Monooksygenaza zawierająca flawinę
| Monooksygenaza zawierająca flawiny | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Diagram wstążkowy drożdży FMO ( PDB: 1VQW ).
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| nr WE | 1.14.13.8 | ||||||||
| nr CAS | 37256-73-8 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FMO monooksygenazy zawierającej flawinę | |||||||||
| Symbol | Flavin_mOase | ||||||||
| Pfam | PF00743 | ||||||||
| InterPro | IPR000960 | ||||||||
| Błona | 262 | ||||||||
| |||||||||
białek zawierających monooksygenazy flawinowe ( FMO ) specjalizuje się w utlenianiu ksenosubstratów w celu ułatwienia wydalania tych związków z organizmów żywych . Enzymy te mogą utleniać szeroką gamę heteroatomów , zwłaszcza miękkich nukleofili , takich jak aminy , siarczki i fosforyny . Ta reakcja wymaga tlenu, kofaktora NADPH i grupy prostetycznej FAD . FMO mają kilka wspólnych cech strukturalnych, takich jak domena wiążąca NADPH , domena wiążąca FAD i konserwowana reszta argininy obecna w miejscu aktywnym. Ostatnio enzymy FMO wzbudziły duże zainteresowanie przemysłu farmaceutycznego zarówno jako cel dla leków w różnych chorobach, jak i jako środek do metabolizowania proleków do aktywnych farmaceutyków. Te monooksygenazy są często błędnie klasyfikowane, ponieważ mają podobne profile aktywności do cytochromu P450 (CYP450), który jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do oksydacyjnego metabolizmu ksenobiotyków . Jednak kluczowa różnica między tymi dwoma enzymami polega na tym, jak przechodzą one do utleniania odpowiednich substratów; Enzymy CYP wykorzystują utlenioną hemową grupę prostetyczną, podczas gdy rodzina FMO wykorzystuje FAD do utleniania swoich substratów.
Historia
Przed 1960 rokiem uważano , że utlenianie materiałów ksenotoksycznych jest całkowicie przeprowadzane przez CYP450 . Jednak we wczesnych latach siedemdziesiątych dr Daniel Ziegler z University of Texas w Austin odkrył wątrobową flawoproteinę wyizolowaną z wątroby wieprzowej, która, jak stwierdzono, utlenia szeroką gamę różnych amin do odpowiadającego im stanu nitrowego . To flawoproteina, nazwana „enzymem Zieglera”, wykazywała niezwykłe właściwości chemiczne i spektrometryczne. Po dalszej charakterystyce spektroskopowej i badaniu puli substratów tego enzymu dr Ziegler odkrył, że enzym ten wiąże wyłącznie cząsteczkę FAD, która może tworzyć związek pośredni C4a-hydroksyperoksyflawiny, i że enzym ten może utleniać szeroką gamę substratów bez wspólnych cech strukturalnych , w tym między innymi fosfiny , siarczki , związki selenu . Kiedy to zostało zauważone, enzym dr Zieglera został ponownie sklasyfikowany jako szerokopasmowa monooksygenaza flawinowa .
W 1984 roku dwa różne laboratoria wyjaśniły pierwsze dowody na istnienie wielu form FMO, kiedy z płuc królika wyizolowano dwa różne FMO. Od tego czasu z wielu różnych organizmów udało się wyizolować ponad 150 różnych enzymów FMO. Do 2002 roku udało się wyizolować ze ssaków tylko 5 enzymów FMO. Jednak grupa badaczy znalazła szósty gen FMO zlokalizowany na ludzkim chromosomie 1 . Oprócz szóstego FMO odkrytego w 2002 r. Laboratoria dr Iana Philipsa i Elizabeth Sheppard odkryły drugi klaster genów u ludzi, który składa się z 5 dodatkowych pseudogenów FMO na ludzkim chromosomie 1.
