Гем-оксигеназа , или гем-оксигеназа ( HMOX , обычно сокращенно HO ) — это фермент , который катализирует деградацию гема с образованием биливердина , двухвалентного железа и оксида углерода . [1]
В природе существует множество ферментов, разрушающих гем. В целом, только аэробные ферменты, разрушающие гем, называются HMOX-подобными ферментами, тогда как анаэробные ферменты обычно не связаны с семейством HMOX.
Гем-оксигеназа (альтернативно пишется как гем или оксидаза) катализирует деградацию гема до биливердина / билирубина , иона железа и оксида углерода. Геном человека может кодировать три изоформы HMOX.
Деградация гема образует три различных хромогена, как видно из цикла заживления синяка. Эта реакция может происходить практически в каждой клетке и тромбоците; классический пример - процесс заживления ушиба , который образует различные хромогены по мере его постепенного заживления: (красный) гем в (зеленый) биливердин в (желтый) билирубин, который широко известен как желтуха . [2] В целом, помимо общей функциональности катаболизма гема, все изоформы HMOX разделяют сигнатуру из 24 остатков, которая считается необходимой для ферментативной активности. [3]
Хотя HMOX присутствует во всем организме, он наиболее активен в селезенке, способствуя деградации гемоглобина во время рециркуляции эритроцитов (примерно 0,8% пула эритроцитов в день). [4]
Гем-оксигеназа 1 (HMOX1, обычно HO-1) является членом семейства белков теплового шока (HSP), идентифицированного как HSP32 . HO-1 — это фермент массой 32 кДа, содержащий 288 аминокислотных остатков , кодируемых геном HMOX1 . HO-1 не является гемопротеином , поскольку не содержит никаких простетических групп гема. [5] Активность HO-1 зависит от НАДФН-цитохром P450 редуктазы . [6]
HO-1 — это стресс-индуцированная изоформа, присутствующая во всем организме [7] с самыми высокими концентрациями в селезенке, печени и почках, а на клеточном уровне в основном расположена в эндоплазматическом ретикулуме , хотя также была зарегистрирована в митохондриях , ядре клетки и плазматической мембране . [8] Были описаны растворимые вариации HO-1. HO-1 также может служить белком-шапероном, участвовать в белок-белковых взаимодействиях, секретироваться во внеклеточное пространство и участвовать в других клеточных функциях помимо своей каталитической активности. [9] HO-1 также может генерировать небольшие количества субоксида углерода . [10] Ферменты HO-1 разрушаются посредством убиквитинирования .
Фермент был предметом обширных исследований его регуляторной сигнальной, иммуномодулирующей и криопротективной ролей. [11] HMOX1 является важным ферментом. Дефицит HMOX1 у человека встречается редко, однако было зарегистрировано несколько случаев, которые обычно приводят к смерти. [12]
При некоторых заболеваниях HMOX является проблематичным. [13] [14] Например, HMOX1 может противодействовать определенным химиотерапевтическим препаратам, чтобы спасти раковые клетки от цитотоксических препаратов, тем самым способствуя прогрессированию рака. [15] Ингибиторы HMOX1 находятся в стадии разработки. [16]
Гем-оксигеназа 2 (HMOX2 или HO-2) является конститутивной изоформой, которая экспрессируется в гомеостатических условиях в яичках, желудочно-кишечном тракте , эндотелиальных клетках и мозге. [17] HO-2 кодируется геном HMOX2 . HO-2 имеет массу 36 кДа и имеет 47% сходства с аминокислотной последовательностью HO-1; в частности, HO-2 имеет дополнительный N-концевой участок из 20 аминокислотных остатков. [5] В отличие от HO-1, HO-2 является гемопротеином, содержащим регуляторные мотивы гема, которые содержат гем независимо от катаболического сайта гема. [3]
В то время как HO-1 имеет бесчисленное множество индукторов, только глюкокортикоиды надпочечников , как известно, индуцируют HO-2 [12], тогда как некоторые другие молекулы могут увеличивать его каталитическую скорость. [9] Опиоиды могут ингибировать активность HMOX2. [9] Многие препараты, которые активируют и ингибируют HO-2, находятся в стадии разработки. [18]
Спорная третья гем-оксигеназа (HO-3) считается каталитически неактивной и, как предполагают, работает в детоксикации или распознавании гема. HO-3 имеет массу 33 кДа и в наибольшей степени присутствует в печени, простате и почках. Однако попытки выделить HO-3 дали псевдогены, полученные из транскриптов HO-2, тем самым поднимая вопросы о существовании третьей изоформы. [9]
Гем-оксигеназа сохраняется во всех филогенетических царствах. [19] Человеческий микробиом содержит десятки уникальных микробных гомологов HMOX , которые используют множество различных сокращений, например: [9]
