stringtranslate.com

Проколлаген-пролин диоксигеназа

Проколлаген-пролин диоксигеназа , обычно известная как пролилгидроксилаза , является членом класса ферментов, известных как альфа-кетоглутарат-зависимые гидроксилазы . Эти ферменты катализируют включение кислорода в органические субстраты посредством механизма, требующего альфа-кетоглутаровой кислоты , Fe2 + и аскорбата . [1] [2] Этот конкретный фермент катализирует образование (2S , 4R ) -4-гидроксипролина , соединения, которое представляет собой наиболее распространенную посттрансляционную модификацию в человеческом протеоме . [3]

Механизм фермента

Проколлаген-пролиндиоксигеназа катализирует следующую реакцию:

L-пролин + альфа-кетоглутаровая кислота + O 2 → (2 S , 4 R )-4-гидроксипролин + сукцинат + CO 2

Механизм реакции аналогичен механизму других диоксигеназ и происходит в две отдельные стадии: [3] На первой стадии образуется высокореакционноспособная форма Fe(IV)=O . Молекулярный кислород связывается концом в аксиальном положении, образуя дикислородную единицу. Нуклеофильная атака на C2 генерирует тетраэдрический промежуточный продукт с потерей двойной связи в дикислородной единице и связывается с железом и альфа-углеродом 2-оксоглутарата. Последующее удаление CO2 совпадает с образованием формы Fe(IV)=O. Вторая стадия включает в себя отщепление атома водорода pro - R от C-4 пролинового субстрата с последующей радикальной комбинацией, которая дает гидроксипролин. [4]

В результате механизма реакции одна молекула 2-оксоглутарата декарбоксилируется , образуя сукцинат. Этот сукцинат гидролизуется и заменяется другим 2-оксоглутаратом после каждой реакции, и был сделан вывод, что в присутствии 2-оксоглутарата связанный с ферментом Fe 2+ быстро преобразуется в Fe 3+ , что приводит к инактивации фермента. [5] Аскорбат используется в качестве кофактора для восстановления Fe 3+ обратно до Fe 2+ . [6]

Структура фермента

Более детальное изображение домена связывания субстрата пролилгидроксилазы. Остатки тирозина, которые образуют связывающую бороздку, показаны желтым цветом.

Пролилгидроксилаза представляет собой тетрамер с 2 уникальными субъединицами. [7] Субъединица α имеет массу 59 кДа и отвечает как за связывание пептида, так и за каталитическую активность. [8] Домен связывания пептида охватывает остатки 140-215 субъединицы α, [9] и состоит из вогнутой поверхности, выстланной несколькими остатками тирозина , которые благоприятно взаимодействуют с богатым пролином субстратом. Активный центр состоит из Fe2 +, связанного с двумя остатками гистидина и одним остатком аспартата , что является характеристикой, общей для большинства 2-оксоглутарат-зависимых диоксигеназ. Субъединица β массой 55 кДа отвечает за локализацию фермента и удержание в эндоплазматическом ретикулуме . [10] Эта субъединица идентична ферменту, известному как протеиндисульфидизомераза . [11]

Биологическая функция

Пролилгидроксилаза катализирует образование гидроксипролина. Модификация оказывает значительное влияние на стабильность коллагена , основной соединительной ткани человеческого организма. [12] В частности, гидроксилирование увеличивает температуру плавления (T m ) спирального коллагена на 16 °C по сравнению с негидроксилированным коллагеном, [13] разница, которая позволяет белку быть стабильным при температуре тела. Из-за обилия коллагена (около трети от общего белка) в организме человека и высокой встречаемости этой модификации в коллагене, гидроксипролин является количественно наиболее распространенной посттрансляционной модификацией в организме человека. [14]

Фермент действует специфически на пролин, содержащийся в мотиве X-Pro-Gly – где Pro – это пролин. Из-за этого мотив-специфического поведения фермент также действует на другие белки, которые содержат эту же последовательность. К таким белкам относятся C1q , [15] эластины , [16] PrP , [17] Argonaute 2 , [18] и конотоксины , [19] среди прочих.

Актуальность заболевания

Поскольку для функционирования пролилгидроксилазы необходим аскорбат в качестве кофактора, [5] его отсутствие ставит под угрозу активность фермента. В результате снижается гидроксилирование, что приводит к заболеванию, известному как цинга . Поскольку у пациентов с цингой нарушается стабильность коллагена, симптомы включают ослабление кровеносных сосудов, вызывающее пурпуру , петехии и кровоточивость десен.

Фактор, индуцируемый гипоксией (HIF), является эволюционно консервативным фактором транскрипции [20] , который позволяет клетке физиологически реагировать на снижение кислорода. [21] Был идентифицирован класс пролилгидроксилаз, которые действуют специфически на HIF; [22] гидроксилирование HIF позволяет направить белок на деградацию. [22] Пролилгидроксилаза HIF стала мишенью для различных ингибиторов , направленных на лечение инсульта , [23] заболеваний почек, [24] ишемии , [25] анемии , [26] и других серьезных заболеваний.

