Цитохром -b 5 редуктаза — это НАДН -зависимый фермент , который преобразует феррицитохром из формы Fe3+ в форму Fe2+. [1] Он содержит ФАД и катализирует реакцию:
В своей способности снижать b5 этот фермент участвует в десатурации и удлинении жирных кислот, биосинтезе холестерина и метаболизме лекарств. Этот фермент также может восстанавливать метгемоглобин до нормального гемоглобина , получая неточный синоним метгемоглобинредуктаза . Изоформы, экспрессируемые в эритроцитах (CYB5R1, CYB5R3), выполняют эту функцию in vivo . Феррицианид является другим субстратом in vitro . [ необходима цитата ]
Цитохром b5-редуктаза (c5br) — это НАДН-зависимый фермент, известный как флавопротеин , который приводит к химическому восстановлению до двух различных изоформ : растворимой формы и мембраносвязанной формы. [2] Этот фермент участвует в переносе восстановительных эквивалентов от НАДН за счет акцептора электронов ФАД в цитохроме b5 , расположенном в комплексе III цепи переноса электронов, что приводит к образованию двух изоформ за счет альтернативного сплайсинга . Общая реакция восстановления от цитохрома b5-редуктазы помогает контролировать железо в эритроцитах , что определяет количество кислорода, переносимого клетками. [3]
Цитохромы — это окислительно-восстановительные белки, которые необходимы для передачи энергии в цепи переноса электронов с помощью фермента, такого как редуктаза . Цитохромы подразделяются на три класса (a, b и c) в соответствии с типом гема, присутствующего в ядре, и их спектрами поглощения света.
Специализированный белок цитохром b5 представляет собой цитохром класса B с гемом b высокого и низкого потенциала, прикрепленным к центральному железу на белке. [4] Класс цитохромов b особенно уникален, поскольку он прикреплен к белкам внутри внутренней митохондриальной мембраны, а не к внешней части, и этот конкретный класс имеет высокую вариабельность последовательности. Благодаря способности экспрессировать приблизительно 1080 пар оснований , белки цитохрома b обычно изучаются для анализа митохондриальной ДНК и определения филогенетических связей в ходе эволюции. [5]
Таким образом, ферменты цитохромредуктазы являются важным компонентом цепи переноса электронов, которая выполняет функцию цитохромных белков и активирует их реакции. Цитохром b5-редуктаза успешно катализирует перенос электронов восстанавливающих эквивалентов , чтобы затем активировать цитохром b для выполнения им своей роли в организмах. [6]
Фермент цитохром b5 редуктаза содержит типичную оксидоредуктазную структуру с комплексом домена связывания диафоразы для NADH и доменом связывания FAD. Присутствует трехцепочечный линкерный домен, а также водородные связи , опосредованные водой , для биохимического соединения комплекса. [8] После того, как цитохром b5 редуктаза катализирует перенос электронов, полученная восстановленная форма цитохрома b5 восстанавливает окисленный ион трехвалентного железа гемоглобина от Fe 3+ до Fe 2+. [1]
Механизм: НАДН + Н + + 2 феррицитохром b5 -> НАД + + 2 ферроцитохром b5
Особенности ферментов цитохром b5-редуктазы позволяют успешно восстанавливать молекулы цитохрома b5, которые используются для различных функций в цепи переноса электронов и метаболизме. В метаболизме c5br активен в липидном превращении, включающем удлинение и десатурацию жирных кислот и биосинтез холестерина. [9]
Специализированные изоформы фермента c5br в значительной степени функциональны в крови, помогая доставлять кислород к тканям организма путем конформационного изменения метгемоглобина в гемоглобин . Другие изоформы полезны в химических реакциях по всему телу, помогая в расщеплении различных веществ. [10]
В живых организмах, поскольку метгемоглобин (MetHb) не способен связывать кислород, он должен быть восстановлен до гемоглобина (Hb) посредством действия растворимой изоформы цитохрома b5-редуктазы. В целом, механика этой реакции включает перенос электронов через этапы окисления, которые могут быть выполнены посредством пары различных механизмов, включающих восстановление пиридиновых нуклеотидов . [11] Один механизм, который также является наиболее естественным путем, включает перенос электронов, катализируемый цитохромом b5-редуктазой через окисление NADH до NAD+. Донор электронов, NADH, который поддерживает эту реакцию, является продуктом окисления глюкозы из гликолиза . Реакция восстановления преобразует окисленный метгемоглобин в восстановленную форму гемоглобина, которая теперь имеет сродство к кислороду. [12] Другой механизм включает преобразование восстановленного пиридиннуклеотида трифосфопиридиннуклеотида (TPNH) в метиленовый синий , который индуцируется переносом электронов при окислении NADPH в NADP+ NAPHD метгемоглобинредуктазой. [11] TPNH является наиболее благоприятным пиридиннуклеотидом для восстановления метгемоглобина; однако могут использоваться и другие кофакторы, включая лейкометиленовый синий. [13] Дополнительные восстановленные нуклеотидпиридины также могут катализировать окисление гемоглобина в метгемоглобин. Например, в обратной реакции NAPHD метгемоглобинредуктазы метиленовый синий может использоваться для катализа окисления гемоглобина в метгемоглобин. Другие ферменты, включая ферменты диафоразы , могут преобразовывать восстановленный дифосфопиридиннуклеотид (DPNH) из глицеральдегид-3-фосфата для пополнения уровней метгемоглобина в клетке. [14]
