Диоксигеназа оксида азота - Nitric oxide dioxygenase

диоксигеназа оксида азота
PDB 1gvh.jpg
Кишечная палочка флавогемоглобин / структура NOD. зеленый = домен редуктазы, синий = домен гемоглобина.[1]
Идентификаторы
Номер ЕС1.14.12.17
Количество CAS214466-78-1
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Диоксигеназа оксида азота (ЕС 1.14.12.17 ) является фермент который катализирует превращение оксид азота (НЕТ) в нитрат (НЕТ−
3).[2] Итоговая реакция реакции, катализируемой диоксигеназой оксида азота, показана ниже:

  • 2НО + 2О2 + НАД (P) H → 2НО3− + НАД (P)+ + H+

Оксид азота представляет собой повсеместно распространенную небольшую молекулу, которая интегрирована в широкий спектр физиологических процессов, включая вазодилатацию гладких мышц, дезагрегацию тромбоцитов, нейротрансмиссию и иммунный ответ на бактериальную инфекцию.[3][4] Избыточное производство этой сигнальной молекулы может быть смертельным для клеток из-за отравления выработки клеточной энергии. Наиболее чувствительными мишенями NO являются аконитаза, фермент, который катализирует изомеризацию цитрат к изоцитрат в цикле лимонной кислоты, и цитохромоксидаза, последний фермент в дыхательной цепи переноса электронов митохондрий.[5] Кроме того, NO с его единственным радикалом на атоме азота участвует во многих вторичных механизмах токсичности, включая каталаза ингибирование (приводящее к токсичности перекиси водорода) высвобождения железа из центра Fe-S и образования комплексов динитозил-железо.

Из-за потенциальной летальности NO клетки сильно выиграли от эволюции фермента, способного катализировать превращение токсичного NO в нитрат. «Диоксигеназа оксида азота» - это фермент, способный проводить эту реакцию. NO диоксигеназа принадлежит к семейству оксидоредуктазы, а точнее те, которые действуют на парных доноров, с O2 как окислитель и с включением двух атомов кислорода в другой донор.

Механизм реакции

Механизм действия до сих пор полностью не выведен, однако ведущая теория предполагает, что преобразование осуществляется посредством серии окислительно-восстановительных реакций с участием центров железа, как показано в серии полуреакций ниже:[6]

ШагРеакция
Снижение FADНАД (P) H + FAD + H+ → НАД (П)+ + FADH2
Восстановление железа 1FADH2 + Fe3+ → Fe2+ + FADH + H+
Восстановление железа 2FADH + Fe3+ → FAD + Fe2+ + H+
О2 ПривязкаFe2+ + O2 → Fe3+(O2−)
НЕТ диоксигенацииFe3+(O2−) + NO → Fe3+ + НЕТ3−

Другая теория, разработанная позднее (2009 г.), предполагает, что активность NO-диоксигеназы может также происходить через фенольное нитрование через предполагаемый промежуточный гем-пероксинитрит.[7]

Наиболее хорошо изученной NO-диоксигеназой является флавогемоглобин (flavoHb), показанный справа: Исследования показали, что флавогемоглобины индуцируются NO, нитритами, нитратами и агентами, высвобождающими NO, у различных бактерий и грибов.[6][8] Кроме того, было показано, что flavoHbs защищает бактерии, дрожжи и Dictyostelium discoideum от ингибирования роста и повреждения, опосредованного NO.[8][9][10]

Открытие

Диоксигеназа оксида азота была открыта и впервые описана в 1998 году как индуцибельный O2-зависимая ферментативная активность, защищающая бактерии от оксид азота токсичность.[11] Фермент идентифицировали с Кишечная палочка флавогемоглобин.[12]

Совсем недавно был идентифицирован другой белок как NO-диоксигеназа - гемовый белок (SHP) rhodobacter sphaeroides, новый цитохром с NO-диоксигеназной активностью.[13][14] Хотя биологическая функция SHP еще не определена, было показано, что SHP, связанный с кислородом, может быстро реагировать с оксидом азота с образованием нитрата.[13]

Структура и молекулярная функция

Белок флавогемоглобин содержит два домена: оксидоредуктаза FAD-связывающий домен, а б-тип гемсодержащий "глобин "домен и, возможно, оксидоредуктазный НАД-связывающий домен. Домен редуктазы поставляет электрон в гемовое железо для достижения высокой скорости каталитической диоксигенации NO. В дополнение к многочисленным флавогемоглобинам, многие далекие родственники гемоглобин надсемейство, включающее мышцы миоглобин, несимбиотическое растение гемоглобин и симбиотическое растение леггемоглобин, нейронная нейроглобин, и цитоплазматический цитоглобин[15][16] по-видимому, функционируют как диоксигеназы оксида азота (NOD), хотя клеточный донор (доноры) электронов для многих глобинов еще предстоит определить. Доноры электронов могут включать аскорбат, цитохром b.5 или ферредоксинредуктаза.[17] Каталитическую оксигенацию NO можно записать в простейшей форме:

НЕТ + О2 + е− НЕТ3−

Катализ очень эффективен. Заявленные константы скорости бимолекулярной диоксигенации NO варьируются от 2 x 107 M−1s−1 для цитоглобина до 3 х 109 M−1s−1 для флавогемоглобина, а скорость оборота составляет от 1 до 700 с−1. Структура, O2 связывание и восстановление глобинов, по-видимому, оптимизировано для функции диоксигеназы NO.

Физиологическая функция

Исторически сложилось так, что диоксигеназа оксида азота (около 1,8 миллиарда лет назад) служила современным аналогом функции гемоглобина / миоглобина для хранения и транспортировки кислорода. Gardner et al. (1998) предположили, что первый гемоглобин / миоглобин, вероятно, функционировал как фермент, использующий связанный «активированный» газообразный кислород для диоксигенирования NO у микробов.[18]

Большое разнообразие многоклеточных организмов, извлекающих выгоду из функций хранения и транспортировки кислорода миоглобина / гемоглобина, появилось намного позже (примерно 0,5 миллиарда лет назад).

В настоящее время известно, что NOD выполняют две важные физиологические функции в различных формах жизни: они предотвращают токсичность NO (также известную как «нитрозативный стресс») и регулируют передачу сигналов NO.[2] NOD принадлежат к большему семейству хорошо зарекомендовавших себя свободнорадикальных и активных кислородных детоксифицирующих ферментов, которые включают супероксиддисмутаза, каталаза, и пероксидаза.

Распространение в природе

NOD, а также многие гемоглобины, которые функционируют как NOD, распространяются среди большинства форм жизни, включая бактерии, грибы, протистов, червей, растения и животных. Фактически, диоксигенация оксида азота, по-видимому, является основной функцией членов суперсемейства гемоглобинов. Более того, становится все более очевидным, что NOD-функция глобинов встречается гораздо чаще.[19] чем парадигматический O2 транспортно-накопительная функция эритроцитов гемоглобин[20] который был впервые исследован и описан более века назад Феликс Хоппе-Зейлер и другие.[21] Другие белки, которые могут действовать как NOD, включают микросомальный цитохром P450 млекопитающих (s).[22] и роман O2-связывающий цитохром б из Rhodobacter sphaeroides.[13]

Технологии

Ингибиторы NOD разрабатываются для применения в качестве микробных антибиотиков,[23][24] противоопухолевые агенты и модуляторы передачи сигналов NO. Самым известным классом ингибиторов диоксигеназы NO на сегодняшний день является имидазол антибиотики. Было показано, что имидазолы координируются с атомом железа гема микробного флавогемоглобина, ухудшают восстановление гема трехвалентного железа, вызывают неконкурентное ингибирование по отношению к O2 и NO, и подавляют метаболизм NO дрожжами и бактериями.[25] В частности, было показано, что имидазолы, несущие объемные ароматические заместители, обладают потенциалом для селективного и высокоаффинного ингибирования функции NO-диоксигеназы за счет координации каталитического гемового железа и «приспособления» к большому гидрофобному дистальному карману гема.[25][26][27] В результате была предложена разработка имидазола как средство специфического ингибирования диоксигеназ NO.

Кроме того, разрабатываются генетически модифицированные растения с гетерологичными NOD флавогемоглобина для ограничения токсичности NO, создаваемой метаболизмом азотных удобрений почвенными микробами, и в качестве средства самоопыления растений за счет поглощения NO из окружающей среды.

Недавно был разработан лентивирусный вектор, который позволяет экспрессировать Кишечная палочка flavoHb в клетках млекопитающих. Этот подход продемонстрировал, что flavoHb действительно ферментативно активен в клетках человека и мыши и сильно блокирует экзогенные и эндогенные источники нитрозативного стресса.[28] Затем эта технология была расширена, чтобы исследовать роль синтеза NO в высокогенных онкогенных раковых стволовых клетках (CSC) из образцов глиобластомы (опухоли головного мозга) человека. Экспрессия flavoHb в ксенотрансплантатах опухолей приводила к истощению NO, генерируемого iNOS / NOS2. Фенотипическим результатом была потеря канцерогенности CSC и улучшение выживаемости мышей.[29] Эти эксперименты демонстрируют, что flavoHb можно использовать для in vivo исследования биологии оксида азота и предполагают, что терапевтическое истощение NO может быть достигнуто за счет гетерологичной экспрессии бактериальных flavoHbs.

Рекомендации

  1. ^ PDB: 1гвч​; Илари А., Бонамор А., Фарина А., Джонсон К. А., Боффи А. (июнь 2002 г.). «Рентгеновская структура трехвалентного железа. кишечная палочка флавогемоглобин обнаруживает неожиданную геометрию дистального гемового кармана ». J. Biol. Chem. 277 (26): 23725–32. Дои:10.1074 / jbc.M202228200. PMID  11964402.
  2. ^ а б Forrester MT, Foster MW (май 2012 г.). «Защита от нитрозативного стресса: центральная роль микробного флавогемоглобина». Свободный Радич. Биол. Med. 52 (9 =): 1620–33. Дои:10.1016 / j.freeradbiomed.2012.01.028. PMID  22343413.
  3. ^ Монкада С., Палмер Р.М., Хиггс Е.А. (июнь 1991 г.). «Оксид азота: физиология, патофизиология и фармакология». Pharmacol. Rev. 43 (2): 109–42. PMID  1852778.
  4. ^ Fang FC (октябрь 2004 г.). «Антимикробные реактивные формы кислорода и азота: концепции и противоречия». Nat. Rev. Microbiol. 2 (10): 820–32. Дои:10.1038 / nrmicro1004. PMID  15378046.
  5. ^ Гарднер П.Р., Костантино Г., Сабо С., Зальцман А.Л. (октябрь 1997 г.). «Чувствительность аконитаз к оксиду азота». J. Biol. Chem. 272 (40): 25071–6. Дои:10.1074 / jbc.272.40.25071. PMID  9312115.
  6. ^ а б Гарднер П.Р., Гарднер А.М., Мартин Л.А., Зальцман А.Л. (сентябрь 1998 г.). «Диоксигеназа оксида азота: ферментативная функция флавогемоглобина». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 95 (18): 10378–83. Дои:10.1073 / пнас.95.18.10378. ЧВК  27902. PMID  9724711.
  7. ^ Шопфер М.П., ​​Мондал Б., Ли Д.Х., Сарджант А.А., Карлин К.Д. (август 2009 г.). «Реакционная способность диоксигеназы оксида азота (NOD) гем / O2 / * NO: фенольное нитрование через предполагаемый промежуточный гем-пероксинитрит». Варенье. Chem. Soc. 131 (32): 11304–5. Дои:10.1021 / ja904832j. ЧВК  2747244. PMID  19627146.
  8. ^ а б Гарднер П.Р., Гарднер А.М., Мартин Л.А., Доу Й., Ли Т., Олсон Дж.С., Чжу Х., Риггс А.Ф. (октябрь 2000 г.). «Активность диоксигеназы оксида азота и функция флавогемоглобинов. Чувствительность к ингибированию оксида азота и оксида углерода». J. Biol. Chem. 275 (41): 31581–7. Дои:10.1074 / jbc.M004141200. PMID  10922365.
  9. ^ Хаусладен А., Гоу А. Дж., Стамлер Дж. С. (2001). «Флавогемоглобин-денитрозилаза катализирует реакцию нитроксильного эквивалента с молекулярным кислородом». PNAS. 98 (18): 10108–12. Дои:10.1073 / pnas.181199698. ЧВК  56923. PMID  11517313.
  10. ^ Миллс С.Е., Седельникова С., Себалле Б., Хьюз М.Н., Пул РК (январь 2001 г.). «Флавогемоглобин Escherichia coli (Hmp) с эквистехиометрическим FAD и содержанием гема имеет низкое сродство к диоксиду в отсутствие или в присутствии оксида азота». Biochem. J. 353 (Pt 2): 207–13. Дои:10.1042/0264-6021:3530207. ЧВК  1221560. PMID  11139382.
  11. ^ Гарднер П.Р., Константино Г., Зальцман А.Л. (1998). «Конститутивная и адаптивная детоксикация оксида азота в кишечная палочка. Роль диоксигеназы оксида азота в защите аконитазы ». J. Biol. Chem. 273 (41): 26528–33. Дои:10.1074 / jbc.273.41.26528. PMID  9756889.
  12. ^ Гарднер П.Р., Гарднер А.М., Мартин Л.А., Зальцман А.Л. (1998). «Диоксигеназа оксида азота: ферментативная функция флавогемоглобина». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 95 (18): 10378–83. Дои:10.1073 / пнас.95.18.10378. ЧВК  27902. PMID  9724711.
  13. ^ а б c Ли Б. Р., Андерсон Дж. Л., Моват К. Г., Майлз К. С., Рид Г. А., Чепмен С. К. (октябрь 2008 г.). «Гемовый белок Rhodobacter sphaeroides: новый цитохром с активностью диоксигеназы оксида азота». Biochem. Soc. Транс. 36 (Pt 5): 992–5. Дои:10.1042 / BST0360992. PMID  18793176.
  14. ^ Бартникас Т.Б., Тоскес И.Е., Ларатта В.П., Ши Дж., Шепли Дж.П. (июнь 1997 г.). «Характеристика области, кодирующей редуктазу оксида азота, в Rhodobacter sphaeroides 2.4.3». J. Bacteriol. 179 (11): 3534–40. Дои:10.1128 / jb.179.11.3534-3540.1997. ЧВК  179145. PMID  9171397.
  15. ^ Гарднер AM, Кук MR, Gardner PR (июль 2010 г.). «Азотно-оксиддиоксигеназная функция человеческого цитоглобина с клеточными восстановителями и в гепатоцитах крысы». J. Biol. Chem. 285 (31): 23850–7. Дои:10.1074 / jbc.M110.132340. ЧВК  2911317. PMID  20511233.
  16. ^ Halligan KE, Jourd'heuil FL, Jourd'heuil D (март 2009 г.). «Цитоглобин экспрессируется в сосудистой сети и регулирует клеточное дыхание и пролиферацию посредством диоксигенации оксида азота». J. Biol. Chem. 284 (13): 8539–47. Дои:10.1074 / jbc.M808231200. ЧВК  2659212. PMID  19147491.
  17. ^ Gardner PR (январь 2005 г.). «Функция диоксигеназы оксида азота и механизм флавогемоглобина, гемоглобина, миоглобина и связанных с ними редуктаз». J. Inorg. Биохим. 99 (1): 247–66. Дои:10.1016 / j.jinorgbio.2004.10.003. PMID  15598505.
  18. ^ Гарднер П.Р., Гарднер А.М., Мартин Л.А., Зальцман А.Л. (сентябрь 1998 г.). «Диоксигеназа оксида азота: ферментативная функция флавогемоглобина». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 95 (18): 10378–83. Дои:10.1073 / пнас.95.18.10378. ЧВК  27902. PMID  9724711.
  19. ^ Gardner PR (октябрь 2012 г.). «Гемоглобин: диоксигеназа оксида азота». Scientifica. 2012: 34. Дои:10.6064/2012/683729. ЧВК  3820574.
  20. ^ Виноградов С.Н., Моэнс Л. (апрель 2008 г.). «Разнообразие функций глобина: ферментативная, транспортная, складская и сенсорная». J. Biol. Chem. 283 (14): 8773–7. Дои:10.1074 / jbc.R700029200. PMID  18211906.
  21. ^ Хоппе-Зейлер F (1866 г.). "Uber die Oxydation in lebenden Blute". Med.-Chem. Untersuch Lab. 1: 133–40.
  22. ^ Hallstrom CK, Gardner AM, Gardner PR (июль 2004 г.). «Метаболизм оксида азота в клетках млекопитающих: профили субстрата и ингибитора микросомальной диоксигеназы оксида азота, связанной с НАДФН-цитохромом P450 оксидоредуктазой». Свободный Радич. Биол. Med. 37 (2): 216–28. Дои:10.1016 / j.freeradbiomed.2004.04.031. PMID  15203193.
  23. ^ Хельмик Р.А., Флетчер А.Е., Гарднер А.М., Гесснер С.Р., Хвитвед А.Н., Гастин М.К., Гарднер П.Р. (май 2005 г.). «Имидазольные антибиотики подавляют функцию диоксигеназы оксида азота микробного флавогемоглобина». Антимикробный. Агенты Chemother. 49 (5): 1837–43. Дои:10.1128 / AAC.49.5.1837-1843.2005. ЧВК  1087630. PMID  15855504.
  24. ^ Эль-Хамми Э., Варкентин Э., Деммер У., Лимам Ф., Марзуки Н.М., Эрмлер У., Басиу Л. (февраль 2011 г.). «Структура флавогемоглобина Ralstonia eutropha в комплексе с тремя соединениями азола антибиотика». Биохимия. 50 (7): 1255–64. Дои:10.1021 / bi101650q. PMID  21210640.
  25. ^ а б Хелмик Р.А., Флетчер А.Э., Гарднер А.М., Гесснер С.Р., Хвитвед А.Н., Гастин М.К., Гарднер П.Р. (май 2005 г.). «Имидазольные антибиотики подавляют функцию диоксигеназы оксида азота микробного флавогемоглобина». Антимикробный. Агенты Chemother. 49 (5): 1837–43. Дои:10.1128 / AAC.49.5.1837-1843.2005. ЧВК  1087630. PMID  15855504.
  26. ^ Эрмлер У., Сиддики Р.А., Крамм Р., Фридрих Б. (декабрь 1995 г.). «Кристаллическая структура флавогемоглобина из Alcaligenes eutrophus с разрешением 1,75 Å». EMBO J. 14 (24): 6067–77. Дои:10.1002 / j.1460-2075.1995.tb00297.x. ЧВК  394731. PMID  8557026.
  27. ^ Ollesch G, Kaunzinger A, Juchelka D, Schubert-Zsilavecz M, Ermler U (июнь 1999 г.). «Фосфолипид, связанный с флавогемопротеином из Alcaligenes eutrophus». Евро. J. Biochem. 262 (2): 396–405. Дои:10.1046 / j.1432-1327.1999.00381.x. PMID  10336624.
  28. ^ Forrester MT, Eyler CE, Rich JN (январь 2011 г.). «Бактериальный флавогемоглобин: молекулярный инструмент для исследования биологии оксида азота млекопитающих». Биотехнологии. 50 (1 =): 41–45. Дои:10.2144/000113586. ЧВК  3096140. PMID  21231921.
  29. ^ Eyler CE, Wu Q, Yan K, MacSwords JM, Chandler-Militello D, Misuraca KL, Lathia JD, Forrester MT, Lee J, Stamler JS, Goldman SA, Bredel M, McLendon RE, Sloan AE, Hjelmeland AB, Rich JN ( Июль 2011 г.). «Пролиферации стволовых клеток глиомы и росту опухолей способствует синтаза оксида азота-2». Клетка. 146 (1 =): 53–66. Дои:10.1016 / j.cell.2011.06.006. ЧВК  3144745. PMID  21729780.