Ewolucja rodziny genów FMO
Rodzina genów FMO jest konserwatywna we wszystkich dotychczas badanych typach , dlatego niektóre formy rodziny genów FMO można znaleźć we wszystkich badanych eukariotach . Geny FMO charakteryzują się specyficznymi ograniczeniami strukturalnymi i funkcjonalnymi, co doprowadziło do ewolucji różnych typów FMO w celu wykonywania różnorodnych funkcji. Rozbieżność między funkcjonalnymi typami FMO (FMO 1–5) wystąpiła, zanim płazy i ssaki podzieliły się na odrębne klasy . FMO5 znalezione u kręgowców wydaje się być ewolucyjnie starsze niż inne typy FMO, co czyni FMO5 pierwszym funkcjonalnie odrębnym członkiem rodziny FMO. Badania filogenetyczne sugerują, że FMO1 i FMO3 to najnowsze FMO, które ewoluowały w enzymy o różnych funkcjach. Chociaż FMO5 był pierwszym odrębnym FMO, nie jest jasne, jaką pełni funkcję, ponieważ nie dotlenia typowych substratów FMO zaangażowanych w metabolizm pierwszego przejścia .
Analizy genów FMO u kilku gatunków wykazały rozległe ciche mutacje DNA, co wskazuje, że obecna rodzina genów FMO istnieje z powodu presji selekcyjnej na poziomie białek , a nie na poziomie nukleotydów . Stwierdzono , że FMO występujące u bezkręgowców pochodzą z polifiletyki ; co oznacza, że fenotypowo podobny gen wyewoluował u bezkręgowców, który nie został odziedziczony po wspólnym przodku.
Klasyfikacja i charakterystyka
FMO to jedna podrodzina zewnętrznych monooksygenaz flawoprotein klasy B (EC 1.14.13), które należą do rodziny monooksygenaz oksydoreduktaz , wraz z innymi podrodzinami monooksygenaz Baeyera-Villigera i bakteryjnych monooksygenaz N-hydroksylujących. FMO znajdują się w grzybach, drożdżach, roślinach, ssakach i bakteriach.
Ssaki
Ekspresję rozwojową i specyficzną dla tkanki badano u kilku gatunków ssaków, w tym u ludzi, myszy, szczurów i królików. Jednakże, ponieważ ekspresja FMO jest unikalna dla każdego gatunku zwierząt, trudno jest wyciągnąć wnioski na temat regulacji i aktywności ludzkiego FMO na podstawie innych badań na ssakach. Jest prawdopodobne, że specyficzna dla gatunku ekspresja FMO przyczynia się do różnic we wrażliwości na toksyny i ksenobiotyki , a także w wydajności wydalania u różnych ssaków.
Zgłoszono sześć form funkcjonalnych ludzkich genów FMO. Jednak FMO6 jest uważany za pseudogen . FMO 1–5 mają 50–58% identyczności aminokwasów u różnych gatunków. Niedawno odkryto jeszcze pięć ludzkich genów FMO, chociaż należą one do kategorii pseudogenów.
Drożdże
W przeciwieństwie do ssaków, drożdże ( Saccharomyces cerevisiae ) nie mają kilku izoform FMO, lecz tylko jedną, zwaną yFMO. Enzym ten nie przyjmuje związków ksenobiotycznych . Zamiast tego, yFMO pomaga fałdować białka, które zawierają wiązania dwusiarczkowe , katalizując zależne od O2 i NADPH utlenianie biologicznych tioli , podobnie jak FMO ssaków. Przykładem jest utlenianie glutationu do dwusiarczku glutationu , z których oba tworzą układ buforujący redoks w komórce pomiędzy retikulum endoplazmatycznym a cytoplazmą . yFMO jest zlokalizowane w cytoplazmie w celu utrzymania optymalnego stosunku bufora redoks, niezbędnego do prawidłowego fałdowania białek zawierających wiązania dwusiarczkowe. Ta nieksenobiotyczna rola yFMO może reprezentować pierwotną rolę FMO przed powstaniem współczesnej rodziny enzymów FMO występujących u ssaków.
