Jump to content

Оксидоскваленциклаза

Оксидоскваленциклазы (OSC) представляют собой ферменты, участвующие в реакциях циклизации с 2,3-оксидосквалена образованием стеринов или тритерпенов . [ 1 ]

Показанная кристаллическая структура оксидоскваленциклазы окрашена вторичной структурой, с ее продуктом ланостерином (бирюзовым) в центральном активном центре фермента. Видны характерные четыре кольца продукта, а также гидроксильная группа на конце молекулы, которая показана красным.

Существует две основные группы ферментов OSC, продуцирующих стеролы:

Стерины и тритерпены представляют собой чрезвычайно разнообразные классы натуральных продуктов , особенно в растениях, которые часто содержат многочисленные ферменты OSC с различной специфичностью субстрата и продукта; [ 1 ] распространенные примеры включают лупеолсинтазу и бета-амиринсинтазу . [ 2 ] ферментов OSC Каталитический механизм аналогичен механизму действия прокариотической сквален-гопенциклазы . [ 3 ]

Направленная эволюция и дизайн белков использовались для идентификации небольшого количества точечных мутаций , которые изменяют специфичность продукта ферментов OSC, особенно при изменении циклоартенолсинтазы для производства преимущественно ланостерола. [ 4 ]

Структура

[ редактировать ]

Оксидоскваленциклаза представляет собой мономерный фермент. Его активный центр представляет собой впадину между двумя бочкообразными доменами. [ 5 ] У большинства организмов активный центр в основном состоит из кислых аминокислот. [ 6 ] Остатки в активном центре делают оксидосквален энергетически выгодным для принятия более складчатой ​​конформации, которая очень напоминает его продукт. [ 5 ] Это критически подготавливает субстрат для серии реакций, образующих кольца. клеток Оксидосквален локализован в мембранах микросом , где он может легко собирать гидрофобный субстрат и выделять гидрофобный продукт. [ 7 ]

Оксидоскваленциклазы производят широкий спектр стеринов и тритерпенов . [ 1 ] У животных и грибов тип, известный как ланостеринсинтаза, производит ланостерин , который затем посредством многих этапов превращается в холестерин . [ 8 ] Продукты, вырабатываемые другими типами ферментов, включают циклоартенол , лупеол , бета-амирин и многие другие. [ 2 ]

Регулирование

[ редактировать ]
Ферментативный путь биосинтеза холестерина и влияние регуляции транскрипционными факторами SREBP

Генетическая экспрессия фермента у животных регулируется белком, связывающим регуляторные элементы стерола (SREBP-2), молекулой, которая также регулирует экспрессию других ферментов на пути биосинтеза холестерина. [ 9 ] Транскрипционный фактор SREBP-2 увеличивает ферментативную активность перед OSC, например, активность HMG-CoA-редуктазы и скваленсинтазы , чтобы увеличить поток в процессе синтеза стеринов. [ 10 ]

Механизм

[ редактировать ]
Обзор биосинтеза холестерина. Ланостерин является предшественником холестерина. Это окончательное преобразование происходит в несколько этапов.

Механически фермент оксидосквален:ланостеринциклаза катализирует образование четырех колец вдоль длинной цепи субстрата ( оксидосквалена ), образуя ланостерин. Эта циклизация является одной из наиболее сложных известных функций ферментов. [ 11 ] и является весьма избирательным. [ 12 ] Реакцию можно охарактеризовать двумя основными механистическими сериями: раскрытием эпоксидного кольца , за которым следует серия замыканий кольца, и серия 1,2-гидридных и 1,2-метильных сдвигов. Эти механистические этапы катализируются совокупностью аминокислот в активном центре. [ 13 ]

Закрытие кольца

[ редактировать ]

