stringtranslate.com

Диоксигеназа оксида азота

Диоксигеназа оксида азота ( КФ 1.14.12.17) — фермент , катализирующий превращение оксида азота (NO) в нитрат (NO−
3) . [2] Чистая реакция для реакции, катализируемой диоксигеназой оксида азота, показана ниже:

Оксид азота — это вездесущая малая молекула, которая интегрирована в широкий спектр физиологических процессов, включая вазодилатацию гладких мышц, дезагрегацию тромбоцитов, нейротрансмиссию и иммунный ответ на бактериальную инфекцию. [3] [4] Перепроизводство этой сигнальной молекулы может быть смертельным для клеток, отравляя выработку клеточной энергии. Наиболее чувствительными мишенями NO являются аконитаза , фермент, катализирующий изомеризацию цитрата в изоцитрат в цикле лимонной кислоты, и цитохромоксидаза , последний фермент в дыхательной цепи переноса электронов митохондрий. [5] Кроме того, NO с его одиноким радикалом на атоме азота участвует в ряде вторичных механизмов токсичности, включая ингибирование каталазы (что приводит к токсичности перекиси водорода), высвобождение железа из центра Fe-S и образование комплексов динитозил-железо.

Из-за потенциальной летальности NO клетки извлекли большую выгоду из эволюции фермента, способного катализировать превращение токсичного NO в нитрат. «Диоксигеназа оксида азота» — это фермент, способный осуществлять эту реакцию. Диоксигеназа NO относится к семейству оксидоредуктаз , а именно к тем, которые действуют на парных донорах, с O 2 в качестве окислителя и с включением двух атомов кислорода в другого донора.

Механизм реакции

Механизм действия до сих пор полностью не установлен, однако основная теория предполагает, что преобразование осуществляется посредством серии окислительно-восстановительных реакций с участием железных центров, как показано в серии полуреакций ниже: [6]

Другая теория, разработанная позднее (2009), предполагает, что активность диоксигеназы NO может также протекать через фенольное нитрование через предполагаемый промежуточный продукт гем-пероксинитрит. [7]

Наиболее хорошо изученной диоксигеназой NO является флавогемоглобин (flavoHb), показанный справа: Исследования показали, что флавогемоглобины индуцируются NO, нитритом, нитратом и агентами, высвобождающими NO, в различных бактериях и грибах. [6] [8] Кроме того, было показано, что flavoHbs защищает бактерии, дрожжи и Dictyostelium discoideum от ингибирования роста и повреждений, опосредованных NO. [8] [9] [10]

Открытие

Диоксигеназа оксида азота была открыта и впервые описана в 1998 году как индуцируемая O 2 -зависимая ферментативная активность, которая защищает бактерии от токсичности оксида азота . [11] Фермент был идентифицирован с флавогемоглобином E. coli . [12]

Совсем недавно был идентифицирован другой белок как диоксигеназа NO - гем-протеин rhodobacter sphaeroides (SHP), новый цитохром с активностью диоксигеназы NO. [13] [14] Хотя биологическая функция SHP еще не определена, было показано, что SHP при связывании с кислородом может быстро реагировать с оксидом азота, образуя нитрат. [13]

Структура и молекулярная функция

Белок флавогемоглобина содержит два домена: домен связывания FAD оксидоредуктазы и домен b -типа, содержащий гем " глобин ", и, возможно, домен связывания NAD оксидоредуктазы . Домен редуктазы поставляет электрон гемовому железу для достижения высокой скорости каталитической диоксигенации NO. В дополнение к многочисленным флавогемоглобинам, многие отдаленно родственные члены суперсемейства гемоглобинов , включая мышечный миоглобин , несимбиотический растительный гемоглобин и симбиотический растительный леггемоглобин , нейрональный нейроглобин и цитоплазматический цитоглобин млекопитающих [15] [16], по-видимому, функционируют как диоксигеназы оксида азота (NOD), хотя клеточный донор(ы) электронов для многих глобинов еще не определены. Доноры электронов могут включать аскорбат, цитохром b 5 или ферредоксинредуктазу. [17] Каталитическое диоксигенирование NO можно записать в простейшей форме:

НЕТ + О 2 + е − НЕТ 3 −

Катализ очень эффективен. Сообщаемые константы скорости бимолекулярной диоксигенации NO варьируются от 2 x 10 7 М −1 с −1 для цитоглобина до 3 x 10 9 М −1 с −1 для флавогемоглобина, а скорости оборота варьируются от 1 до 700 с −1 . Структура, связывание O 2 и восстановление глобинов, по-видимому, оптимизированы для функции диоксигеназы NO.

