Введение
Класс ферментов
Гемооксигеназа, или гемооксигеназа, (HMOX, обычно сокращенно HO) — это фермент, который катализирует распад гема с образованием биливердина, железа (II) и угарного газа. В природе существует множество ферментов, расщепляющих гем. Как правило, к HMOX-подобным ферментам относят только аэробные ферменты, расщепляющие гем, в то время как анаэробные ферменты обычно не входят в семейство HMOX.
Гемооксигеназа
Гемооксигеназа (также может быть написана как гема или оксидаза) катализирует распад гема на биливердин/билирубин, ион железа и угарный газ. Геном человека может кодировать три изоформы HMOX. Распад гема приводит к образованию трех различных хромогенов, что наблюдается в процессе заживления синяка. Эта реакция может происходить практически в каждой клетке и тромбоците; классическим примером является процесс заживления контузии, в ходе которого образуются различные хромогены по мере постепенного заживления: от (красного) гема к (зеленому) биливердину и к (желтому) билирубину, который широко известен как причина желтухи. В целом, помимо общей функции катаболизма гема, все изоформы HMOX имеют общую сигнатурную последовательность из 24 аминокислотных остатков, которая считается необходимой для ферментативной активности. Хотя HMOX присутствует во всем организме, он наиболее активен в селезенке, способствуя деградации гемоглобина во время переработки эритроцитов (примерно 0,8% эритроцитарного пула в день).
Гемооксигеназа 1
Гемооксигеназа 1 (HMOX1, обычно HO 1) является членом семейства белков теплового шока (HSP), идентифицированных как HSP32. HO 1 – это фермент массой 32 кДа, содержащий 288 аминокислотных остатков, кодируемых геном HMOX1. HO 1 не является гемопротеином, так как не содержит гемопротетических групп. Активность HO 1 зависит от NADPH-цитохрома P450-редуктазы. HO 1 – это изоформа, индуцируемая стрессом, присутствующая во всем организме с наивысшими концентрациями в селезенке, печени и почках, а на клеточном уровне преимущественно локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, хотя также обнаружена в митохондриях, ядре клетки и плазматической мембране. Описаны растворимые варианты HO 1. HO 1 может также выполнять функцию белка-шаперона, участвовать во взаимодействиях между белками, секретироваться во внеклеточное пространство и участвовать в других клеточных функциях, помимо своей каталитической активности. HO 1 может также генерировать небольшое количество субоксида углерода. Ферменты HO 1 подвергаются деградации посредством убиквитинирования. Этот фермент был объектом интенсивных исследований его регуляторной сигнализации, иммуномодулирующей и криопротекторной роли. HMOX1 – это жизненно важный фермент. Дефицит HMOX1 у человека встречается редко, однако сообщалось о нескольких случаях, которые обычно приводят к летальному исходу. Например, HMOX1 может противодействовать некоторым химиотерапевтическим препаратам, защищая раковые клетки от цитотоксического действия, тем самым способствуя прогрессированию рака. Ингибиторы HMOX1 находятся в стадии разработки.
Гемооксигеназа 2
Гемооксигеназа 2 (HMOX2 или HO2) — это конститутивная изоформа, которая экспрессируется в условиях гомеостаза в яичках, желудочно-кишечном тракте, эндотелиальных клетках и головном мозге. HO2 кодируется геном HMOX2. Молекулярная масса HO2 составляет 36 кДа, и она имеет 47% сходства с аминокислотной последовательностью HO1; примечательно, что HO2 содержит дополнительный N-концевой участок, состоящий из 20 аминокислотных остатков.
Гемооксигеназа 3
Третья противоречивая гемооксигеназа (HO 3) считается каталитически неактивной и, как предполагается, участвует в гемосенсорике или детоксикации. HO 3 имеет молекулярную массу 33 кДа и наиболее выражена в печени, предстательной железе и почках. Однако попытки выделить HO 3 привели к получению псевдогенов, происходящих из транскриптов HO 2, что ставит под сомнение существование третьей изоформы. Микробиом человека содержит десятки уникальных микробных гомологов HMOX, использующих множество различных аббревиатур, например:
Некоторые геморазлагающие прокариотические ферменты производят такие продукты, как формальдегид, вместо CO. Например, определенные патогены, такие как Escherichia coli O157:H7, могут экспрессировать изоформу ChuW, не производящую CO. Многие патогены восприимчивы к токсичности CO, поэтому экспрессия геморазлагающих ферментов, не производящих CO, позволяет избежать самоотравления, одновременно удовлетворяя потребность в питательном железе. Комменсальная микробиота обычно проявляет толерантность к CO, поскольку производит и реагирует на сигналы CO; при выделении микробом CO либо непосредственно приносит пользу хозяину, либо оказывает селективное давление на патогены, тем самым выступая в качестве симбиотической валюты. Хотя хлорофилл структурно похож на гем, неясно, способны ли какие-либо ферменты, подобные HMOX, облегчать его метаболизм. Первая попытка описать HMOX, предпринятая Накадзимой в 1962 году, оказалась неферментативным путем. Сложность этого неферментативного пути получила название квазиферментативного или псевдоферментативного.
Индукторы
HMOX1 индуцируется бесчисленным множеством молекул, включая тяжелые металлы, статины, паклитаксель, рапамицин, пробукол, оксид азота, силденафил, окись углерода, молекулы, высвобождающие окись углерода, и определенные порфирины. Фитохимические индукторы HO включают: куркумин, ресвератрол, пицеатанол, фенилэтиловый эфир кофеиновой кислоты, диметилфумарат, фумаровые эфиры, флавоноиды, халконы, гинкго билоба, антоцианы, флоротаннины, карнозол, розоловая кислота и многочисленные другие природные соединения. Эндогенные индукторы включают: i) липиды, такие как липоксин и эпоксиэйкозатриеновая кислота; ii) пептиды, такие как адреномедуллин и аполипопротеин; и iii) гемин.
Ингибиторы
HMOX1 ингибируется определенными порфиринами, такими как цинковый протопорфирин.
Роли в физиологии
HMOX участвует в многочисленных клеточных процессах. Цитопротекторные свойства HMOX стимулировали значительные исследования его терапевтического и фармацевтического потенциала. Эти эффекты не были подтверждены в клинических испытаниях. Окись углерода, как сигнальный агент, участвует в нормальной физиологии и обладает терапевтическим эффектом при многих состояниях, таких как уменьшение воспаления и гипоксии. Однако степень участия HMOX в защитном эффекте окиси углерода при гипоксии остается предметом изучения, поскольку для производства окиси углерода из катаболизма гема требуется 3 молярных эквивалента кислорода, а также существуют вопросы, касающиеся биодоступности гема и медленной индукции HMOX1, которая может занимать несколько часов (например, медленное заживление гематомы).
Биливердин / билирубин
Древние сведения об эндогенном билирубине восходят к медицинским учениям о жидкостях организма, описанным Гиппократом. В большинстве случаев HMOX избирательно расщепляет гема (железный протопорфирин IX) в α-метиновом мостике. Образующийся билирубин содержит суффикс IXα для обозначения состава его структуры, указывая на то, что его предшествующей молекулой был протопорфирин IX, расщепленный в альфа-положении (см. протопорфирин IX для получения дополнительной информации о системе номенклатуры Фишера). Drosophila melanogaster содержит уникальный HMOX, не обладающий α-специфичностью, что приводит к образованию биливердина IXα, IXβ, IXδ.
Железный ион
Железный ион – это общепринятое обозначение для железа(II), используемое в исследованиях HMOX и представленное в PubChem. Считается, что железо, высвобождаемое из HMOX, быстро связывается ферритином. Однако, реактивные формы кислорода, образующиеся в реакциях Фентона или Хабера-Вейса, могут инициировать последующую передачу сигналов.
История
HMOX1 был впервые охарактеризован Тенхуненом и Руди Шмидтом после того, как было показано, что он является ферментом, ответственным за катализ биотрансформации гема в билирубин. Несколько лабораторий пытались объяснить биотрансформацию гема в биливердин, например, Накадзима и др. в 1962 году, которые охарактеризовали растворимую «гемо-метиленоксигеназу», однако их результаты не удалось воспроизвести, и появились альтернативные неферментативные объяснения их наблюдений. Первые свидетельства окислительной ферментативной биотрансформации гема в билин были продемонстрированы Гансом Плинингером и Гансом Фишером в 1942 году. Открытие HMOX – уникальный случай научной преемственности, поскольку Фишер был научным руководителем Сесила Уотсона, а Уотсон – руководителем Руди Шмидта. Феликс Хоппе-Зейлер ввёл название «гемоглобин», где «гем» происходит от греческого слова, означающего кровь, а «глобин» – от латинского globus, означающего «шар» (см. также: этимология карбоксигемоглобина). Гемоглобин был впервые обнаружен в 1840-х годах Фридрихом Людвигом Хюнефельдом. Гем (в виде гемина, координированного с хлором) был охарактеризован Людвиком Каролом Тейхманом в 1853 году. Многие лаборатории исследовали in vitro трансформацию гема в билины на протяжении 1930-х годов, что иллюстрируется работой Георга Баркана, а затем Эстер Киллик, которая в 1940 году отметила наличие монооксида углерода, коррелирующего с псевдогемоглобином (устаревший термин для билинов, введенный Барканом). Хотя первые свидетельства эндогенного образования билирубина восходят к нескольким векам назад в контексте желтухи, в этом внесли вклад исследователи со всего мира (см. также: История билирубина). Угарный газ был обнаружен в выдыхаемом воздухе в 1869 году. Феликс Хоппе-Зейлер разработал первый качественный тест на карбоксигемоглобин, а Йозеф фон Фодор – первый количественный аналитический тест на карбоксигемоглобин. Первое зарегистрированное обнаружение естественного содержания угарного газа в крови человека произошло в 1923 году благодаря Ройду Рэю Сайерсу и др., хотя они отклонили свои данные как случайную ошибку. Александр Геттлер подтвердил нормальное присутствие угарного газа в крови в 1933 году, однако он связал это с неизбежным загрязнением окружающей среды или, возможно, с микробиомом человека. Позже, в 1952 году, Сёстранд продемонстрировал образование угарного газа при разложении гемоглобина.