Rośliny
Roślinne FMO odgrywają rolę w obronie przed patogenami i katalizują określone etapy biosyntezy auksyny , hormonu roślinnego . Roślinne FMO odgrywają również rolę w metabolizmie glukozynolanów . Te nieksenobiotyczne role roślinnych FMO sugerują, że inne funkcje FMO można zidentyfikować w organizmach innych niż rośliny.
Struktura
Struktury krystaliczne określono dla drożdży ( Schizosaccharomyces pombe ) FMO ( PDB: 1VQW ) i bakterii ( Methylophaga aminisulfidivorans ) FMO ( PDB: 2XVH ). Struktury krystaliczne są do siebie podobne i mają 27% identyczności sekwencji. Enzymy te mają odpowiednio 22% i 31% identyczności sekwencji z ludzkimi FMO.
FMO mają ściśle związaną grupę prostetyczną FAD i wiążący kofaktor NADPH . Oba dinukleotydy tworzą fałdy Rossmanna . Drożdżowe FMO i bakteryjne FMO są dimerami , przy czym każdy monomer składa się z dwóch domen strukturalnych : mniejszej domeny wiążącej NADPH i większej domeny wiążącej FAD. Dwie domeny są połączone podwójnym łącznikiem. Kanał między dwiema domenami prowadzi do miejsca aktywnego, w którym NADPH wiąże obie domeny i zajmuje szczelinę, która blokuje dostęp do grupy flawinowej FAD, która jest związana z dużą domeną wzdłuż kanału wraz z cząsteczką wody. Grupa nikotynamidowa NADPH oddziałuje z grupą flawinową FAD, a miejsce wiązania NADPH pokrywa się z miejscem wiązania substratu w grupie flawinowej.
FMO zawierają kilka motywów sekwencji , które są zachowane we wszystkich domenach :
- Motyw wiążący FAD (GXGXXG)
- Motyw identyfikacyjny FMO (FXGXXXHXXXF/Y)
- Motyw wiążący NADPH (GXSXXA)
- Motyw F/LATGY
- argininy w miejscu aktywnym
Motyw identyfikujący FMO oddziałuje z flawiną FAD. Motyw F/LATGY jest motywem sekwencji powszechnym w N -hydroksylujących. Reszta argininy oddziałuje z grupą fosforanową NADPH.
Funkcjonować
Ogólną funkcją tych enzymów jest metabolizowanie ksenobiotyków . Stąd są one uważane za katalizatory detoksykacji ksenobiotyków . Białka te katalizują utlenianie wielu związków zawierających heteroatom , które są obecne w naszej diecie, takich jak aminy , siarczki , fosfor i inne nukleofilowe związki zawierające heteroatomy. FMO biorą udział w metabolizmie wielu farmaceutyków, pestycydów i substancji toksycznych, przekształcając lipofilowe ksenobiotyki w polarne , utlenione i łatwo wydalane metabolity.
Różnorodność podłoża
Substraty FMO to zróżnicowane strukturalnie związki. Jednak wszystkie mają podobne cechy:
- Miękkie nukleofile (aminy zasadowe, siarczki, związki zawierające Se lub P)
- Neutralny lub pojedynczo naładowany dodatnio
Za niekorzystne substraty uważa się jony obojnacze , aniony i dikationy . Istnieje kilka leków, które są uważane za typowe substraty dla FMO.
| albendazol | klindamycyna | Pargyline |
| benzydamina | Fenbendazol | Ranitydyna |
| Chlorfeniramina | Itopryd | Tiorydazyna |
| Cymetydyna | Olopatadyna | siarczek sulindaku |
| Xanomelina | Zimeldine |
Większość leków działa jako alternatywne substraty, konkurencyjne inhibitory FMO (tj. dobre nukleofile, które konkurują z lekiem o utlenienie FMO ), ponieważ jest mało prawdopodobne, aby służyły jako substraty FMO. Zgłoszono tylko kilka prawdziwych konkurencyjnych inhibitorów FMO. Należą do nich karboksylany indolo-3-karbinolu i N , N -dimetyloaminostilbenu. Dobrze znanym inhibitorem FMO jest metimazol (MMI).