В активном центре фермента остаток гистидина активирует остаток аспарагиновой кислоты (который был идентифицирован как Asp455). [ 13 ] который протонирует эпоксид субстрата, создавая серию образований углерод-углеродных связей, которые образуют кольца. [ 7 ] [ 14 ] Более конкретно, это замыкание кольца происходит кольцо за кольцом (в механизме, приведенном ниже, оно обозначено как AD). Широко распространено мнение, что протонирование эпоксида происходит одновременно с замыканием А-кольца. [ 15 ] Затем катион переносится с C10 на C8, образуя кольцо B. [ 15 ] Именно образование кольца C озадачивает ученых. Однако недавние исследования пришли к выводу, что кольцо сначала замыкается за счет присоединения Марковникова , образуя 5-углеродный промежуточный продукт. [ 15 ] После этого образуется кольцо D, вытесняющее кольцо C до его конечного 6-углеродного состояния. [ 15 ] Следует отметить, что исследования QM/MM показали, что протонирование этого эпоксидного кольца является стадией, лимитирующей скорость всего механизма. [ 13 ] что указывает на то, что он может быть наиболее регулируемым.

Гидридный и метильный сдвиги

[ редактировать ]

Промежуточное соединение, образующееся после замыкания четырех колец, претерпевает два 1,2-гидридных и два 1,2-метильных сдвига , чтобы оказаться в положении для окончательного депротонирования. [ 16 ] Моделирование молекулярной динамики оказалось решающим для понимания конформационных изменений, которым подвергаются промежуточные соединения оксидосквален-ланостерин. [ 16 ] Исследователи определили Phe696 как критически важную аминокислоту для контролируемого и специфического гидридного сдвига в этом механизме (этапы 5–6), поскольку она ускоряет сдвиг за счет снижения энергетического барьера соответствующих переходных состояний. [ 16 ]

Изображение ланостерола в активном центре OSC. Показаны ключевые остатки и взаимодействия водородных связей.

Окончательное депротонирование

[ редактировать ]

Наконец, фермент депротонируется с образованием ланостерола, который имеет гидроксильную группу вместо эпоксида . Эту гидроксильную группу можно увидеть на изображении выше . В литературе показано, что две аминокислоты в OSC имеют решающее значение для правильного и равномерного процесса депротонирования. Тирозин в 503-м положении работает в тандеме с гистидином в 203-м положении, депротонируя водород на углероде, соседнем с карбокатионом в промежуточном соединении 8. [ 13 ] Это достигается, как показано в предлагаемом механизме ниже. Кристаллическая структура комплекса OSC-ланостерин подтверждает, что Tyr503 и His232 находятся в оптимальных положениях для этой последней стадии депротонирования. [ 13 ]

Механическое действие OSC описано выше. Соответствующие аминокислоты активного центра выделены красным. Конечный продукт ланостерин.

Актуальность заболевания

[ редактировать ]

Высокий уровень холестерина в крови, также называемый гиперхолестеринемией , значительно увеличивает риск инсульта, сердечного приступа и заболеваний периферических артерий. Если его не лечить, это также может привести к накоплению бляшек в кровеносных сосудах, известному как атеросклероз. [ 17 ] По этой причине путь биосинтеза стеринов уже давно стал целью индустрии разработки лекарств. Статины , которые ингибируют редуктазу HMG-CoA (фермент, который катализирует более раннюю стадию пути биосинтеза холестерина), обычно назначают для лечения высокого уровня холестерина. В настоящее время проводятся исследования других соединений, которые блокируют различные этапы биосинтеза холестерина , включая реакцию, выполняемую оксидоскваленциклазой, которая циклизирует сквален с образованием ланостерина. [ 7 ] Оксидоскваленциклаза, которая находится после сквалена в этом пути, является привлекательной мишенью для ингибирования. Было предложено множество ингибиторов, в том числе аналоги стероидов, соединения на основе фенола, производные бензамида и карбоксамида, а также азотсодержащие гетероциклические соединения. Наиболее эффективные ингибиторы имеют акцептор водородной связи на определенном расстоянии от гидрофобной области. [ 6 ]

