Lipoxygenase - Lipoxygenase

Lipoxygenase
Struktur af kaninretikulocyt 15S-lipoxygenase.
Identifikatorer
Symbol	Lipoxygenase
Pfam	PF00305
InterPro	IPR013819
PROSIT	PDOC00077
SCOP2	2sbl / SCOPe / SUPFAM
OPM superfamilie	80
OPM -protein	2p0m
Tilgængelige proteinstrukturer: Pfam   strukturer / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsum strukturresumé

Lipoxygenaser ( EC 1.13.11.- ) er en familie af (ikke- hæm ) jern holdig enzymer hvoraf de fleste katalyserer den dioxygenation af polyumættede fedtsyrer i lipider indeholdende en cis, cis-1,4 pentadien i celle signalering midler, tjene forskellige roller som autokrine signaler, der regulerer funktionen af ​​deres forælderceller, paracrin -signaler, der regulerer funktionen af ​​nærliggende celler, og endokrine signaler, der regulerer funktionen af ​​fjerne celler.

Lipoxygenaserne er relateret til hinanden baseret på deres lignende genetiske struktur og dioxygenering aktivitet. Imidlertid besidder en lipoxygenase, ALOXE3, selvom den har en lipoxygenase genetisk struktur, relativt lidt dioxygenering aktivitet; snarere synes dens primære aktivitet at være som en isomerase, der katalyserer omdannelsen af ​​hydroperoxy umættede fedtsyrer til deres 1,5- epoxid , hydroxylderivater .

Lipoxygenaser findes i eukaryoter (planter, svampe, dyr, protister); mens det tredje område af terrestrisk liv, archaea , besidder proteiner med en lille (~ 20%) aminosyresekvens-lighed med lipoxygenaser, mangler disse proteiner jernbindende rester og forventes derfor ikke at besidde lipoxygenaseaktivitet.

Biokemi

Baseret på detaljerede analyser af 15-lipoxygenase 1 og stabiliseret 5-lipoxygenase består lipoxygenasestrukturer af et 15 kilodalton N-terminalt beta-tønde- domæne, et lille (f.eks. ~ 0,6 kilodalton) linkerinter-domæne (se proteindomæne § Domæner og proteinfleksibilitet ) og et relativt stort C-terminalt katalytisk domæne, der indeholder det ikke-hemejern, der er kritisk for enzymernes katalytiske aktivitet. De fleste af lipoxygenaser (undtagelse, ALOXE3) katalyserer reaktionen polyumættede fedtsyre + O ₂ → fedtsyre hydroperoxid i fire trin:

• det hastighedsbegrænsende trin for hydrogenabstraktion fra et bisallylisk methylencharbon til dannelse af en fedtsyreradikal ved dette carbon
• omlægning af radikalen til et andet kulstofcenter
• tilsætning af molekylært oxygen (O ₂ ) til det omarrangerede carbonradikalcenter og derved danner en peroxyradikal (—OO ·) binding til det carbon
• reduktion af peroxygruppen til den tilsvarende anion (—OO ^- )

Den (-OO ^- ) rest kan derefter protoneres til dannelse af et hydroperoxid gruppe (-OOH) og yderligere metaboliseres af lipoxygenase til fx leukotriener , hepoxilins og forskellige specialiserede pro-løsning mediatorer eller reduceret af ubikvitære cellulære glutathionniveauer peroxidaser til en hydroxygruppe gruppe derved danner hydroxylerede (—OH) flerumættede fedtsyrer, såsom hydroxyeicosatetraensyrer og HODE'er (dvs. hydroxyoctadecaensyrer).

Flerumættede fedtsyrer, der fungerer som substrater for en eller flere af lipoxygenaserne, omfatter omega 6-fedtsyrerne , arachidonsyre , linolsyre , dihomo-y-linolensyre og adreninsyre ; den omega-3 fedtsyrer , eicosapentaensyre , docosahexaensyre , og alfa-linolensyre ; og omega-9 fedtsyren , mjødsyre . Visse typer lipoxygenaser, f.eks. Humane og murine 15-lipoxygenase 1, 12-lipoxygenase B og ALOXE3, er i stand til at metabolisere fedtsyresubstrater, der er bestanddele af phospholipider, cholesterolestere eller komplekse lipider i huden. De fleste lipoxygenaser katalyserer dannelsen af ​​oprindeligt dannede hydroperoxyprodukter, der har S -kiralitet . Undtagelser fra denne regel omfatter 12R-lipoxygenaser fra mennesker og andre pattedyr (se nedenfor).

