Kväveoxiddioxygenas
| kväveoxiddioxygenas | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
E. coli flavohemoglobin/NOD-struktur. grön = reduktasdomän, blå = hemoglobindomän.
| |||||||||
| Identifierare | |||||||||
| EG nr. | 1.14.12.17 | ||||||||
| CAS-nr. | 214466-78-1 | ||||||||
| Databaser | |||||||||
| IntEnz | IntEnz-vy | ||||||||
| BRENDA | BRENDA inträde | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme-vy | ||||||||
| KEGG | KEGG inträde | ||||||||
| MetaCyc | Metabolisk väg | ||||||||
| PRIAM | profil | ||||||||
| PDB- strukturer | RCSB PDB PDBe PDB summa | ||||||||
| Genontologi | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Kväveoxiddioxygenas ( EC 1.14.12.17 ) är ett enzym som katalyserar omvandlingen av kväveoxid (NO) till nitrat (NO
− 3 ). Nettoreaktionen för reaktionen katalyserad av kväveoxiddioxygenas visas nedan:
- 2NO + 2O2 + NAD (P)H → 2NO3 − + NAD(P) + + H +
Kväveoxid är en allestädes närvarande liten molekyl som är integrerad i en mängd olika fysiologiska processer inklusive vasodilatation av glatt muskulatur, blodplättsupplösning, neurotransmission och immunsvar mot bakterieinfektion. Överproduktion av denna signalmolekyl kan vara dödlig för celler genom att förgifta cellulär energiproduktion. De mest känsliga målen för NO är akonitas , ett enzym som katalyserar isomeriseringen av citrat till isocitrat i citronsyracykeln, och cytokromoxidas , det sista enzymet i mitokondriernas respiratoriska elektrontransportkedja. Dessutom är NO, med sin ensamma radikal på kväveatomen, inblandad i ett antal sekundära mekanismer för toxicitet, inklusive katalashämning (som resulterar i väteperoxidtoxicitet), Fe-S-centrerad järnfrigöring och bildandet av dinitosyl-järnkomplex.
På grund av den potentiella dödligheten av NO, hade cellerna stor nytta av utvecklingen av ett enzym som kan katalysera omvandlingen av giftigt NO till nitrat. Ett "kväveoxiddioxygenas" är ett enzym som kan utföra denna reaktion. NO-dioxygenas tillhör familjen oxidoreduktaser , mer specifikt de som verkar på parade donatorer, med O 2 som oxidant och med inkorporering av två syreatomer i den andra donatorn.
Reaktionsmekanism
Verkningsmekanismen har fortfarande inte helt härletts, men den ledande teorin tyder på att omvandlingen utförs genom en serie redoxreaktioner som involverar järncentra som visas i serien av halvreaktioner nedan:
| Steg | Reaktion |
|---|---|
| FAD-reduktion | NAD(P)H + FAD + H + → NAD(P) + + FADH 2 |
| Järnreduktion 1 | FADH2 + Fe3 + → Fe2 + + FADH + H + |
| Järnreduktion 2 | FADH + Fe3 + → FAD + Fe2 + + H + |
| O 2 Bindning | Fe 2+ + O 2 → Fe 3+ (O 2 - ) |
| INGEN dioxygenering | Fe3 + (O2- ) + NO → Fe3 + + NO3- |
En annan teori som utvecklats på senare tid (2009) tyder på att en NO-dioxygenasaktivitet också kan fortsätta genom fenolnitrering via en förmodad hem-peroxinitrit-mellanprodukt.
Det mest väl studerade NO-dioxygenaset är flavohemoglobin (flavoHb), som visas till höger: Studier har visat att flavohemoglobiner induceras av NO, nitrit, nitrat och NO-frisättande ämnen i olika bakterier och svampar. Dessutom har flavoHbs visat sig skydda bakterier, jäst och Dictyostelium discoideum mot tillväxthämning och skada medierad via NO.
Upptäckt
Kväveoxiddioxygenas upptäcktes, och rapporterades först 1998, som en inducerbar O 2 -beroende enzymatisk aktivitet som skyddade bakterier mot kväveoxidtoxicitet . Enzymet identifierades med E. coli flavohemoglobin.
På senare tid har ett annat protein identifierats som ett NO-dioxygenas - rhodobacter sphaeroides haem-protein (SHP), ett nytt cytokrom med NO-dioxygenasaktivitet. Även om den biologiska funktionen av SHP ännu inte har identifierats, har SHP visat sig att med syre bundet kan det reagera snabbt med kväveoxid för att bilda nitrat.