Альтернативные названия

Ссылки

  1. ^ Смит TG, Талбот NP (апрель 2010 г.). «Пролилгидроксилазы и терапевтические средства». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 12 (4): 431–3. doi :10.1089/ars.2009.2901. PMID  19761407.
  2. ^ Hutton JJ, Trappel AL, Udenfriend S (июль 1966). «Потребности в альфа-кетоглутарате, ионе железа и аскорбате коллаген-пролингидроксилазой». Biochemical and Biophysical Research Communications . 24 (2): 179–84. doi :10.1016/0006-291x(66)90716-9. PMID  5965224.
  3. ^ ab Gorres KL, Raines RT (апрель 2010 г.). "Пролил 4-гидроксилаза". Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 45 (2): 106–24. doi :10.3109/10409231003627991. PMC 2841224. PMID  20199358 . 
  4. ^ Fujita Y, Gottlieb A, Peterkofsky B, Udenfriend S, Witkop B (1964). «Получение цис- и транс-4-H3-L-пролинов и их использование при изучении механизма ферментативного гидроксилирования в куриных эмбрионах». Журнал Американского химического общества . 86 (21): 4709–4716. doi :10.1021/ja01075a036.
  5. ^ ab de Jong L, Albracht SP, Kemp A (июнь 1982 г.). «Активность пролил-4-гидроксилазы в зависимости от степени окисления связанного с ферментом железа. Роль аскорбата в гидроксилировании пептидилпролина». Biochimica et Biophysica Acta . 704 (2): 326–32. doi :10.1016/0167-4838(82)90162-5. PMID  6285984.
  6. ^ De Jong L, Kemp A (май 1984). «Стехеометрия и кинетика частичной реакции пролил-4-гидроксилазы». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология . 787 (1): 105–11. doi :10.1016/0167-4838(84)90113-4. PMID  6326839.
  7. ^ Berg RA, Prockop DJ (февраль 1973). «Очистка протоколлагена пролингидроксилазы из куриных эмбрионов на аффинной колонке и дальнейшая характеристика фермента». Журнал биологической химии . 248 (4): 1175–82. doi : 10.1016/S0021-9258(19)44278-6 . PMID  4346946.
  8. ^ Helaakoski T, Vuori K, Myllylä R, Kivirikko KI, Pihlajaniemi T (июнь 1989). «Молекулярное клонирование альфа-субъединицы человеческой пролил-4-гидроксилазы: полная аминокислотная последовательность, полученная из кДНК, и доказательства альтернативного сплайсинга транскриптов РНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (12): 4392–6. Bibcode : 1989PNAS...86.4392H. doi : 10.1073 /pnas.86.12.4392 . PMC 287275. PMID  2543975. 
  9. ^ Pekkala M, Hieta R, Bergmann U, Kivirikko KI, Wierenga RK, Myllyharju J (декабрь 2004 г.). «Пептид-субстрат-связывающий домен коллагеновых пролил-4-гидроксилаз представляет собой тетратрикопептидный повторяющийся домен с функциональными ароматическими остатками». Журнал биологической химии . 279 (50): 52255–61. doi : 10.1074/jbc.M410007200 . PMID  15456751.
  10. ^ Vuori K, Pihlajaniemi T, Myllylä R, Kivirikko KI (ноябрь 1992 г.). «Сайт-направленный мутагенез человеческой протеиндисульфидизомеразы: влияние на сборку, активность и удержание эндоплазматического ретикулума человеческой пролил-4-гидроксилазы в клетках насекомых Spodoptera frugiperda». The EMBO Journal . 11 (11): 4213–7. doi :10.1002/j.1460-2075.1992.tb05515.x. PMC 556932. PMID  1327760 . 
  11. ^ Пихлааниеми Т., Хелаакоски Т., Тасанен К., Мюллюля Р., Хухтала М.Л., Койву Дж., Кивирикко К.И. (март 1987 г.). «Молекулярное клонирование бета-субъединицы пролил-4-гидроксилазы человека. Эта субъединица и протеиндисульфидизомераза являются продуктами одного и того же гена». Журнал ЭМБО . 6 (3): 643–9. doi :10.1002/j.1460-2075.1987.tb04803.x. ПМЦ 553446 . ПМИД  3034602. 
  12. ^ Шолдерс МД, Рейнс РТ (2009). «Структура и стабильность коллагена». Annual Review of Biochemistry . 78 : 929–58. doi :10.1146/annurev.biochem.77.032207.120833. PMC 2846778. PMID  19344236 . 
  13. ^ Berg RA, Prockop DJ (май 1973). «Термический переход негидроксилированной формы коллагена. Доказательства роли гидроксипролина в стабилизации тройной спирали коллагена». Biochemical and Biophysical Research Communications . 52 (1): 115–20. doi :10.1016/0006-291x(73)90961-3. PMID  4712181.
