Lipoxigenase - Lipoxygenase

Lipoxigenase
2p0m.png
Estrutura da 15S-lipoxigenase de reticulócito de coelho.
Identificadores
Símbolo Lipoxigenase
Pfam PF00305
InterPro IPR013819
PRÓSITO PDOC00077
SCOP2 2sbl / SCOPe / SUPFAM
Superfamília OPM 80
Proteína OPM 2p0m

As lipoxigenases ( EC 1.13.11.- ) são uma família de enzimas contendo ferro (não heme ), a maioria das quais catalisam a dioxigenação de ácidos graxos poliinsaturados em lipídios contendo cis, cis-1,4- pentadieno em agentes de sinalização celular que desempenham diversos papéis como sinais autócrinos que regulam a função de suas células-mãe, sinais parácrinos que regulam a função de células próximas e sinais endócrinos que regulam a função de células distantes.

As lipoxigenases estão relacionadas umas com as outras com base em sua estrutura genética e atividade de dioxigenação semelhantes. No entanto, uma lipoxigenase, ALOXE3, embora tenha uma estrutura genética de lipoxigenase, possui relativamente pouca atividade de dioxigenação; em vez disso, sua atividade primária parece ser como uma isomerase que catalisa a conversão de ácidos graxos insaturados hidroperoxi em seus 1,5- epóxido , derivados de hidroxila .

As lipoxigenases são encontradas em eucariotos (plantas, fungos, animais, protistas); enquanto o terceiro domínio da vida terrestre, as arquéias , possui proteínas com uma ligeira semelhança de sequência de aminoácidos (~ 20%) com as lipoxigenases, essas proteínas não possuem resíduos de ligação de ferro e, portanto, não são projetadas para possuir atividade de lipoxigenase.

Bioquímica

Com base em análises detalhadas de 15-lipoxigenase 1 e 5-lipoxigenase estabilizada, as estruturas da lipoxigenase consistem em um domínio de barril beta N-terminal de 15 quilodalton , um pequeno interdomínio ligante (por exemplo, ~ 0,6 quilodalton) (ver domínio de proteína § Domínios e flexibilidade de proteína ), e um domínio catalítico C-terminal relativamente grande que contém o ferro não-heme crítico para a atividade catalítica das enzimas. A maioria das lipoxigenases (exceção, ALOXE3) catalisa a reação ácido graxo poliinsaturado + O 2hidroperóxido de ácido graxo em quatro etapas:

  • a etapa de limitação de taxa de abstração de hidrogênio de um carbono de metileno bisalílico para formar um radical de ácido graxo nesse carbono
  • rearranjo do radical para outro centro de carbono
  • adição de oxigênio molecular (O 2 ) ao centro do radical de carbono rearranjado, formando assim uma ligação radical peroxi (-OO ·) a esse carbono
  • redução do radical peroxi ao seu ânion correspondente (—OO - )

O resíduo (—OO - ) pode então ser protonado para formar um grupo hidroperóxido (—OOH) e posteriormente metabolizado pela lipoxigenase em, por exemplo , leucotrienos , hepoxilinas e vários mediadores de pró-resolução especializados , ou reduzido por glutationa peroxidases celular ubíqua a um hidroxi formando assim ácidos graxos poliinsaturados hidroxilados (—OH), como os ácidos hidroxieicosatetraenóico e HODEs (isto é, ácidos hidroxioctadecaenóicos).

Os ácidos graxos poliinsaturados que servem como substratos para uma ou mais das lipoxigenases incluem os ácidos graxos ômega 6 , ácido araquidônico , ácido linoléico , ácido dihomo-γ-linolênico e ácido adrenico ; a omega-3 ácidos gordos , o ácido eicosapentaenóico , o ácido docosa-hexaenóico , e alfa-linolénico ; e o ácido graxo ômega-9 , ácido hidromel . Certos tipos de lipoxigenases, por exemplo, 15-lipoxigenase humana e murina 1, 12-lipoxigenase B e ALOXE3, são capazes de metabolizar substratos de ácidos graxos que são constituintes de fosfolipídeos, ésteres de colesterol ou lipídeos complexos da pele. A maioria das lipoxigenases catalisar a formação de produtos hidroperóxidos inicialmente formados que tenham S quiralidade . As exceções a esta regra incluem as 12R-lipoxigenases de humanos e outros mamíferos (ver abaixo).

As lipoxigenases dependem da disponibilidade de seus substratos de ácidos graxos poliinsaturados que, particularmente em células de mamíferos, são normalmente mantidos em níveis extremamente baixos. Em geral, várias fosfolipases A2s e diacilglicerol lipases são ativadas durante a estimulação celular, liberam esses ácidos graxos de seus locais de armazenamento e, portanto, são reguladores-chave na formação de metabólitos dependentes de lipoxigenase. Além disso, as células, quando assim ativadas, podem transferir seus ácidos graxos poliinsaturados liberados para células adjacentes ou próximas, que então os metabolizam por meio de suas vias de lipoxigenase em um processo denominado metabolismo transcelular ou biossíntese transcelular.

Função biológica e classificação

Essas enzimas são mais comuns em plantas, onde podem estar envolvidas em diversos aspectos da fisiologia da planta, incluindo crescimento e desenvolvimento, resistência a pragas e senescência ou respostas a ferimentos. Em mamíferos, várias isozimas lipoxigenases estão envolvidas no metabolismo dos eicosanóides (como prostaglandinas , leucotrienos e eicosanóides não clássicos ). Os dados de sequência estão disponíveis para as seguintes lipoxigenases:

Lipoxigenases vegetais

As plantas expressam uma variedade de lipoxigenases citosólicas ( EC 1.13.11.12 InterProIPR001246 ), bem como o que parece ser uma isozima do cloroplasto. A lipoxigenase vegetal em conjunto com hidroperóxidos liases são responsáveis ​​por muitas fragrâncias e outros compostos de sinalização. Um exemplo é o cis-3-hexenal , o odor de grama recém-cortada.

Uma transformação ilustrativa envolvendo uma hidroperóxido-liase. Aqui, o cis-3-hexenal é gerado do ácido linolênico ao hidroperóxido pela ação de uma lipoxigenase seguida pela liase.

Lipoxigenases humanas

Com exceção do gene 5-LOX que está localizado no cromossomo 10q11.2, todos os seis genes LOX humanos estão localizados no cromossomo 17.p13 e codificam para uma proteína de cadeia única de 75-81 kiloDaltons e consistindo de 662-711 aminoácidos . Os genes LOX de mamíferos contêm 14 (ALOX5, ALOX12, ALOX15, ALOX15B) ou 15 (ALOX12B, ALOXE3) exons com limites de exon / íntron em uma posição altamente conservada. As 6 lipoxigenases humanas, juntamente com alguns dos principais produtos que fabricam, bem como algumas de suas associações com doenças genéticas, são as seguintes:

  • Araquidonato 5-lipoxigenase (ALOX5) ( EC 1.13.11.34 InterProIPR001885 ), também denominado 5-lipoxigenase, 5-LOX e 5-LO. Produtos principais: metaboliza o ácido araquidônico em ácido 5-hidroperoxi-eicostetraeóico (5-HpETE), que é convertido em 1) ácido 5-hidroxiicosatetraenóico (5-HETE) e, em seguida, em ácido 5-oxo-eicosatetraenóico (5-oxo-ETE) , 2) leucotrieno A4 (LTA4) que pode então ser convertido em leucotrieno B4 (LTB4) ou leucotrieno C4 (LTC4) (LTC4 pode ser posteriormente metabolizado em leucotrieno D4 [LTD4] e, em seguida, em leucotrieno E4 [LTE4]), ou 3 atuando em série com ALOX15, aos mediadores especializados pró-resolução , lipoxinas A4 e B4. ALOX5 também metaboliza o ácido eicosapentaenóico em um conjunto de metabólitos que contêm 5 ligações duplas (ou seja, 5-HEPE, 5-oxo-EPE, LTB5, LTC5, LTD5 e LTE5) em oposição aos 4 metabólitos do ácido araquidônico contendo ligação dupla. A enzima, quando atua em série com outras enzimas lipoxigenase, ciclooxigenase ou citocromo P450 , contribui para o metabolismo do ácido eicosapentaenóico em resolvinas da série E (ver Resolvina # Resolvina Es ) e de ácido docosahexaenóico em resolvinas série D (ver Resolvina # Resolvina Ds ) essas resolvinas também são classificadas como mediadores especializados pró-resolução .
  • Araquidonato 12-lipoxigenase (ALOX12) ( EC 1.13.11.31 InterProIPR001885 ), também denominado 12-lipoxigenase, lipoxigenase plaquetária do tipo plaquetário (ou 12-lipoxigenase, tipo plaquetário) 12-LOX e 12-LO. Ele metaboliza o ácido araquidônico em ácido 12-hidroperoxiocsatetraeoico (12-HpETE), que é posteriormente metabolizado em ácido 12-hidroxieicosatetraenóico (12-HETE) ou em várias hepoxilinas (ver também ácido 12-hidroxieicosatetraenóico ).
  • Araquidonato 15-lipoxigenase-1 (ALOX15) ( EC 1.13.11.33 InterProIPR001885 ), também denominado 15-lipoxigenase-1, eritrócito tipo 15-lipoxigenase (ou 15-lipoxigenase, tipo de eritrócito), reticulócito tipo 15-lipoxigenase ( -lipoxigenase, tipo reticulócito), 15-LO-1 e 15-LOX-1. Ele metaboliza o ácido araquidônico principalmente em 1) ácido 15-hidroperoxiocatetraenóico (15-HpETE), que é posteriormente metabolizado em ácido 15-hidroxiicosatetraenóico (15-HETE), mas também em quantidades muito menores de 2) ácido 12-hidroperoxieicosatetraenóico (12-HpETE), que é posteriormente metabolizado em ácido 12-hidroxieicosatetraenóico e possivelmente as hepoxilinas . ALOX15 na verdade prefere o ácido linoléico ao ácido araquidônico, metabolizando o ácido linoléico em ácido 12-hidroperoxioctadecaenóico (13-HpODE), que é posteriormente metabolizado em ácido 13-hidroxioctadecadienóico (13-HODE). ALOX15 pode metabolizar ácidos graxos poliinsaturados que são esterificados em fosfolipídios e / ou colesterol , ou seja , ésteres de colesterol , em lipoproteínas . Essa propriedade, juntamente com sua especificidade dupla no metabolismo do ácido araquidônico em 12-HpETE e 15-HpETE, são semelhantes às de Alox15 de camundongo e levaram ambas as enzimas a serem denominadas 12/15-lipoxigenases.
  • Araquidonato 15-lipoxigenase tipo II ( ALOX15B ), também denominado 15-lipoxigenase-2, 15-LOX-2 e 15-LOX-2. Ele metaboliza o ácido araquidônico em 15-hidroperoxieicosatetraenóico (15-HpETE), que é posteriormente metabolizado em ácido 15-hidroxiicosatetraenóico . ALOX15B tem pouca ou nenhuma capacidade de metabolizar o ácido araquidônico em ácido 12-hidroperoxeiocosatetraenóico (12- (HpETE) e apenas uma capacidade mínima de metabolizar o ácido linoléico em ácido 13-hidroperoxioctadecaenóico (13-HpODE).
  • Araquidonato 12-lipoxigenase, 12R tipo ( ALOX12B ), também denominado 12 R -lipoxygenase, 12 R -LOX, e 12 R -lo. É metabolizam ácido araquidónico a 12 R ácido -hydroxyeicosatetraenoic mas fá-lo apenas com baixa actividade catalítica; acredita-se que seu substrato mais importante fisiologicamente seja uma esfingosina que contém um ácido graxo ômega-hidroxil de cadeia muito longa (16-34 carbonos) que está em ligação amida com o nitrogênio sn-2 da esfingosina em sua extremidade carboxi e esterificada em ácido linoléico em sua extremidade ômega-hidroxila. Em células da epiderme da pele, ALOX12B metaboliza o linoleato neste esterificado omega-hidroxiacil-esfingosina (EOS) para a sua 9 R -hydroperoxy analógico. Mutações inativadoras de ALOX12B estão associadas à doença de pele humana, eritrodermia ictiosiforme autossômica recessiva congênita (ARCI).
  • Lipoxigenase do tipo epiderme ( ALOXE3 ), também denominada eLOX3 e lipoxigenase, tipo epiderme. Ao contrário de outras lipoxigenases, ALOXE3 exibe apenas uma atividade de dioxigenase latente. Em vez disso, sua atividade primária é como uma hidroperóxido isomerase que metaboliza certos ácidos graxos hidroperoxi insaturados em seus derivados de álcool epóxi e ceto-epóxi correspondentes e, portanto, também é classificada como uma hepoxilina sintase. Enquanto que pode metabolizar a 12 S de ácido -hydroperoxyeicosatetraenoic (12 S -HPETE) para os R estereoisómeros de hepoxilins A3 e B3, ALOXE3 favorece metabolizar R ácidos gordos insaturados hidroperoxi e converte eficientemente a 9 ( R ) -hydroperoxy analógico de EOS feita por ALOX15B a sua 9 R (10 R ), 13 R -trans-epoxi-11 e , 13 R e 9-ceto-10 e , 12 Z análogos EOS. Acredita-se que ALOXE3 atue com ALOX12B na epiderme da pele para formar os dois últimos análogos de EOS; mutações de inativação de ALOX3 são, semelhantes às mutações de inativação em ALOX12B, associadas com eritrodermia ictiosiforme congênita autossômica recessiva em humanos. Mutações inativadoras em ALOX3 também estão associadas à doença humana ictiose lamelar, tipo 5 (consulte Ictiose # Tipos ).

Duas lipoxigenases podem atuar em série para fazer produtos di-hidroxi ou tri-hidroxi que têm atividades bastante diferentes das dos produtos das lipoxigenases. Este metabolismo em série pode ocorrer em diferentes tipos de células que expressam apenas uma das duas lipoxigenases em um processo denominado metabolismo transcelular. Por exemplo, ALOX5 e ALOX15 ou, alternativamente, ALOX5 e ALOX12 podem atuar em série para metabolizar o ácido araquidônico em lipoxinas (ver ácido 15-hidroxiicosatetraenóico # Metabolismo adicional de 15 (S) -HpETE, 15 (S) -HETE, 15 (R) -HpETE, 15 (R) -HETE e 15-oxo-ETE e lipoxina # Biossíntese ) enquanto ALOX15 e possivelmente ALOX15B podem atuar com ALOX5 para metabolizar o ácido eicosapentaenóico em resolvina D (ver resolvina # Produção ).

Lipoxigenases de camundongo

O mouse é um modelo comum para examinar a função da lipoxigenase. No entanto, existem algumas diferenças importantes entre as lipoxigenases entre camundongos e homens que tornam difíceis as extrapolações de estudos em camundongos para humanos. Em contraste com as 6 lipoxigenases funcionais em humanos, os camundongos têm 7 lipoxigenases funcionais e algumas das últimas têm atividades metabólicas diferentes de seus ortólogos humanos . Em particular, o Alox15 de camundongo, ao contrário do ALOX15 humano, metaboliza o ácido araquidônico principalmente em 12-HpETE e o Alox15b de camundongo, em contraste com o ALOX15b humano, é principalmente uma 8-lipoxigenase, metabolizando o ácido aracdiônico em 8-HpETE; não há lipoxigenase formadora de 8-HpETE comparável em humanos.

  • Alox5 parece ser semelhante em função ao ALOX5 humano.
  • Alox12 difere do ALOX12 humano, que metaboliza preferencialmente o ácido araquidônico em 12-HpETE, mas também em quantidades substanciais de 15-HpETE, pois metaboliza o ácido araquidônico quase exclusivamente em 12-HpETE.
  • Alox15 (também denominado tipo leucocitário 12-Lox, 12-Lox-l e 12/15-Lox) difere do ALOX15 humano, que sob condições de ensaio padrão metaboliza o ácido araquidônico em produtos 15-HpETE e 12-HpETE em um 89 a 11, metaboliza o ácido araquidônico em 15-HpETE e 12-HpETE em uma proporção de 1 para 6, ou seja, seu principal metabólito é o 12-HpETE. Além disso, o ALOX15 humano prefere o ácido linoléico ao ácido araquidônico como substrato, metabolizando-o em 13-HpODE, enquanto o Alox15 tem pouca ou nenhuma atividade sobre o ácido linoléico. Alox15 pode metabolizar ácidos graxos poliinsaturados que são esterificados em fosfolipídios e colesterol (ou seja, ésteres de colesterol ). Essa propriedade, juntamente com sua especificidade dupla no metabolismo do ácido araquidônico em 12-HpETE e 15-HpETE, são semelhantes às do ALOX15 humano e levou a que ambas as enzimas fossem denominadas 12/15-lipoxigenases.
  • Alox15b (também denominado 8-lipoxigenase, 8-lox e 15-lipoxigenase tipo II), em contraste com ALOX15B que metaboliza o ácido araquidônico principalmente em 15-HpETE e, em menor extensão, o ácido linoléico em 13-HpODE, metaboliza o ácido araquidônico principalmente em 8 S -HPETE e ácido linoleico a 9-HPODE. Alox15b é tão eficaz quanto ALOX5 na metabolização de 5-HpETE em leucotrienos.
  • Alox12e (12-Lox-e, tipo epidérmico 12-Lox) é um ortólogo para o gene ALOX12P humano que sofreu mutações prejudiciais e não é expresso. ALox12e prefere ésteres metílicos em vez de substratos de ácidos graxos poliinsaturados não esterificados, metabolizando o éster de ácido linoléico em sua contraparte 13-hidroperoxi e, em menor extensão, o éster de ácido araquidônico em sua contraparte 12-hidroperoxi.
  • Alox12b (e-LOX2, epiderme do tipo Lox-12) parece actuar de forma semelhante a ALOX12B para metabolizar a porção de ácido linoleico de EOS a sua 9 R homólogo -hydroperoxy e, assim, contribuir para a integridade da pele e de impermeabilidade à água; camundongos com depleção de Alox12b desenvolvem um defeito cutâneo grave semelhante à eritrodermia ictiosiforme congênita. Ao contrário ALOX12B humano cuja came metabolizam ácido araquidónico a 12 R -HETE a uma taxa baixa, Alox12b não metabolizam ácido araquidónico como o ácido livre, mas a dose metabolizar éster metílico do ácido araquidónico a sua 12 R homólogo -hydroperoxy.
  • Aloxe3 (-tipo epiderme Lox-3, eLox3) parece actuar de forma semelhante a ALOXe3 em metabolizar o 9 R derivado -hydoperoxy-linoleato de EOS para os seus derivados de epoxi e ceto e para ser envolvido na manutenção da integridade da pele e de impermeabilidade à água. A deleção de AloxE3 leva a um defeito semelhante à eritrodermia ictiosiforme congênita.
Coelho 15-lipoxigenase (azul) com inibidor (amarelo) ligado ao sítio ativo

Estrutura 3D

Existem várias estruturas de lipoxigenase conhecidas, incluindo: lipoxigenase L1 e L3 de soja, coral 8-lipoxigenase, 5-lipoxigenase humana, 15-lipoxigenase de coelho e domínio catalítico 12-lipoxigenase de leucócito porcino. A proteína consiste em um pequeno domínio PLAT N-terminal e um domínio catalítico C-terminal principal (consulte o link Pfam neste artigo), que contém o sítio ativo . Em ambas as enzimas de plantas e mamíferos, o domínio N-terminal contém um barril β antiparalelo de oito fitas, mas nas lipoxigenases de soja esse domínio é significativamente maior do que na enzima de coelho. As lipoxigenases vegetais podem ser enzimaticamente clivadas em dois fragmentos que permanecem fortemente associados enquanto a enzima permanece ativa; a separação dos dois domínios leva à perda de atividade catalítica. O domínio C-terminal (catalítico) consiste em 18-22 hélices e uma (em enzimas de coelho) ou duas (em enzimas de soja) folhas β antiparalelas na extremidade oposta do barril β N-terminal.

Site ativo

O átomo de ferro nas lipoxigenases é ligado por quatro ligantes, três dos quais são resíduos de histidina. Seis histidinas são conservadas em todas as sequências de lipoxigenase, cinco delas agrupadas em um trecho de 40 aminoácidos. Esta região contém dois dos três ligantes de zinco; as outras histidinas mostraram ser importantes para a atividade das lipoxigenases.

As duas longas hélices centrais se cruzam no local ativo; ambas as hélices incluem extensões internas da hélice π que fornecem três ligantes de histidina (His) para o ferro do sítio ativo. Duas cavidades no domínio principal da lipoxigenase-1 da soja (cavidades I e II) estendem-se da superfície ao sítio ativo. A cavidade em forma de funil I pode funcionar como um canal de dioxigênio; a cavidade II longa e estreita é presumivelmente uma bolsa de substrato. A enzima mais compacta dos mamíferos contém apenas uma cavidade em forma de bota (cavidade II). Na lipoxigenase-3 da soja, há uma terceira cavidade que vai do local do ferro até a interface do barril β e domínios catalíticos. A cavidade III, o sítio de ferro e a cavidade II formam uma passagem contínua por toda a molécula de proteína.

O sítio ativo de ferro é coordenado por de três resíduos de His conservados e um oxigênio do grupo carboxila C-terminal. Além disso, nas enzimas da soja, o oxigênio da cadeia lateral da asparagina está fracamente associado ao ferro. Na lipoxigenase de coelho, esse resíduo Asn é substituído por His, que coordena o ferro por meio do átomo N δ . Assim, o número de coordenação do ferro é cinco ou seis, com uma hidroxila ou ligante de água para um ferro hexacoordenado.

Detalhes sobre a característica do sítio ativo da lipoxigenase foram revelados na estrutura do complexo de domínio catalítico de 12-lipoxigenase de leucócito porcino. Na estrutura 3D, o inibidor análogo do substrato ocupou um canal em forma de U aberto adjacente ao sítio de ferro. Este canal pode acomodar o ácido araquidônico sem muitos cálculos, definindo os detalhes de ligação do substrato para a reação da lipoxigenase. Além disso, um canal de acesso plausível, que intercepta o canal de ligação do substrato e se estende até a superfície da proteína, pode ser contado para o caminho do oxigênio.

Classificação bioquímica

EC 1.13.11.12 lipoxigenase (linoleato: oxigênio 13-oxidorredutase) linoleato + O 2 = (9 Z , 11 E , 13 S ) -13-hidroperoxioctadeca-9,11-dienoato
EC 1.13.11.31 araquidonato 12-lipoxigenase (araquidonato: oxigênio 12-oxidorredutase) araquidonato + O 2 = (5 Z , 8 Z , 10 E , 12 S , 14 Z ) -12-hidroperoxiicosa-5,8,10,14-tetraenoato
EC 1.13.11.33 araquidonato 15-lipoxigenase (araquidonato: oxigênio 15-oxidorredutase) araquidonato + O 2 = (5 Z , 8 Z , 11 Z , 13 E , 15 S ) -15-hidroperoxiicosa-5,8,11,13-tetraenoato
EC 1.13.11.34 araquidonato 5-lipoxigenase (araquidonato: oxigênio 5-oxidoredutase) araquidonato + O 2 = leucotrieno A 4 + H 2
EC 1.13.11.40 araquidonato 8-lipoxigenase (araquidonato: oxigênio 8-oxidoredutase) araquidonato + O 2 = (5 Z , 8 R , 9 E , 11 Z , 14 Z ) -8-hidroperoxiicosa-5,9,11,14-tetraenoato

A lipoxigenase 1 de soja exibe o maior efeito de isótopo cinético H / D (KIE) em kcat (kH / kD) (81 próximo à temperatura ambiente) relatado até agora para um sistema biológico. Recentemente, um KIE extremamente elevado de 540 a 730 foi encontrado em uma lipoxigenase de soja mutante duplo 1. Devido à grande magnitude do KIE, a lipoxigenase de soja 1 serviu como protótipo para reações de tunelamento de hidrogênio catalisadas por enzimas.

As proteínas humanas expressas da família das lipoxigenases incluem ALOX12 , ALOX12B , ALOX15 , ALOX15B , ALOX5 e ALOXE3 . Embora os humanos também possuam o gene ALOX12P2 , que é um ortólogo do gene Alox12P bem expresso em camundongos, o gene humano é um pseudogene ; consequentemente, a proteína ALOX12P2 não é detectada em humanos.

Referências

links externos

Este artigo incorpora texto do domínio público Pfam e InterPro : IPR001024