Reduktaza tioredoksynowa - Thioredoxin reductase

Reduktazy tioredoksynowe ( TR , TrxR ) ( EC 1.8.1.9 ) są jedynymi znanymi enzymami redukującymi tioredoksynę (Trx). Zidentyfikowano dwie klasy reduktazy tioredoksynowej: jedną u bakterii i niektórych eukariontów oraz jedną u zwierząt. U bakterii TrxR katalizuje również redukcję białek podobnych do glutaredoksyny, znanych jako NrdH. Obie klasy to flawoproteiny, które działają jako homodimery. Każdy monomer zawiera grupę protetyczną FAD , domenę wiążącą NADPH i miejsce aktywne zawierające wiązanie disiarczkowe o aktywności redoks .

Rola komórkowa

Reduktaza tioredoksynowa jest jedynym znanym enzymem katalizującym redukcję tioredoksyny, a zatem jest centralnym składnikiem układu tioredoksynowego. Wraz z tioredoksyną (Trx) i NADPH najbardziej ogólny opis tego układu stanowi metodę tworzenia zredukowanych wiązań dwusiarczkowych w komórkach. Elektrony są pobierane z NADPH przez TrxR i przenoszone do aktywnego miejsca Trx, które następnie redukuje dwusiarczki białkowe lub inne substraty. System Trx istnieje we wszystkich żywych komórkach i ma ewolucyjną historię związaną z DNA jako materiałem genetycznym, obroną przed uszkodzeniami oksydacyjnymi spowodowanymi metabolizmem tlenu oraz sygnalizacją redoks przy użyciu cząsteczek takich jak nadtlenek wodoru i tlenek azotu.

Schematyczny diagram roli komórkowej TrxR Na podstawie Holmgren et al.

Różnorodność

Dwie klasy reduktazy tioredoksynowej wyewoluowały niezależnie:

• U wyższych eukariontów, w tym u ludzi, zidentyfikowano typ o wysokiej masie cząsteczkowej (MW = ~55 000) zawierający resztę selenocysteiny w swoim miejscu aktywnym. To jest związane z TxR reduktazy glutationu , trypanothione reduktazy , rtęciowego reduktazy i lipoamide dehydrogenazy .
• Typ o niskiej masie cząsteczkowej (MW = ~ 35 000) został zidentyfikowany w archeonach, bakteriach i innych eukarioch.

Te dwie klasy TrxR mają tylko ~20% identyczności sekwencji w sekcji sekwencji pierwszorzędowej, gdzie można je wiarygodnie przyrównać. Reakcja netto obu klas TrxR jest identyczna, ale mechanizm działania każdej z nich jest odmienny.

U ludzi zachodzi ekspresja trzech izoenzymów reduktazy tioredoksynowej: reduktaza tioredoksynowa 1 (TrxR1, cytozolowa), reduktaza tioredoksynowa 2 (TrxR2, mitochondrialna), reduktaza tioredoksynowa 3 (TrxR3, specyficzna dla jąder). Każdy izozym jest kodowany przez osobny gen:

Struktura

E coli

W E. coli ThxR występują dwie domeny wiążące, jedna dla FAD, a druga dla NADPH . Połączenie między tymi dwiema domenami to dwuniciowa antyrównoległa β-kartka . Każda domena indywidualnie jest bardzo podobna do analogicznych domen w reduktazie glutationowej i dehydrogenazie lipoamidowej, ale ich względna orientacja tych domen w ThxR jest obrócona o 66 stopni. Staje się to istotne w mechanizmie działania enzymów, który opisano poniżej. ThxR homodimeryzuje z powierzchnią międzyfazową dwóch monomerów utworzoną przez trzy alfa-helisy i dwie pętle. Każdy monomer może oddzielnie wiązać cząsteczkę tioredoksyny .

• 

  Struktura tioredoksyny związanej z dimerem ThxR E. coli

• 

  Struktura E. coli ThxR z oznaczonymi grupami protetycznymi FAD i NADPH

Ssak

Struktura TrxR ssaka jest podobna do struktury E. coli . Zawiera domenę wiążącą FAD i NADPH oraz interfejs między dwiema podjednostkami monomerowymi. U ssaków ThxR występuje insercja w domenie wiążącej FAD pomiędzy dwiema alfa helisami, która tworzy małą parę nici beta. Aktywny dwusiarczek w enzymie znajduje się na jednej z tych helis, a zatem aktywne wiązanie dwusiarczkowe znajduje się w domenie FAD, a nie w domenie NADPH, jak w E. coli i innych prokariotach .

• 

  Struktura ludzkich grup protetycznych ThxR FAD i NADPH

Mechanizm

Proponowany mechanizm u ssaków i przypuszczalnie u ludzi: Zaczynając od formy całkowicie utlenionej, reakcja rozpoczyna się od redukcji siarczku selenu do anionu selenowego (Se(-1)) za pomocą elektronów otrzymanych z NADPH poprzez FAD (Krok A). Ze względu na niską wartość pKa selenolu anion selenolowy jest formą dominującą w warunkach fizjologicznych. Drugie przeniesienie elektronu z drugiej cząsteczki NADPH redukuje wiązania tihiolowe w miejscu aktywnym z jedną resztą Cys stabilizowaną przez oddziaływanie z FAD (Krok B). Anion selenolowy następnie atakuje wiązania dwusiarczkowe Trx i powstały mieszany siarczek selenonylu enzym-Trx (Etap C), który jest następnie atakowany przez sąsiednią resztę Cys w ​​celu regeneracji selenylosiarczku (Etap D). Ten siarczek selenonylu jest następnie redukowany przez tiolan miejsca aktywnego z drugiej podjednostki (Etap E). Na podstawie Zhong et al. Zgodnie z ustaleniami, że kompleksy (2,2':6',2''-terpirydyno)platyny(II) hamują ludzki TrxR.

E coli

W E. coli ThxR orientacja przestrzenna domen FAD i NADPH jest taka, że ​​pierścienie redox-aktywne FAD i NADPH nie znajdują się blisko siebie. Gdy domena FAD E. coli jest obrócona o 66 stopni, a domena NADPH pozostaje nieruchoma, dwie grupy protetyczne zbliżają się do bliskiego kontaktu, umożliwiając przechodzenie elektronów z NADPH do FAD, a następnie do wiązania disiarczkowego w miejscu aktywnym. Konserwatywne reszty miejsca aktywnego w E. coli to -Cys-Ala-Thr-Cys-.

Ssak

TrxR ssaków mają znacznie wyższą homologię sekwencji z reduktazą glutationową niż E. coli . Reszty Cys w ​​miejscu aktywnym w domenie FAD i związanej domenie NADPH znajdują się w bliskiej odległości, co eliminuje konieczność rotacji o 66 stopni w celu przeniesienia elektronu znalezionego w E. coli . Dodatkową cechą mechanizmu ssaczego jest obecność reszty selenocysteiny na C-końcu białka, która jest wymagana do aktywności katalitycznej. Konserwatywne reszty w miejscu aktywnym ssaków to -Cys-Val-Asn-Val-Gly-Cys-.

Metody wykrywania

Reduktazę tioredoksynową można oznaczać ilościowo różnymi metodami, takimi jak test DTNB przy użyciu odczynnika Ellmana . Seria sond fluorescencyjnych TRFS opartych na dwusiarczkach wykazała selektywne wykrywanie TrxR. Mafireyi zsyntetyzował pierwszą sondę diselenkową, która została zastosowana do wykrywania TrxR. Inne metody wykrywania obejmują techniki immunologiczne i test reduktazy selenocystyny-tioredoksyny (test SC-TR).

Znaczenie kliniczne

Lek na raka

Ponieważ aktywność tego enzymu jest niezbędna dla wzrostu i przeżycia komórek, jest dobrym celem terapii przeciwnowotworowej. Ponadto enzym ten jest podwyższony w kilku typach raka, w tym międzybłoniaku złośliwym . Na przykład moteksafina gadolin (MGd) jest nowym środkiem chemioterapeutycznym, który selektywnie działa na komórki nowotworowe, prowadząc do śmierci komórki i apoptozy poprzez hamowanie reduktazy tioredoksynowej i reduktazy rybonukleotydowej .

Kardiomiopatia

Kardiomiopatia rozstrzeniowa ( DCM ) jest częstym rozpoznaniem w przypadku zastoinowej niewydolności serca . Reduktazy tioredoksynowe są niezbędnymi białkami regulującymi komórkową równowagę redoks i łagodząc uszkodzenia powodowane przez reaktywne formy tlenu generowane przez fosforylację oksydacyjną w mitochondriach . Inaktywacja mitochondrialnego TrxR2 u myszy powoduje ścieńczenie ścianek serca i śmierć noworodków. Ponadto dwie mutacje w genie TrxR2 stwierdza się u pacjentów ze zdiagnozowaną DCM, a nie w populacji kontrolnej. Przypuszcza się, że patologicznym wpływem tych mutacji jest upośledzenie zdolności do kontrolowania uszkodzeń oksydacyjnych w miocytach sercowych .

Antybiotyk

Ostatnio przeprowadzono pewne badania, które wykazały, że reduktaza tioredoksynowa o niskiej masie cząsteczkowej może być celem dla nowych antybiotyków (takich jak auranofin lub Ebselen). Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku Mycobacterium Haemophilum i może być stosowane w przypadku bakterii opornych na antybiotyki.

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Tioredoksyna + Reduktaza + (NADPH) w Narodowej Bibliotece Medycznej USA Medical Subject Headings (MeSH)