  14. ^ Gorres, Kelly L.; Raines, Ronald T. (апрель 2010 г.). «Пролил 4-гидроксилаза». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 45 (2): 106–124. doi :10.3109/10409231003627991. PMC 2841224. PMID  20199358 . 
  15. ^ Мюллер В., Ханауске-Абель Х., Лоос М. (октябрь 1978 г.). «Биосинтез первого компонента комплемента перитонеальными макрофагами человека и морской свинки: доказательства независимого производства субъединиц С1». Журнал иммунологии . 121 (4): 1578–84. doi : 10.4049/jimmunol.121.4.1578 . PMID  701808. S2CID  36397927.
  16. ^ Rosenbloom J, Cywinski A (июнь 1976). «Ингибирование гидроксилирования пролина не ингибирует секрецию тропоэластина клетками аорты цыпленка». FEBS Letters . 65 (2): 246–50. Bibcode : 1976FEBSL..65..246R. doi : 10.1016/0014-5793(76)80490-5. PMID  6335. S2CID  34210226.
  17. ^ Gill AC, Ritchie MA, Hunt LG, Steane SE, Davies KG, Bocking SP, Rhie AG, Bennett AD, Hope J (октябрь 2000 г.). «Посттрансляционное гидроксилирование на N-конце прионного белка выявляет наличие структуры PPII in vivo». The EMBO Journal . 19 (20): 5324–31. doi :10.1093/emboj/19.20.5324. PMC 314005. PMID  11032800 . 
  18. ^ Ци Х.Х., Онгусаха П.П., Миллихарью Дж., Ченг Д., Пакканен О., Ши Ю., Ли С.В., Пэн Дж., Ши Ю. (сентябрь 2008 г.). «Пролил-4-гидроксилирование регулирует стабильность Argonaute 2». Природа . 455 (7211): 421–4. Бибкод : 2008Natur.455..421Q. дои : 10.1038/nature07186. ПМК 2661850 . ПМИД  18690212. 
  19. ^ Daly NL, Craik DJ (февраль 2009). «Структурные исследования конотоксинов». IUBMB Life . 61 (2): 144–50. doi : 10.1002/iub.158 . PMID  19165896. S2CID  8678009.
  20. ^ Bacon NC, Wappner P, O'Rourke JF, Bartlett SM, Shilo B, Pugh CW, Ratcliffe PJ (август 1998 г.). «Регуляция белка Sima bHLH-PAS у дрозофилы гипоксией: функциональное доказательство гомологии с HIF-1 альфа млекопитающих». Biochemical and Biophysical Research Communications . 249 (3): 811–6. doi :10.1006/bbrc.1998.9234. PMID  9731218.
  21. ^ Smith TG, Robbins PA, Ratcliffe PJ (май 2008 г.). «Человеческая сторона фактора, индуцируемого гипоксией». British Journal of Haematology . 141 (3): 325–34. doi :10.1111/j.1365-2141.2008.07029.x. PMC 2408651. PMID  18410568 . 
  22. ^ ab Bruick RK, McKnight SL (ноябрь 2001 г.). «Консервативное семейство пролил-4-гидроксилаз, которые модифицируют HIF». Science . 294 (5545): 1337–40. Bibcode :2001Sci...294.1337B. doi :10.1126/science.1066373. PMID  11598268. S2CID  9695199.
  23. ^ Karuppagounder SS, Ratan RR (июль 2012 г.). «Ингибирование пролилгидроксилазы, индуцируемой гипоксией: надежная новая цель или еще один большой провал терапии инсульта?». Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism . 32 (7): 1347–61. doi :10.1038/jcbfm.2012.28. PMC 3390817. PMID 22415525  . 
  24. ^ Warnecke C, Griethe W, Weidemann A, Jürgensen JS, Willam C, Bachmann S, Ivashchenko Y, Wagner I, Frei U, Wiesener M, Eckardt KU (июнь 2003 г.). «Активация пути индуцируемого гипоксией фактора и стимуляция ангиогенеза путем применения ингибиторов пролилгидроксилазы». FASEB Journal . 17 (9): 1186–8. doi : 10.1096/fj.02-1062fje . PMID  12709400. S2CID  45194703.
  25. ^ Selvaraju V, Parinandi NL, Adluri RS, Goldman JW, Hussain N, Sanchez JA, Maulik N (июнь 2014 г.). «Молекулярные механизмы действия и терапевтическое использование фармакологических ингибиторов HIF-пролил 4-гидроксилаз для лечения ишемических заболеваний». Антиоксиданты и окислительно-восстановительная сигнализация . 20 (16): 2631–65. doi :10.1089/ars.2013.5186. PMC 4026215. PMID  23992027 . 
  26. ^ Мучник Э., Каплан Дж. (май 2011 г.). «Ингибиторы HIF пролилгидроксилазы при анемии». Мнение экспертов по исследуемым препаратам . 20 (5): 645–56. doi :10.1517/13543784.2011.566861. PMID  21406036. S2CID  21973130.

Внешние ссылки