Lipoxygenaser afhænger af tilgængeligheden af ​​deres flerumættede fedtsyresubstrater, som især i pattedyrsceller normalt opretholdes på ekstremt lave niveauer. Generelt aktiveres forskellige phospholipase A2'er og diacylglycerol-lipaser under cellestimulering, frigiver disse fedtsyrer fra deres lagringssteder og er derved centrale regulatorer i dannelsen af ​​lipoxygenase-afhængige metabolitter. Desuden kan celler, når de aktiveres, overføre deres frigivne flerumættede fedtsyrer til tilstødende eller nærliggende celler, som derefter metaboliserer dem gennem deres lipoxygenaseveje i en proces, der kaldes transcellulær metabolisme eller transcellulær biosyntese.

Biologisk funktion og klassificering

Disse enzymer er mest almindelige i planter, hvor de kan være involveret i en række forskellige aspekter af plantefysiologien, herunder vækst og udvikling, skadedyrsresistens og ældning eller reaktioner på sår. Hos pattedyr er en række lipoxygenaser isozymer involveret i metabolismen af eicosanoider (såsom prostaglandiner , leukotriener og ikke -klassiske eicosanoider ). Sekvensdata er tilgængelige for følgende lipoxygenaser:

Plant lipoxygenaser

Planter udtrykke en bred vifte af cytosol lipoxygenaser ( EF 1.13.11.12 InterPro :  IPR001246 ) samt hvad der synes at være en chloroplast isozym. Plantelipoxygenase i forbindelse med hydroperoxidlyaser er ansvarlige for mange dufte og andre signalforbindelser. Et eksempel er cis-3-hexenal , duften af ​​nyslået græs.

En illustrativ transformation, der involverer en hydroperoxidlyase. Her genereres cis-3-hexenal fra linolensyre til hydroperoxidet ved virkning af en lipoxygenase efterfulgt af lyasen.

Humane lipoxygenaser

Med undtagelse af 5-LOX-genet, der er placeret på kromosom 10q11.2, er alle seks humane LOX-gener placeret på kromosom 17. p13 og koder for et enkeltkædet protein på 75–81 kiloDalton og består af 662–711 aminosyrer . Mammalian LOX -gener indeholder 14 (ALOX5, ALOX12, ALOX15, ALOX15B) eller 15 (ALOX12B, ALOXE3) exoner med exon/ intron -grænser ved stærkt bevaret position. De 6 humane lipoxygenaser sammen med nogle af de store produkter, de fremstiller, samt nogle deres forbindelser med genetiske sygdomme er som følger:

• Arachidonat 5-lipoxygenase (ALOX5) ( EF 1.13.11.34 InterPro :  IPR001885 ), betegnes også 5-lipoxygenase, 5-LOX, og 5-LO. Vigtigste produkter: det metaboliserer arachidonsyre til 5-hydroperoxy-eicostetraeinsyre (5-HpETE), der omdannes til 1) 5-Hydroxyicosatetraensyre (5-HETE) og derefter til 5-oxo-eicosatetraensyre (5-oxo-ETE) , 2) leukotrien A4 (LTA4), som derefter kan omdannes til leukotrien B4 (LTB4) eller Leukotrien C4 (LTC4) (LTC4 kan yderligere metaboliseres til leukotrien D4 [LTD4] og derefter til Leukotrien E4 [LTE4]) eller 3 virkende i serie med ALOX15, til Specialized pro- resolving mediatorer , lipoxiner A4 og B4. ALOX5 metaboliserer også eicosapentaensyre til et sæt metabolitter, der indeholder 5 dobbeltgrænser (dvs. 5-HEPE, 5-oxo-EPE, LTB5, LTC5, LTD5 og LTE5) i modsætning til de 4 dobbeltbindingsholdige arachidonsyremetabolitter. Enzymet, når det virker i serie med andre lipoxygenase-, cyclooxygenase- eller cytochrom P450 -enzymer, bidrager til metabolismen af ​​eicosapentaensyre til E -serie resolviner (se Resolvin#Resolvin Es ) og af docosahexaensyre til D -serie resolviner (se Resolvin#Resolvin Ds ). disse resolviner er også klassificeret som Specialized pro-resolving mediators .
• Arachidonat 12-lipoxygenase (ALOX12) ( EF 1.13.11.31 InterPro :  IPR001885 ), også betegnet 12-lipoxygenase, småpladetypen blodplade lipoxygenase (eller 12-lipoxygenase, blodplade type) 12-LOX, og 12-LO. Det metaboliserer arachidonsyre til 12-hydroperoxyeiocsatetraeoic acid (12-HpETE), som yderligere metaboliseres til 12-hydroxyeicosatetraensyre (12-HETE) eller til forskellige hepoxiliner (se også 12-hydroxyeicosatetraensyre ).
• Arachidonat 15-lipoxygenase-1 (ALOX15) ( EF 1.13.11.33 InterPro :  IPR001885 ), også betegnet 15-lipoxygenase-1, erythrocyt typen 15-lipoxygenase (eller 15-lipoxygenase, erythrocyt type), reticulocyt typen 15-lipoxygenase (eller 15 -lipoxygenase, reticulocyt type), 15-LO-1 og 15-LOX-1. Det metaboliserer arachidonsyre hovedsageligt til 1) 15-hydroperoxyeiocatetraensyre (15-HpETE), der yderligere metaboliseres til 15-hydroxyicosatetraensyre (15-HETE), men også til langt mindre mængder af 2) 12-hydroperoxyeicosatetraensyre (12-HpETE), som også metaboliseres yderligere til 12-hydroxyeicosatetraensyre og muligvis hepoxilinerne . ALOX15 foretrækker faktisk linolsyre frem for arachidonsyre, metaboliserer linolsyre frem for 12-hydroperoxyoctadecaensyre (13-HpODE), der yderligere metaboliseres til 13-Hydroxyoctadecadienoic acid (13-HODE). ALOX15 kan metabolisere flerumættede fedtsyrer, der esterificeres til phospholipider og/eller til kolesterolet , dvs. kolesterolestere , i lipoproteiner . Denne egenskab sammen med dens dobbelte specificitet ved metabolisering af arachidonsyre til 12-HpETE og 15-HpETE ligner dem hos mus Alox15 og har ført til, at begge enzymer betegnes 12/15-lipoxygenaser.
• Arachidonat 15-lipoxygenase type II ( ALOX15B ), også betegnet 15-lipoxygenase-2, 15-LOX-2 og 15-LOX-2. Det metaboliserer arachidonsyre til 15-hydroperoxyeicosatetraenoic (15-HpETE), som yderligere metaboliseres til 15-Hydroxyicosatetraensyre . ALOX15B har ringe eller ingen evne til at metabolisere arachidonsyre til 12-hydroperoxeiocosatetraensyre (12- (HpETE) og kun minimal evne til at metabolisere linolsyre til 13-hydroperoxyoctadecaensyre (13-HpODE).
• Arachidonat 12 -lipoxygenase , 12R type ( ALOX12B ), også betegnet 12 R -lipoxygenase, 12 R -LOX og 12 R -LO. Det metaboliserer arachidonsyre til 12 R -hydroxyeicosatetraensyre, men gør det kun med lav katalytisk aktivitet; dets mest fysiologisk vigtige substrat menes at være en sphingosin, der indeholder en meget lang kæde (16-34 carbonatomer) omega-hydroxylfedtsyre, der er i amidbinding til sn-2- nitrogenet fra sphingosin i sin carboxyende og esterificeret til linolsyre ved sin omega -hydroxylende. I hudens epidermale celler metaboliserer ALOX12B linoleatet i denne esterificerede omega-hydroxyacyl-sphingosin (EOS) til dets 9 R- hydroperoxy-analog. Inaktiverende mutationer af ALOX12B er forbundet med den menneskelige hudsygdom, autosomal recessiv medfødt ichthyosiform erythroderma (ARCI).
• Epoxy-type lipoxygenase ( ALOXE3 ), også betegnet eLOX3 og lipoxygenase, epidermis type. I modsætning til andre lipoxygenaser udviser ALOXE3 kun en latent dioxygenase -aktivitet. Snarere er dens primære aktivitet som en hydroperoxidisomerase, der metaboliserer visse umættede hydroperoxyfedtsyrer til deres tilsvarende epoxyalkohol og epoxyketo -derivater og derved også klassificeres som en hepoxilinsyntase . Selvom det kan metabolisere 12 S -hydroperoxyeicosatetraensyre (12 S -HpETE) til R -stereoisomerer af hepoxiliner A3 og B3, favoriserer ALOXE3 metabolisering af R hydroperoxy umættede fedtsyrer og omdanner effektivt 9 ( R ) -hydroperoxy -analog af EOS fremstillet af ALOX15B til dens 9 R (10 R ), 13 R -trans-epoxy-11 E , 13 R og 9-keto-10 E , 12 Z EOS-analoger. ALOXE3 menes at virke med ALOX12B i hudoverhuden for at danne de to sidstnævnte EOS -analoger; inaktiveringsmutationer af ALOX3 ligner inaktiverende mutationer i ALOX12B forbundet med autosomal recessiv medfødt ichthyosiform erythroderma hos mennesker. Inaktiverende mutationer i ALOX3 er også forbundet med den menneskelige sygdom Lamellar ichthyosis, type 5 (se Ichthyosis#Typer ).

