimshaw CE, Bohren KM, Lai CJ, Gabbay KH (ноябрь 1995 г.). "Человеческая альдозоредуктаза: константы скорости для механизма, включающего взаимопревращение тройных комплексов рекомбинантным ферментом дикого типа". Biochemistry . 34 (44): 14356–65. doi :10.1021/bi00044a012. PMID  7578039.
  12. ^ Tarle I, Borhani DW, Wilson DK, Quiocho FA, Petrash JM (декабрь 1993 г.). «Исследование активного сайта человеческой альдозоредуктазы. Сайт-направленный мутагенез Asp-43, Tyr-48, Lys-77 и His-110». J. Biol. Chem. 268 (34): 25687–93. doi : 10.1016/S0021-9258(19)74444-5 . PMID  8245005 . Получено 18.05.2010 .
  13. ^ Bohren KM, Grimshaw CE, Lai CJ и др. (март 1994 г.). «Тирозин-48 является донором протонов, а гистидин-110 направляет стереохимическую селективность субстрата в реакции восстановления человеческой альдозоредуктазы: кинетика фермента и кристаллическая структура мутантного фермента Y48H». Биохимия . 33 (8): 2021–32. doi :10.1021/bi00174a007. PMID  8117659.
  14. ^ Schrijvers BF, De Vriese AS, Flyvbjerg A (декабрь 2004 г.). «От гипергликемии к диабетической болезни почек: роль метаболических, гемодинамических, внутриклеточных факторов и факторов роста/цитокинов». Endocr. Rev. 25 (6): 971–1010. doi : 10.1210/er.2003-0018 . PMID  15583025 . Получено 18.05.2010 .
  15. ^ Gabbay KH, Merola LO, Field RA (январь 1966). «Путь сорбитола: присутствие в нерве и спинном мозге с накоплением субстрата при диабете». Science . 151 (3707): 209–10. Bibcode :1966Sci...151..209G. doi :10.1126/science.151.3707.209. PMID  5907911. S2CID  31291584.
  16. ^ Lindstad RI, McKinley-McKee JS (сентябрь 1993 г.). «Метилглиоксаль и полиоловый путь. Трехуглеродные соединения являются субстратами для сорбитолдегидрогеназы печени овцы». FEBS Lett. 330 (1): 31–5. Bibcode :1993FEBSL.330...31L. doi : 10.1016/0014-5793(93)80913-F . PMID  8370454. S2CID  39393722.
  17. ^ Cheng HM, González RG (апрель 1986 г.). «Влияние высокого уровня глюкозы и окислительного стресса на метаболизм хрусталика, альдозоредуктазу и сенильный катарактогенез». Metab. Clin. Exp. 35 (4 Suppl 1): 10–4. doi :10.1016/0026-0495(86)90180-0. PMID  3083198.
  18. ^ Wu LY, Ma ZM, Fan XL, Zhao T, Liu ZH, Huang X, Li MM, Xiong L, Zhang K, Zhu LL, Fan M (ноябрь 2009 г.). «Антинекрозная роль гипоксического прекондиционирования после острой аноксии опосредована альдозоредуктазным и сорбитоловым путем в клетках PC12». Cell Stress & Chaperones . 15 (4): 387–94. doi :10.1007/s12192-009-0153-6. PMC 3082650 . PMID  19902381. 
  19. ^ Schemmel KE, Padiyara RS, D'Souza JJ (сентябрь 2009 г.). «Ингибиторы альдозоредуктазы в лечении диабетической периферической нейропатии: обзор». J. Diabetes Complicat . 24 (5): 354–60. doi :10.1016/j.jdiacomp.2009.07.005. PMID  19748287.

Дальнейшее чтение

  1. ^ Биби, Джейн А.; Фрей, Перри А. (1998-10-01). «Галактозомутаза: очистка, характеристика и исследования двух важных остатков гистидина». Биохимия . 37 (42): 14989–14997. doi :10.1021/bi9816047. ISSN  0006-2960.