Введение
Липоксигеназы (LOX) - это семейство ферментов, содержащих железо (негемовое), более конкретно окислительные ферменты, большинство из которых катализируют диоксигенизацию полиненасыщенных жирных кислот в липидах, содержащих цис, цис 1,4 пентадиен, в клеточные сигнальные агенты, которые выполняют различные роли как аутокриновые сигналы, регулирующие функцию их родительских клеток, паракринные сигналы, регулирующие функцию близлежащих клеток, и эндокринные сигналы, регулирующие функцию отдаленных клеток. Липоксигеназы связаны друг с другом на основе их сходного генетического строения и диоксигенационной активности. Однако одна липоксигеназа, ALOXE3, хотя и имеет генетическую структуру липоксигеназы, обладает относительно небольшой диоксигенационной активностью; скорее ее основная активность, по-видимому, является изомеразой, которая катализирует преобразование гидропероксинасыщенных ненасыщенных жирных кислот в их 1,5 эпоксидные, гидроксильные производные. Липоксигеназы встречаются у эукариотов (растений, грибов, животных, протестов); в то время как третий домен земной жизни, архей, обладает белками с небольшим (~ 20%) сходством аминокислотной последовательности с липоксигеназами, эти белки не имеют железосвязывающих остатков и, следовательно, не обладают активностью липоксигеназы.
Биологическая функция и классификация
Эти ферменты наиболее распространены у растений, где они могут участвовать в ряде различных аспектов физиологии растений, включая рост и развитие, устойчивость к вредителям и старение или реакцию на ранение. У млекопитающих ряд липоксигеназных изоферментов участвуют в метаболизме эикозаноидов (таких как простагландины, лейкотриены и неклассические эикозаноиды). Для следующих липоксигеназ имеются данные о последовательности:
Растительные липоксигеназы
Растения экспрессируют различные цитозольные липоксигеназы, а также то, что, по-видимому, является изоферментом хлоропласта. Липоксигеназа растений в сочетании с гидропероксидными лизами отвечает за многие ароматические и другие сигнальные соединения. Один из примеров - цис 3 гексенал, запах свежевырубленной травы.
Липоксигеназы человека
За исключением гена, кодирующего 5 LOX (ALOX5), который расположен на хромосоме 10q11.2, все шесть человеческих генов LOX расположены на хромосоме 17. p13 и кодируют одноцепочечный белок 7581 килодальтон, состоящий из 662711 аминокислот. Гены LOX млекопитающих содержат 14 (ALOX5, ALOX12, ALOX15, ALOX15B) или 15 (ALOX12B, ALOXE3) экзонов с границами экзонов/интронов в высококонсервативных позициях. 6 человеческих липоксигеназ вместе с некоторыми из основных продуктов, которые они производят, а также некоторые из их ассоциаций с генетическими заболеваниями, следующие: Арахидонат 5 липоксигеназа (ALOX5) (; ), также называемая 5 липоксигеназой, 5 LOX и 5 LO. Основные продукты: метаболизирует арахидоновую кислоту в 5 гидроперокси-эикостетреоиновую кислоту (5 HpETE), которая преобразуется в 1) 5 гидроксиикозатетраеновую кислоту (5 HETE), а затем в 5 оксо-эикозатетраеновую кислоту (5 оксо-ЭТЭ), 2) лейкотриен А4 (LTA4), который затем может быть преобразован в лейкотриен B4 (LTB4) или лейкотриен C4 (LTC4) (LTC4 может быть далее метаболизирован в лейкотриен D4 [LTD4], а затем в лейкотриен E4 [LTE4]), или 3) действуя последовательно с ALOX15, в специализированные прорезолирующие медиаторы, липоксины А4 и B4. ALOX5 также метаболизирует эйкозапентаеновую кислоту в набор метаболитов, которые содержат 5 двойных связей (т. е. 5 HEPE, 5 oxo EPE, LTB5, LTC5, LTD5 и LTE5), в отличие от 4 двойных связей, содержащих метаболиты арахидоновой кислоты. Энзим, действуя последовательно с другими ферментами липоксигеназы, циклооксигеназы или цитохрома P450, способствует метаболизму эйкозапентаеновой кислоты в резюльвины серии E (см.) и докозагексаеновой кислоты в резюльвины серии D (см.). Эти резюльвины также классифицируются как специализированные резюльвирующие медиаторы. Арахидонат 12 липоксигеназа (ALOX12) (; ), также называемый 12 липоксигеназой, липоксигеназой тромбоцитарного типа (или 12 липоксигеназой, тромбоцитарного типа) 12 LOX и 12 LO. Он метаболизирует арахидоновую кислоту до 12 гидропероксийоциатетреоиновой кислоты (12 HpETE), которая далее метаболизируется до 12 гидроксийокосиатетреоиновой кислоты (12 HETE) или различных гепоксилин (см. также 12 гидроксийокосиатетреоиновой кислоты). Арахидонат 15 липоксигеназа 1 (ALOX15) (; ), также называемый 15 липоксигеназой 1, липоксигеназой эритроцитарного типа 15 (или липоксигеназой эритроцитарного типа 15), липоксигеназой ретикулоцитарного типа 15 (или липоксигеназой ретикулоцитарного типа 15), 15 LO 1 и 15 LOX 1. Он метаболизирует арахидоновую кислоту в основном до 1) 15 гидропероксиеокатетреновой кислоты (15 HpETE), которая далее метаболизируется до 15 гидроксиикозатетреновой кислоты (15 HETE), но также до гораздо меньших количеств 2) 12 гидропероксиикозатетреновой кислоты (12 HpETE), которая далее метаболизируется до 12 гидроксиикозатетреновой кислоты и, возможно, гепоксилинов. ALOX15 на самом деле предпочитает линолевую кислоту арахидоновой кислоте, метаболизируя линолевую кислоту до 12 гидропероксиоктадекаеновой кислоты (13 HpODE), которая далее метаболизируется до 13 гидроксиоктадекадиеновой кислоты (13 HODE). ALOX15 может метаболизировать полиненасыщенные жирные кислоты, которые этерифицированы в фосфолипиды и/ или в холестерин, т. е. в эфиры холестерина, в липопротеинах. Это свойство вместе с его двойной специфичностью в метаболизме арахидоновой кислоты до 12 HpETE и 15 HpETE аналогично свойствам мыши Alox15 и привело к тому, что оба фермента были названы 12/15 липоксигеназами. Арахидонат 15- липоксигеназа II типа (ALOX15B), также называемый 15- липоксигеназой 2, 15- LOX 2 и 15- LOX 2. Он метаболизирует арахидоновую кислоту до 15 гидропероксиэикозатетраеновой (15 HpETE), которая далее метаболизируется до 15 гидроксиикозатетраеновой кислоты. ALOX15B обладает незначительной или отсутствующей способностью метаболизировать арахидоновую кислоту до 12 гидропероксеиокозатетраеновой кислоты (12 (HpETE) и лишь минимальной способностью метаболизировать линолевую кислоту до 13 гидропероксеоктадекаеновой кислоты (13 HpODE). Арахидонат 12 липоксигеназа, тип 12R (ALOX12B), также называемый 12R липоксигеназа, 12R LOX и 12R LO. Он метаболизирует арахидоновую кислоту в 12R гидроксиэикозатетраеновую кислоту, но делает это только с низкой каталитической активностью; ее наиболее физиологически важным субстратом считается сфингозин, который содержит очень длинную цепь (16 34 углерода) омега-гидроксиловой жирной кислоты, которая находится в амидной связке с Sn 2 азотом сфингозина на его карбокси-конце и этерифицирована в линолевую кислоту на его омега-гидроксиловом конце. В клетках эпидермической кожи ALOX12B ме�...
