Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Класс ферментов
Class of enzymes
Йодотиронин-деиодиназы (и) – это подсемейство ферментов деиодиназ, играющих важную роль в активации и деактивации гормонов щитовидной железы. Тироксин (T4), предшественник 3,5,3'-трийодотиронина (T3), превращается в T3 под действием деиодиназы. T3, связываясь с ядерным рецептором гормонов щитовидной железы, влияет на экспрессию генов практически в каждой клетке позвоночных. Йодотиронин-деиодиназы уникальны тем, что эти ферменты содержат селен в форме редкой аминокислоты – селеноцистеина. Эти ферменты не следует путать с йодотирозин-деиодиназами, которые также являются деиодиназами, но не входят в семейство йодотиронинов. Йодотирозин-деиодиназы (в отличие от йодотиронин-деиодиназ) не используют селеноцистеин или селен. Йодотирозин-ферменты действуют на йодированные молекулы, содержащие один остаток тирозина, для извлечения йода и не используют в качестве субстратов молекулы с двумя остатками тирозина, входящие в состав различных йодотиронинов.
Iodothyronine deiodinases ( and ) are a subfamily of deiodinase enzymes important in the activation and deactivation of thyroid hormones. Thyroxine (T4), the precursor of 3,5,3' triiodothyronine (T3) is transformed into T3 by deiodinase activity. T3, through binding a nuclear thyroid hormone receptor, influences the expression of genes in practically every vertebrate cell. Iodothyronine deiodinases are unusual in that these enzymes contain selenium, in the form of an otherwise rare amino acid selenocysteine. These enzymes are not to be confused with the iodotyrosine deiodinases that are also deiodinases, but not members of the iodothyronine family. The iodotyrosine deiodinases (unlike the iodothyronine deiodinases) do not use selenocysteine or selenium. The iodotyrosine enzymes work on iodinated single tyrosine residue molecules to scavenge iodine, and do not use as substrates the double tyrosine residue molecules of the various iodothyronines.
Структура
У трех ферментов деиодиназы имеются общие структурные особенности, хотя их последовательная идентичность составляет менее 50%. Каждый фермент имеет молекулярную массу от 29 до 33 кДа. Они обладают общей TRX-складкой, содержащей активный центр, включая редкую аминокислоту селеноцистеин и два остатка гистидина. Селеноцистеин кодируется кодоном UGA, который обычно сигнализирует об окончании синтеза пептида стоп-кодоном. В экспериментах с точечными мутациями деиодиназы 1 замена UGA на стоп-кодон TAA привела к полной потере функции, а замена UGA на цистеин (TGT) снизила активность фермента примерно до 10% от нормальной. Для того чтобы UGA считывался как аминокислота селеноцистеин, а не как стоп-кодон, необходимо наличие расположенной ниже по течению шпильковой структуры – последовательности вставки селеноцистеина (SECIS), которая связывается с белком, связывающим SECIS 2 (SBP 2), который, в свою очередь, взаимодействует с фактором элонгации EFsec, что важно для функционирования фермента. Деиодиназа 2 локализована в мембране эндоплазматического ретикулума, а деиодиназы 1 и 3 – в плазматической мембране. Ферменты катализируют редуктивное отщепление йода, тем самым окисляясь, подобно Prx, с последующей редуктивной регенерацией фермента.
The three deiodinase enzymes share certain structural features in common although their sequence identity is lower than 50%. Each enzyme weighs between 29 and 33kDa. They share a TRX fold that contains the active site including the rare selenocysteine amino acid and two histidine residues. Selenocysteine is coded by a UGA codon, which generally signifies termination of a peptide through a stop codon. In point mutation experiments with Deiodinase 1 changing UGA to the stop codon TAA resulted in a complete loss of function, while changing UGA to cysteine (TGT) caused the enzyme to operate at around 10% normal efficiency. In order for UGA to be read as a selenocysteine amino acid instead of a stop codon, it is necessary that a downstream stem loop sequence, the selenocysteine insertion sequence (SECIS), be present to bind with SECIS binding protein 2 (SBP 2), which binds with elongation factor EFsec. even though it is important to the functioning of the enzyme. Deiodinase 2 is localized to the ER membrane while Deiodinase 1 and 3 are found in the plasma membrane. The enzymes catalyze a reductive elimination of iodine, thereby oxidizing themselves similar to Prx, followed by a reductive recycling of the enzyme.
Функция
Деиодиназа 1 одновременно активирует T4 с образованием T3 и инактивирует T4. Помимо усиленной функции по выработке внещитовидного T3 у пациентов с гипертиреозом, её функция изучена хуже, чем функции D2 или D3.