Физиологическая функция

Исторически диоксигеназа оксида азота (около 1,8 млрд лет назад) служила для обеспечения современного аналога функции гемоглобина/миоглобина для хранения и транспортировки кислорода. Гарднер и др. (1998) предположили, что первый гемоглобин/миоглобин, вероятно, функционировал как фермент, использующий связанный «активированный» кислородный газ для диоксигенации NO в микробах. [6]

Широкое разнообразие многоклеточных организмов, использующих функции хранения и транспортировки кислорода миоглобина/гемоглобина, появилось гораздо позже (примерно 0,5 миллиарда лет назад).

В настоящее время известно, что NOD выполняют две важные физиологические функции в различных формах жизни: они предотвращают токсичность NO (иначе известную как «нитрозативный стресс») и регулируют сигнализацию NO. [2] NOD принадлежат к более крупному семейству хорошо известных ферментов детоксикации свободных радикалов и реактивного кислорода, которое включает супероксиддисмутазу , каталазу и пероксидазу .

Распространение в природе

NOD, а также многие гемоглобины, которые функционируют как NOD, распространены в большинстве форм жизни, включая бактерии, грибы, простейших, червей, растения и животных. Фактически, диоксигенация оксида азота, по-видимому, является основной функцией для членов суперсемейства гемоглобинов. Более того, становится все более очевидным, что функция NOD глобинов встречается гораздо чаще [18], чем парадигматическая функция транспортировки-хранения O 2 гемоглобина эритроцитов [19] , которая была впервые исследована и описана более века назад Феликсом Хоппе-Сейлером и другими. [20] Другие белки, которые могут действовать как NOD, включают микросомальный цитохром P450(s) млекопитающих [21] и новый связывающий O 2 цитохром b из Rhodobacter sphaeroides . [13]

Технологии

Ингибиторы NOD разрабатываются для применения в качестве микробных антибиотиков, [22] [23] противоопухолевых агентов и модуляторов сигнализации NO. Наиболее известным классом ингибиторов NO-диоксигеназы на сегодняшний день являются имидазольные антибиотики. Было показано, что имидазолы координируются с атомом железа гема микробного флавогемоглобина, нарушают восстановление гема железа, производят неконкурентное ингибирование в отношении O 2 и NO и ингибируют метаболизм NO дрожжами и бактериями. [22] В частности, было показано, что имидазолы, несущие объемные ароматические заместители, обладают потенциалом для селективного и высокоаффинного ингибирования функции NO-диоксигеназы путем координации каталитического железа гема и «встраивания» в большой гидрофобный дистальный карман гема. [22] [24] [25] В результате было предложено проектирование имидазола в качестве средства для специфического ингибирования NO-диоксигеназ.

Кроме того, разрабатываются генетически модифицированные растения с гетерологичным флавогемоглобином-NOD для ограничения токсичности NO, создаваемой при метаболизме азотных удобрений почвенными микробами, а также в качестве средства для самоопыления растений путем поглощения NO из окружающей среды.

Недавно был описан лентивирусный вектор, который позволяет экспрессировать E. coli flavoHb в клетках млекопитающих. Этот подход продемонстрировал, что flavoHb действительно ферментативно активен в клетках человека и мышей и эффективно блокирует экзогенные и эндогенные источники нитрозативного стресса. [26] Затем эта технология была расширена для изучения роли синтеза NO в высокоонкогенных раковых стволовых клетках (CSC) из образцов человеческой глиобластомы (опухоли мозга). Экспрессия flavoHb в ксенотрансплантированных опухолях привела к истощению NO, генерируемого iNOS/NOS2. Фенотипическим результатом стала потеря онкогенности CSC и улучшение выживаемости мышей. [27] Эти эксперименты демонстрируют, что flavoHb можно использовать для исследований in vivo биологии оксида азота, и предполагают, что терапевтическое истощение NO может быть достигнуто посредством гетерологичной экспрессии бактериальных flavoHbs.