Важнейшая роль прокариотических систем HMOX заключается в содействии получению пищевого железа от эукариотического хозяина. [20]
Некоторые прокариотические ферменты, разрушающие гем, производят такие продукты, как формальдегид, а не CO. Например, некоторые патогены, такие как Escherichia coli O157:H7, могут экспрессировать не продуцирующую CO изоформу ChuW. Многие патогены восприимчивы к токсичности CO, поэтому экспрессия не продуцирующих CO ферментов, разрушающих гем, позволяет избежать самонаносимой токсичности, удовлетворяя при этом потребности в железе в питании. Комменсальные микробиоты, как правило, обладают толерантностью к CO, поскольку они производят сигналы CO и реагируют на них; при выделении из микроба CO либо напрямую приносит пользу хозяину, либо оказывает селекционное давление на патогены, тем самым выступая в качестве симбиотической валюты. [9]
Растения содержат гомологи HMOX, играющие важную роль в физиологии растений. [21] Хотя хлорофилл структурно похож на гем, неясно, способны ли какие-либо ферменты, подобные HMOX, способствовать метаболизму. [9]
Поскольку гем-оксигеназа является ферментативным катализатором, который ускоряет медленное естественное окисление гема, неферментативное окислительное расщепление гема, обычно называемое «сопряженным окислением», было предложено еще в 1949 году. Подобно HMOX, сопряженное окисление происходит в альфа-метиновом мостике и приводит к образованию биливердина, хотя стехиометрия реакции отличается. [22] Первая попытка описать HMOX в 1962 году Накаджимой оказалась неферментативным путем. Сложность неферментативного пути была названа квазиферментативным или псевдоферментативным. [22] Было предложено множество механизмов. [22] [23]
HMOX1 — это этап, ограничивающий скорость катаболизма гема, который зависит от НАДФН-цитохром P450 редуктазы и кислорода для расщепления гема/порфиринового кольца на альфа- метеновом мостике с образованием биливердина (или вердоглобина, если гем все еще нетронут как гемоглобин). Реакция состоит из трех этапов, которые могут быть: [24]
Сумма этих реакций равна:
Если железо изначально находится в состоянии +2, реакция может быть следующей:
Эта реакция может происходить практически в каждой клетке; классический пример — образование ушиба , который образует различные хромогены по мере своего постепенного заживления: (красный) гем в (зеленый) биливердин в (желтый) билирубин. С точки зрения молекулярных механизмов, фермент способствует внутримолекулярному гидроксилированию одного мезоуглеродного центра в геме. [25]
HMOX1 индуцируется бесчисленным количеством молекул, включая тяжелые металлы , статины , паклитаксел , рапамицин , пробукол , оксид азота , силденафил , оксид углерода , молекулы, высвобождающие оксид углерода , и некоторые порфирины . [26]
Фитохимические индукторы HO включают: куркумин , ресвератрол , пикеатаннол , фенетиловый эфир кофейной кислоты , диметилфумарат , эфиры фумаровой кислоты , флавоноиды , халконы , гинкго билоба , антроцианы , флоротаннины , карнозол , розолиевая кислота и множество других натуральных продуктов . [26] [27]
Эндогенные индукторы включают i) липиды, такие как липоксин и эпоксиэйкозатриеновая кислота ; и ii) пептиды, такие как адреномедуллин и аполипопротеин ; и iii) гемин . [26]
Индукторы NRF2 с последующей индукцией HO-1 включают: генистеин , 3-гидроксикумарин, олеаноловую кислоту , изоликвиритигенин , PEITC , диаллилтрисульфид , олтипраз , бенфотиамин , ауранофин , ацетаминофен , нимесулид , паракват , этоксихин , частицы дизельных выхлопных газов, кремний, нанотрубки, 15-дезокси-Δ12,14 простагландин J2, нитроолеиновую кислоту, перекись водорода и сукцинилацетон . [28]
HMOX1 ингибируется некоторыми порфиринами, такими как цинкпротопорфирин . [29]
HMOX участвует в многочисленных клеточных операциях. [30] [31] Цитопротекторные свойства HMOX стимулировали значительные исследования его терапевтического и фармацевтического потенциала. [32] Эти эффекты не были подтверждены в клинических испытаниях. [33] [8]
HMOX является основным источником эндогенного производства CO, [33] хотя в последние годы были выявлены и другие второстепенные факторы. CO образуется со скоростью 16,4 мкмоль/час в организме человека, ~86% из гема через гемовую оксигеназу и ~14% из негемовых источников, включая: фотоокисление, перекисное окисление липидов и кетокислот , микробиом и ксенобиотики. [9] Средний уровень карбоксигемоглобина (CO-Hb) у некурящего человека составляет от 0,2% до 0,85% CO-Hb (тогда как у курильщика может быть от 4% до 10% CO-Hb), хотя генетика, географическое положение, профессия, здоровье и поведение вносят свой вклад.
