Синтаза оксида азота - Nitric oxide synthase

Синтаза оксида азота
1nsi.png
Индуцибельная синтаза оксида азота человека. PDB 1nsi
Идентификаторы
ЕС нет. 1.14.13.39
№ CAS 125978-95-2
Базы данных
IntEnz Просмотр IntEnz
BRENDA BRENDA запись
ExPASy Просмотр NiceZyme
КЕГГ Запись в KEGG
MetaCyc метаболический путь
ПРИАМ профиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтология Amigo / QuickGO
Синтаза оксида азота, оксигеназный домен
Оксид азота Synthase.png
Структура гемового домена эндотелиальной синтазы оксида азота.
Идентификаторы
Условное обозначение NO_synthase
Pfam PF02898
ИнтерПро IPR004030
SCOP2 1nos / SCOPe / SUPFAM

Синтазы оксида азота ( EC 1.14.13.39 ) ( NOS ) представляют собой семейство ферментов, катализирующих производство оксида азота (NO) из L-аргинина . NO - важная клеточная сигнальная молекула. Он помогает регулировать тонус сосудов , секрецию инсулина , тонус дыхательных путей и перистальтику , а также участвует в ангиогенезе и нервном развитии. Он может функционировать как ретроградный нейромедиатор . Окись азота опосредованной у млекопитающих с помощью кальций - кальмодулин контролируется изоферментов Енос ( эндотелиальной NOS ) и нОАС (нейрональная 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 непосредственная причина из септического шока и может функционировать в аутоиммунном заболевании.

NOS катализирует реакцию:

Изоформы NOS катализируют другие утечки и побочные реакции, такие как образование супероксида за счет NADPH. По существу, эта стехиометрия обычно не наблюдается и отражает три электрона, поставляемых НАДФН на NO.

БДУ необычны тем, что для них требуется пять кофакторов . Изоферменты NOS эукариот каталитически самодостаточны. Электронный поток в реакции NO-синтазы: НАДФНФАДФМНгемO 2 . Тетрагидробиоптерин обеспечивает дополнительный электрон во время каталитического цикла, который заменяется во время оборота. NOS - единственный известный фермент, который связывает флавинадениндинуклеотид (FAD), флавинмононуклеотид (FMN), гем , тетрагидробиоптерин (BH 4 ) и кальмодулин .

Распространение видов

Синтез NO на основе аргинина был идентифицирован у млекопитающих, рыб, птиц, беспозвоночных и бактерий. Лучше всего изучены млекопитающие, у которых три различных гена кодируют изоферменты NOS : нейрональные (nNOS или NOS-1), цитокин- индуцибельные (iNOS или NOS-2) и эндотелиальные (eNOS или NOS-3). iNOS и nNOS растворимы и обнаруживаются преимущественно в цитозоле , тогда как eNOS ассоциирован с мембраной. Были обнаружены доказательства передачи сигналов NO в растениях, но геномы растений лишены гомологов суперсемейства, 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). Было показано, что NO, продуцируемый eNOS, является сосудорасширяющим средством, идентичным производному эндотелия релаксирующему фактору, продуцируемому в ответ на сдвиг в результате увеличения кровотока в артериях. Это расширяет кровеносные сосуды за счет расслабления гладких мышц их подкладки. eNOS является основным регулятором тонуса гладких мышц. NO активирует гуанилатциклазу , которая вызывает расслабление гладких мышц за счет:

  • Повышенный внутриклеточный цГМФ, который ингибирует проникновение кальция в клетку и снижает внутриклеточные концентрации кальция
  • Активация K + каналов, приводящая к гиперполяризации и релаксации.
  • Стимулирует cGMP-зависимую протеинкиназу, которая активирует фосфатазу легких цепей миозина , фермент, дефосфорилирующий легкие цепи миозина , что приводит к расслаблению гладких мышц.

eNOS играет критически важную роль в эмбриональном развитии сердца и морфогенезе коронарных артерий и сердечных клапанов.