To lipoxygenaser kan virke i serie til fremstilling af di-hydroxy- eller tri-hydroxy-produkter, der har aktiviteter, der er ganske anderledes end lipoxyenases produkter. Denne serielle metabolisme kan forekomme i forskellige celletyper, der kun udtrykker en af ​​de to lipoxygenaser i en proces, der kaldes transcellulær metabolisme. F.eks. Kan ALOX5 og ALOX15 eller alternativt ALOX5 og ALOX12 virke serielt til at metabolisere arachidonsyre til lipoxiner (se 15-hydroxyicosatetraensyre#Yderligere metabolisme af 15 (S) -HpETE, 15 (S) -HETE, 15 (R) -HpETE, 15 (R) -HETE og 15-oxo-ETE og lipoxin#biosyntese ), mens ALOX15 og muligvis ALOX15B kan virke sammen med ALOX5 for at metabolisere eicosapentaensyre til resolvin D's (se resolvin#Produktion ).

Mus lipoxygenaser

Musen er en almindelig model til undersøgelse af lipoxygenasefunktion. Der er dog nogle vigtige forskelle mellem lipoxygenaserne mellem mus og mænd, der gør ekstrapolationer fra musestudier til mennesker vanskelige. I modsætning til de 6 funktionelle lipoxygenaser hos mennesker har mus 7 funktionelle lipoxygenaser, og nogle af sidstnævnte har andre metaboliske aktiviteter end deres humane ortologer . Især mus Alox15, i modsætning til human ALOX15, metaboliserer arachidonsyre hovedsageligt til 12-HpETE og mus Alox15b, i modsætning til human ALOX15b, er primært en 8-lipoxygenase, der metaboliserer arachdionsyre til 8-HpETE; der er ingen sammenlignelig 8-HpETE-dannende lipoxygenase hos mennesker.