Рециркуляция эритроцитов в селезенке составляет ~80% эндогенной продукции CO2, полученной из гема. Оставшиеся 20% продукции CO2, полученной из гема, связаны с катаболизмом гемопротеинов в печени ( миоглобин , цитохромы , каталаза , пероксидазы , растворимая гуанилатциклаза , синтаза оксида азота ) и неэффективным эритропоэзом в костном мозге . [4]
Помимо того, что гем является источником оксида углерода, он также является критически важным сигнальным преобразователем, участвующим в распознавании оксида углерода. [34] [35] Как сигнальный агент оксид углерода участвует в нормальной физиологии и имеет терапевтические преимущества при многих показаниях, таких как облегчение воспаления и гипоксии. [33] [36] Однако все еще исследуется, в какой степени HMOX участвует в защитном эффекте оксида углерода против гипоксии, поскольку для получения оксида углерода в результате катаболизма гема требуется 3 молярных эквивалента кислорода, а также вопрос о биодоступности гема [37] и медленной индукции HMOX1, которая может занять несколько часов (например, медленное заживление синяка). [38]
Древние документы по эндогенному билирубину восходят к медицинским трактатам, написанным Гиппократом . [39]
В большинстве случаев HMOX селективно расщепляет гем (железный протопорфирин IX ) по α- метиновому мостику. Полученный билирубин содержит суффикс IXα для идентификации состава его структуры, указывая, что его родительская молекула была протопорфирином IX, расщепленным по альфа-позиции (см. протопорфирин IX для получения дополнительной информации о системе номенклатуры Фишера ). Drosophila melanogaster содержит уникальный HMOX, который не является альфа-специфичным, что приводит к образованию биливердина IXα, IXβ, IXδ. [5] Неферментативное окисление гема также неспецифично, что приводит к раскрытию кольца в позициях α, β, γ или δ. [22]
Биливердин IXα подвергается биотрансформации через биливердинредуктазу с образованием билирубина IXα . [2] Билины играют важную роль в филогенетических царствах. [40] [41]
Ион железа — это общепринятая номенклатура, используемая в области HMOX для железа(II) , которая появляется в PubChem. [42] Считается, что железо, высвобождаемое из HMOX, быстро секвестрируется ферритином . Однако активные формы кислорода, образующиеся в ходе реакций Фентона или Хабера-Вейсса, могут обеспечивать нисходящую сигнализацию. [43] [44]
HMOX1 был впервые охарактеризован Тенхуненом и Руди Шмидом , когда они продемонстрировали его как фермент, ответственный за катализ биотрансформации гема в билирубин. [12]
Несколько лабораторий пытались объяснить биотрансформацию гема в биливердин, например, Накадзима и др. в 1962 году, которые охарактеризовали растворимую «гемовую α-метенилоксигеназу», однако результаты не удалось воспроизвести, и появились альтернативные неферментативные объяснения их наблюдения. Самые ранние доказательства окислительной ферментативной биотрансформации гема в билин были продемонстрированы Гансом Плинингером и Гансом Фишером в 1942 году. [45] Открытие HMOX является уникальным случаем академической родословной, поскольку Фишер был научным руководителем Сесила Уотсона , а Уотсон был научным руководителем Руди Шмида .
Феликс Хоппе-Зейлер придумал название «гемоглобин»; haem произошло от греческого слова, означающего кровь, а globin от латинского globus, означающего круглый предмет (см. также: этимология карбоксигемоглобина ). Гемоглобин был впервые открыт в 1840-х годах Фридрихом Людвигом Хюнефельдом. [46] [47] Гем (как гемин , координированный с хлором) был охарактеризован Людвиком Каролем Тейхманном в 1853 году. Многие лаборатории исследовали in vitro превращение гема в билины на протяжении 1930-х годов, примером чего является работа Георга Баркана [48] , а затем Эстер Киллик , которая в 1940 году признала наличие оксида углерода, коррелирующего с псевдогемоглобином (устаревший термин для обозначения билина, введенный Барканом). [12] Считается, что эндогенная биотрансформация гема в билирубин была окончательно продемонстрирована экспериментальными доказательствами Ирвинга Лондона в 1950 году [49], хотя следовые доказательства эндогенного образования билирубина имеют происхождение, датируемое несколькими столетиями ранее в контексте желтухи с бесчисленными мировыми вкладами (см. также: История билирубина ). [2] [45]
CO был обнаружен в выдыхаемом воздухе в 1869 году. [12] Феликс Хоппе-Зейлер разработал первый качественный тест на карбоксигемоглобин, а Йозеф фон Фодор разработал первый количественный аналитический тест на карбоксигемоглобин. [12] Первое зарегистрированное обнаружение естественного CO в крови человека произошло в 1923 году Ройдом Рэем Сэйерсом и др., хотя они отбросили свои данные как случайную ошибку. [12] Александр Геттлер подтвердил, что CO имеет нормальное присутствие в крови в 1933 году, однако он приписал это открытие неизбежному воздействию загрязнения или, возможно, полученному из человеческого микробиома. [9] Позднее Шестранд продемонстрировал образование CO при разложении гемоглобина в 1952 году. [12]