Мембранно-связанная изоформа цитохрома b5-редуктазы встречается во всех типах клеток и не ограничивается эритроцитами. Обычно она встроена в мембраны различных клеточных компартментов, с доменом, вставленным в липидный бислой на внешнем листке эндоплазматического ретикулума. [10] Эта специфическая изоформа состоит примерно из 300 аминокислотных остатков с N-концевым хвостом из 24 остатков, который прикрепляет белок к мембране. [6] Существует последующий растворимый домен, который является частью этой изоформы, которая прикрепляется к цитозолю. Благодаря своей структуре и расположению мембранно-связанная изоформа c5br необходима для биологических функций в организмах. [6] Обладая доменом связывания с мембраной и водорастворимым доменом, эта изоформа способна выполнять химические и окислительно-восстановительные реакции для цепи переноса электронов и функциональна в образовании жирных кислот , образовании холестерина и расщеплении молекул и лекарств. [9]
Растворимая изоформа цитохрома b5-редуктазы присутствует только в эритроцитах. На эритроцитах , красных кровяных клетках, фермент c5br отвечает за переработку и преобразование метгемоглобина в гемоглобин. [6] Метгемоглобин — это окисленная форма гемоглобина, прикрепленная к трехвалентному железу (Fe3+), которое, следовательно, не может переносить и доставлять кислород к тканям. [15] Образование метгемоглобина происходит, когда электроны не возвращаются к железу нормального состояния гемоглобина, что не является предпочтительным для функционирующего организма. Метгемоглобин неблагоприятен для функционального организма, поскольку кислород должен постоянно переноситься; поэтому растворимая изоформа c5br необходима для поддержания низкого уровня метгемоглобина у людей. [16]
Мутации в цитохроме b5 редуктазе могут привести ко многим расстройствам, включая аутосомно-рецессивную врожденную метгемоглобинемию. Существует более 65 мутаций фермента, которые могут привести к различным типам расстройства. [10] Некоторые из них включают:
Большинство случаев метгемоглобинемии поддаются лечению и не являются хроническими. Наиболее распространенным и успешным методом лечения пациентов с высоким уровнем метгемоглобинемии является антидот метиленовый синий. Метиленовый синий уже признан продуктом обратимой реакции, подпитываемой NAPHD метгемоглобинем-редуктазой, катализируемой лейкомэтиленом, для восстановления метгемоглобина до гемоглобина. Поэтому, когда у пациента высок уровень метгемоглобина, можно ввести дополнительный метиленовый синий для восстановления до лейкомэтилена, чтобы теперь катализировать восстановление избыточного метгемоглобина до гемоглобина. [23] Хотя добавление метиленового синего для лечения случаев метгемоглобинемии было научно проверено и доказано, есть некоторые побочные эффекты, которые следует отметить и контролировать при высоких дозах антидота. Незначительные побочные эффекты включают зеленое или синее окрашивание мочи; однако существенные побочные эффекты включают ухудшение текущей метгемоглобинемии. Поскольку метиленовый синий сам по себе является окислителем, когда он не восстанавливается эффективно, НАДФН не будет должным образом восстанавливаться в клетке для переноса электронов, что приведет к повышению уровня не восстановленного метгемоглобина для поддержки метгемоглобинемии у пациентов. [23] Дополнительные исследования показали, что использование метиленового синего во время беременности связано с высоким риском атрезии тонкого кишечника, которая может быть фатальной для плода. [24]
Рекомендуется, чтобы лечение метиленовым синим требовало двух доз, прежде чем оно будет признано неэффективным. Если симптомы метгемоглобинемии все еще присутствуют после второй дозы, можно рассмотреть альтернативные методы лечения, включая аскорбиновую кислоту , обменное переливание крови и гипербарическую оксигенотерапию . Однако дополнительный антидот не был протестирован и подтвержден в той же степени, что и метиленовый синий, и в большинстве случаев дополнительные антидоты, как правило, неэффективны. Также отмечается, что высокие дозы аскорбиновой кислоты связаны с повышенной экскрецией оксалата с мочой и почечной недостаточностью. [23] [25]
Цитохром b5-редуктаза является распространенной темой в исследованиях и клинических испытаниях для понимания дополнительных функций фермента в других метаболических путях в организме. Мыши и мухи являются обычными модельными организмами, используемыми для проверки связи цитохром b5-редуктазы с общим здоровьем живых организмов.
Недавнее исследование 2023 года использовало мышей в качестве модели для проверки расширенных эффектов c5br на поставку кислорода при наличии дополнительного окислительного стресса, например, при серповидноклеточной анемии или ишемическом инсульте . Результаты показали, что c5br не только увеличивает поставку и транспорт кислорода в организме дикого типа, но и регулирует реакцию эритропоэтина на ишемический инсульт. Эти результаты сделали цитохром b5-редуктазу целью будущих исследований по управлению риском инсульта и предоставлению селективного преимущества для людей с генетическими нарушениями, такими как серповидноклеточная анемия. [26]
Другое исследование с мышами, а также мухами проверяло физиологическую роль цитохрома b5-редуктазы в липидном обмене, здоровье и старении. Активация гена, экспрессирующего cb5r, в обоих модельных организмах, показала, что продолжительность жизни и липидный обмен веществ были положительно затронуты. В модельных мухах препарат тетрагидроинденоиндол использовался для активации активности цитохрома b5-редуктазы, и наблюдения пришли к выводу, что повышенная функция cb5r продлевает продолжительность жизни мухи. Повышенная экспрессия цитохрома b5-редуктазы у мышей привела к высоким уровням длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот, улучшению митохондриальной функции и снижению окислительного повреждения, что указывает на улучшение метаболических путей с высоким уровнем активности cb5r. Эти результаты показывают, что цитохром b5-редуктаза является новой целью для новых исследований и разработок липидного обмена и здоровья в живых организмах. [9]
