Ретинолдегидрогеназа

В энзимологии ретинолдегидрогеназа ( РДГ ) ( КФ 1.1.1.105) — это фермент , катализирующий химическую реакцию

ретинол + НАД ⁺ ретиналь + НАДН + Н ⁺ ${\displaystyle \rightleftharpoons }$

Иногда, в дополнение к или вместе с NAD ⁺ , NADP ⁺ может также выступать в качестве предпочтительного кофактора в реакции. Субстратом фермента может быть полностью транс- или - цис- ретинол. На сегодняшний день существует по крайней мере более 20 различных изолированных ферментов с активностью RDH. ^[1] Таким образом, двумя субстратами этого фермента являются ретинол и NAD ⁺ , тогда как его 3 продукта - ретиналь , NADH (или NADPH в случае, когда NADP ⁺ является кофактором) и H + . ^[1]

Этот фермент принадлежит к семейству оксидоредуктаз , в частности, тех, которые действуют на группу CH-OH донора с NAD ⁺ или NADP ⁺ в качестве акцептора. Систематическое название этого класса ферментов — ретинол:NAD ⁺ оксидоредуктаза . Другие общеупотребительные названия включают ретинол (витамин A1) дегидрогеназу , MDR , микросомальную ретинолдегидрогеназу , полностью транс-ретинольдегидрогеназу , ретиноредуктазу и ретиненредуктазу . Этот фермент участвует в метаболизме ретинола . ^[2] Иногда в литературе ретинолдегидрогеназа упоминается как фермент, который окисляет ретинол в целом, например, алкогольдегидрогеназа класса IV (ADH4), которая, как сообщается, является наиболее эффективным окислителем ретинола в семействе алкогольдегидрогеназ человека (ADH). ^{[3] [4]}

Структура

Изображение 1: Человеческая сигма (класс IV) алкогольдегидрогеназа дикого типа (1D1S) обладает ретинолдегидрогеназной активностью. Молекулы цинка изображены в виде красных шариков, а молекулы НАД — фиолетовыми. Обратите внимание, что на этом рисунке фермент существует в виде двух белковых единиц. (PDB-файл из RCSB ) ^[5]

Изображение 2: Человеческая сигма (класс IV) алкогольдегидрогеназа (1D1S) дикого типа. Ретинолы будут связываться между каталитическими молекулами цинка (красные шарики) и молекулой НАД (фиолетовый). ^[6] (PDB-файл из RCSB ) ^[5]

Как один из важнейших RDH, 11- цис -ретинолдегидрогеназа катализирует образование 11- цис -ретинальдегида (наиболее распространенного зрительного пигмента у высших животных). Фермент в основном экспрессируется в ретинальном пигментном эпителии ( RPE ) и является частью суперсемейства короткоцепочечных дегидрогеназ ( SDR )/ редуктаз . Интегральный мембранный фермент прикреплен к мембранам двумя гидрофобными цепями. Каталитический домен 11 -цис -ретинолдегидрогеназы ограничен люменальным отсеком, что предполагает его происхождение из компартментализированного процесса. 11 -цис -ретинолдегидрогеназа также в основном связана с гладким эндоплазматическим ретикулумом клеток RPE . ^{[7] Было} обнаружено , что интегральный мембранный белок 32 кДа (p32) действует как стереоспецифическая 11 -цис -ретинолдегидрогеназа в присутствии кофактора НАД ⁺ , а p32 катализирует биосинтез 11 -цис -ретиналя, широко распространенного зрительного хромофора . ^[8]

Один из широко изученных генов ретинолдегидрогеназы RDH12 , который кодирует ретинолдегидрогеназу, является частью суперсемейства короткоцепочечных алкогольдегидрогеназ и редуктаз . RDH12 в основном экспрессируется в нейроретине и состоит из 7 экзонов, кодирующих пептид из 360 аминокислот. ^[9]

Молекулы цинка служат лигандным кофактором с кофактором НАД. Ретинол будет взаимодействовать с ферментом в области между этими двумя кофакторами. ^[6]

Однако не все ретинолдегидрогеназы в зрительном цикле идентифицированы, и это остается сложной задачей для ученых из-за перекрывающихся выражений и избыточности активности среди двух крупных классов, продуцирующих RDH и RDH-подобные вещества: микросомальные короткоцепочечные дегидрогеназы / редуктазы и цитозольные среднецепочечные алкогольдегидрогеназы . ^[10]

У крупного рогатого скота ретинолдегидрогеназа обнаруживается как часть внешних сегментов ретинальных палочек и испытывает трудности при отделении от мембраны . Ее радиус Стокса составляет 8,5 нм в смешанной мицелле Lubrol 12A9 . ^[11]