Arachidonate 5 lipoxygenase (ALOX5) (; ), also termed 5 lipoxygenase, 5 LOX, and 5 LO. Major products: it metabolizes arachidonic acid to 5 hydroperoxy eicostetraeoic acid (5 HpETE) which is converted to 1) 5 hydroxyicosatetraenoic acid (5 HETE) and then to 5 oxo eicosatetraenoic acid (5 oxo ETE), 2) leukotriene A4 (LTA4) which may then be converted to leukotriene B4 (LTB4) or leukotriene C4 (LTC4) (LTC4 may be further metabolized to leukotriene D4 [LTD4] and then to leukotriene E4 [LTE4]), or 3) acting in series with ALOX15, to the specialized pro resolving mediators, lipoxins A4 and B4. ALOX5 also metabolizes eicosapentaenoic acid to a set of metabolites that contain 5 double bounds (i. e. 5 HEPE, 5 oxo EPE, LTB5, LTC5, LTD5, and LTE5) as opposed to the 4 double bond containing arachidonic acid metabolites. The enzyme, when acting in series with other lipoxygenase, cyclooxygenase, or cytochrome P450 enzymes, contributes to the metabolism of eicosapentaenoic acid to E series resolvins (see ) and of docosahexaenoic acid to D series resolvins (see ). These resolvins are also classified as specialized pro resolving mediators. Arachidonate 12 lipoxygenase (ALOX12) (; ), also termed 12 lipoxygenase, platelet type platelet lipoxygenase (or 12 lipoxygenase, platelet type) 12 LOX, and 12 LO. It metabolizes arachidonic acid to 12 hydroperoxyeiocsatetraeoic acid (12 HpETE) which is further metabolized to 12 hydroxyeicosatetraenoic acid (12 HETE) or to various hepoxilins (also see 12 hydroxyeicosatetraenoic acid). Arachidonate 15 lipoxygenase 1 (ALOX15) (; ), also termed 15 lipoxygenase 1, erythrocyte type 15 lipoxygenase (or 15 lipoxygenase, erythrocyte type), reticulocyte type 15 lipoxygenase (or 15 lipoxygenase, reticulocyte type), 15 LO 1, and 15 LOX 1. It metabolizes arachidonic acid principally to 1) 15 hydroperoxyeiocatetraenoic acid (15 HpETE) which is further metabolized to 15 hydroxyicosatetraenoic acid (15 HETE) but also to far smaller amounts of 2) 12 hydroperoxyeicosatetraenoic acid (12 HpETE) which is further metabolized to 12 hydroxyeicosatetraenoic acid and possibly the hepoxilins. ALOX15 actually prefers linoleic acid over arachidonic acid, metabolizing linoleic acid to 12 hydroperoxyoctadecaenoic acid (13 HpODE) which is further metabolized to 13 hydroxyoctadecadienoic acid (13 HODE). ALOX15 can metabolize polyunsaturated fatty acids that are esterified to phospholipids and/or to the cholesterol, i. e. cholesterol esters, in lipoproteins. This property along with its dual specificity in metabolizing arachidonic acid to 12 HpETE and 15 HpETE are similar to those of mouse Alox15 and has led to both enzymes being termed 12/15 lipoxygenases. Arachidonate 15 lipoxygenase type II (ALOX15B), also termed 15 lipoxygenase 2, 15 LOX 2, and 15 LOX 2. It metabolizes arachidonic acid to 15 hydroperoxyeicosatetraenoic (15 HpETE) which is further metabolized to 15 hydroxyicosatetraenoic acid. ALOX15B has little or no ability to metabolize arachidonic acid to 12 hydroperoxeiocosatetraenoic acid (12 (HpETE) and only minimal ability to metabolize linoleic acid to 13 hydroperoxyoctadecaenoic acid (13 HpODE). Arachidonate 12 lipoxygenase, 12R type (ALOX12B), also termed 12R lipoxygenase, 12R LOX, and 12R LO. It metabolizes arachidonic acid to 12R hydroxyeicosatetraenoic acid but does so only with low catalytic activity; its most physiologically important substrate is thought to be a sphingosine which contains a very long chain (16 34 carbons) omega hydroxyl fatty acid that is in amide linkage to the sn 2 nitrogen of sphingosine at its carboxy end and esterified to linoleic acid at its omega hydroxyl end. In skin epidermal cells, ALOX12B metabolizes the linoleate in this esterified omega hydroxyacyl sphingosine (EOS) to its 9R hydroperoxy analog. Inactivating mutations of ALOX12B are associated with the human skin disease, autosomal recessive congenital ichthyosiform erythroderma (ARCI). Epidermis type lipoxygenase (ALOXE3), also termed eLOX3 and lipoxygenase, epidermis type. Unlike other lipoxygenases, ALOXE3 exhibits only a latent dioxygenase activity. Rather, its primary activity is as a hydroperoxide isomerase that metabolizes certain unsaturated hydroperoxy fatty acids to their corresponding epoxy alcohol and epoxy keto derivatives and thereby is also classified as a hepoxilin synthase. While it can metabolize 12S hydroperoxyeicosatetraenoic acid (12S HpETE) to the R stereoisomers of hepoxilins A3 and B3, ALOXE3 favors metabolizing R hydroperoxy unsaturated fatty acids and efficiently converts the 9(R) hydroperoxy analog of EOS made by ALOX15B to its 9R(10R),13R trans epoxy 11E,13R and 9 keto 10E,12Z EOS analogs. In particular, mouse Alox15, unlike human ALOX15, metabolizes arachidonic acid mainly to 12 HpETE and mouse Alox15b, in contrast to human ALOX15b, is primarily an 8 lipoxygenase, metabolizing arachdionic acid to 8 HpETE; there is no comparable 8 HpETE forming lipoxygenase in humans. Alox5 appears to be similar in function to human ALOX5. Alox12 differs from human ALOX12, which preferentially metabolizes arachidonic acid to 12 HpETE but also to substantial amounts of 15 HpETE, in that metabolizes arachidonic acid almost exclusively to 12 HpETE. Alox15 (also termed leukocyte type 12 Lox, 12 Lox l, and 12/15 Lox) differs from human ALOX15, which under standard assay conditions metabolizes arachidonic acid to 15 HpETE and 12 HpETE products in an 89 to 11 ratio, metabolizes arachidonic acid to 15 Hpete and 12 HpETE in a 1 to 6 ratio, i. e. its principal metabolite is 12 HpETE. Also, human ALOX15 prefers linoleic acid over arachidonic acid as a substrate, metabolizing it to 13 HpODE while Alox15 has little or no activity on linoleic acid. Alox15 can metabolize polyunsaturated fatty acids that are esterified to phospholipids and cholesterol (i. e. cholesterol esters). This property along with its dual specificity in metabolizing arachidonic acid to 12 HpETE and 15 HpETE are similar to those of human ALOX15 and has led to both enzymes being termed 12/15 lipoxygenases. Alox15b (also termed 8 lipoxygenase, 8 lox, and 15 lipoxygenase type II), in contrast to ALOX15B which metabolizes arachidonic acid principally to 15 HpETE and to a lesser extent linoleic acid to 13 HpODE, metabolizes arachidonic acid principally to 8S HpETE and linoleic acid to 9 HpODE. Alox15b is as effective as ALOX5 in metabolizing 5 HpETE to leukotrienes. Alox12e (12 Lox e, epidermal type 12 Lox) is an ortholog to the human ALOX12P gene which has suffered damaging mutations and is not expressed. ALox12e prefers methyl esters over non esterified polyunsaturated fatty acid substrates, metabolizing linoleic acid ester to its 13 hydroperoxy counterpart and to a lesser extent arachidonic acid ester to its 12 hydroperoxy counterpart. Alox12b (e LOX2, epidermis type Lox 12) appears to act similarly to ALOX12B to metabolize the linoleic acid moiety of EOS to its 9R hydroperoxy counterpart and thereby contribute to skin integrity and water impermeability; mice depleted to Alox12b develop a severe skin defect similar to Congenital ichthyosiform erythroderma. Unlike human ALOX12B which cam metabolize arachidonic acid to 12R HETE at a low rate, Alox12b does not metabolize arachidonic acid as free acid but dose metabolize arachidonic acid methyl ester to its 12R hydroperoxy counterpart. Aloxe3 (epidermis type Lox 3, eLox3) appears to act similarly to ALOXe3 in metabolizing the 9R hydoperoxy linoleate derivative of EOS to its epoxy and keto derivatives and to be involved in maintaining skin integrity and water impermeability. AloxE3 deletion leads to a defect similar to congenital ichthyosiform erythroderma.
3D структура
Известно несколько структур липоксигеназы, включая: липоксигеназу L1 и L3 соевой, липоксигеназу 8 коралловой, липоксигеназу 5 человеческой, липоксигеназу 15 кролика и липоксигеназу 12 лейкоцитов свиней. Белок состоит из небольшого N- терминального домена PLAT и основного C- терминального каталитического домена (см. базу данных Pfam), который содержит активный сайт. Как у ферментов растений, так и у млекопитающих, N-терминальный домен содержит восьмицепочечный антипараллельный β-баррель, но в соевых липоксигеназах этот домен значительно больше, чем в кроличьем ферменте. Растительные липоксигеназы могут быть ферментативно расщеплены на два фрагмента, которые остаются тесно связанными, в то время как фермент остается активным; разделение двух доменов приводит к потере каталитической активности. Терминал C (каталитический) состоит из 18 22 спиралей и одного (в кроличьем ферменте) или двух (в ферментах сои) антипараллельных β-листов на противоположном конце от N-терминального β-бареля.
Активный сайт
Атом железа в липоксигеназах связан четырьмя лигандами, три из которых являются остатками гистидина. Шесть гистидинов сохраняются во всех последовательностях липоксигеназы, пять из них обнаруживаются в группах из 40 аминокислот. Эта область содержит два из трех лигандов цинка; другие гистидины, как было показано, важны для активности липоксигеназ. Две длинные центральные спирали пересекаются в активном месте; обе спирали включают внутренние участки спирали π, которые обеспечивают три гистидиновых (His) лиганда железа в активном месте. Две полости в основной домене соевой липоксигеназы 1 (лощины I и II) простираются от поверхности до активного места. Ворончатая полость I может функционировать как канал для диоксигена; длинная узкая полость II, предположительно, является карманом для подложки. Более компактный фермент млекопитающих содержит только одну полость в форме сапоги (полость II). В соевой липоксигеназе 3 есть третья полость, которая проходит от железного участка до интерфейса β-бареля и каталитических доменов. Полость III, железное место и полость II образуют непрерывный проход по всей молекуле белка. Активное железо координируется Nε из трех консервированных остатков His и одного кислорода из C-терминальной карбоксильной группы. Кроме того, в ферментах сои кислород боковой цепи аспарагина слабо связан с железом. В кроличьей липоксигеназе этот остаток Asn заменяется His, который координирует железо через атом Nδ. Таким образом, координационное число железа составляет пять или шесть, с гидроксильным или водяным лигандом к гексакоординатному железу. Подробности о особенностях активного места липоксигеназы были выявлены в структуре каталитического домена комплекса липоксигеназы 12 лейкоцитов свиней В 3D структуре, аналогный ингибитор субстрата занимал U-образный канал, открытый рядом с железным местом. Этот канал может принимать арахидоновую кислоту без особых вычислений, определяя подробности связывания субстрата для реакции липоксигеназы. Кроме того, в качестве кислородного пути можно рассматривать вероятный канал доступа, который пересекает канал связывания субстрата и распространяется на поверхность белка.