Deiodinase 1 both activates T4 to produce T3 and inactivates T4. Besides its increased function in producing extrathyroid T3 in patients with hyperthyroidism, its function is less well understood than D2 or D3
Деиодиназа 2 также играет важную роль в термогенезе в бурой жировой ткани (БЖТ). В ответ на симпатическую стимуляцию, снижение температуры или избыточное питание БЖТ, D2 усиливает окисление жирных кислот и нарушает окислительное фосфорилирование посредством рассоедипляющего белка, что приводит к выработке тепла митохондриями. Уровень D2 повышается в БЖТ при воздействии холода и увеличивает внутриклеточную концентрацию T3. В моделях с дефицитом D2 дрожь является поведенческой адаптацией к холоду. Однако выработка тепла таким способом значительно менее эффективна, чем рассоединение окисления липидов.
Deiodinase 2 also plays a significant role in thermogenesis in brown adipose tissue (BAT). In response to sympathetic stimulation, dropping temperature, or overfeeding BAT, D2 increases oxidation of fatty acids and uncouples oxidative phosphorylation via uncoupling protein, causing mitochondrial heat production. D2 increases during cold stress in BAT and increases intracellular T3 levels. In D2 deficient models, shivering is a behavioral adaptation to the cold. However, heat production is much less efficient than uncoupling lipid oxidation.
Отношение к заболеванию
При кардиомиопатии сердце возвращается к фетальному типу генетической программы из-за перегрузки. Подобно тому, как это происходит при развитии плода, в перегруженной сердечной ткани наблюдается локальный гипотиреоз – низкий уровень гормонов щитовидной железы, с пониженными концентрациями деиодиназы 1 и деиодиназы 2. Хотя в нормальном сердце уровень деиодиназы 3 обычно низок, при кардиомиопатии активность деиодиназы 3 возрастает, что приводит к снижению энергетического обмена и потребления кислорода. В период развития гипотиреоз считается более серьезным состоянием и может вызывать нейротоксичность, проявляющуюся в виде кретинизма или других когнитивных расстройств у людей, нарушения метаболизма и неполноценного развития органов. Прием лекарственных препаратов и воздействие факторов окружающей среды могут привести к гипотиреозу, сопровождающемуся изменениями активности фермента деиодиназы. Препарат иопановая кислота (IOP) снижает пролиферацию клеток кожи, ингибируя деиодиназу 1 или 2 типа и уменьшая конверсию T4 в T3. Химическое вещество DE 71, бромированный PBDE пентаBDE, снижает транскрипцию гепатической деиодиназы I и активность фермента у новорожденных крыс с гипотиреозом.
In cardiomyopathy the heart reverts to a fetal gene programming due to the overload of the heart. Like during fetal development, thyroid hormone levels are low in the overloaded heart tissue in a local hypothyroid state, with low levels of deiodinase 1 and deiodinase 2. Although deiodinase 3 levels in a normal heart are generally low, in cardiomyopathy deiodinase 3 activity is increased to decrease energy turnover and oxygen consumption. During development, hypothyroidism is considered more severe and leads to neurotoxicity as cretinism or other human cognitive disorders, altered metabolism and underdeveloped organs. Medication and environmental exposures can result in hypothyroidism with changes in deiodinase enzyme activity. The drug iopanoic acid (IOP) decreased cutaneous cell proliferation by inhibition of deiodinase enzyme type 1 or 2 reducing the conversion of T4 to T3. The environmental chemical DE 71, a PBDE pentaBDE brominated flame retardant decreased hepatic deiodinase I transcription and enzyme activity in neonatal rats with hypothyroidism.
Количественная активность ферментов
В лабораторных условиях, включая эксперименты с клеточными культурами, активность деиодинации определяется путем инкубации клеток или гомогенатов с высоким содержанием меченого тироксина (T4) и необходимых косубстратов. В качестве показателя деиодинации определяют и выражают количество образовавшегося радиоактивного йода и других физиологических метаболитов, в частности Т3 или обратного Т3 (например, в фмоль/мг белка/минуту). В условиях in vivo активность деиодинации оценивают по равновесным уровням свободного Т3 и свободного Т4. Простой способ оценки – соотношение Т3/Т4, более сложный – расчет суммарной активности периферических деиодиназ (SPINA GD) на основе свободного Т4, свободного Т3 и параметров связывания с белками, диссоциации и гормональной кинетики. В атипичных случаях этот последний подход может быть дополнен измерением ТБГ, но обычно достаточно измерения ТТГ, fT3 и fT4, что не требует дополнительных лабораторных исследований, помимо уже необходимых.
In vitro, including cell culture experiments, deiodination activity is determined by incubating cells or homogenates with high amounts of labeled thyroxine (T4) and required cosubstrates. As a measure of deiodination, the production of radioactive iodine and other physiological metabolites, in particular T3 or reverse T3, are determined and expressed (e. g. as fmol/mg protein/minute). In vivo, deiodination activity is estimated from equilibrium levels of free T3 and free T4. A simple approximation is T3/T4 ratio, a more elaborate approach is calculating sum activity of peripheral deiodinases (SPINA GD) from free T4, free T3 and parameters for protein binding, dissociation and hormone kinetics. In atypical cases, this last approach can benefit from measurements of TBG, but usually only requires measurement of TSH, fT3 and fT4, and as such has no added laboratory requirements besides the measurement of the same.