Бильвердинредуктаза: структура, функция и роль в метаболизме.
Biliverdin reductase
Биливeрдин редуктаза (BVR): фермент, превращающий биливердин в билирубин. Изучаем изоферменты BLVRA и BLVRB, роль NADPH и влияние на печень и селезенку.
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
Биливердинредуктаза (BVR) — это фермент, который в норме содержится во всех тканях, но особенно в ретикуломакрофагах печени и селезенки. BVR облегчает превращение биливердина в билирубин посредством восстановления двойной связи между вторым и третьим пиррольным кольцом в одинарную связь. У человека существует два изофермента, каждый из которых кодируется собственным геном: биливердинредуктаза А (BLVRA) и биливердинредуктаза В (BLVRB).
Biliverdin reductase (BVR) is an enzyme found in all tissues under normal conditions, but especially in reticulo macrophages of the liver and spleen. BVR facilitates the conversion of biliverdin to bilirubin via the reduction of a double bond between the second and third pyrrole ring into a single bond. There are two isozymes in humans, each encoded by its own gene, biliverdin reductase A (BLVRA) and biliverdin reductase B (BLVRB).
Механизм катализа
BVR действует на биливердин, восстанавливая двойную связь между пиррольными кольцами до одинарной. Для этого он использует NADPH + H+ в качестве донора электронов, в результате чего образуются билирубин и NADP+. BVR катализирует эту реакцию посредством перекрывающегося связывающего центра, включающего ключевые остатки Lys18, Lys22, Lys179, Arg183 и Arg185. Этот связывающий центр присоединяется к биливердину, вызывая его диссоциацию от гемооксигеназы (HO), которая катализирует реакцию превращения гема, содержащего железо, в биливердин, что приводит к последующему восстановлению до билирубина.
BVR acts on biliverdin by reducing its double bond between the pyrrole rings into a single bond. It accomplishes this using NADPH + H+ as an electron donor, forming bilirubin and NADP+ as products. BVR catalyzes this reaction through an overlapping binding site including Lys18, Lys22, Lys179, Arg183, and Arg185 as key residues. This binding site attaches to biliverdin, and causes its dissociation from heme oxygenase (HO) (which catalyzes reaction of ferric heme > biliverdin), causing the subsequent reduction to bilirubin.
Структура
BVR состоит из двух плотно упакованных доменов длиной от 247 до 415 аминокислот, содержащих Россмановский мотив. Также было установлено, что BVR является цинк-связывающим белком, при этом каждый фермент содержит один прочно связанный атом цинка. C-концевая половина BVR содержит каталитический домен, который имеет структуру, включающую шестинитевый бета-лист, окруженный с одной стороны несколькими альфа-спиралями. Этот домен содержит каталитически активный центр, который восстанавливает гамма-метиновый мост открытого тетрапиррола, биливердина IX альфа, до билирубина, с одновременным окислением кофактора NADH или NADPH.
BVR is composed of two closely packed domains, between 247 and 415 amino acids long and containing a Rossmann fold. BVR has also been determined to be a zinc binding protein with each enzyme protein having one strong binding zinc atom. The C terminal half of BVR contains the catalytic domain, which adopts a structure containing a six stranded beta sheet that is flanked on one face by several alpha helices. This domain contains the catalytic active site, which reduces the gamma methene bridge of the open tetrapyrrole, biliverdin IX alpha, to bilirubin with the concomitant oxidation of a NADH or NADPH cofactor.
Функция
BVR функционирует в цикле биливердина/билирубина. Он преобразует биливердин в билирубин (мощный антиоксидант), который затем возвращается в форму биливердина под действием реактивных видов кислорода (ROS). Этот цикл обеспечивает нейтрализацию ROS и повторное использование продуктов биливердина. Биливердин также восстанавливается в цикле благодаря его образованию из гемовых единиц посредством гемооксигеназы (HO), локализованной в эндоплазматическом ретикулуме. Билирубин, являясь одним из конечных продуктов распада гема в печени, подвергается дальнейшей обработке и выводится с желчью после конъюгации с глюкуроновой кислотой. Таким образом, BVR играет важную роль у многих млекопитающих в утилизации гемокатаболитов, особенно у плода, где плацентарные мембраны проницаемы для билирубина, но непроницаемы для биливердина, что способствует удалению потенциально токсичных накоплений белка. Недавно BVR также был признан регулятором метаболизма глюкозы, а также контролем роста клеток и апоптоза, благодаря своей двойной специфичности как киназы. Этот контроль над метаболизмом глюкозы указывает на то, что BVR может играть роль в патогенезе множественных метаболических заболеваний, в частности диабета, посредством регуляции вышестоящего активатора инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1) и пути митоген-активированной протеинкиназы (MAPK).
BVR works with the biliverdin/bilirubin redox cycle. It converts biliverdin to bilirubin (a strong antioxidant), which is then converted back into biliverdin through the actions of reactive oxygen species (ROS). This cycle allows for the neutralization of ROS, and the reuse of biliverdin products. Biliverdin also is replenished in the cycle with its formation from heme units through heme oxygenase (HO) localized from the endoplasmic reticulum. Bilirubin, being one of the last products of heme degradation in the liver, is further processed and excreted in bile after conjugation with glucuronic acid. In this way, BVR is essential in many mammals for the disposal of heme catabolites – especially in the fetus where the placental membranes are bilirubin permeable but not biliverdin permeable – aiding in the removal of potentially toxic protein build up. BVR has also more recently been recognized as a regulator of glucose metabolism and in cell growth and apoptosis control, due to its dual specificity kinase character. This control over glucose metabolism indicates that BVR may play a role in pathogenesis of multiple metabolic diseases – notably diabetes – by control of the upstream activator of insulin growth factor 1 (IGF 1) and mitogen activated protein kinase (MAPK) signaling pathway.
Отношение к заболеванию
BVR действует как средство регенерации билирубина в повторяющемся окислительно-восстановительном цикле, не оказывая существенного влияния на концентрацию доступного билирубина. Поддержание этих уровней позволяет предположить, что BVR представляет собой новую стратегию лечения рассеянного склероза и других заболеваний, опосредованных окислительным стрессом. Механизм действия заключается в усилении мощного антиоксидантного действия билирубина, что может облегчать течение заболеваний, вызванных свободными радикалами. Исследования показали, что окислительно-восстановительный цикл BVR необходим для обеспечения физиологической цитопротекции. Генетические нокауты и снижение уровня BVR демонстрируют повышенное образование ROS и приводят к усилению гибели клеток. Клетки с 90% снижением уровня BVR испытывали трехкратное увеличение нормального уровня ROS. Благодаря этому защитному и усиливающему циклу, BVR позволяет низким концентрациям билирубина нейтрализовать концентрации ROS, в 10 000 раз превышающие их собственные.
BVR acts as a means to regenerate bilirubin in a repeating redox cycle without significantly modifying the concentration of available bilirubin. With these levels maintained, it appears that BVR represents a new strategy for the treatment of multiple sclerosis and other types of oxidative stress mediated diseases. The mechanism is due to the amplification of the potent antioxidant actions of bilirubin, as this can ameliorate free radical mediated diseases. Studies have shown that the BVR redox cycle is essential in providing physiological cytoprotection. Genetic knock outs and reduced BVR levels have demonstrated increased formation of ROS, and results in augmented cell death. Cells that experienced a 90% reduction in BVR experienced three times normal ROS levels. Through this protective and amplifying cycle, BVR allows low concentrations of bilirubin to overcome 10,000 fold higher concentrations of ROS.