Ингибиторы оксидоскваленциклазы также оказались перспективными в качестве противомикробных средств, поскольку было показано, что они убивают Trypanosoma cruzi . [ 18 ] [ 19 ] Trypanosoma cruzi — паразит, передающийся людям насекомыми, преимущественно в Латинской Америке. Паразит вызывает заболевание, называемое болезнью Шагаса , при котором острые инфекции вокруг укуса насекомого могут привести к более серьезным осложнениям, таким как нарушение функции сердца, пищевода, толстой кишки и даже мозга. [ 20 ] Другой паразит, Leishmania donovani , является возбудителем лейшманиоза , аналогичного тропического заболевания, которое распространяется москитами и непропорционально поражает сельские районы. [ 21 ] Было показано, что GSK2920487A, циклическая и ароматическая небольшая молекула, значительно ингибирует оксидоскваленциклазу и снижает выживаемость L. donovani . [ 22 ] Хотя существуют опасения, что такие паразиты, как T. cruzi и L. donovani, способны поглощать стероловые соединения, образование которых катализирует оксидоскваленциклаза, эффективность химического ингибирования этого жизненно важного фермента демонстрирует потенциал OSC в качестве терапевтической мишени.

Эволюция

[ редактировать ]

Сторк и др. сравнили белковые последовательности оксидоскваленциклазы C. albicans с аналогичным ферментом (скваленциклазой) у двух разных бактерий и обнаружили консервативные области у первой. [ 23 ] Рабело и др. обнаружили консервативный активный сайт у семи организмов. [ 6 ] Специфическая функция и регуляция OSC, по-видимому, различаются даже у эукариот. Например, OSC как у млекопитающих, так и у дрожжей сопровождается защитным ферментом кеторедуктазой. Однако этот фермент необходим для функции OSC только у дрожжей, что указывает на дивергентную эволюцию путей биосинтеза стероидов у млекопитающих. [ 24 ] Считается, что оксидоскваленциклазы животных и грибов, вероятно, произошли от своих прокариотических аналогов. [ 23 ]

Хотя этапы биосинтеза и каталитические аминокислоты OSC человека охарактеризованы, о специфичности OSC в других царствах жизни известно меньше. Например, оомицет Saprolegnia parasitica , патоген рыб , обладает уникальной триадой аминокислот, присутствующей только в некоторых растительных ферментах LAS, хотя эта триада отвечает за определение CAS специфичности LAS в этом классе организмов. [ 25 ]

