Синтаза оксида азота - Nitric oxide synthase

Синтаза оксида азота
1nsi.png
Индуцибельная синтаза оксида азота человека. PDB 1 нси
Идентификаторы
Номер ЕС1.14.13.39
Количество CAS125978-95-2
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Синтаза оксида азота, оксигеназный домен
Оксид азота Synthase.png
Структура гемового домена эндотелиальной синтазы оксида азота.[1]
Идентификаторы
СимволNO_synthase
PfamPF02898
ИнтерПроIPR004030
SCOP21nos / Объем / СУПФАМ

Синтазы оксида азота (ЕС 1.14.13.39 ) (БДУ) являются семьей ферменты катализируя производство оксид азота (НЕТ) от L-аргинин. НЕТ - это важно сотовая сигнализация молекула. Это помогает модулировать сосудистый тонус, инсулин секреция, тонус дыхательных путей и перистальтика, и участвует в ангиогенез и нейронное развитие. Может функционировать как ретроградный нейротрансмиттер. Оксид азота у млекопитающих опосредуется кальций -кальмодулин контролируемый изоферменты eNOS (эндотелиальный NOS) и nNOS (нейрональный NOS). Индуцибельная изоформа, iNOS, участвующая в иммунном ответе, связывает кальмодулин в физиологически значимых концентрациях и продуцирует NO в качестве механизма иммунной защиты, поскольку NO представляет собой свободный радикал с неспаренным электроном. Это возможная причина из септический шок и может функционировать в аутоиммунный болезнь.

NOS катализирует реакцию:[2]

Изоформы NOS катализируют другие протечки и побочные реакции, такие как супероксид производство за счет НАДФН. По существу, эта стехиометрия обычно не наблюдается и отражает три электрона, поставляемых НАДФН на NO.

БДУ необычны тем, что для них требуется пять кофакторы. Изоферменты NOS эукариот каталитически самодостаточны. Электронный поток в реакции NO-синтазы: НАДФН → FAD → FMN → гем → О2. Тетрагидробиоптерин обеспечивает дополнительный электрон во время каталитического цикла, который заменяется во время оборота. NOS - единственный известный фермент это связывает флавинаденин динуклеотид (FAD), флавинмононуклеотид (FMN), гем, тетрагидробиоптерин (BH4) и кальмодулин.[нужна цитата ]

Распространение видов

Синтез NO на основе аргинина был идентифицирован у млекопитающих, рыб, птиц, беспозвоночных и бактерий.[3] Лучше всего изучены млекопитающие, у которых три разных гена кодируют NOS. изоферменты: нейронный (nNOS или NOS-1), цитокин -индуцибельный (iNOS или NOS-2) и эндотелиальный (eNOS или NOS-3).[2] iNOS и nNOS растворимы и обнаруживаются преимущественно в цитозоль, в то время как eNOS ассоциирован с мембраной. Были обнаружены доказательства передачи сигналов NO у растений, но геномы растений лишены гомологов надсемейства, которое генерирует NO в других царствах.

Функция

У млекопитающих изоформа эндотелия является основным генератором сигналов для контроля сосудистого тонуса, секреции инсулина и тонуса дыхательных путей, участвует в регуляции сердечной функции и ангиогенеза (рост новых кровеносных сосудов). NO, продуцируемый eNOS, является вазодилататором, идентичным релаксирующий фактор эндотелия возникает в ответ на сдвиг из-за увеличения кровотока в артериях. Это расширяет кровеносные сосуды за счет расслабления гладких мышц их подкладки. eNOS является основным регулятором тонуса гладких мышц. НЕТ активирует гуанилатциклаза, который вызывает расслабление гладких мышц за счет:

  • Повышенный внутриклеточный цГМФ, который ингибирует кальций проникновение в клетку и снижает внутриклеточную концентрацию кальция
  • Активация K+ каналов, что приводит к гиперполяризации и релаксации
  • Стимулирует cGMP-зависимый белок киназа что активирует миозин фосфатаза легкой цепи, фермент, который дефосфорилирует миозин легкие цепи, что приводит к расслаблению гладких мышц.

eNOS играет критическую роль в эмбриональном развитии сердца и морфогенезе коронарных артерий и сердечных клапанов.[4]

Изоформа нейронов участвует в развитии нервной системы. Он функционирует как ретроградный нейромедиатор, важный для долгосрочной потенциации и, следовательно, вероятно, важен для памяти и обучения. nNOS выполняет множество других физиологических функций, включая регуляцию сердечной функции, перистальтики и сексуального возбуждения у мужчин и женщин. Альтернативно сплайсированная форма nNOS представляет собой основной мышечный белок, который производит сигналы в ответ на высвобождение кальция из SR. nNOS в сердце защищает от сердечной аритмии, вызванной инфарктом миокарда.[5]

Первичным приемником NO, продуцируемого eNOS и nNOS, является растворимая гуанилатциклаза, но были идентифицированы многие вторичные мишени. S-нитрозилирование, по-видимому, является важным механизмом действия.

