Las óxido nítrico sintasas ( EC 1.14.13.39) ( NOS ) son una familia de enzimas que catalizan la producción de óxido nítrico (NO) a partir de L-arginina . El NO es una importante molécula de señalización celular . Ayuda a modular el tono vascular , la secreción de insulina , el tono de las vías respiratorias y la peristalsis , y participa en la angiogénesis y el desarrollo neuronal. Puede funcionar como un neurotransmisor retrógrado . El óxido nítrico está mediado en los mamíferos por las isoenzimas controladas por calcio - calmodulina eNOS ( NOS endotelial ) y nNOS (NOS neuronal). [2] La isoforma inducible, iNOS, implicada en la respuesta inmune, se une a la calmodulina en concentraciones fisiológicamente relevantes y produce NO como mecanismo de defensa inmune, ya que el NO es un radical libre con un electrón desapareado. Es la causa inmediata del shock séptico y puede funcionar en enfermedades autoinmunes .
NOS cataliza la reacción: [3]
Las isoformas de NOS catalizan otras reacciones secundarias y de fuga, como la producción de superóxido a expensas del NADPH. Como tal, esta estequiometría generalmente no se observa y refleja los tres electrones suministrados por NO por NADPH.
Las isoenzimas NOS eucariotas son catalíticamente autosuficientes. El flujo de electrones es: NADPH → FAD → FMN → hemo → O 2 . La tetrahidrobiopterina proporciona un electrón adicional durante el ciclo catalítico que se reemplaza durante el recambio. El zinc , aunque no es un cofactor, también participa pero como elemento estructural. [4] Las NOS son únicas porque utilizan cinco cofactores y son la única enzima conocida que se une al dinucleótido de flavina y adenina (FAD), al mononucleótido de flavina (FMN), al hemo , a la tetrahidrobiopterina (BH 4 ) y a la calmodulina . [ cita necesaria ]
La síntesis de NO derivada de arginina se ha identificado en mamíferos, peces, aves, invertebrados y bacterias. [5] Los mejor estudiados son los mamíferos, donde tres genes distintos codifican las isoenzimas NOS : neuronal (nNOS o NOS-1), inducible por citoquinas (iNOS o NOS-2) y endotelial (eNOS o NOS-3). [3] iNOS y nNOS son solubles y se encuentran predominantemente en el citosol , mientras que eNOS está asociado a la membrana. Se ha encontrado evidencia de señalización de NO en plantas, pero los genomas de las plantas carecen de homólogos de la superfamilia que genera NO en otros reinos.
En los mamíferos, la isoforma endotelial es el principal generador de señales en el control del tono vascular, la secreción de insulina y el tono de las vías respiratorias; participa en la regulación de la función cardíaca y la angiogénesis (crecimiento de nuevos vasos sanguíneos). Se ha demostrado que el NO producido por eNOS es un vasodilatador idéntico al factor relajante derivado del endotelio producido en respuesta al corte causado por el aumento del flujo sanguíneo en las arterias. Esto dilata los vasos sanguíneos al relajar el músculo liso de sus revestimientos. eNOS es el principal controlador del tono del músculo liso. El NO activa la guanilato ciclasa , que induce la relajación del músculo liso al:
eNOS juega un papel fundamental en el desarrollo del corazón embrionario y la morfogénesis de las arterias coronarias y las válvulas cardíacas. [6]
La isoforma neuronal está implicada en el desarrollo del sistema nervioso. Funciona como un neurotransmisor retrógrado importante en la potenciación a largo plazo y, por tanto, es probable que sea importante en la memoria y el aprendizaje. La nNOS tiene muchas otras funciones fisiológicas, incluida la regulación de la función cardíaca, la peristalsis y la excitación sexual en hombres y mujeres. Una forma alternativa de nNOS es una proteína muscular importante que produce señales en respuesta a la liberación de calcio del SR. La nNOS en el corazón protege contra la arritmia cardíaca inducida por el infarto de miocardio. [7]
El receptor principal del NO producido por eNOS y nNOS es la guanilato ciclasa soluble, pero se han identificado muchos objetivos secundarios. La S-nitrosilación parece ser un modo de acción importante.
