stringtranslate.com

Синтаза оксида азота

Синтазы оксида азота ( EC 1.14.13.39) ( NOS ) представляют собой семейство ферментов, катализирующих выработку оксида азота (NO) из L-аргинина . NO является важной клеточной сигнальной молекулой. Он помогает модулировать сосудистый тонус , секрецию инсулина , тонус дыхательных путей и перистальтику , а также участвует в ангиогенезе и развитии нервной системы. Он может функционировать как ретроградный нейротрансмиттер . Оксид азота опосредуется у млекопитающих изоферментами eNOS ( эндотелиальная NOS ) и nNOS (нейрональная NOS), контролируемыми кальцием - кальмодулином . [2] Индуцируемая изоформа iNOS, участвующая в иммунном ответе, связывает кальмодулин в физиологически значимых концентрациях и производит NO в качестве механизма иммунной защиты, поскольку NO является свободным радикалом с неспаренным электроном. Он является непосредственной причиной септического шока и может функционировать при аутоиммунном заболевании.

NOS катализирует реакцию: [3]

Изоформы NOS катализируют другие утечки и побочные реакции, такие как производство супероксида за счет NADPH. Таким образом, эта стехиометрия обычно не наблюдается и отражает три электрона, поставляемых на NO NADPH.

Эукариотические изоферменты NOS каталитически самодостаточны. Поток электронов: НАДФН → ФАД → ФМН → гем → O 2 . Тетрагидробиоптерин обеспечивает дополнительный электрон во время каталитического цикла, который заменяется во время оборота. Цинк , хотя и не является кофактором, также участвует, но как структурный элемент. [4] NOS уникальны тем, что они используют пять кофакторов и являются единственным известным ферментом , который связывает флавинадениндинуклеотид (ФАД), флавинмононуклеотид (ФМН), гем , тетрагидробиоптерин (BH 4 ) и кальмодулин . [ требуется цитата ]

Распространение видов

Синтез NO, полученный из аргинина, был выявлен у млекопитающих, рыб, птиц, беспозвоночных и бактерий. [5] Лучше всего изучены млекопитающие, у которых три различных гена кодируют изоферменты NOS : нейрональный (nNOS или NOS-1), индуцируемый цитокинами (iNOS или NOS-2) и эндотелиальный (eNOS или NOS-3). [3] iNOS и nNOS растворимы и находятся преимущественно в цитозоле , в то время как eNOS связан с мембраной. Были обнаружены доказательства сигнализации NO в растениях, но геномы растений лишены гомологов суперсемейства, которое генерирует NO в других царствах.

Функция

У млекопитающих эндотелиальная изоформа является основным генератором сигнала в контроле сосудистого тонуса, секреции инсулина и тонуса дыхательных путей , участвует в регуляции сердечной функции и ангиогенеза (роста новых кровеносных сосудов). Было показано, что NO, вырабатываемый eNOS, является вазодилататором, идентичным эндотелиальному расслабляющему фактору, вырабатываемому в ответ на сдвиг от увеличения кровотока в артериях. Он расширяет кровеносные сосуды, расслабляя гладкие мышцы в их оболочках. eNOS является основным регулятором тонуса гладких мышц. NO активирует гуанилатциклазу , которая вызывает расслабление гладких мышц путем:

eNOS играет важную роль в эмбриональном развитии сердца и морфогенезе коронарных артерий и сердечных клапанов. [6]

Нейрональная изоформа участвует в развитии нервной системы. Она функционирует как ретроградный нейротрансмиттер, важный для долгосрочного потенцирования, и, следовательно, вероятно, важна для памяти и обучения. nNOS имеет много других физиологических функций, включая регуляцию сердечной функции и перистальтики, а также сексуального возбуждения у мужчин и женщин. Альтернативно сплайсированная форма nNOS является основным мышечным белком, который производит сигналы в ответ на высвобождение кальция из SR. nNOS в сердце защищает от сердечной аритмии, вызванной инфарктом миокарда. [7]

Первичным получателем NO, продуцируемого eNOS и nNOS, является растворимая гуанилатциклаза, но было выявлено много вторичных целей. S-нитрозилирование, по-видимому, является важным способом действия.

Индуцируемая изоформа iNOS производит большое количество NO в качестве защитного механизма. Она синтезируется многими типами клеток в ответ на цитокины и является важным фактором в ответе организма на атаку паразитов, бактериальную инфекцию и рост опухоли. Она также является причиной септического шока и может играть роль во многих заболеваниях с аутоиммунной этиологией.

Сигнализация NOS участвует в развитии и оплодотворении у позвоночных. Она участвует в переходах между вегетативным и репродуктивным состояниями у беспозвоночных и в дифференциации, приводящей к образованию спор у слизевиков. NO, вырабатываемый бактериальной NOS, защищает от окислительного повреждения.

Активность NOS также коррелировала с большими депрессивными эпизодами (MDE) в контексте большого депрессивного расстройства в крупном исследовании лечения случай-контроль, опубликованном в середине 2021 года. 460 пациентов с текущим большим депрессивным эпизодом сравнивали с 895 здоровыми пациентами, и путем измерения соотношения L-цитруллина/L-аргинина до и после 3–6 месяцев лечения антидепрессантами результаты указывают на то, что у пациентов с большим депрессивным эпизодом активность NOS значительно ниже по сравнению со здоровыми пациентами, в то время как лечение антидепрессантами значительно повышает уровень активности NOS у пациентов с большим депрессивным эпизодом. [8]

Классификация

Различные члены семейства NOS кодируются отдельными генами. [9] У млекопитающих известны три изоформы: две из них являются конститутивными (cNOS), а третья — индуцируемой (iNOS). [10] Клонирование ферментов NOS показывает, что cNOS включает как конститутивный ген мозга ( NOS1 ), так и конститутивный ген эндотелия ( NOS3 ); третий — индуцируемый ген ( NOS2 ). [10] Недавно активность NOS была продемонстрирована у нескольких видов бактерий, включая печально известные патогены Bacillus anthracis и Staphylococcus aureus. [11]

Различные формы NO-синтазы классифицируются следующим образом:

нНОС

Нейрональный NOS (nNOS) производит NO в нервной ткани как в центральной, так и в периферической нервной системе . Его функции включают: [12]

Нейрональная NOS также играет роль в клеточной коммуникации и связана с плазматическими мембранами. Действие nNOS может быть ингибировано NPA ( N-пропил-L-аргинин ). Эта форма фермента специфически ингибируется 7-нитроиндазолом . [13]

Субклеточная локализация nNOS в скелетных мышцах опосредована прикреплением nNOS к дистрофину . nNOS содержит дополнительный N-концевой домен, домен PDZ . [14]

Ген, кодирующий nNOS, расположен на хромосоме 12. [15]

iNOS

В отличие от критической кальций-зависимой регуляции конститутивных ферментов NOS (nNOS и eNOS), iNOS описывается как нечувствительная к кальцию, вероятно, из-за ее тесного нековалентного взаимодействия с кальмодулином (CaM) и Ca 2+ . Ген, кодирующий iNOS, расположен на хромосоме 17. [15] Хотя доказательства «базовой» экспрессии iNOS были неуловимы, IRF1 и NF-κB- зависимая активация индуцируемого промотора NOS подтверждает опосредованную воспалением стимуляцию этого транскрипта. iNOS производит большие количества NO при стимуляции, например, провоспалительными цитокинами (например, интерлейкином-1 , фактором некроза опухоли альфа и интерфероном гамма ). [16]

Индукция высокопроизводительного iNOS обычно происходит в окислительной среде, и, таким образом, высокие уровни NO имеют возможность реагировать с супероксидом, что приводит к образованию пероксинитрита и токсичности клеток. Эти свойства могут определять роль iNOS в иммунитете хозяина, позволяя ему участвовать в антимикробной и противоопухолевой активности как части окислительного взрыва макрофагов. [17]

Было высказано предположение, что патологическая генерация оксида азота посредством увеличения продукции iNOS может уменьшить биение ресничек маточных труб и сокращения гладких мышц и, таким образом, повлиять на транспортировку эмбриона, что впоследствии может привести к внематочной беременности . [18]

eNOS

Эндотелиальная NOS (eNOS), также известная как синтаза оксида азота 3 (NOS3), генерирует NO в кровеносных сосудах и участвует в регуляции сосудистой функции. Ген, кодирующий eNOS, расположен на хромосоме 7. [15] Конститутивная Ca 2+ -зависимая NOS обеспечивает базальное высвобождение NO. eNOS локализуется в кавеолах, домене плазматической мембраны, в основном состоящем из белка кавеолина 1 , и в аппарате Гольджи. Эти две популяции eNOS различны, но обе необходимы для правильного производства NO и здоровья клеток. [19] Локализация eNOS в эндотелиальных мембранах опосредована котрансляционным N-концевым миристоилированием и посттрансляционным пальмитоилированием . [20] Как важный кофактор для синтазы оксида азота, добавка тетрагидробиоптерина (BH4) показала полезные результаты при лечении эндотелиальной дисфункции в экспериментах на животных и клинических испытаниях, хотя тенденция BH4 окисляться до BH2 остается проблемой. [21]

бНОС

Было показано, что бактериальный NOS (bNOS) защищает бактерии от окислительного стресса, различных антибиотиков и иммунного ответа хозяина. bNOS играет ключевую роль в транскрипции супероксиддисмутазы (SodA). Бактерии на поздней стадии логарифмической фазы, не обладающие bNOS, не могут повышать уровень SodA, что отключает защиту от вредного окислительного стресса. Первоначально bNOS мог присутствовать для подготовки клетки к стрессовым условиям, но теперь, по-видимому, помогает защищать бактерии от обычных противомикробных препаратов. В качестве клинического применения можно было бы получить ингибитор bNOS для снижения нагрузки грамположительных бактерий. [22] [23]

Химическая реакция

Синтазы оксида азота производят NO, катализируя пятиэлектронное окисление гуанидинового азота L -аргинина ( L -Arg). Окисление L -Arg до L -цитруллина происходит посредством двух последовательных реакций монооксигенации, в результате которых в качестве промежуточного продукта образуется N ω -гидрокси- L -аргинин (NOHLA). На моль образовавшегося NO расходуется 2 моль O 2 и 1,5 моль NADPH. [3]

Структура

Ферменты существуют в виде гомодимеров. У эукариот каждый мономер состоит из двух основных областей: N-концевого домена оксигеназы , который принадлежит к классу гем-тиолятных белков, и многодоменной С-концевой редуктазы , которая гомологична НАДФН: цитохром P450 редуктазе ( EC 1.6.2.4) и другим флавопротеинам. Домен связывания FMN гомологичен флаводоксинам, а двухдоменный фрагмент, содержащий сайты связывания FAD и NADPH, гомологичен редуктазам флаводоксин-НАДФН. Междоменный линкер между доменами оксигеназы и редуктазы содержит последовательность связывания кальмодулина . Домен оксигеназы представляет собой уникальную расширенную бета-клеточную клетку с сайтами связывания для гема и птерина.

NOS могут быть димерными , кальмодулин-зависимыми или кальмодулинсодержащими цитохром p450 -подобными гемопротеинами , которые объединяют каталитические домены редуктазы и оксигеназы в одном димере, несут как флавинадениндинуклеотид (FAD), так и флавинмононуклеотид (FMN) и осуществляют 5`-электронное окисление неароматической аминокислоты аргинина с помощью тетрагидробиоптерина. [24]

Все три изоформы (каждая из которых, как предполагается, функционирует как гомодимер во время активации) имеют общий домен редуктазы с карбоксильным концом, гомологичный редуктазе цитохрома P450 . Они также имеют общий домен оксигеназы с аминоконцом, содержащий простетическую группу гема , которая связана в середине белка с доменом, связывающим кальмодулин . Связывание кальмодулина, по-видимому, действует как «молекулярный переключатель», позволяющий потоку электронов от простетических групп флавина в домене редуктазы к гему. Это облегчает преобразование O 2 и L -аргинина в NO и L -цитруллин. Домен оксигеназы каждой изоформы NOS также содержит простетическую группу BH 4 , которая необходима для эффективной генерации NO. В отличие от других ферментов, где BH 4 используется в качестве источника восстановительных эквивалентов и перерабатывается дигидробиоптеринредуктазой ( EC 1.5.1.33), BH 4 активирует связанный с гемом O 2 , отдавая один электрон, который затем повторно захватывается, обеспечивая высвобождение оксида азота.