Ссылки

  1. ^ PDB : 1gvh ​; Ilari A, Bonamore A, Farina A, Johnson KA, Boffi A (июнь 2002 г.). «Рентгеновская структура флавогемоглобина железистой Escherichia coli обнаруживает неожиданную геометрию дистального кармана гема». J. Biol. Chem . 277 (26): 23725–32. doi : 10.1074/jbc.M202228200 . PMID  11964402.
  2. ^ ab Forrester MT, Foster MW (май 2012). «Защита от нитрозативного стресса: центральная роль микробного флавогемоглобина». Free Radic. Biol. Med . 52 (9 =): 1620–33. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2012.01.028. PMID  22343413.
  3. ^ Moncada S, Palmer RM, Higgs EA (июнь 1991 г.). «Оксид азота: физиология, патофизиология и фармакология». Pharmacol. Rev. 43 ( 2): 109–42. PMID  1852778.
  4. ^ Fang FC (октябрь 2004 г.). «Антимикробные активные формы кислорода и азота: концепции и противоречия». Nat. Rev. Microbiol . 2 (10): 820–32. doi :10.1038/nrmicro1004. PMID  15378046. S2CID  11063073.
  5. ^ Gardner PR, Costantino G, Szabó C, Salzman AL (октябрь 1997 г.). «Чувствительность аконитаз к оксиду азота». J. Biol. Chem . 272 ​​(40): 25071–6. doi : 10.1074/jbc.272.40.25071 . PMID  9312115.
  6. ^ abc Gardner PR, Gardner AM, Martin LA, Salzman AL (сентябрь 1998 г.). «Диоксигеназа оксида азота: ферментативная функция флавогемоглобина». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 95 (18): 10378–83. doi : 10.1073 /pnas.95.18.10378 . PMC 27902. PMID  9724711. 
  7. ^ Schopfer MP, Mondal B, Lee DH, Sarjeant AA, Karlin KD (август 2009 г.). "Реакционная способность диоксигеназы оксида азота (NOD) Heme/O2/*NO: фенольное нитрование через предполагаемый промежуточный продукт гем-пероксинитрит". J. Am. Chem. Soc . 131 (32): 11304–5. doi :10.1021/ja904832j. PMC 2747244. PMID  19627146 . 
  8. ^ ab Gardner PR, Gardner AM, Martin LA, Dou Y, Li T, Olson JS, Zhu H, Riggs AF (октябрь 2000 г.). «Активность диоксигеназы оксида азота и функция флавогемоглобинов. чувствительность к ингибированию оксида азота и оксида углерода». J. Biol. Chem . 275 (41): 31581–7. doi : 10.1074/jbc.M004141200 . PMID  10922365.
  9. ^ Hausladen A, Gow AJ, Stamler JS (2001). «Флавогемоглобинденитрозилаза катализирует реакцию нитроксильного эквивалента с молекулярным кислородом». PNAS . 98 (18): 10108–12. doi : 10.1073/pnas.181199698 . PMC 56923 . PMID  11517313. 
  10. ^ Mills CE, Sedelnikova S, Søballe B, Hughes MN, Poole RK (январь 2001 г.). «Флавогемоглобин Escherichia coli (Hmp) с эквистихиометрическим содержанием FAD и гема имеет низкое сродство к дикислороду в отсутствие или в присутствии оксида азота». Biochem. J . 353 (Pt 2): 207–13. doi :10.1042/0264-6021:3530207. PMC 1221560 . PMID  11139382. 
  11. ^ Gardner PR, Costantino G, Salzman AL (1998). «Конститутивная и адаптивная детоксикация оксида азота в Escherichia coli. Роль диоксигеназы оксида азота в защите аконитазы». J. Biol. Chem . 273 (41): 26528–33. doi : 10.1074/jbc.273.41.26528 . PMID  9756889.
  12. ^ Gardner PR, Gardner AM, Martin LA, Salzman AL (1998). «Диоксигеназа оксида азота: ферментативная функция флавогемоглобина». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 95 (18): 10378–83. doi : 10.1073/pnas.95.18.10378 . PMC 27902. PMID  9724711 . 
  13. ^ abc Li BR, Anderson JL, Mowat CG, Miles CS, Reid GA, Chapman SK (октябрь 2008 г.). «Гемовый белок Rhodobacter sphaeroides: новый цитохром с активностью диоксигеназы оксида азота». Biochem. Soc. Trans . 36 (Pt 5): 992–5. doi :10.1042/BST0360992. PMID  18793176.