Индуцибельная изоформа iNOS продуцирует большое количество NO в качестве защитного механизма. Он синтезируется многими типами клеток в ответ на цитокины и является важным фактором в реакции организма на атаку паразитов, бактериальную инфекцию и рост опухоли. Это также причина септический шок и может играть роль во многих заболеваниях аутоиммунной этиологии.

Передача сигналов NOS участвует в развитии и оплодотворении позвоночных. Он был вовлечен в переходы между вегетативным и репродуктивным состояниями у беспозвоночных, а также в дифференциацию, ведущую к образованию спор в слизистой плесени. NO, продуцируемый бактериальными NOS, защищает от окислительного повреждения.

Классификация

Различные члены семейства NOS кодируются отдельными генами.[6] У млекопитающих известны три изоформы: две конститутивные (cNOS) и третья индуцибельная (iNOS).[7] Клонирование ферментов NOS указывает на то, что cNOS включают как конститутивные (NOS1 ) и эндотелиальный конститутивный (NOS3 ); третий - индуцибельный (NOS2 ) ген.[7] Недавно активность NOS была продемонстрирована у нескольких видов бактерий, включая печально известные патогены Bacillus anthracis и Staphylococcus aureus.[8]

Различные формы NO-синтазы классифицируются следующим образом:

имяГен (ы)РасположениеФункция
Нейронный NOS (nNOS или NOS1)NOS1 (Хромосома 12)
  • несколько функций (см. ниже)
Индуцируемые БДУ (iNOS или NOS2)

Нечувствителен к кальцию

NOS2 (Хромосома 17)
Эндотелиальный БДУ (eNOS или NOS3 или cNOS)NOS3 (Хромосома 7)
Бактериальные БДУ (bNOS)множественный

nNOS

Нейронный NOS (nNOS) производит NO в нервная ткань как в центральной, так и в периферийной нервная система. В его функции входят:[9]

  • Синаптическая пластичность в центральной нервной системе (ЦНС)
  • Расслабление гладких мышц
  • Центральная регуляция артериального давления
  • Расширение сосудов через периферические нитрергические нервы

Нейрональная БДУ также играет роль в клеточной коммуникации и связана с плазматическими мембранами. Действие nNOS может быть заблокировано NPA (N-пропил-L-аргинин ). Эта форма фермента специфически ингибируется 7-нитроиндазол.[10]

Субклеточная локализация nNOS в скелетных мышцах опосредуется закреплением nNOS на дистрофин. nNOS содержит дополнительный N-концевой домен, PDZ домен.[11]

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

iNOS

В отличие от критической кальций-зависимой регуляции конститутивных ферментов NOS (nNOS и eNOS), iNOS была описана как нечувствительная к кальцию, вероятно, из-за ее тесного нековалентного взаимодействия с кальмодулином (CaM) и Ca2+. Ген, кодирующий iNOS, расположен на 17-й хромосоме.[12] Хотя доказательства «исходной» экспрессии iNOS были неуловимы, IRF1 и NF-κB -зависимая активация индуцибельного промотора NOS поддерживает стимуляцию этого транскрипта, опосредованную воспалением. iNOS производит большое количество NO при стимуляции, например, путем провоспалительные цитокины (например. Интерлейкин-1, Фактор некроза опухоли альфа и Интерферон гамма ).[13]

Индукция iNOS с высоким выходом обычно происходит в окислительной среде, и, таким образом, высокие уровни NO имеют возможность реагировать с супероксидом ведущий к пероксинитрит образование и клеточная токсичность. Эти свойства могут определять роль iNOS в иммунитете хозяина, делая возможным его участие в антимикробной и противоопухолевой активности как часть окислительного взрыва макрофагов.[14]