Изоформа нейронов участвует в развитии нервной системы. Он функционирует как ретроградный нейротрансмиттер, 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.

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 реакции организма на атаки паразитов, бактериальную инфекцию и рост опухоли. Это также причина септического шока 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. У млекопитающих известны три изоформы: две конститутивные (cNOS) и третья индуцибельная (iNOS). Клонирование ферментов NOS указывает на то, что cNOS включают как конститутивные элементы головного мозга ( NOS1 ), так и эндотелиальные конститутивы ( NOS3 ); третий - индуцибельный ( NOS2 ) ген. Недавно активность NOS была продемонстрирована у нескольких видов бактерий, включая печально известные патогены Bacillus anthracis и Staphylococcus aureus.

Различные формы NO-синтазы были классифицированы следующим образом:

Имя Ген (ы) Место нахождения Функция
Нейрональная БДУ (nNOS или NOS1) NOS1 (хромосома 12)
  • несколько функций (см. ниже)
Индуцируемые БДУ (iNOS или NOS2)

Нечувствителен к кальцию

NOS2 (хромосома 17)
Эндотелиальная БДУ (eNOS или NOS3 или cNOS) NOS3 (хромосома 7)
Бактериальный БДУ (bNOS) несколько

nNOS

Нейрональная NOS (nNOS) продуцирует NO в нервной ткани как в центральной, так и в периферической нервной системе . В его функции входят:

  • Синаптическая пластичность в центральной нервной системе (ЦНС)
  • Расслабление гладкой мускулатуры
  • 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 подавляться NPA ( N-пропил-L-аргинин ). Эта форма фермента специфически ингибируется 7-нитроиндазолом .

Субклеточная локализация nNOS в скелетных мышцах опосредуется прикреплением nNOS к дистрофину . nNOS содержит дополнительный N-концевой домен, домен PDZ .

Ген, кодирующий nNOS, расположен на хромосоме 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 Ca 2+ . Ген, кодирующий iNOS, расположен на хромосоме 17. Хотя доказательства «базовой» 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, провоспалительными цитокинами (например, интерлейкином-1 , фактором некроза опухоли альфа и интерфероном гамма ).

Индукция iNOS с высоким выходом обычно происходит в окислительной среде, и, таким образом, высокие уровни NO имеют возможность реагировать с супероксидом, что приводит к образованию пероксинитрита и токсичности для клеток. Эти свойства могут определять роль iNOS в иммунитете хозяина, делая возможным его участие в антимикробной и противоопухолевой активности как часть окислительного взрыва макрофагов.

Было высказано предположение , что патологическое образование оксида азота путем увеличение производства Inos может уменьшить маточные цилиарные удары и гладкие мышечные сокращения , и , таким образом , влияет на эмбрион транспорта, который может , следовательно , привести к внематочной беременности .

eNOS

Эндотелиальная NOS (eNOS), также известная как синтаза оксида азота 3 (NOS3), генерирует NO в кровеносных сосудах и участвует в регуляции функции сосудов. Ген, кодирующий eNOS, расположен на хромосоме 7. Конститутивная зависимая от Ca 2+ NOS обеспечивает базальное высвобождение NO. eNOS связан с «кавеолами», компонентом плазматических мембран, окружающих клетки, и мембран тельцов Гольджи внутри клеток. Локализация eNOS на эндотелиальных мембранах опосредуется котрансляционным N-концевым миристоилированием и посттрансляционным пальмитоилированием .

bNOS

Бактериальная NOS (bNOS), как было показано, защищает бактерии от окислительного стресса, различных антибиотиков и иммунного ответа хозяина. bNOS играет ключевую роль в транскрипции супероксиддисмутазы (SodA). Бактерии на поздних этапах логарифмической фазы, не обладающие 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 противомикробных препаратов. В качестве клинического применения ингибитор bNOS может быть получен для уменьшения количества грамположительных бактерий.