• Alox5 ser ud til at ligne funktionen til human ALOX5.
• Alox12 adskiller sig fra human ALOX12, som fortrinsvis metaboliserer arachidonsyre til 12-HpETE, men også til betydelige mængder 15-HpETE, ved at metabolisere arachidonsyre næsten udelukkende til 12-HpETE.
• Alox15 (også betegnet leukocyt-type 12-Lox, 12-Lox-l og 12/15-Lox) adskiller sig fra human ALOX15, som under standardanalyseforhold metaboliserer arachidonsyre til 15-HpETE- og 12-HpETE-produkter i en 89 til 11-forhold, metaboliserer arachidonsyre til 15-Hpete og 12-HpETE i et 1 til 6-forhold, dvs. dets vigtigste metabolit er 12-HpETE. Human ALOX15 foretrækker også linolsyre frem for arachidonsyre som et substrat og metaboliserer det til 13-HpODE, mens Alox15 har ringe eller ingen aktivitet på linolsyre. Alox15 kan metabolisere flerumættede fedtsyrer, der er forestret til phospholipider og kolesterol (dvs. kolesterolestere ). Denne egenskab sammen med dens dobbelte specificitet ved metabolisering af arachidonsyre til 12-HpETE og 15-HpETE ligner dem for human ALOX15 og har ført til, at begge enzymer betegnes 12/15-lipoxygenaser.
• Alox15b (også betegnet 8-lipoxygenase, 8-lox og 15-lipoxygenase type II), i modsætning til ALOX15B, der metaboliserer arachidonsyre hovedsageligt til 15-HpETE og i mindre grad linolsyre til 13-HpODE, metaboliserer arachidonsyre hovedsageligt til 8 S -HpETE og linolsyre til 9 -HpODE. Alox15b er lige så effektivt som ALOX5 til metabolisering af 5-HpETE til leukotriener.
• Alox12e (12-Lox-e, epidermal-type 12-Lox) er en ortolog til det humane ALOX12P-gen, der har lidt skadelige mutationer og ikke kommer til udtryk. ALox12e foretrækker methylestere frem for ikke-esterificerede flerumættede fedtsyresubstrater, der metaboliserer linolsyreester frem for dets 13-hydroperoxy-modstykke og i mindre grad arachidonsyreester til dets 12-hydroperoxy-modstykke.
• Alox12b (e-LOX2, epidermis-type Lox-12) ser ud til at virke på samme måde som ALOX12B for at metabolisere linolsyredelen af ​​EOS til dets 9 R- hydroperoxy-modstykke og derved bidrage til hudens integritet og vandgennemtrængelighed; mus, der er tømt for Alox12b, udvikler en alvorlig hudfejl, der ligner medfødt ichthyosiform erythroderma. I modsætning til human ALOX12B, der metaboliserer arachidonsyre til 12R -HETE ved en lav hastighed, metaboliserer Alox12b ikke arachidonsyre som fri syre, men metaboliserer arachidonsyremethylester til dets 12R -hydroperoxy -modstykke.
• Aloxe3 (epidermis-typen Lox-3, eLox3) synes at virke på samme måde som ALOXe3 i metabolisere 9 R -hydoperoxy-linoleat derivat af EOS til sine epoxy- og ketoderivaterne og at være involveret i at opretholde hudens integritet og vandimpermeabilitet. Sletning af AloxE3 fører til en defekt, der ligner medfødt ichthyosiform erythroderma.

Kanin 15-lipoxygenase (blå) med inhibitor (gul) bundet på det aktive sted

3D struktur

Der er adskillige lipoxygenasestrukturer kendt, herunder: soyabønne lipoxygenase L1 og L3, koral 8-lipoxygenase, human 5-lipoxygenase, kanin 15-lipoxygenase og porcine leukocyt 12-lipoxygenase katalytisk domæne. Proteinet består af et lille N-terminal PLAT-domæne og et større C-terminal katalytisk domæne (se Pfam- link i denne artikel), som indeholder det aktive sted . I både plante- og pattedyrsenzymer indeholder det N-terminale domæne en otte-strenget antiparallel β-tønde, men i sojabønne lipoxygenaser er dette domæne signifikant større end i kaninenzymet. Plantens lipoxygenaser kan enzymatisk spaltes i to fragmenter, som forbliver tæt forbundet, mens enzymet forbliver aktivt; adskillelse af de to domæner fører til tab af katalytisk aktivitet. Det C-terminale (katalytiske) domæne består af 18-22 spiraler og en (i kaninenzym) eller to (i sojabønnenzymer) antiparallelle β-ark i den modsatte ende fra den N-terminale β-tønde.