Было высказано предположение, что патологическое поколение оксид азота из-за увеличения производства iNOS может снизиться трубка ресничный сокращений и сокращений гладкой мускулатуры и, таким образом, влияет на транспорт эмбрионов, что может внематочная беременность.[15]

eNOS

Основная статья: Эндотелиальный БДУ

Эндотелиальная NOS (eNOS), также известная как синтаза оксида азота 3 (NOS3), генерирует NO в кровеносный сосуд и участвует в регуляции функции сосудов. Ген, кодирующий eNOS, расположен на хромосоме 7.[12] Учредительный Ca2+ зависимая NOS обеспечивает базальное высвобождение NO. eNOS связан с «кавеолами», компонентом плазматических мембран, окружающих клетки, и мембран тел Гольджи внутри клеток. Локализация eNOS на эндотелиальных мембранах опосредуется котрансляционным N-концевым миристоилирование и посттрансляционный пальмитоилирование.[16]

bNOS

Бактериальная NOS (bNOS) защищает бактерии от окислительного стресса, различных антибиотиков и иммунного ответа хозяина. bNOS играет ключевую роль в транскрипции супероксиддисмутаза (SodA). Бактерии на поздних этапах логарифмической фазы, которые не обладают bNOS, не могут активировать SodA, что отключает защиту от вредного окислительного стресса. Первоначально bNOS мог присутствовать для подготовки клетки к стрессовым условиям, но теперь, похоже, помогает защитить бактерии от обычных антимикробных препаратов. В качестве клинического применения ингибитор bNOS может быть получен для уменьшения количества грамположительных бактерий.[17][18]

Химическая реакция

NOSreaction.svg

Синтазы оксида азота производят NO, катализируя пятиэлектронное окисление гуанидинового азота L-аргинин (L-Arg). Окисление L-Arg к L-цитруллин происходит через две последовательные реакции монооксигенации, производящие Nω-гидрокси-L-аргинин (NOHLA) в качестве промежуточного продукта. 2 моль O2 и 1,5 моль НАДФН расходуются на моль образовавшегося NO.[2]

Структура

Ферменты существуют в виде гомодимеров. У эукариот каждый мономер состоит из двух основных областей: N-концевой оксигеназа домен, который принадлежит к классу гем-тиолатных белков, и многодоменный C-концевой редуктаза, который гомологичен НАДФН:цитохром Р450 редуктаза (ЕС 1.6.2.4 ) и другие флавопротеины. Связывающий домен FMN гомологичен флаводоксинам, а двухдоменный фрагмент, содержащий сайты связывания FAD и NADPH, гомологичен флаводоксин-NADPH-редуктазам. Междоменный линкер между доменами оксигеназы и редуктазы содержит кальмодулин -вяжущая последовательность. Оксигеназный домен представляет собой уникальную расширенную клетку бета-листа с сайтами связывания для гема и птерина.

БДУ могут быть димерный, кальмодулин-зависимый или кальмодулин-содержащий цитохром p450 -подобно гемопротеин который объединяет каталитические домены редуктазы и оксигеназы в один димер, несут оба флавинаденин динуклеотид (FAD) и флавинмононуклеотид (FMN) и провести 5'-электронное окисление неароматических аминокислота аргинин с помощью тетрагидробиоптерина.[19]

Все три изоформы (каждый из которых, как предполагается, функционирует как гомодимер во время активации) разделяют карбокси-концевой домен редуктазы, гомологичный цитохром Р450 редуктаза. Они также имеют общий аминоконцевой оксигеназный домен содержащий гем протезная группа, который связан в середине белок к кальмодулин -связывающий домен. Связывание кальмодулина, по-видимому, действует как «молекулярный переключатель», позволяющий электрон поток от простетических групп флавина в домене редуктазы к гему. Это облегчает преобразование O2 и L-аргинин к Нет и L-цитруллин. Оксигеназный домен каждой изоформы NOS также содержит BH4 протезная группа, необходимая для эффективной генерации NO. В отличие от других ферментов, где BH4 используется в качестве источника восстановительных эквивалентов и перерабатывается дигидробиоптеринредуктаза (ЕС 1.5.1.33 ), BH4 активирует связанный с гемом O2 отдавая один электрон, который затем повторно захватывается, чтобы обеспечить высвобождение оксида азота.

Первая идентифицированная синтаза оксида азота была обнаружена в нейрональной ткани (NOS1 или nNOS); то эндотелиальный NOS (eNOS или NOS3) был идентифицирован третьим. Первоначально они были классифицированы как «конститутивно выраженные» и «Ca2+ чувствительный ", но теперь известно, что они присутствуют во многих различных ячейка типы, и это выражение регулируется в определенных физиологических условиях.