  14. ^ Bartnikas TB, Tosques IE, Laratta WP, Shi J, Shapleigh JP (июнь 1997 г.). «Характеристика области кодирования редуктазы оксида азота в Rhodobacter sphaeroides 2.4.3». J. Bacteriol . 179 (11): 3534–40. doi :10.1128/jb.179.11.3534-3540.1997. PMC 179145. PMID  9171397 . 
  15. ^ Gardner AM, Cook MR, Gardner PR (июль 2010 г.). «Функция диоксигеназы оксида азота человеческого цитоглобина с клеточными восстановителями и в гепатоцитах крысы». J. Biol. Chem . 285 (31): 23850–7. doi : 10.1074/jbc.M110.132340 . PMC 2911317. PMID  20511233 . 
  16. ^ Halligan KE, Jourd'heuil FL, Jourd'heuil D (март 2009 г.). «Цитоглобин экспрессируется в сосудистой системе и регулирует дыхание и пролиферацию клеток посредством диоксигенации оксида азота». J. Biol. Chem . 284 (13): 8539–47. doi : 10.1074/jbc.M808231200 . PMC 2659212. PMID  19147491 . 
  17. ^ Gardner PR (январь 2005 г.). «Функция диоксигеназы оксида азота и механизм флавогемоглобина, гемоглобина, миоглобина и связанных с ними редуктаз». J. Inorg. Biochem . 99 (1): 247–66. doi :10.1016/j.jinorgbio.2004.10.003. PMID  15598505.
  18. ^ Gardner PR (октябрь 2012 г.). «Гемоглобин: диоксигеназа оксида азота». Scientifica . 2012 : 34. doi : 10.6064/2012/683729 . PMC 3820574. PMID  24278729 . 
  19. ^ Виноградов СН, Моенс Л (апрель 2008). «Разнообразие функций глобина: ферментативная, транспортная, хранение и восприятие». J. Biol. Chem . 283 (14): 8773–7. doi : 10.1074/jbc.R700029200 . PMID  18211906.
  20. ^ Хоппе-Сейлер Ф (1866). «Über die Oxydation in lebenden Blute». Мед.-хим. Унтерсач Лаборатория . 1 : 133–40.
  21. ^ Hallstrom CK, Gardner AM, Gardner PR (июль 2004 г.). «Метаболизм оксида азота в клетках млекопитающих: профили субстрата и ингибитора микросомальной диоксигеназы оксида азота, связанной с НАДФН-цитохромом P450». Free Radic. Biol. Med . 37 (2): 216–28. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2004.04.031. PMID  15203193.
  22. ^ abc Helmick RA, Fletcher AE, Gardner AM, Gessner CR, Hvitved AN, Gustin MC, Gardner PR (май 2005 г.). «Имидазольные антибиотики ингибируют функцию диоксигеназы оксида азота микробного флавогемоглобина». Antimicrob. Agents Chemother . 49 (5): 1837–43. doi :10.1128/AAC.49.5.1837-1843.2005. PMC 1087630. PMID  15855504 . 
  23. ^ El Hammi E, Warkentin E, Demmer U, Limam F, Marzouki NM, Ermler U, Baciou L (февраль 2011 г.). «Структура флавогемоглобина Ralstonia eutropha в комплексе с тремя антибиотиками азольными соединениями». Биохимия . 50 (7): 1255–64. doi :10.1021/bi101650q. PMID  21210640.
  24. ^ Эрмлер Ю, Сиддики Р.А., Крамм Р., Фридрих Б. (декабрь 1995 г.). «Кристаллическая структура флавогемоглобина Alcaligenes eutropus с разрешением 1,75 Å». ЭМБО Дж . 14 (24): 6067–77. doi :10.1002/j.1460-2075.1995.tb00297.x. ПМЦ 394731 . ПМИД  8557026. 
  25. ^ Ollesch G, Kaunzinger A, Juchelka D, Schubert-Zsilavecz M, Ermler U (июнь 1999). "Фосфолипид, связанный с флавогемопротеином из Alcaligenes eutrophus". Eur. J. Biochem . 262 (2): 396–405. doi : 10.1046/j.1432-1327.1999.00381.x . PMID  10336624.
  26. ^ Forrester MT, Eyler CE, Rich JN (январь 2011 г.). «Бактериальный флавогемоглобин: молекулярный инструмент для исследования биологии оксида азота у млекопитающих». BioTechniques . 50 (1 =): 41–45. doi :10.2144/000113586. PMC 3096140 . PMID  21231921. 
  27. ^ Eyler CE, Wu Q, Yan K, MacSwords JM, Chandler-Militello D, Misuraca KL, Lathia JD, Forrester MT, Lee J, Stamler JS, Goldman SA, Bredel M, McLendon RE, Sloan AE, Hjelmeland AB, Rich JN (июль 2011 г.). «Пролиферация стволовых клеток глиомы и рост опухоли стимулируются синтазой оксида азота-2». Cell . 146 (1 =): 53–66. doi :10.1016/j.cell.2011.06.006. PMC 3144745 . PMID  21729780.