Aktivt websted

Jernatomet i lipoxygenaser er bundet af fire ligander, hvoraf tre er histidinrester. Seks histidiner er konserveret i alle lipoxygenasesekvenser, fem af dem findes samlet i en strækning på 40 aminosyrer. Denne region indeholder to af de tre zink-ligander; de andre histidiner har vist sig at være vigtige for aktiviteten af ​​lipoxygenaser.

De to lange centrale spiraler krydser på det aktive sted; begge spiraler inkluderer interne strækninger af π-helix, der tilfører tre histidin (His) ligander til det aktive stedjern. To hulrum i hoveddomænet for sojabønne lipoxygenase-1 (hulrum I og II) strækker sig fra overfladen til det aktive sted. Det tragtformede hulrum I kan fungere som en dioxygenkanal; det lange smalle hulrum II er formodentlig en substratlomme. Det mere kompakte pattedyrenzym indeholder kun et støvleformet hulrum (hulrum II). I sojabønne lipoxygenase-3 er der et tredje hulrum, der løber fra jernstedet til grænsefladen mellem β-tønde og katalytiske domæner. Hulrum III, jernstedet og hulrum II danner en kontinuerlig passage gennem proteinmolekylet.

Det aktive stedjern koordineres af N ^ε af tre konserverede His-rester og et oxygen af ​​den C-terminale carboxylgruppe. Desuden er asparagins sidekæde -ilt i sojabønnenzymer svagt forbundet med jernet. I kaninlipoxygenase erstattes denne Asn -rest med His, som koordinerer jernet via N ^δ -atom. Således er koordineringstallet for jern enten fem eller seks med en hydroxyl- eller vandligand til et hexacoordinatjern.

Detaljer om det aktive stedstræk ved lipoxygenase blev afsløret i strukturen af ​​porcine leukocyt 12-lipoxygenase katalytisk domænekompleks I 3D-strukturen besatte substratanaloginhibitoren en U-formet kanal åben ved siden af ​​jernstedet. Denne kanal kunne rumme arachidonsyre uden meget beregning og definerer substratbindingsdetaljerne for lipoxygenasereaktionen. Derudover kunne en plausibel adgangskanal, der opsnapper substratbindingskanalen og forlænges til proteinoverfladen, tælles for oxygenbanen.

Biokemisk klassificering

Sojabønne Lipoxygenase 1 udviser den største H/D kinetiske isotopeffekt (KIE) på kcat (kH/kD) (81 nær stuetemperatur), der hidtil er rapporteret for et biologisk system. For nylig blev der fundet en ekstremt forhøjet KIE på 540 til 730 i en dobbeltmutant Soybean Lipoxygenase 1. På grund af KIE's store størrelse har Soybean Lipoxygenase 1 fungeret som prototypen for enzymkatalyserede brint-tunneleringsreaktioner.

Humane proteiner udtrykt fra lipoxygenasefamilien inkluderer ALOX12 , ALOX12B , ALOX15 , ALOX15B , ALOX5 og ALOXE3 . Mens mennesker også besidder ALOX12P2- genet, som er en ortholog for det godt udtrykte Alox12P- gen i mus, er det humane gen et pseudogen ; ALOX12P2 -protein påvises derfor ikke hos mennesker.

Referencer

eksterne links

• LOX -DB - LipOXygenases DataBase
• Lipoxygenaser jernbindende region i PROSITE
• PDB : 1YGE - struktur af lipoxygenase -1 fra sojabønne ( Glycin max )
• FBF : 1IK3 -struktur af sojabønne lipoxygenase-3 i kompleks med (9 Z , 11 E , 13 S ) -13-hydroperoxyoctadeca-9,11-dienoesyre
• PDB : 1LOX - struktur af 15 -lipoxygenase fra kanin i kompleks med inhibitor
• PDB : 3RDE - struktur af det katalytiske domæne for svin leukocyt 12 -lipoxygenasean med inhibitor
• UMich Orientation of Proteins in Membranes families/superfamily -87 - animalsk lipoxygenaser
• Lipoxygenase på US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
• Blancheringstid og kultivareffekter på kvaliteten af ​​frosne og lagrede majs og broccoli - lipoxygenase, peroxidase, inaktivering af cystinlyaseenzym ved blanchering