  1. ^ Jump up to: а б с Тиммаппа Р., Гейслер К., Луво Т., О'Майл П., Осборн А. (29 апреля 2014 г.). «Биосинтез тритерпена в растениях». Ежегодный обзор биологии растений . 65 (1): 225–257. doi : 10.1146/annurev-arplant-050312-120229 . ПМИД   24498976 .
  2. ^ Jump up to: а б Савай С., Акаши Т., Сакураи Н., Сузуки Х., Сибата Д., Аябе С., Аоки Т. (май 2006 г.). «Растительная ланостеролсинтаза: расхождение путей биосинтеза стеринов и тритерпенов у эукариот» . Физиология растений и клеток . 47 (5): 673–677. дои : 10.1093/pcp/pcj032 . ПМИД   16531457 .
  3. ^ Вендт К.У., Поралла К., Шульц Г.Е. (сентябрь 1997 г.). «Структура и функция скваленциклазы». Наука . 277 (5333): 1811–1815. дои : 10.1126/science.277.5333.1811 . ПМИД   9295270 . S2CID   30503119 .
  4. ^ Лодейро С., Шульц-Гаш Т., Мацуда С.П. (октябрь 2005 г.). «Редизайн фермента: две мутации взаимодействуют, превращая циклоартенолсинтазу в точную ланостеролсинтазу». Журнал Американского химического общества . 127 (41): 14132–14133. дои : 10.1021/ja053791j . ПМИД   16218577 .
  5. ^ Jump up to: а б Хафф М.В., Телфорд, Д.Э. (июль 2005 г.). «Властелин колец: механизм действия оксидосквален:ланостеролциклазы становится кристально ясным». Тенденции в фармакологических науках . 26 (7): 335–340. дои : 10.1016/j.tips.2005.05.004 . ПМИД   15951028 .
  6. ^ Jump up to: а б с Рабело Фольксваген, Ромейро, Северная Каролина, Абреу, Пенсильвания (июль 2017 г.). «Стратегии разработки ингибиторов оксидоскваленциклазы: нацеливание на путь биосинтеза стеринов». Журнал биохимии стероидов и молекулярной биологии . 171 : 305–317. дои : 10.1016/j.jsbmb.2017.05.002 . ПМИД   28479228 . S2CID   23880933 .
  7. ^ Jump up to: а б с Гудселл Д (декабрь 2007 г.). «Оксидоскваленциклаза» . PDB101: Молекула месяца . Банк данных белков RCSB . Проверено 9 марта 2019 г.
  8. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2012). Биохимия (7-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN  978-1-4292-7635-1 .
  9. ^ Хортон Дж.Д., Шах Н.А., Уоррингтон Дж.А., Андерсон Н.Н., Парк С.В., Браун М.С., Гольдштейн Дж.Л. (октябрь 2003 г.). «Комбинированный анализ данных олигонуклеотидных микрочипов трансгенных и нокаутных мышей идентифицирует прямые гены-мишени SREBP» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (21): 12027–12032. Бибкод : 2003PNAS..10012027H . дои : 10.1073/pnas.1534923100 . ПМК   218707 . ПМИД   14512514 .
  10. ^ Мехия-Поус К., Дамиола Ф., Гандриллон О. (октябрь 2011 г.). «Фермент оксидоскваленциклаза, связанный с синтезом холестерина, необходим для поддержания самообновления первичных предшественников эритроида» . Пролиферация клеток . 44 (5): 441–452. дои : 10.1111/j.1365-2184.2011.00771.x . ПМК   6495882 . ПМИД   21951287 .
  11. ^ Гурр М.И., Харвуд Дж.Л. (1991). «Метаболизм структурных липидов». В Gurr MI, Harwood JL (ред.). Липидная биохимия: Введение . Спрингер США. стр. 295–337. дои : 10.1007/978-1-4615-3862-2_7 . ISBN  9781461538622 .
  12. ^ Блох, Конрад. «Биологический синтез холестерина». Нобелевская лекция, 11 декабря 1964 г.
  13. ^ Jump up to: а б с д и Тиан БХ, Эрикссон Л.А. (ноябрь 2012 г.). «Каталитический механизм и специфичность продукта оксидосквален-ланостеролциклазы: исследование QM/MM». Журнал физической химии Б. 116 (47): 13857–13862. дои : 10.1021/jp3091396 . ПМИД   23130825 .
  14. ^ Тома Р., Шульц-Гаш Т., Д'Арси Б., Бенц Дж., Эби Дж., Демлоу Х. и др. (ноябрь 2004 г.). «Понимание формирования стероидного каркаса на основе структуры оксидоскваленциклазы человека». Природа . 432 (7013): 118–122. Бибкод : 2004Natur.432..118T . дои : 10.1038/nature02993 . ПМИД   15525992 . S2CID   364281 .
  15. ^ Jump up to: а б с д Чен Н., Чжоу Дж., Ли Дж., Сюй Дж., Ву Р. (март 2014 г.). «Согласованная циклизация C-кольца и D-кольца ланостерола под действием катализа оксидоскваленциклазы человека: исследование ab Initio QM/MM MD». Журнал химической теории и вычислений . 10 (3): 1109–1120. дои : 10.1021/ct400949b . ПМИД   26580186 .
  16. ^ Jump up to: а б с Дяо Х., Чен Н., Ван К., Чжан Ф., Ван Ю.Х., Ву Р. (07.02.2020). «Биосинтетический механизм ланостерола: завершенная история». АКС-катализ . 10 (3): 2157–2168. дои : 10.1021/acscatal.9b05221 . ISSN   2155-5435 . S2CID   212957954 .
  17. ^ «Высокий уровень холестерина в крови» . Национальный институт сердца, легких и крови (NHLBI) . Проверено 9 марта 2019 г.
  18. ^ Хиншоу Дж.К., Су Д.Ю., Гарнье П., Бакнер Ф.С., Истман Р.Т., Мацуда С.П. и др. (сентябрь 2003 г.). «Ингибиторы оксидоскваленциклазы как противомикробные средства». Журнал медицинской химии . 46 (20): 4240–4243. дои : 10.1021/jm034126t . ПМИД   13678402 . S2CID   20664134 .
  19. ^ Бакнер Ф.С., Гриффин Дж.Х., Уилсон А.Дж., Ван Вурхис У.К. (апрель 2001 г.). «Мощная активность ингибиторов оксидоскваленциклазы против Trypanosoma cruzi» . Антимикробные средства и химиотерапия . 45 (4): 1210–1215. doi : 10.1128/AAC.45.4.1210-1215.2001 . ПМК   90445 . ПМИД   11257036 .
  20. ^ «Болезнь Чагаса» . Центры США по контролю и профилактике заболеваний . 2017-05-02 . Проверено 9 марта 2019 г.
  21. ^ «CDC – Лейшманиоз – Общая информация – Часто задаваемые вопросы (FAQ)» . Центры США по контролю и профилактике заболеваний . 19 мая 2020 г. Проверено 3 марта 2023 г.
  22. ^ Парадела Л.С., Уолл Р.Дж., Карвальо С., Чеми Дж., Корпас-Лопес В., Мойнихан Э. и др. (май 2021 г.). «Множественные объективные подходы идентифицируют оксидоскваленциклазу как молекулярную мишень многообещающего средства против лейшманиоза» . Клеточная химическая биология . 28 (5): 711–721.e8. doi : 10.1016/j.chembiol.2021.02.008 . ПМЦ   8153249 . ПМИД   33691122 .
  23. ^ Jump up to: а б Сторк Г., Бургшталер А.В. (октябрь 1955 г.). «Стереохимия циклизации полиенов». Журнал Американского химического общества . 77 (19): 5068–5077. дои : 10.1021/ja01624a038 . ISSN   0002-7863 .
  24. ^ Тарамино С., Теске Б., Олиаро-Боссо С., Бард М., Баллиано Дж. (ноябрь 2010 г.). «Дивергентные взаимодействия с участием оксидоскваленциклазы и стероид-3-кеторедуктазы в пути биосинтеза стеринов млекопитающих и дрожжей» . Биохимия и биофизика Acta (BBA) - Молекулярная и клеточная биология липидов . 1801 (11): 1232–1237. дои : 10.1016/j.bbalip.2010.07.006 . ПМК   2946411 . ПМИД   20659585 .
  25. ^ Далин П., Шривастава В., Булоне В., Макки Л.С. (2016). «Оксидоскваленциклаза из Oomycete Saprolegnia parasitica синтезирует ланостерин как единый продукт» . Границы микробиологии . 7 : 1802. дои : 10.3389/fmicb.2016.01802 . ПМК   5101207 . ПМИД   27881978 .
[ редактировать ]
  • Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P48449 (ланостеринсинтаза) в PDBe-KB .
  • Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : P04035 (HMG-CoA-редуктаза) в PDBe-KB .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f311e7fa94df1101ee2351e054e0b285__1720111560
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f3/85/f311e7fa94df1101ee2351e054e0b285.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Oxidosqualene cyclase - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)