Первая идентифицированная синтаза оксида азота была обнаружена в нейронной ткани (NOS1 или nNOS); эндотелиальная NOS (eNOS или NOS3) была третьей идентифицированной. Первоначально они были классифицированы как «конститутивно экспрессируемые» и «чувствительные к Ca 2+ », но теперь известно, что они присутствуют во многих различных типах клеток и что экспрессия регулируется при определенных физиологических условиях.

В NOS1 и NOS3 физиологические концентрации Ca 2+ в клетках регулируют связывание кальмодулина с «защелкивающимися доменами», тем самым инициируя перенос электронов от флавинов к гемовым фрагментам. Напротив, кальмодулин остается прочно связанным с индуцируемой и нечувствительной к Ca 2+ изоформой (iNOS или NOS2) даже при низкой внутриклеточной активности Ca 2+ , действуя по сути как субъединица этой изоформы.

Оксид азота может сам по себе регулировать экспрессию и активность NOS. В частности, было показано, что NO играет важную регуляторную роль отрицательной обратной связи в отношении NOS3 и, следовательно, функции эндотелиальных клеток сосудов. [25] Этот процесс, формально известный как S -нитрозирование (и упоминаемый многими в этой области как S -нитрозилирование), как было показано, обратимо ингибирует активность NOS3 в эндотелиальных клетках сосудов. Этот процесс может быть важным, поскольку он регулируется клеточными окислительно-восстановительными условиями и, таким образом, может обеспечивать механизм связи между «окислительным стрессом» и эндотелиальной дисфункцией. В дополнение к NOS3, как было обнаружено, как NOS1, так и NOS2 являются S -нитрозированными, но доказательства динамической регуляции этих изоформ NOS этим процессом менее полны [ необходима ссылка ] . Кроме того, было показано, что как NOS1, так и NOS2 образуют комплексы железа и нитрозила в своих простетических группах гема, которые могут частично самоинактивировать эти ферменты при определенных условиях [ требуется ссылка ] . Скорость-лимитирующим этапом для производства оксида азота вполне может быть доступность L -аргинина в некоторых типах клеток. Это может быть особенно важно после индукции NOS2.

Ингибиторы

Роноптерин (VAS-203), также известный как 4-аминотетрагидробиоптерин (4-ABH 4 ), аналог BH 4 (кофактор NOS), является ингибитором NOS, который разрабатывается как нейропротекторное средство для лечения черепно-мозговой травмы .[1] Другие ингибиторы NOS, которые были исследованы или исследуются для возможного клинического применения, включают синдунистат, A-84643, ONO-1714, L-NOARG , NCX-456, VAS-2381, GW-273629, NXN-462, CKD-712, KD-7040 и гуанидиноэтилдисульфид, TFPI и другие.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ PDB : 3N5P ​; Delker SL, Xue F, Li H, Jamal J, Silverman RB, Poulos TL (декабрь 2010 г.). «Роль цинка в связывании изоформ-селективного ингибитора с нейрональной синтазой оксида азота». Биохимия . 49 (51): 10803–10. doi :10.1021/bi1013479. PMC  3193998 . PMID  21138269.
  2. ^ Ахмад, Нашрах; Ансари, Мохаммад Й.; Хакки, Тарик М. (октябрь 2020 г.). «Роль iNOS при остеоартрите: патологические и терапевтические аспекты». Журнал клеточной физиологии . 235 (10): 6366–6376. doi :10.1002/jcp.29607. ISSN  0021-9541. PMC 8404685. PMID 32017079  . 
  3. ^ abc Knowles RG, Moncada S (март 1994). «Синтазы оксида азота у млекопитающих». Biochem. J . 298 (2): 249–58. doi :10.1042/bj2980249. PMC 1137932 . PMID  7510950. 
  4. ^ Cortese-Krott M, Kulakov L, Opländer C, Kolb-Bachofen V, Kröncke K, Suschek C (июль 2014 г.). «Цинк регулирует образование оксида азота, полученного из iNOS, в эндотелиальных клетках». Redox Bio. J . 2014 (2): 945–954. doi :10.1016/j.redox.2014.06.011. PMC 4143817 . PMID  25180171. 
  5. ^ Liu Q, Gross SS (1996). "Сайты связывания синтазы оксида азота". Оксид азота, часть A: Источники и обнаружение NO; Синтаза NO . Методы в энзимологии. Т. 268. С. 311–24. doi :10.1016/S0076-6879(96)68033-1. ISBN 9780121821692. PMID  8782597.
  6. ^ Лю И, Фэн Цюй (июль 2012 г.). «NOing the heart: role of nitric oxide synthase-3 in heart development». Дифференциация . 84 (1): 54–61. doi :10.1016/j.diff.2012.04.004. PMID  22579300.
  7. ^ Burger DE, Lu X, Lei M, Xiang FL, Hammoud L, Jiang M, Wang H, Jones DL, Sims SM, Feng Q (октябрь 2009 г.). «Нейрональная синтаза оксида азота защищает от желудочковой аритмии, вызванной инфарктом миокарда, и смертности у мышей». Circulation . 120 (14): 1345–54. doi : 10.1161/CIRCULATIONAHA.108.846402 . PMID  19770398.
  8. ^ E. Loeb; K. El Asmar; S. Trabado; F. Gressier; R. Colle; A. Rigal; S. Martin; C. Verstuyft; B. Fève; P. Chanson; L. Becquemont; E. Corruble (январь 2022 г.). «Активность синтазы оксида азота при больших депрессивных эпизодах до и после лечения антидепрессантами: результаты большого исследования лечения случай-контроль». Psychological Medicine . 52 (1): 80–89. doi :10.1017/S0033291720001749. PMID  32524920. S2CID  219587961 . Получено 26 декабря 2021 г. .
  9. ^ Taylor BS, Kim YM, Wang Q, Shapiro RA, Billiar TR, Geller DA (ноябрь 1997 г.). «Оксид азота подавляет экспрессию гена синтазы оксида азота, индуцируемого гепатоцитами». Arch Surg . 132 (11): 1177–83. doi :10.1001/archsurg.1997.01430350027005. PMID  9366709.
  10. ^ ab Stuehr DJ (май 1999). "Синтазы оксида азота у млекопитающих". Biochim. Biophys. Acta . 1411 (2–3): 217–30. doi :10.1016/S0005-2728(99)00016-X. PMID  10320659.
  11. ^ Гусаров И, Стародубцева М, Ванг ЗК, МакКвейд Л, Липпард СДж, Стюр ДДж, Нудлер Э (май 2008). «Бактериальные синтазы оксида азота работают без выделенного окислительно-восстановительного партнера». J. Biol. Chem . 283 (19): 13140–7. doi : 10.1074/jbc.M710178200 . PMC 2442334. PMID  18316370 . 
  12. ^ Фёрстерманн, Ульрих; Сесса, Уильям (апрель 2012 г.). «Синтазы оксида азота: регуляция и функция». European Heart Journal . 33 (7): 829–837. doi :10.1093/eurheartj/ehr304. PMC 3345541. PMID  21890489 . 
  13. ^ Southan GJ, Szabó C (февраль 1996). «Селективное фармакологическое ингибирование различных изоформ синтазы оксида азота». Biochem. Pharmacol . 51 (4): 383–94. doi :10.1016/0006-2952(95)02099-3. PMID  8619882.
  14. ^ Ponting CP, Phillips C (март 1995). «Домены DHR в синтрофинах, нейрональных NO-синтазах и других внутриклеточных белках». Trends Biochem. Sci . 20 (3): 102–3. doi :10.1016/S0968-0004(00)88973-2. PMID  7535955.
  15. ^ abc Knowles RG, Moncada S (март 1994). «Синтазы оксида азота у млекопитающих». Biochem. J . 298 (2): 249–58. doi :10.1042/bj2980249. PMC 1137932 . PMID  7510950. 
  16. ^ Green SJ, Scheller LF, Marletta MA, Seguin MC, Klotz FW, Slayter M, Nelson BJ, Nacy CA (декабрь 1994 г.). «Оксид азота: цитокиновая регуляция оксида азота в устойчивости хозяина к внутриклеточным патогенам» (PDF) . Immunol. Lett . 43 (1–2): 87–94. doi :10.1016/0165-2478(94)00158-8. hdl : 2027.42/31140 . PMID  7537721.
  17. ^ Mungrue IN, Husain M, Stewart DJ (октябрь 2002 г.). «Роль NOS в сердечной недостаточности: уроки из генетических моделей мышей». Heart Fail Rev. 7 ( 4): 407–22. doi :10.1023/a:1020762401408. PMID  12379825. S2CID  26600958.
  18. ^ Аль-Аземи М., Рефаат Б., Амер С., Ола Б., Чапман Н., Леджер В. (август 2010 г.). «Экспрессия индуцируемой синтазы оксида азота в фаллопиевых трубах человека во время менструального цикла и при внематочной беременности». Fertil. Steril . 94 (3): 833–40. doi :10.1016/j.fertnstert.2009.04.020. PMID  19482272.
  19. ^ Маулик С.Дж., Джуньи З., Аниш ТВ, Ямуна К. (март 2020 г.). «Флуоресцентный зонд на основе ДНК отображает активность NOS3 с субклеточным пространственным разрешением». Нат. хим. Биол . 16 (6): 660–6. дои : 10.1038/s41589-020-0491-3. PMID  32152543. S2CID  212642840.
  20. ^ Liu J, Hughes TE, Sessa WC (июнь 1997 г.). «Первые 35 аминокислот и жирных участков ацилирования определяют молекулярное нацеливание эндотелиальной синтазы оксида азота в область Гольджи клеток: исследование зеленого флуоресцентного белка». J. Cell Biol . 137 (7): 1525–35. doi :10.1083/jcb.137.7.1525. PMC 2137822. PMID  9199168 . 
  21. ^ Ююн МФ, Нг ЛЛ, Нг ГА (2018). «Эндотелиальная дисфункция, биодоступность эндотелиального оксида азота, тетрагидробиоптерин и 5-метилтетрагидрофолат при сердечно-сосудистых заболеваниях. Где мы находимся с терапией?». Microvascular Research . 119 : 7–12. doi : 10.1016/j.mvr.2018.03.012. PMID  29596860.
  22. ^ Гусаров И, Нудлер Э (сентябрь 2005 г.). "NO-опосредованная цитопротекция: мгновенная адаптация к окислительному стрессу у бактерий". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 102 (39): 13855–60. Bibcode :2005PNAS..10213855G. doi : 10.1073/pnas.0504307102 . PMC 1236549 . PMID  16172391. 
  23. ^ Гусаров И, Шаталин К, Стародубцева М, Нудлер Э (сентябрь 2009 г.). «Эндогенный оксид азота защищает бактерии от широкого спектра антибиотиков». Наука . 325 (5946): 1380–4. Бибкод : 2009Sci...325.1380G. дои : 10.1126/science.1175439. ПМК 2929644 . ПМИД  19745150. 
  24. ^ Chinje EC, Stratford IJ (1997). «Роль оксида азота в росте солидных опухолей: балансирующий акт». Essays Biochem . 32 : 61–72. PMID  9493011.
  25. ^ Копинцова, Яна; Пужерова, Анжелика; Бернатова, Ивета (01.06.2011). «Биохимические аспекты регуляции синтазы оксида азота по обратной связи с помощью оксида азота». Междисциплинарная токсикология . 4 (2): 63–8. дои : 10.2478/v10102-011-0012-z. ISSN  1337-9569. ПМК 3131676 . ПМИД  21753901. 

Внешние ссылки