Химическая реакция

NOSreaction.svg

Синтазы оксида азота продуцируют NO, катализируя пятиэлектронное окисление гуанидинового азота L- аргинина ( L- Arg). Окисление L- Arg до L- цитруллина происходит в результате двух последовательных реакций монооксигенирования с образованием N ω -гидрокси- L- аргинина (NOHLA) в качестве промежуточного соединения. На моль образовавшегося NO расходуется 2 моль O 2 и 1,5 моль НАДФН.

Состав

Ферменты существуют в виде гомодимеров. У эукариот каждый мономер, состоящий из двух основных областей: N-концевого домена оксигеназы , который принадлежит к классу гем-тиолатных белков, и многодоменной C-концевой редуктазы , гомологичной NADPH: редуктазы цитохрома P450 ( EC 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 последовательность, связывающую кальмодулин . Оксигеназный домен представляет собой уникальную расширенную клетку бета-листов с сайтами связывания для гема и птерина.

NOS могут быть димерным , кальмодулин-зависимым или кальмодулин-содержащим цитохромом p450- подобным гемопротеином, который объединяет каталитические домены редуктазы и оксигеназы в один димер, несут как флавинадениндинуклеотид (FAD), так и флавинмононуклеотид (FMN), и осуществляют 5'- электронное окисление неароматической аминокислоты аргинина с помощью тетрагидробиоптерина.

Все три изоформы (каждая из которых, как предполагается, действует как гомодимер во время активации) имеют общий карбоксиконцевой домен редуктазы, гомологичный редуктазе цитохрома Р450 . Они также имеют общий амино-концевой домен оксигеназы, содержащий простетическую группу гема , которая связана в середине белка с кальмодулин- связывающим доменом. Связывание кальмодулина, по-видимому, действует как «молекулярный переключатель», обеспечивающий поток электронов от простетических групп флавина в домене редуктазы к гему. Это облегчает превращение O 2 и L- аргинина в NO и L- цитруллин. Оксигеназный домен 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 восстанавливающих эквивалентов и рециклируется дигидробиоптеринредуктазой ( EC 1.5.1.33 ), BH 4 активирует связанный с гемом O 2 , отдавая один электрон, который затем повторно захватывается для высвобождения оксида азота. .

Первая идентифицированная синтаза оксида азота была обнаружена в нейрональной ткани (NOS1 или nNOS); эндотелиальной NOS (Енос или NOS3) был третьим , чтобы быть идентифицированы. 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 в 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 индуцибельной и нечувствительной к Ca 2+ изоформой (iNOS или NOS2) даже при низкой внутриклеточной активности Ca 2+ , действуя по существу 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 по отрицательной обратной связи в отношении NOS3 и, следовательно, функции эндотелиальных клеток сосудов. Было показано, что этот процесс, формально известный как S- нитрозирование (и называемый многими специалистами в этой области как S- нитрозилирование), обратимо ингибирует активность NOS3 в эндотелиальных клетках сосудов. Этот процесс может быть важным, потому что он регулируется клеточными окислительно-восстановительными условиями и, таким образом, может обеспечивать механизм связи между «окислительным стрессом» и эндотелиальной дисфункцией. В дополнение к NOS3 было обнаружено, что как NOS1, так и NOS2 являются S- нитрозированными, но доказательства динамической регуляции этих изоформ NOS с помощью этого процесса менее полны. Кроме того, как NOS1, так и NOS2, как было показано, образуют железо-нитрозильные комплексы в своих простетических группах гема, которые могут действовать частично, самоинактивируя эти ферменты при определенных условиях. Ограничивающей скорость стадией 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-амино-тетрагидробиоптерин (4-ABH 4 ), аналог BH 4 (кофактор NOS), представляет собой ингибитор NOS, который разрабатывается в качестве нейрозащитного агента для лечения черепно-мозговая травма . [1] Другие ингибиторы NOS, которые были или исследуются на предмет возможного клинического применения, включают циндунистат , A-84643 , ONO-1714 , L-NOARG , NCX-456 , VAS-2381 , GW-273629 , NXN -462 , CKD- 712 , KD-7040 и гуанидиноэтилдисульфид среди других.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки