Инозитолоксигеназа
| мио-инозитолоксигеназа | |||
|---|---|---|---|
 Структура мономера мио-инозитолоксигеназы мыши, полученного из 2HUO, окрашенного элементом вторичной структуры. | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | МИОКС | ||
| Альт. символы | АЛДРЛ6 | ||
| ген NCBI | 55586 | ||
| HGNC | 14522 | ||
| МОЙ БОГ | 606774 | ||
| ПДБ | 2ИБН | ||
| RefSeq | НМ_017584 | ||
| ЮниПрот | Q9UGB7 | ||
| Другие данные | |||
| Номер ЕС | 1.13.99.1 | ||
| Локус | Хр. 22 кв. | ||
| |||
Инозитолоксигеназа , также часто называемая мио- инозитолоксигеназой (МИОКС), представляет собой негемовый фермент , дижелеза который окисляет мио -инозитол до глюкуроновой кислоты . [ 1 ] Фермент использует уникальный четырехэлектронный перенос в своих координационных центрах Fe(II)/Fe(III), и реакция протекает посредством прямого связывания мио -инозитола с последующей атакой центра железа двухатомным кислородом. Этот фермент является частью единственного известного пути катаболизма инозитола у человека. [ 2 ] и экспрессируется преимущественно в почках. [ 3 ] [ 4 ] Недавние медицинские исследования МИОКС были сосредоточены на понимании его роли в метаболических заболеваниях и заболеваниях почек, таких как диабет, ожирение и острое повреждение почек . Промышленно-ориентированные инженерные усилия сосредоточены на улучшении активности MIOX для производства глюкаровой кислоты у гетерологичных хозяев.
Структура
[ редактировать ]
Мио -инозитолоксигеназа представляет собой мономерный белок массой 33 кДа как в растворе, так и в кристаллах. [ 5 ] Этот фермент обладает парой атомов Fe(II)/Fe(III) в каталитическом активном центре, что обеспечивает его уникальный четырехэлектронный механизм переноса. Недавние исследования кристаллизации выяснили структуру мышиного MIOX. [ 5 ] в 2006 году последовал человеческий MIOX [ 6 ] в 2008 году.
Общая структура мышиного MIOX в основном спиральная с пятью альфа-спиралями, образующими ядро белка. [ 5 ] Как и другие дижелезооксигеназы, координационные центры железа похоронены глубоко внутри белка, предположительно, для защиты клетки от образующихся супероксидов и радикальных промежуточных продуктов реакции. [ 7 ] Два центра железа координируются различными аминокислотами и молекулами воды, как показано в комплексе с мио -инозитоловым субстратом. Структура MIOX человека близко накладывается на структуру MIOX мыши, имея 86% идентичности последовательностей по структурному выравниванию , но с некоторыми различиями в остатках, окружающих активный сайт. [ 6 ] Человеческий фермент характеризуется восемью альфа-спиралями и небольшим антипараллельным двухцепочечным бета-листом . [ 6 ]
Складка белка MIOX отличается от складки других негемовых дижелезооксигеназ, включая рибонуклеотидредуктазу и растворимую метанмонооксигеназу . [ 8 ] Вместо этого MIOX очень похож на белки суперсемейства HD-доменов на основании его высококонсервативной стратегии связывания металлов и присутствия четырех His- лигандов в железном центре. [ 5 ]
Механизм
[ редактировать ]MIOX может принимать в качестве субстратов D- мио- инозитол, а также менее распространенный хиро- изомер инозитола. [ 9 ] Серия экспериментов по кристаллизации, спектроскопии и теории функционала плотности выявила предполагаемый механизм (показан справа) окисления мио- инозитола . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] С помощью ENDOR- спектроскопии установлено, что субстрат напрямую связывается с Fe(II)/Fe(III)-дижелезным центром MIOX, скорее всего, через атом O1 мио- инозитола . [ 7 ] Было показано, что у мышиного MIOX этот процесс связывания зависит от проксимальных аминокислотных остатков, поскольку мутанты аланина D85A и K127A не способны менять субстрат. [ 5 ] Эта стадия связывания ставит мио -инозитол выше каталитических стадий, которые включают атаку центра железа двухатомным кислородом с последующим отрывом атома водорода мио- инозитола.
Супероксид Fe(III)/Fe(III) образуется, когда двухатомный кислород вытесняет воду в качестве координирующего лиганда на одном из атомов Fe. Затем атом водорода от C1 мио- инозитола отделяется с образованием радикала, который может быть атакован радикалом кислорода. Высвобождение D- глюкуроновой кислоты достигается на четвертом этапе.
Биологическая функция
[ редактировать ]Мио -инозитол может поступать из фруктов и овощей и активно транспортироваться в клетки или вместо этого напрямую синтезироваться из глюкозы. [ 13 ] В почках MIOX превращает мио- инозитол в глюкуроновую кислоту , которая затем может вступить в путь глюкуронат-ксилулоза для превращения в ксилулозо-5-фосфат . [ 13 ] Затем этот продукт может легко войти в пентозофосфатный путь . Следовательно, МИОКС обеспечивает преобразование и катаболизм инозитола с образованием НАДФН и других пентозных сахаров.
Актуальность заболевания.
[ редактировать ]Мио -инозитол является компонентом инозитолфосфатов и фосфоинозитидов , которые служат вторичными посредниками во многих клеточных процессах, включая действие инсулина. Из-за его исключительной экспрессии в почках исследования были сосредоточены на понимании потенциальной роли как уровней мио-инозитола , так и активности MIOX в развитии метаболических заболеваний, таких как сахарный диабет и ожирение . Истощение MIOX и накопление полиолов, таких как инозитол и ксилит , были названы факторами, способствующими осложнениям, связанным с диабетом . [ 14 ] Кроме того, недавнее исследование показало, что MIOX активируется при диабете, а его транскрипция в значительной степени регулируется осмолярностью , уровнем глюкозы и окислительным стрессом. [ 15 ] Эта активация связана с образованием реактивных окислительных форм, которые приводят к интерстициальному повреждению почек. [ 15 ]
Также существует интерес к оценке экспрессии MIOX как потенциального биомаркера острого повреждения почек . Было показано, что экспрессия MIOX увеличивается в сыворотке животных и плазме пациентов в критическом состоянии, в частности, в течение 24 часов после острого повреждения почек. [ 16 ] Иммуноанализ экспрессии MIOX потенциально может предсказать эти опасные для жизни повреждения раньше, чем нынешний диагностический метод - обнаружение креатинина в плазме .
Промышленная значимость
[ редактировать ]Фермент MIOX был объектом интенсивных метаболических инженерных усилий по производству глюкаровой кислоты посредством биосинтетических путей. В 2004 году Министерство энергетики США опубликовало список химических веществ из биомассы с максимальной добавленной стоимостью, в который входила глюкаровая кислота — прямой продукт окисления глюкуроновой кислоты. Первое биосинтетическое производство глюкаровой кислоты было достигнуто в 2009 году с использованием фермента уронатдегидрогеназы (УДГ). [ 17 ] С тех пор фермент MIOX был разработан для улучшения производства глюкаровой кислоты с помощью многочисленных стратегий, включая добавление N-концевой SUMO-метки, направленную эволюцию. [ 18 ] а также использование модульных синтетических каркасов для повышения его эффективной местной концентрации.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Боллинджер Дж. М., Диао Ю., Мэтьюз М. Л., Син Г., Кребс К. (февраль 2009 г.). «Мио-инозитолоксигеназа: радикально новый путь активации O (2) и CH в негемовом дижелезном кластере» . Транзакции Далтона (6): 905–14. дои : 10.1039/b811885j . ПМЦ 2788986 . ПМИД 19173070 .
- ^ Хэнкес Л.В., Политцер В.М., Тоустер О. , Андерсон Л. (октябрь 1969 г.). «Катаболизм мио-инозитола при пентозурике человека: преобладающая роль глюкуронат-ксилулозо-пентозофосфатного пути». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 165 (2): 564–76. дои : 10.1111/j.1749-6632.1970.tb56424.x . ПМИД 5259614 . S2CID 33916229 .
- ^ Редди CC, Свон Дж. С., Гамильтон Джорджия (август 1981 г.). «Мио-инозитолоксигеназа из почек свиньи. I. Очистка и характеристика оксигеназы и ферментного комплекса, содержащего оксигеназу и D-глюкуронатредуктазу» . Журнал биологической химии . 256 (16): 8510–8. дои : 10.1016/S0021-9258(19)68873-3 . ПМИД 7263666 .
- ^ Харалампус (февраль 1959 г.). «Биохимические исследования инозитола. V. Очистка и свойства фермента, расщепляющего инозитол до D-глюкуроновой кислоты» . Журнал биологической химии . 234 (2): 220–7. дои : 10.1016/S0021-9258(18)70276-7 . ПМИД 13630882 .
- ^ Jump up to: а б с д и Браун П.М., Карадок-Дэвис Т.Т., Диксон Дж.М., Купер Дж.Дж., Лумс К.М., Бейкер Э.Н. (октябрь 2006 г.). «Кристаллическая структура субстратного комплекса мио-инозитолоксигеназы, ди-железооксигеназы, играющей ключевую роль в метаболизме инозитола» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (41): 15032–7. Бибкод : 2006PNAS..10315032B . дои : 10.1073/pnas.0605143103 . ПМК 1622774 . ПМИД 17012379 .
- ^ Jump up to: а б с Торселл А.Г., Перссон С., Воеводская Н., Бусам Р.Д., Хаммарстрем М., Граслунд С., Граслунд А., Халлберг Б.М. (май 2008 г.). «Структурная и биофизическая характеристика мио-инозитолоксигеназы человека» . Журнал биологической химии . 283 (22): 15209–16. дои : 10.1074/jbc.M800348200 . ПМЦ 3258897 . ПМИД 18364358 .
- ^ Jump up to: а б Ким Ш., Син Г., Боллинджер Дж. М., Кребс С., Хоффман Б. М. (август 2006 г.). «Демонстрация с помощью 2H ENDOR-спектроскопии того, что мио-инозитол связывается через алкоксидный мостик со смешанно-валентным дижелезным центром мио-инозитолоксигеназы». Журнал Американского химического общества . 128 (32): 10374–5. дои : 10.1021/ja063602c . ПМИД 16895396 .
- ^ Хирао Х., Морокума К. (декабрь 2009 г.). «Изучение промежуточного соединения (супероксо)Fe(III)Fe(III) и механизма реакции мио-инозитолоксигеназы: исследование DFT и ONIOM(DFT:MM)». Журнал Американского химического общества . 131 (47): 17206–14. дои : 10.1021/ja905296w . ПМИД 19929019 .
- ^ Арнер Р.Дж., Прабху К.С., Томпсон Дж.Т., Хильденбрандт Г.Р., Ликен А.Д., Редди CC (декабрь 2001 г.). «Мио-инозитолоксигеназа: молекулярное клонирование и экспрессия уникального фермента, окисляющего мио-инозитол и D-хиро-инозитол» . Биохимический журнал . 360 (Часть 2): 313–20. дои : 10.1042/0264-6021:3600313 . ПМЦ 1222231 . ПМИД 11716759 .
- ^ Син Дж., Барр Э.В., Диао Й., Хоффарт Л.М., Прабху К.С., Арнер Р.Дж., Редди К.С., Кребс С., Боллинджер Дж.М. (май 2006 г.). «Активация кислорода смешанно-валентным кластером дижелеза (II/III) в реакции расщепления гликоля, катализируемой мио-инозитолоксигеназой». Биохимия . 45 (17): 5402–12. дои : 10.1021/bi0526276 . ПМИД 16634621 .
- ^ Син Г., Хоффарт Л.М., Диао Ю., Прабху К.С., Арнер Р.Дж., Редди К.С., Кребс С., Боллинджер Дж.М. (май 2006 г.). «Связанный двухъядерный кластер железа, который нарушается связыванием субстрата в мио-инозитолоксигеназе». Биохимия . 45 (17): 5393–401. дои : 10.1021/bi0519607 . ПМИД 16634620 .
- ^ Син Дж., Диао Ю., Хоффарт Л.М., Барр Э.В., Прабху К.С., Арнер Р.Дж., Редди К.С., Кребс К., Боллинджер Дж.М. (апрель 2006 г.). «Доказательства расщепления CH комплексом железа и супероксида в реакции расщепления гликоля, катализируемой мио-инозитолоксигеназой» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (16): 6130–5. Бибкод : 2006PNAS..103.6130X . дои : 10.1073/pnas.0508473103 . ПМЦ 1458843 . ПМИД 16606846 .
- ^ Jump up to: а б Кроз М.Л., Сулаж, Колорадо (октябрь 2013 г.). «Потенциальная роль и терапевтические интересы мио-инозитола при метаболических заболеваниях». Биохимия . 95 (10): 1811–27. дои : 10.1016/j.biochi.2013.05.011 . ПМИД 23764390 .
- ^ Коэн Р.А., МакГрегор Л.К., Спокс К.С., Сильва П., Эпштейн Ф.Х. (октябрь 1990 г.). «Влияние мио-инозитола на почечную Na-K-АТФазу при экспериментальном диабете». Метаболизм . 39 (10): 1026–32. дои : 10.1016/0026-0495(90)90161-5 . ПМИД 2170818 .
- ^ Jump up to: а б Томинага Т., Дутта Р.К., Джоладараши Д., Дой Т., Редди Дж.К., Канвар Ю.С. (январь 2016 г.). «Транскрипционная и трансляционная модуляция мио-инозитолоксигеназы (Миокс) жирными кислотами: влияние на повреждение почечных канальцев, вызванное ожирением и диабетом» . Журнал биологической химии . 291 (3): 1348–67. дои : 10.1074/jbc.M115.698191 . ПМЦ 4714220 . ПМИД 26578517 .
- ^ Гаут Дж.П., Кримминс Д.Л., Олендорф М.Ф., Локвуд К.М., Грист Т.А., Брада Н.А., Хоши М., Сато Б., Хотчкисс Р.С., Джейн С., Ладенсон Дж.Х. (май 2014 г.). «Разработка иммуноанализа почечного белка мио-инозитолоксигеназы, потенциального биомаркера острого повреждения почек» . Клиническая химия . 60 (5): 747–57. дои : 10.1373/clinchem.2013.212993 . ПМЦ 4128578 . ПМИД 24486646 .
- ^ Мун Т.С., Юн Ш., Ланза А.М., Рой-Мэйхью Дж.Д., Пратер К.Л. (февраль 2009 г.). «Продукция глюкаровой кислоты синтетическим путем в рекомбинантной Escherichia coli» . Прикладная и экологическая микробиология . 75 (3): 589–95. Бибкод : 2009ApEnM..75..589M . дои : 10.1128/АЕМ.00973-08 . ПМЦ 2632142 . ПМИД 19060162 .
- ^ Шиуэ Э., Пратер К.Л. (март 2014 г.). «Улучшение производства D-глюкаровой кислоты из мио-инозитола в E. coli за счет повышения стабильности MIOX и транспорта мио-инозитола» (PDF) . Метаболическая инженерия . 22 : 22–31. дои : 10.1016/j.ymben.2013.12.002 . hdl : 1721.1/101389 . ПМИД 24333274 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Инозитол + оксигеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