La isoforma inducible iNOS produce grandes cantidades de NO como mecanismo de defensa. Es sintetizado por muchos tipos de células en respuesta a citoquinas y es un factor importante en la respuesta del cuerpo al ataque de parásitos, infecciones bacterianas y crecimiento de tumores. También es la causa del shock séptico y puede desempeñar un papel en muchas enfermedades de etiología autoinmune.
La señalización NOS está implicada en el desarrollo y la fertilización de los vertebrados. Se ha implicado en las transiciones entre los estados vegetativo y reproductivo en los invertebrados y en la diferenciación que conduce a la formación de esporas en los mohos mucilaginosos. El NO producido por la NOS bacteriana protege contra el daño oxidativo.
La actividad de la NOS también se ha correlacionado con episodios depresivos mayores (EMD) en el contexto del trastorno depresivo mayor , en un gran estudio de tratamiento de casos y controles publicado a mediados de 2021. Se compararon 460 pacientes con un episodio depresivo mayor actual con 895 pacientes sanos, y al medir la relación L-citrulina/L-arginina antes y después de 3 a 6 meses de tratamiento antidepresivo, los resultados indican que los pacientes en un episodio depresivo mayor tienen NOS significativamente menor. actividad en comparación con pacientes sanos, mientras que el tratamiento con antidepresivos elevó significativamente los niveles de actividad NOS en pacientes en un episodio depresivo mayor. [8]
Los diferentes miembros de la familia NOS están codificados por genes distintos. [9] Hay tres isoformas conocidas en los mamíferos, dos son constitutivas (cNOS) y la tercera es inducible (iNOS). [10] La clonación de enzimas NOS indica que la cNOS incluye tanto constitutiva cerebral ( NOS1 ) como constitutiva endotelial ( NOS3 ); el tercero es el gen inducible ( NOS2 ). [10] Recientemente, se ha demostrado la actividad de NOS en varias especies bacterianas, incluidos los notorios patógenos Bacillus anthracis y Staphylococcus aureus. [11]
Las diferentes formas de NO sintasa se han clasificado de la siguiente manera:
La NOS neuronal (nNOS) produce NO en el tejido nervioso tanto en el sistema nervioso central como en el periférico . Sus funciones incluyen: [12]
La NOS neuronal también desempeña un papel en la comunicación celular y está asociada con las membranas plasmáticas. La acción de la nNOS puede ser inhibida por el NPA ( N-propil-L-arginina ). Esta forma de la enzima es inhibida específicamente por el 7-nitroindazol . [13]
La localización subcelular de nNOS en el músculo esquelético está mediada por el anclaje de nNOS a la distrofina . nNOS contiene un dominio N-terminal adicional, el dominio PDZ . [14]
El gen que codifica nNOS se encuentra en el cromosoma 12. [15]
A diferencia de la regulación crítica dependiente del calcio de las enzimas constitutivas NOS (nNOS y eNOS), la iNOS se ha descrito como insensible al calcio, probablemente debido a su estrecha interacción no covalente con la calmodulina (CaM) y el Ca 2+ . El gen que codifica iNOS se encuentra en el cromosoma 17. [15] Si bien la evidencia de la expresión 'base' de iNOS ha sido difícil de alcanzar, la activación dependiente de IRF1 y NF-κB del promotor NOS inducible apoya una estimulación mediada por la inflamación de esta transcripción. iNOS produce grandes cantidades de NO tras la estimulación, como por ejemplo mediante citocinas proinflamatorias (p. ej. , interleucina-1 , factor de necrosis tumoral alfa e interferón gamma ). [dieciséis]
