Диоксигеназа оксида азота

диоксигеназа оксида азота (EC 1.14.12.17 ) - фермент, который катализирует превращение от оксида азота (NO) до нитрата (NO. 3). Итоговая реакция реакции, катализируемой диоксигеназой оксида азота, показана ниже:

2NO + 2O 2+ NAD (P) H → 2NO 3 + NAD (P) + H <190.>Оксид азота - это повсеместная небольшая молекула, которая участвует в большом количестве физиологических процессов, включая вазодилатацию гладких мышц, дезагрегацию тромбоцитов, нейротрансмиссию и иммунный ответ на бактериальную инфекцию. Избыточное производство этой сигнальной молекулы может быть смертельным для клеток из-за отравления выработки клеточной энергии. Наиболее чувствительными мишенями для NO являются аконитаза, фермент, который катализирует изомеризацию цитрата в изоцитрат в цикле лимонной кислоты, и цитохромоксидаза, последний фермент в дыхательной цепи переноса электронов митохондрий. Кроме того, NO с его единственным радикалом на атоме азота участвует во многих вторичных механизмах токсичности, включая ингибирование каталазы (приводящее к токсичности перекиси водорода), высвобождение железа из центра Fe-S и образование 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 оксидоредуктаз, более конкретно тем, которые действуют на парные доноры, с O 2 в качестве окислителя и с включением двух атомов кислорода в другой донор.

Содержание

1 Механизм реакции
2 Discovery
3 Структура и молекулярная функция
4 Физиологическая функция
5 Распространение в природе
6 Технологии
7 Ссылки

Реакция механизм

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

Этап	Реакция
Восстановление ФАД	НАД (Ф) Н + ФАД + Н → НАД (Ф) + ФАД 2
Восстановление железа 1	ФАДН 2 + Fe → Fe + FADH + H
Восстановление железа 2	FADH + Fe → FAD + Fe + H
O2Связывание	Fe + O 2 → Fe (O 2)
NO диоксигенация	Fe (O 2) + NO → Fe + NO 3

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

Наиболее хорошо изученной NO-диоксигеназой является Флавогемоглобин (flavoHb), показанный справа: Исследования показали, что флавогемоглобины индуцируются NO, нитритами, нитратами и высвобождающими NO агентами в различных бактериях и грибах. Кроме того, было показано, что flavoHbs защищают бактерии, дрожжи и Dictyostelium discoideum от ингибирования роста и повреждения, опосредованного NO.

Discovery

Диоксигеназа оксида азота была обнаружена, о чем впервые сообщалось в 1998 г. индуцибельная O 2 -зависимая ферментативная активность, которая защищает бактерии от токсичности оксида азота. Фермент идентифицировали с помощью E. coli флавогемоглобин.

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

Структура и молекулярная функция

Белок флавогемоглобина содержит два домена: FAD-связывающий домен оксидоредуктазы и гем-содержащий домен «глобин » b-типа и необязательно NAD-связывающий домен оксидоредуктазы. Домен редуктазы поставляет электрон в гемовое железо для достижения высокой скорости каталитического диоксигенации NO. В дополнение к многочисленным флавогемоглобинам, многие отдаленные родственники суперсемейства гемоглобин, включая мышечный миоглобин, несимбиотический растительный гемоглобин и симбиотическое растение леггемоглобин, нейрональный нейроглобин и цитоплазматический цитоглобин млекопитающих, по-видимому, функционируют как диоксигеназы оксида азота (NOD), хотя клеточный донор (доноры) электронов для многих глобинов еще не определен. Доноры электронов могут включать аскорбат, цитохром b 5 или ферредоксинредуктазу. Каталитическая диоксигенация NO может быть записана в простейшей форме:

NO + O 2 + e

⇌ {\ displaystyle \ rightleftharpoons}

\ rightleftharpoons

NO3

Катализ очень эффективен. Сообщаемые константы скорости диоксигенации бимолекулярного NO находятся в диапазоне от 2 x 10 Ms для цитоглобина до 3 x 10 Ms для флавогемоглобина, а скорости обмена находятся в диапазоне от 1 до 700 секунд. Структура, связывание O 2 и восстановление глобинов, по-видимому, оптимизированы для функции NO-диоксигеназы.

Физиологическая функция

Исторически сложилось, 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» кислородный газ для диоксигенирования NO в микробах.

Широкое разнообразие многоклеточных организмов извлекает выгоду из функций хранения и транспортировки кислорода миоглобина. / гемоглобин появился 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. NOD принадлежат к большему семейству хорошо зарекомендовавших себя свободнорадикальных и активных кислородных детоксифицирующих ферментов, которое включает супероксиддисмутазу, каталазу и пероксидазу.

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 для членов суперсемейства гемоглобинов. Более того, становится все более очевидным, что NOD-функция глобинов встречается гораздо чаще, чем парадигматическая O 2 транспортно-запасающая функция красных клеток гемоглобина, которая была впервые исследована и описана в веком ранее Феликсом Хоппе-Сейлером и другими. Другие белки, которые могут действовать как NOD, включают микросомальный цитохром P450 (s) млекопитающих и новый O 2 -связывающий цитохром b из Rhodobacter sphaeroides.

Technologies

Ингибиторы NOD разрабатываются для применения в качестве микробных антибиотиков, противоопухолевых агентов и модуляторов передачи сигналов NO. Наиболее известным классом ингибиторов NO-диоксигеназы на сегодняшний день являются антибиотики имидазола. Было показано, что имидазолы координируются с атомом гемового железа микробного флавогемоглобина, нарушают восстановление гема трехвалентного железа, вызывают неконкурентное ингибирование в отношении O 2 и NO и ингибируют метаболизм NO дрожжами и бактериями. 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. В результате была предложена разработка имидазола как средство специфического ингибирования диоксигеназ NO.

Кроме того, разрабатываются генетически модифицированные растения с гетерологичными флавогемоглобин-NOD, чтобы ограничить токсичность NO, создаваемую метаболизмом азотных удобрений почвенными микробами, и в качестве средства самооплодотворения растений посредством поглощения NO из окружающей среды.

Недавно был описан лентивирусный вектор, который делает возможной экспрессию E. coli 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. Затем эта технология была расширена, чтобы исследовать роль синтеза NO в высококанцерогенных 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. Эти эксперименты демонстрируют, что flavoHb можно использовать для исследований in vivo биологии оксида азота, и предполагают, что терапевтическое истощение NO может быть достигнуто за счет гетерологичной экспрессии бактериальных flavoHb.