Mechanizm
Cykl katalityczny FMO przebiega następująco:
- Kofaktor NADPH wiąże się ze stanem utlenionym grupy prostetycznej FAD , redukując ją do FADH2 .
- Tlen cząsteczkowy wiąże się z utworzonym kompleksem enzymu NADP + -FADH 2 i ulega redukcji, w wyniku czego powstaje 4a-hydroperoksyflawina (4a-HPF lub FADH-OOH). Gatunek ten jest stabilizowany przez NADP + w miejscu katalitycznym enzymu. Te pierwsze dwa kroki w cyklu są szybkie.
- W obecności substratu (S) następuje atak nukleofilowy na dystalny atom O grupy prostetycznej. Substrat jest natleniony do SO , tworząc 4a-hydroksyflawinę (FADH-OH). Substrat ksenobiotyczny zareaguje tylko wtedy, gdy flawina jest w formie hydronadtlenowej.
- Następnie produkt flawinowy rozkłada się wraz z uwolnieniem wody w celu zreformowania FAD.
- Ze względu na niską stałą dysocjacji kompleksu NADP + -enzym, NADP + jest uwalniany pod koniec cyklu i enzym powraca do swojego pierwotnego stanu. Etap ograniczający szybkość obejmuje albo rozkład FADH-OH do wody, albo uwolnienie NADP + .
- mechaniki kwantowej wykazały, że N-hydroksylacja jest katalizowana przez monooksygenazy zawierające flawinę, inicjowana przez homolizę wiązania OO w półproduktie C4a-hydroperoksyflawiny, w wyniku czego powstaje wewnętrzny rodnik hydroksylowy związany wiązaniem wodorowym.
Ekspresja komórkowa u ludzi
Ekspresja każdego rodzaju FMO zależy od kilku czynników, w tym podaży kofaktora , czynników fizjologicznych i środowiskowych, a także diety . Ze względu na te czynniki każdy typ FMO jest wyrażany inaczej w zależności od gatunku i tkanki. U ludzi ekspresja FMO koncentruje się głównie w ludzkiej wątrobie, płucach i nerkach, gdzie zachodzi większość metabolizmu ksenobiotyków . Jednak FMO można również znaleźć w ludzkim mózgu i jelicie cienkim. Podczas gdy FMO1-5 można znaleźć w mózgu, wątrobie, nerkach, płucach i jelicie cienkim, rozmieszczenie każdego rodzaju FMO różni się w zależności od tkanki i etapu rozwoju danej osoby.
Ekspresja w dorosłych tkankach
U osoby dorosłej FMO1 ulega głównie ekspresji w nerkach iw mniejszym stopniu w płucach i jelicie cienkim . FMO2 jest najobficiej występującym FMO i ulega głównie ekspresji w płucach i nerkach, z mniejszą ekspresją w wątrobie i jelicie cienkim. FMO3 jest silnie skoncentrowany w wątrobie, ale ulega również ekspresji w płucach. FMO4 ulega ekspresji głównie w wątrobie i nerkach. FMO5 ulega silnej ekspresji w wątrobie, ale ma również znaczną ekspresję w płucach i jelicie cienkim. Chociaż FMO2 jest najbardziej eksprymowanym FMO w mózgu , stanowi tylko około 1% tego, co znajduje się w płucach, co powoduje, że ekspresja FMO w mózgu jest dość niska.
Ekspresja w tkankach płodu
Rozmieszczenie FMO w różnych typach tkanek zmienia się wraz z rozwojem człowieka, co sprawia, że rozmieszczenie FMO u płodu jest zupełnie inne niż u dorosłego. Podczas gdy wątroba dorosłego jest zdominowana przez ekspresję FMO3 i FMO5, wątroba płodu jest zdominowana przez ekspresję FMO1 i FMO5. Kolejna różnica dotyczy mózgu, gdzie dorośli najczęściej wyrażają FMO2, a płody głównie FMO1.
Znaczenie kliniczne
Rozwój leków
Metabolizm leków jest jednym z najważniejszych czynników, które należy wziąć pod uwagę przy opracowywaniu nowych leków do zastosowań terapeutycznych . Szybkość degradacji tych nowych leków w organizmie warunkuje czas trwania i intensywność ich działania farmakologicznego . W ciągu ostatnich kilku lat FMO zyskały wiele uwagi w opracowywaniu leków , ponieważ enzymy te nie są łatwo indukowane ani hamowane przez chemikalia lub leki otaczające ich środowisko. CYP są głównymi enzymami biorącymi udział w metabolizmie leków. Jednak ostatnie wysiłki skierowano na rozwój kandydatów na leki, które zawierają grupy funkcyjne , które mogą być metabolizowane przez FMO. W ten sposób minimalizuje się liczbę potencjalnych niepożądanych interakcji lek-lek i zmniejsza się zależność od metabolizmu CYP450. Podjęto kilka podejść do badania potencjalnych interakcji lekowych. Jednym z nich jest ludzki FMO3 (hFMO3), który jest określany jako najważniejszy FMO pod względem interakcji lekowych. W celu skutecznego przeszukiwania hFMO3 w sposób wysokoprzepustowy hFMO3 z powodzeniem utrwalono na z tlenku grafenu w celu zmierzenia zmiany potencjału elektrycznego generowanego w wyniku utleniania leku podczas interakcji z enzymem .
Nadciśnienie
Istnieją dowody na to, że FMO są związane z regulacją ciśnienia krwi . FMO3 bierze udział w tworzeniu N-tlenków TMA (TMAO). Niektóre badania wskazują, że nadciśnienie może rozwinąć się, gdy nie ma organicznych osmolitów (tj. TMAO), które mogą przeciwdziałać wzrostowi ciśnienia osmotycznego i oporu obwodowego . Osoby z niedoborem aktywności FMO3 mają większą częstość występowania nadciśnienia i innych chorób sercowo-naczyniowych , ponieważ występuje spadek tworzenia N-tlenków TMA, aby zrównoważyć skutki wyższego ciśnienia osmotycznego i oporu obwodowego.
Syndrom zapachu ryb
Zaburzenie trimetyloaminurii , znane również jako zespół zapachu ryb, powoduje nieprawidłowy metabolizm za pośrednictwem FMO3 lub niedobór tego enzymu u osobnika. Osoba z tym zaburzeniem ma niską zdolność utleniania trimetyloaminy ( TMA), która pochodzi z jej diety, do jej bezwonnego metabolitu TMAO. Kiedy tak się dzieje, duże ilości TMA są wydalane z moczem, potem i oddechem danej osoby, z silnym rybim zapachem. Na dzień dzisiejszy nie jest znane lekarstwo ani leczenie tego zaburzenia. Jednak lekarze zalecają pacjentom unikanie pokarmów zawierających cholinę , karnitynę , azot , siarkę i lecytynę .
Inne choroby
FMO zostały również powiązane z innymi chorobami, takimi jak rak i cukrzyca . Jednak dodatkowe badania są konieczne, aby wyjaśnić, jaki jest związek między funkcją FMO a tymi chorobami, a także określić znaczenie kliniczne tych enzymów.
Linki zewnętrzne
- zawierająca flawinę + monooksygenaza w US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
- WE 1.14.13.8
- Informacje o badaniach na temat FMO1 (WikiGenes)