Struktur och molekylär funktion
Flavohemoglobinproteinet innehåller två domäner: en oxidoreduktas FAD-bindande domän och en hem-innehållande " globin "-domän av b -typ och eventuellt en oxidoreduktas NAD-bindande domän . Reduktasdomänen tillför en elektron till hemjärnet för att uppnå en hög hastighet av katalytisk NO-dioxygenering. Förutom många flavohemoglobiner, verkar många avlägset besläktade medlemmar av hemoglobin- superfamiljen inklusive muskelmyoglobin , det icke-symbiotiska växthemoglobinet och symbiotiska växtleghemoglobinet, det neuronala neuroglobinet och däggdjurscytoplasmiska cytoglobinet att fungera som kväveoxider (NOD-nitratoxid). även om den eller de cellulära elektrondonatorerna för många globiner ännu inte har definierats. Elektrondonatorer kan inkludera askorbat, cytokrom b 5 eller ferredoxinreduktas. Den katalytiska NO-dioxygeneringen kan skrivas i sin enklaste form:
- NO + O 2 + e − NO 3 −
Katalys är mycket effektivt. De rapporterade bimolekylära NO-dioxygeneringshastighetskonstanterna sträcker sig från 2 x 10 7 M −1 s −1 för cytoglobin till 3 x 10 9 M −1 s −1 för flavohemoglobin, och omsättningshastigheter varierar från 1 till 700 s −1 . Struktur, O2 - bindning och reduktion av globiner verkar optimerade för en NO-dioxygenasfunktion.
Fysiologisk funktion
Historiskt sett tjänade kväveoxiddioxygenas (för cirka 1,8 miljarder år sedan) till att tillhandahålla den moderna analogen av hemoglobin/myoglobinfunktion för lagring och transport av syre. Gardner et al. (1998) föreslog att det första hemoglobinet/myoglobinet troligen fungerade som ett enzym som använder bunden "aktiverad" syrgas för att dioxygenera NO i mikrober.
Den stora mångfalden av flercelliga organismer som drar nytta av myoglobin/hemoglobins syrelagrings- och transportfunktioner dök upp mycket senare (för ungefär 0,5 miljarder år sedan).
NOD är nu kända för att tjäna två viktiga fysiologiska funktioner i olika livsformer: de förhindrar NO-toxicitet (annars känd som "nitrosativ stress") och reglerar NO-signalering. NODs tillhör den större familjen av väletablerade fria radikaler och reaktiva syreavgiftande enzymer som inkluderar superoxiddismutas , katalas och peroxidas .
Utbredning i naturen
NODs, såväl som många hemoglobiner som fungerar som NODs, distribueras till de flesta livsformer inklusive bakterier, svampar, protister, maskar, växter och djur. Faktum är att kväveoxiddioxygenering verkar vara en primär funktion för medlemmar av hemoglobinsuperfamiljen. Dessutom blir det alltmer uppenbart att NOD-funktionen hos globiner är mycket vanligare än den paradigmatiska O 2 -transport-lagringsfunktionen hos hemoglobin av röda blodkroppar , som först undersöktes och rapporterades över ett sekel tidigare av Felix Hoppe-Seyler och andra. Andra proteiner som kan fungera som NOD inkluderar mikrosomalt cytokrom P450 från däggdjur och ett nytt O2-bindande cytokrom b från Rhodobacter sphaeroides .
Teknologier
Inhibitorer av NODs utvecklas för användning som mikrobiella antibiotika, antitumörmedel och modulatorer av NO-signalering. Den hittills mest framträdande klassen av hämmare av NO-dioxygenas är imidazolantibiotika . Imidazoler har visat sig koordinera med hemjärnatomen i mikrobiellt flavohemoglobin, försämra ferrihemreduktion, producera okonkurrenskraftig hämning med avseende på O 2 och NO, och hämma NO-metabolism av jästsvampar och bakterier. Specifikt har imidazoler som bär skrymmande aromatiska substituenter visat sig ha potential för selektiv och högaffinitetsinhibering av NO-dioxygenasfunktionen genom att koordinera det katalytiska hemjärnet och "passa" in i den stora hydrofoba distala hemfickan. Som ett resultat har imidazolteknik föreslagits som ett sätt att specifikt hämma NO-dioxygenaser.
Dessutom utvecklas genetiskt modifierade växter med heterologa flavohemoglobin-NODs för att begränsa NO-toxicitet skapad av metabolism av kvävegödselmedel av jordmikrober och som ett sätt mot växtsjälvbefruktning genom absorption av miljömässigt NO.
Nyligen har en lentiviral vektor som möjliggör uttryck av E. coli flavoHb i däggdjursceller beskrivits. Detta tillvägagångssätt visade att flavoHb verkligen är enzymatiskt aktivt i mänskliga och murina celler och kraftigt blockerar exogena och endogena källor till nitrosativ stress. Denna teknik utökades sedan för att undersöka rollen av NO-syntes i de mycket tumörframkallande cancerstamcellerna (CSC) från humana glioblastom (hjärntumör) prover. Uttryck av flavoHb i xenotransplanterade tumörer ledde till utarmning av NO genererad av iNOS/NOS2. Det fenotypiska resultatet var förlust av tumörframkallande egenskaper hos CSC och förbättrad musöverlevnad. Dessa experiment visar att flavoHb kan användas för in vivo- studier av kväveoxidbiologi och föreslår att terapeutisk NO-utarmning kan uppnås via heterologt uttryck av bakteriellt flavoHbs.