В NOS1 и NOS3 физиологические концентрации Ca2+ в клетках регулируют связывание кальмодулина с «доменами защелки», тем самым инициируя перенос электронов от флавины к гем фрагменты. Напротив, кальмодулин остается тесно связанным с индуцибельными и Ca2+-нечувствительная изоформа (iNOS или NOS2) даже при низком внутриклеточном Ca2+ активность, действуя по существу как субъединица этой изоформы.

Оксид азота сам может регулировать экспрессию и активность NOS. В частности, было показано, что NO играет важную роль. негативный отзыв регулирующая роль в отношении NOS3 и, следовательно, функция эндотелиальных клеток сосудов.[20] Этот процесс, формально известный как S-нитрозирование (многие специалисты называют его S-нитрозилирование), как было показано, обратимо ингибирует активность NOS3 в эндотелиальных клетках сосудов. Этот процесс может быть важным, потому что он регулируется клеточными окислительно-восстановительными условиями и может, таким образом, обеспечивать механизм связи между «окислительным стрессом» и эндотелиальной дисфункцией. В дополнение к NOS3, как NOS1, так и NOS2 оказались S-нитрозирован, но доказательства динамической регуляции этих изоформ NOS этим процессом менее полны[нужна цитата ]. Кроме того, как NOS1, так и NOS2, как было показано, образуют железо-нитрозильные комплексы в своих простетических группах гема, которые могут частично действовать, самоинактивируя эти ферменты при определенных условиях.[нужна цитата ]. Ограничивающим скорость этапом производства оксида азота вполне может быть доступность L-аргинин в некоторых типах клеток. Это может быть особенно важно после индукция из NOS2.

Ингибиторы

Роноптерин (VAS-203), также известный как 4-аминотетрагидробиоптерин (4-ABH4), аналог BH4 (кофактор NOS), представляет собой ингибитор NOS, который разрабатывается как нейропротекторный агент для лечения травматическое повреждение мозга.[1] Другие ингибиторы NOS, которые были или исследуются для возможного клинического использования, включают: cindunistat, A-84643, ОНО-1714, L-NOARG, NCX-456, ВАС-2381, GW-273629, NXN-462, CKD-712, КД-7040, и гуанидиноэтилдисульфид, среди прочего.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ PDB: 3Н5П​; Делкер С.Л., Сюэ Ф., Ли Х., Джамал Дж., Сильверман РБ, Поулос Т.Л. (декабрь 2010 г.). «Роль цинка в связывании селективного изоформ ингибитора с нейрональной синтазой оксида азота». Биохимия. 49 (51): 10803–10. Дои:10.1021 / bi1013479. ЧВК  3193998. PMID  21138269.
  2. ^ а б c Ноулз Р.Г., Moncada S (март 1994 г.). «Синтазы оксида азота у млекопитающих». Biochem. J. 298 (2): 249–58. Дои:10.1042 / bj2980249. ЧВК  1137932. PMID  7510950.
  3. ^ Лю Кью, Гросс СС (1996). «Сайты связывания синтаз оксида азота». Meth. Энзимол. Методы в энзимологии. 268: 311–24. Дои:10.1016 / S0076-6879 (96) 68033-1. ISBN  9780121821692. PMID  8782597.
  4. ^ Лю Ю., Фэн Цзинь (июль 2012 г.). «NOing the heart: роль синтазы оксида азота-3 в развитии сердца». Дифференциация. 84 (1): 54–61. Дои:10.1016 / j.diff.2012.04.004. PMID  22579300.
  5. ^ 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 вызванной инфарктом миокарда желудочковой аритмии и смертности мышей». Тираж. 120 (14): 1345–54. Дои:10.1161 / CIRCULATIONAHA.108.846402. PMID  19770398.
  6. ^ Тейлор Б.С., Ким Ю.М., Ван Кью, Шапиро Р.А., Биллиар Т.Р., Геллер Д.А. (ноябрь 1997 г.). «Оксид азота подавляет экспрессию генов синтазы оксида азота, индуцируемой гепатоцитами». Arch Surg. 132 (11): 1177–83. Дои:10.1001 / archsurg.1997.01430350027005. PMID  9366709.
  7. ^ а б Stuehr DJ (май 1999 г.). «Синтазы оксида азота млекопитающих». Биохим. Биофиз. Acta. 1411 (2–3): 217–30. Дои:10.1016 / S0005-2728 (99) 00016-X. PMID  10320659.
  8. ^ Гусаров И., Стародубцева М., Ван З. К., Маккуэйд Л., Липпард С.Дж., Штур Дж., Нудлер Э. (май 2008 г.). «Бактериальные синтазы оксида азота работают без специального редокс-партнера». J. Biol. Chem. 283 (19): 13140–7. Дои:10.1074 / jbc.M710178200. ЧВК  2442334. PMID  18316370.
  9. ^ Фёрстерманн, Ульрих; Сесса, Уильям (апрель 2012 г.). «Синтазы оксида азота: регуляция и функции». Европейский журнал сердца. 33 (7): 829–837. Дои:10.1093 / eurheartj / ehr304. ЧВК  3345541. PMID  21890489.
  10. ^ Southan GJ, Szabó C (февраль 1996 г.). «Селективное фармакологическое ингибирование отдельных изоформ синтазы оксида азота». Biochem. Pharmacol. 51 (4): 383–94. Дои:10.1016/0006-2952(95)02099-3. PMID  8619882.
  11. ^ Понтинг С.П., Филлипс К. (март 1995 г.). «Домены DHR в синтрофинах, нейрональных синтазах NO и других внутриклеточных белках». Trends Biochem. Наука. 20 (3): 102–3. Дои:10.1016 / S0968-0004 (00) 88973-2. PMID  7535955.
  12. ^ а б c Ноулз Р.Г., Moncada S (март 1994 г.). «Синтазы оксида азота у млекопитающих». Biochem. J. 298 (2): 249–58. Дои:10.1042 / bj2980249. ЧВК  1137932. PMID  7510950.
  13. ^ Грин С.Дж., Шеллер Л.Ф., Марлетта М.А., Сегин М.С., Клотц Ф.В., Слейтер М., Нельсон Б.Дж., Нейси, Калифорния (декабрь 1994 г.). «Оксид азота: цитокиновая регуляция оксида азота при устойчивости хозяина к внутриклеточным патогенам» (PDF). Иммунол. Латыш. 43 (1–2): 87–94. Дои:10.1016/0165-2478(94)00158-8. HDL:2027.42/31140. PMID  7537721.
  14. ^ Mungrue IN, Husain M, Stewart DJ (октябрь 2002 г.). «Роль NOS при сердечной недостаточности: уроки генетических моделей мышей». Heart Fail Rev. 7 (4): 407–22. Дои:10.1023 / а: 1020762401408. PMID  12379825.
  15. ^ Аль-Аземи М., Рефаат Б., Амер С., Ола Б., Чепмен Н., Леджер В. (август 2010 г.). «Экспрессия индуцибельной синтазы оксида азота в фаллопиевых трубах человека во время менструального цикла и при внематочной беременности». Fertil. Стерил. 94 (3): 833–40. Дои:10.1016 / j.fertnstert.2009.04.020. PMID  19482272.
  16. ^ Лю Дж., Хьюз Т.Э., Сесса В.К. (июнь 1997 г.). «Первые 35 сайтов аминокислот и ацилирования жиров определяют молекулярное нацеливание эндотелиальной синтазы оксида азота в область клеток Гольджи: исследование зеленого флуоресцентного белка». J. Cell Biol. 137 (7): 1525–35. Дои:10.1083 / jcb.137.7.1525. ЧВК  2137822. PMID  9199168.
  17. ^ Гусаров И., Нудлер Э. (сентябрь 2005 г.). «NO-опосредованная цитопротекция: мгновенная адаптация бактерий к окислительному стрессу». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 102 (39): 13855–60. Дои:10.1073 / pnas.0504307102. ЧВК  1236549. PMID  16172391.
  18. ^ 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. Дои:10.1126 / science.1175439. ЧВК  2929644. PMID  19745150.
  19. ^ Chinje EC, Стратфорд IJ (1997). «Роль оксида азота в росте солидных опухолей: балансирующее действие». Очерки Биохимии. 32: 61–72. PMID  9493011.
  20. ^ Копинцова, Яна; Пужерова, Анжелика; Бернатова, Ивета (01.06.2011). «Биохимические аспекты регуляции обратной связи синтазы оксида азота оксидом азота». Междисциплинарная токсикология. 4 (2): 63–8. Дои:10.2478 / v10102-011-0012-z. ISSN  1337-9569. ЧВК  3131676. PMID  21753901.

внешняя ссылка