Функция

Ретиноиддегидрогеназы/редуктазы (оксидоредуктазы), включая ретинолдегидрогеназу, катализируют ключевые окислительно-восстановительные реакции в зрительном цикле , превращая витамин А в 11- цис -ретиналь, который является хромофором палочковидных и колбочковидных фоторецепторов. Считается, что RDH в палочках и колбочках различны, но связаны и могут катализировать одну и ту же реакцию. RDH12 является основным ферментом, который восстанавливает полностью транс- ретиналь, высвобождаемый из обесцвеченных фотопигментов во время фазы восстановления в зрительном цикле . Фермент RDH12 может использовать как цис- , так и транс -изомеры ретиноида в качестве субстратов и может также функционировать как дегидрогеназа (т. е. ретинол в ретиналь) и редуктаза (т. е. ретиналь в ретинол). ^{[12] [13]}

Превращение ретинола в ретиналь является лимитирующим этапом в биосинтезе ретиноевой кислоты . У позвоночных ретиноевая кислота является лигандом, который контролирует сигнальный путь ядерного рецептора, который отвечает за рост и развитие, а также за поддержание эпителия, поэтому может использоваться для лечения рака и акне. У человека ADH4 может демонстрировать по крайней мере в 10 раз более высокую V _max /K _m , чем другие ADH. ^[4]

Изображение 3: Цикл визуальной фототрансдукции приводит к образованию 11 -цис -ретиналя из 11- цис -ретинола с использованием 11 -цис -ретинолдегидрогеназы. ^{[10] [12] [14]}

Некоторые ретинолдегидрогеназы находятся в экстраокулярных тканях , например, человеческая ретинолдегидрогеназа-4 (RoDH-4), которая преобразует ретинол и 1- цис -ретинол в различные альдегиды в печени и коже . Было также обнаружено, что 13 -цис -ретиноевая кислота (изотретиноин), 3,4-дидегидроретиноевая кислота и 3,4-дидегидроретинол могут действовать как конкурентные ингибиторы окислительной активности фермента 3α-гидроксистероиддегидрогеназы . Это может потенциально объяснить, как изотретиноин , активный ингредиент Роаккутана ( Аккутана ), может подавлять сальные железы и использоваться для лечения тяжелой угревой сыпи. ^[15]

Актуальность заболевания

Миссенс -мутация в гене rdh5 , который кодирует микросомальную 11- цис -ретинолдегидрогеназу (RDH5), вызывает белоточечное глазное дно, симптомы которого включают накопление белых пятен на сетчатке, стационарную куриную слепоту, вызванную задержкой регенерации фотопигмента колбочек и палочек , и дистрофию колбочек у пожилых людей . ^{[1] [16]}

По крайней мере 20 мутаций в гене rdh12 , который кодирует ретинолдегидрогеназу, могут быть связаны с заболеваниями , включая тяжелую и рано начинающуюся аутосомно-рецессивную дистрофию сетчатки (arRD) или врожденный амавроз Лебера . Пациенты страдают от дисфункции колбочек и палочек с детства и развивают юридическую слепоту , достигая взрослого возраста . Это говорит о том, что RDH12 может играть центральную роль в зрительном цикле и может быть многообещающей терапевтической целью. ^{[9] [12]} Возможным механизмом ускоренной деградации среди мутантов RDH12 является полиубиквитинирование цитозольными убиквитинлигазами и последующая деградация протеосомой . Его конформационная аберрация провоцирует вышеупомянутую ускоренную деградацию. [ ^17]

Ссылки

1. Lidén M, Eriksson U (май 2006 г.). «Понимание метаболизма ретинола: структура и функция ретинолдегидрогеназ». J. Biol. Chem . 281 (19): 13001–4. doi : 10.1074/jbc.R500027200 . PMID  16428379.
2. Koen AL, Shaw CR (1966). «Ретинол и алкогольдегидрогеназы в сетчатке и печени». Biochim. Biophys. Acta . 128 (1): 48–54. doi :10.1016/0926-6593(66)90140-8. PMID  5972368.
3. Satre MA, Zgombić-Knight M, Duester G (июнь 1994). «Полная структура алкогольдегидрогеназы IV класса человека (ретинолдегидрогеназы), определенная из гена ADH7». J. Biol. Chem . 269 (22): 15606–12. doi : 10.1016/S0021-9258(17)40724-1 . PMID  8195208.
4. Chou CF, Lai CL, Chang YC, Duester G, Yin SJ (июль 2002 г.). «Кинетический механизм функционирования алкогольдегидрогеназы IV класса человека в качестве ретинолдегидрогеназы». J. Biol. Chem . 277 (28): 25209–16. doi : 10.1074/jbc.M201947200 . PMID  11997393.
5. Xie PT, Hurley TD (декабрь 1999 г.). «Метионин-141 напрямую влияет на связывание 4-метилпиразола в человеческой сигма-сигма алкогольдегидрогеназе». Protein Sci . 8 (12): 2639–44. doi :10.1110/ps.8.12.2639. PMC 2144219 . PMID  10631979. 
6. "RCSB PDB-101".
7. Simon A, Romert A, Gustafson AL, McCaffery JM, Eriksson U (февраль 1999 г.). «Внутриклеточная локализация и мембранная топология 11 -цис -ретинолдегидрогеназы в пигментном эпителии сетчатки предполагают компартментализированный синтез 11- цис -ретинальдегида». J. Cell Sci . 112 (4): 549–58. doi :10.1242/jcs.112.4.549. PMID  9914166.
8. Simon A, Hellman U, Wernstedt C, Eriksson U (январь 1995 г.). «11-цис-ретинольдегидрогеназа, специфичная для эпителия пигмента сетчатки, принадлежит к семейству короткоцепочечных алкогольдегидрогеназ». J. Biol. Chem . 270 (3): 1107–12. doi : 10.1074/jbc.270.3.1107 . PMID  7836368.
9. Janecke AR, Thompson DA, Utermann G, et al. (август 2004 г.). «Мутации в гене RDH12, кодирующем ретинолдегидрогеназу фоторецепторных клеток, вызывают тяжелую дистрофию сетчатки, начинающуюся в детском возрасте». Nat. Genet . 36 (8): 850–4. doi :10.1038/ng1394. PMID  15258582.
10. Farjo KM, Moiseyev G, Takahashi Y, Crouch RK, Ma JX (ноябрь 2009 г.). «Активность 11-цис-ретинолдегидрогеназы RDH10 и ее взаимодействие с белками зрительного цикла». Invest. Ophthalmol. Vis. Sci . 50 (11): 5089–97. doi : 10.1167/iovs.09-3797 . PMID  19458327.
11. Nicotra C, Livrea MA (октябрь 1982 г.). «Ретинолдегидрогеназа из наружных сегментов палочек бычьей сетчатки. Кинетический механизм солюбилизированного фермента». J. Biol. Chem . 257 (19): 11836–41. doi : 10.1016/S0021-9258(18)33840-7 . PMID  6749847.
12. Thompson DA, Janecke AR, Lange J, et al. (декабрь 2005 г.). «Дегенерация сетчатки, связанная с мутациями RDH12, возникает из-за снижения синтеза 11-цис-ретиналя из-за нарушения зрительного цикла». Hum. Mol. Genet . 14 (24): 3865–75. doi : 10.1093/hmg/ddi411 . PMID  16269441.
13. Maeda A, Maeda T, Imanishi Y и др. (май 2005 г.). «Роль фоторецептор-специфической ретинолдегидрогеназы в ретиноидном цикле in vivo». J. Biol. Chem . 280 (19): 18822–32. doi : 10.1074/jbc.M501757200 . PMC 1283069. PMID  15755727 . 
14. "upload.wikimedia.org".
15. Karlsson T, Vahlquist A, Kedishvili N, Törmä H (март 2003 г.). «13-цис-ретиноевая кислота конкурентно ингибирует окисление 3 альфа-гидроксистероидов ретинолдегидрогеназой RoDH-4: механизм ее антиандрогенного действия в сальных железах?». Biochem. Biophys. Res. Commun . 303 (1): 273–8. doi :10.1016/S0006-291X(03)00332-2. PMID  12646198.
16. Yamamoto H, Simon A, Eriksson U, Harris E, Berson EL, Dryja TP (июнь 1999). «Мутации в гене, кодирующем 11- цис ретинолдегидрогеназу, вызывают задержку темновой адаптации и белоточечное глазное дно». Nat. Genet . 22 (2): 188–91. doi :10.1038/9707. PMID  10369264.
17. Ли СА, Беляева ОВ, Кедишвили НЮ (февраль 2010). «Варианты микросомальной ретинолдегидрогеназы 12, ассоциированные с заболеваниями (RDH12), деградируют со скоростью, специфичной для мутанта». FEBS Lett . 584 (3): 507–10. doi :10.1016/j.febslet.2009.12.009. PMC 2812597. PMID  20006610 .