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lipoxigenasa

Las lipoxigenasas ( EC 1.13.11.-) ( LOX ) son una familia de enzimas que contienen hierro (no hemo ) , más específicamente enzimas oxidativas , la mayoría de las cuales catalizan la dioxigenación de ácidos grasos poliinsaturados en lípidos que contienen cis,cis-1. ,4- pentadieno en agentes de señalización celular que desempeñan diversas funciones como señales autocrinas que regulan la función de sus células madre, señales paracrinas que regulan la función de células cercanas y señales endocrinas que regulan la función de células distantes.

Las lipoxigenasas están relacionadas entre sí basándose en su estructura genética similar y actividad de dioxigenación. Sin embargo, una lipoxigenasa, ALOXE3, aunque tiene una estructura genética de lipoxigenasa, posee relativamente poca actividad de dioxigenación; más bien, su actividad principal parece ser la de una isomerasa que cataliza la conversión de ácidos grasos hidroperoxiinsaturados en sus derivados hidroxilo 1,5 - epóxido .

Las lipoxigenasas se encuentran en eucariotas (plantas, hongos, animales, protistas); Mientras que el tercer dominio de la vida terrestre, las arqueas , posee proteínas con una ligera (~20%) similitud en la secuencia de aminoácidos con las lipoxigenasas, estas proteínas carecen de residuos de unión a hierro y, por lo tanto, no se prevé que posean actividad lipoxigenasa. [2]

Bioquímica

Según análisis detallados de la 15-lipoxigenasa 1 y la 5-lipoxigenasa estabilizada, las estructuras de la lipoxigenasa constan de un dominio de barril beta N-terminal de 15 kilodaltons , un interdominio conector pequeño (p. ej., ~0,6 kilodaltons) (consulte Dominio de proteínas § Dominios y flexibilidad de proteínas ), y un dominio catalítico C-terminal relativamente grande que contiene el hierro no hemo crítico para la actividad catalítica de las enzimas. [3] La mayoría de las lipoxigenasas (excepción, ALOXE3) catalizan la reacción Ácido graso poliinsaturado + O 2 → hidroperóxido de ácido graso en cuatro pasos:

El residuo (—OO − ) luego puede protonarse para formar un grupo hidroperóxido (—OOH) y metabolizarse aún más mediante la lipoxigenasa a, por ejemplo, leucotrienos , hepoxilinas y varios mediadores pro-resolución especializados , o reducirse mediante glutatión peroxidasas celulares ubicuas a un hidroxi. grupo que forma ácidos grasos poliinsaturados hidroxilados (-OH) como los ácidos hidroxieicosatetraenoicos y HODE (es decir, ácidos hidroxioctadecaenoicos). [3]

Los ácidos grasos poliinsaturados que sirven como sustratos para una o más de las lipoxigenasas incluyen los ácidos grasos omega 6 , el ácido araquidónico , el ácido linoleico , el ácido dihomo-γ-linolénico y el ácido adrénico ; los ácidos grasos omega-3 , ácido eicosapentaenoico , ácido docosahexaenoico y ácido alfa-linolénico ; y el ácido graso omega-9 , ácido hidromiel . [4] Ciertos tipos de lipoxigenasas, por ejemplo, 15-lipoxigenasa 1, 12-lipoxigenasa B y ALOXE3 humana y murina, son capaces de metabolizar sustratos de ácidos grasos que son constituyentes de fosfolípidos, ésteres de colesterol o lípidos complejos de la piel. [3] La mayoría de las lipoxigenasas catalizan la formación de productos hidroperoxi formados inicialmente que tienen quiralidad S. Las excepciones a esta regla incluyen las 12R-lipoxigenasas de humanos y otros mamíferos (ver más abajo). [3] [4] [5]

Las lipoxigenasas dependen de la disponibilidad de sus sustratos de ácidos grasos poliinsaturados que, particularmente en células de mamíferos, normalmente se mantienen en niveles extremadamente bajos. En general, varias fosfolipasa A2 y diacilglicerol lipasas se activan durante la estimulación celular, liberan estos ácidos grasos de sus sitios de almacenamiento y, por lo tanto, son reguladores clave en la formación de metabolitos dependientes de la lipoxigenasa. [3] Además, las células, cuando se activan de esta manera, pueden transferir sus ácidos grasos poliinsaturados liberados a células adyacentes o cercanas que luego los metabolizan a través de sus vías de lipoxigenasa en un proceso denominado metabolismo transcelular o biosíntesis transcelular. [6]

Función biológica y clasificación.

Estas enzimas son más comunes en plantas donde pueden estar involucradas en diversos aspectos de la fisiología vegetal, incluido el crecimiento y desarrollo, la resistencia a las plagas y la senescencia o respuestas a las heridas. [7] En los mamíferos, varias isoenzimas lipoxigenasas participan en el metabolismo de los eicosanoides (como las prostaglandinas , los leucotrienos y los eicosanoides no clásicos ). [8] Hay datos de secuencia disponibles para las siguientes lipoxigenasas:

Lipoxigenasas vegetales

Las plantas expresan una variedad de lipoxigenasas citosólicas ( EC 1.13.11.12; InterPro :  IPR001246 ), así como lo que parece ser una isoenzima del cloroplasto. [9] La lipoxigenasa vegetal junto con las hidroperóxido liasas son responsables de muchas fragancias y otros compuestos de señalización. Un ejemplo es el cis-3-hexenal , el olor a hierba recién cortada .

Una transformación ilustrativa que implica una hidroperóxido liasa. Aquí el cis-3-hexenal se genera a partir del ácido linolénico al hidroperóxido por la acción de una lipoxigenasa seguida de la liasa. [10]

Lipoxigenasas humanas

Con la excepción del gen que codifica 5-LOX ( ALOX5 ), que se encuentra en el cromosoma 10q11.2, los seis genes LOX humanos están ubicados en el cromosoma 17.p13 y codifican una proteína de cadena sencilla de 75 a 81 kilodaltons que consta de 662–711 aminoácidos. Los genes LOX de mamíferos contienen 14 ( ALOX5 , ALOX12 , ALOX15 , ALOX15B ) o 15 ( ALOX12B , ALOXE3 ) exones con límites exón/ intrón en posiciones altamente conservadas. [11] [12] Las 6 lipoxigenasas humanas junto con algunos de los principales productos que fabrican, así como algunas de sus asociaciones con enfermedades genéticas, son los siguientes: [11] [13] [14 ] [15] [16 ]

Dos lipoxigenasas pueden actuar en serie para producir productos dihidroxi o trihidroxi que tienen actividades bastante diferentes a los productos de cualquiera de las lipoxienasas. Este metabolismo en serie puede ocurrir en diferentes tipos de células que expresan solo una de las dos lipoxigenasas en un proceso denominado metabolismo transcelular. Por ejemplo, ALOX5 y ALOX15 o, alternativamente, ALOX5 y ALOX12 pueden actuar en serie para metabolizar el ácido araquidónico en lipoxinas (ver Ácido 15-hidroxieicosatetraenoico §§  Metabolismo adicional y actividades de 15(S)-HpETE, 15(S)-HETE, 15(R)-HpETE, 15(R)-HETE y 15-oxo-ETE y lipoxina § Síntesis ) mientras que ALOX15 y posiblemente ALOX15B pueden actuar con ALOX5 para metabolizar el ácido eicosapentaenoico a resolvina D (ver Resolvina § Bioquímica y producción ).

Lipoxigenasas de ratón

El ratón es un modelo común para examinar la función de la lipoxigenasa. Sin embargo, existen algunas diferencias clave entre las lipoxigenasas entre ratones y hombres que dificultan la extrapolación de los estudios con ratones a los humanos. A diferencia de las 6 lipoxigenasas funcionales en humanos, los ratones tienen 7 lipoxigenasas funcionales y algunas de estas últimas tienen actividades metabólicas diferentes a las de sus ortólogos humanos . [11] [19] [21] En particular, el Alox15 de ratón, a diferencia del ALOX15 humano, metaboliza el ácido araquidónico principalmente a 12-HpETE y el Alox15b de ratón, a diferencia del ALOX15b humano, es principalmente una 8-lipoxigenasa, que metaboliza el ácido araquidiónico a 8- HpETE; No existe una lipoxigenasa formadora de 8-HpETE comparable en humanos. [22]

15-lipoxigenasa de conejo (azul) con inhibidor (amarillo) unido al sitio activo

estructura 3D

Se conocen varias estructuras de lipoxigenasa que incluyen: lipoxigenasa de soja L1 y L3, 8-lipoxigenasa de coral, 5-lipoxigenasa humana, 15-lipoxigenasa de conejo y dominio catalítico de 12-lipoxigenasa de leucocitos porcinos. La proteína consta de un pequeño dominio PLAT N-terminal y un dominio catalítico C-terminal importante (consulte la base de datos de Pfam ), que contiene el sitio activo . Tanto en las enzimas de plantas como de mamíferos, el dominio N-terminal contiene un barril β antiparalelo de ocho cadenas, pero en las lipoxigenasas de soja este dominio es significativamente mayor que en la enzima de conejo. Las lipoxigenasas vegetales se pueden escindir enzimáticamente en dos fragmentos que permanecen estrechamente asociados mientras la enzima permanece activa; La separación de los dos dominios conduce a la pérdida de actividad catalítica. El dominio C-terminal (catalítico) consta de 18-22 hélices y una (en enzimas de conejo) o dos (en enzimas de soja) láminas β antiparalelas en el extremo opuesto del barril β N-terminal.

Sitio activo

El átomo de hierro en las lipoxigenasas está unido por cuatro ligandos, tres de los cuales son residuos de histidina. [23] Se conservan seis histidinas en todas las secuencias de lipoxigenasa, cinco de ellas se encuentran agrupadas en un tramo de 40 aminoácidos. Esta región contiene dos de los tres ligandos de zinc; Se ha demostrado que las otras histidinas [24] son ​​importantes para la actividad de las lipoxigenasas.

Las dos largas hélices centrales se cruzan en el sitio activo; Ambas hélices incluyen tramos internos de hélice π que proporcionan tres ligandos de histidina (His) al hierro del sitio activo. Dos cavidades en el dominio principal de la lipoxigenasa-1 de soja (cavidades I y II) se extienden desde la superficie hasta el sitio activo. La cavidad I en forma de embudo puede funcionar como un canal de dioxígeno; la cavidad II, larga y estrecha, es presumiblemente una bolsa de sustrato. La enzima de mamíferos más compacta contiene sólo una cavidad en forma de bota (cavidad II). En la lipoxigenasa-3 de soja hay una tercera cavidad que va desde el sitio del hierro hasta la interfaz del barril β y los dominios catalíticos. La cavidad III, el sitio del hierro y la cavidad II forman un pasaje continuo a través de la molécula de proteína.

El hierro del sitio activo está coordinado por N ε de tres residuos de His conservados y un oxígeno del grupo carboxilo C-terminal. Además, en las enzimas de la soja, el oxígeno de la cadena lateral de la asparagina está débilmente asociado con el hierro. En la lipoxigenasa de conejo, este residuo de Asn se reemplaza con His, que coordina el hierro a través del átomo N δ . Por tanto, el número de coordinación del hierro es cinco o seis, con un ligando hidroxilo o agua para un hierro hexacoordinado.

Los detalles sobre la característica del sitio activo de la lipoxigenasa se revelaron en la estructura del complejo del dominio catalítico de 12-lipoxigenasa de leucocitos porcinos [23] [25] . En la estructura 3D, el inhibidor del análogo del sustrato ocupaba un canal en forma de U abierto adyacente al sitio de hierro. Este canal podría acomodar ácido araquidónico sin muchos cálculos, definiendo los detalles de unión del sustrato para la reacción de la lipoxigenasa. Además, para la ruta del oxígeno se podría considerar un posible canal de acceso que intercepte el canal de unión al sustrato y se extienda hasta la superficie de la proteína.

Clasificación bioquímica

La lipooxigenasa 1 de soja exhibe el mayor efecto isotópico cinético H/D (KIE) sobre kcat (kH/kD) (81 cerca de la temperatura ambiente) reportado hasta ahora para un sistema biológico. Recientemente, se encontró un KIE extremadamente elevado de 540 a 730 en una lipoxigenasa de soja 1 doble mutante. [26] Debido a la gran magnitud del KIE, la lipoxigenasa de soja 1 ha servido como prototipo para reacciones de túnel de hidrógeno catalizadas por enzimas.

Las proteínas humanas expresadas a partir de la familia de las lipoxigenasas incluyen ALOX12 , ALOX12B , ALOX15 , ALOX15B , ALOX5 y ALOXE3 . Si bien los humanos también poseen el gen ALOX12P2 , que es un ortólogo del gen Alox12P bien expresado en ratones, el gen humano es un pseudogén ; en consecuencia, la proteína ALOX12P2 no se detecta en humanos. [27]

Referencias

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