La inducción de iNOS de alto rendimiento generalmente ocurre en un ambiente oxidativo y, por lo tanto, los niveles altos de NO tienen la oportunidad de reaccionar con el superóxido , lo que lleva a la formación de peroxinitrito y toxicidad celular. Estas propiedades pueden definir las funciones de iNOS en la inmunidad del huésped, permitiendo su participación en actividades antimicrobianas y antitumorales como parte del estallido oxidativo de los macrófagos. [17]
Se ha sugerido que la generación patológica de óxido nítrico a través del aumento de la producción de iNOS puede disminuir los latidos ciliares tubáricos y las contracciones del músculo liso y, por lo tanto, afectar el transporte embrionario, lo que en consecuencia puede resultar en un embarazo ectópico . [18]
La NOS endotelial (eNOS), también conocida como óxido nítrico sintasa 3 (NOS3), genera NO en los vasos sanguíneos y participa en la regulación de la función vascular. El gen que codifica eNOS se encuentra en el cromosoma 7. [15] Una NOS constitutiva dependiente de Ca 2+ proporciona una liberación basal de NO. eNOS se localiza en las caveolas, un dominio de la membrana plasmática compuesto principalmente por la proteína caveolina 1 , y en el aparato de Golgi. Estas dos poblaciones de eNOS son distintas, pero ambas son necesarias para la producción adecuada de NO y la salud celular. [19] La localización de eNOS en las membranas endoteliales está mediada por la miristoilación N-terminal cotraduccional y la palmitoilación postraduccional . [20]
Se ha demostrado que la NOS bacteriana (bNOS) protege a las bacterias contra el estrés oxidativo, diversos antibióticos y la respuesta inmune del huésped. bNOS juega un papel clave en la transcripción de la superóxido dismutasa (SodA). Las bacterias que se encuentran al final de la fase de registro y que no poseen bNOS no logran regular positivamente la SodA, lo que desactiva las defensas contra el estrés oxidativo dañino. Inicialmente, la bNOS pudo haber estado presente para preparar la célula para condiciones estresantes, pero ahora parece ayudar a proteger a las bacterias contra los antimicrobianos convencionales. Como aplicación clínica, se podría producir un inhibidor de bNOS para disminuir la carga de bacterias Gram positivas. [21] [22]
Las óxido nítrico sintasas producen NO catalizando una oxidación de cinco electrones de un nitrógeno guanidina de L -arginina ( L -Arg). La oxidación de L -Arg a L -citrulina se produce mediante dos reacciones de monooxigenación sucesivas que producen N ω -hidroxi- L -arginina (NOHLA) como intermediario. Por mol de NO formado se consumen 2 moles de O 2 y 1,5 moles de NADPH. [3]
Las enzimas existen como homodímeros. En eucariotas, cada monómero consta de dos regiones principales: un dominio oxigenasa N-terminal , que pertenece a la clase de proteínas hemotiolato, y una reductasa C-terminal multidominio , que es homóloga a NADPH: citocromo P450 reductasa ( EC 1.6.2.4) y otras flavoproteínas. El dominio de unión a FMN es homólogo a las flavodoxinas, y el fragmento de dos dominios que contiene los sitios de unión a FAD y NADPH es homólogo a las flavodoxina-NADPH reductasas. El conector interdominio entre los dominios oxigenasa y reductasa contiene una secuencia de unión a calmodulina . El dominio oxigenasa es una jaula de lámina beta extendida única con sitios de unión para hemo y pterina.
Las NOS pueden ser hemoproteínas diméricas , dependientes de calmodulina o que contienen calmodulina, similares al citocromo p450 , que combinan dominios catalíticos de reductasa y oxigenasa en un dímero, llevan tanto dinucleótido de flavina adenina (FAD) como mononucleótido de flavina (FMN), y llevan a cabo una función 5`-. Oxidación electrónica del aminoácido no aromático arginina con la ayuda de tetrahidrobiopterina. [23]
Las tres isoformas (cada una de las cuales se supone que funciona como un homodímero durante la activación) comparten un dominio de reductasa carboxilo terminal homólogo a la citocromo P450 reductasa . También comparten un dominio de oxigenasa amino terminal que contiene un grupo protésico hemo , que está unido en el medio de la proteína a un dominio de unión a calmodulina . La unión de calmodulina parece actuar como un "interruptor molecular" para permitir el flujo de electrones desde los grupos protésicos de flavina en el dominio reductasa al hemo. Esto facilita la conversión de O 2 y L -arginina en NO y L -citrulina. El dominio oxigenasa de cada isoforma de NOS también contiene un grupo protésico BH 4 , que es necesario para la generación eficiente de NO. A diferencia de otras enzimas donde el BH 4 se utiliza como fuente de equivalentes reductores y es reciclado por la dihidrobiopterina reductasa ( EC 1.5.1.33), el BH 4 activa el O 2 unido al hemo mediante la donación de un solo electrón, que luego se recaptura para permitir la liberación de óxido nítrico. .
La primera óxido nítrico sintasa identificada se encontró en el tejido neuronal (NOS1 o nNOS); la NOS endotelial (eNOS o NOS3) fue la tercera en ser identificada. Originalmente se clasificaron como "expresados constitutivamente" y "sensibles a Ca 2+ ", pero ahora se sabe que están presentes en muchos tipos de células diferentes y que la expresión está regulada bajo condiciones fisiológicas específicas.
En NOS1 y NOS3, las concentraciones fisiológicas de Ca 2+ en las células regulan la unión de la calmodulina a los "dominios de cierre", iniciando así la transferencia de electrones desde las flavinas a los restos hemo . Por el contrario, la calmodulina permanece estrechamente unida a la isoforma inducible e insensible al Ca 2+ (iNOS o NOS2) incluso con una baja actividad intracelular de Ca 2+ , actuando esencialmente como una subunidad de esta isoforma.
El óxido nítrico puede por sí mismo regular la expresión y actividad de NOS. Específicamente, se ha demostrado que el NO desempeña un importante papel regulador de la retroalimentación negativa sobre la NOS3 y, por lo tanto, sobre la función de las células endoteliales vasculares. [24] Se ha demostrado que este proceso, conocido formalmente como S -nitrosación (y denominado por muchos en el campo como S -nitrosilación), inhibe reversiblemente la actividad de NOS3 en las células endoteliales vasculares. Este proceso puede ser importante porque está regulado por condiciones redox celulares y, por tanto, puede proporcionar un mecanismo para la asociación entre el "estrés oxidativo" y la disfunción endotelial. Además de NOS3, se ha descubierto que tanto NOS1 como NOS2 están S -nitrosados, pero la evidencia de la regulación dinámica de esas isoformas de NOS mediante este proceso es menos completa [ cita necesaria ] . Además, se ha demostrado que tanto NOS1 como NOS2 forman complejos ferrosos-nitrosilo en sus grupos protésicos hemo que pueden actuar parcialmente para autoinactivar estas enzimas bajo ciertas condiciones [ cita requerida ] . El paso limitante de la velocidad de producción de óxido nítrico bien puede ser la disponibilidad de L -arginina en algunos tipos de células. Esto puede ser particularmente importante después de la inducción de NOS2.
La ronopterina (VAS-203), también conocida como 4-amino-tetrahidrobiopterina (4-ABH 4 ), un análogo de BH 4 (un cofactor de NOS), es un inhibidor de NOS que está en desarrollo como agente neuroprotector para el tratamiento de lesión cerebral traumática .[1] Otros inhibidores de NOS que se han investigado o se están investigando para un posible uso clínico incluyen cindunistat, A-84643, ONO-1714, L-NOARG , NCX-456, VAS-2381, GW-273629, NXN- 462, CKD-712, KD-7040 y disulfuro de guanidinoetil, entre otros.
{{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )