Flavin içeren monooksijenaz - Flavin-containing monooxygenase

Flavin içeren monooksijenaz
Maya FMO'sunun şerit diyagramı ( PDB: 1VQW ).
tanımlayıcılar
AB numarası	1.14.13.8
CAS Numarası.	37256-73-8
veritabanları
IntEnz	IntEnz görünümü
BRENDA	BRENDA girişi
ExPASy	NiceZyme görünümü
fıçı	Fıçı girişi
MetaCyc	metabolik yol
PRİAM	profil
PDB yapıları	RCSB PDB PDBe PDB toplamı
Gen ontolojisi	AmiGO / QuickGO
Arama PMC nesne PubMed nesne NCBI proteinler

Flavin içerikli monooksijenaz ( FMO ) protein ailesi uzmanlaşmış oksidasyon bölgesinin kseno-substratları canlı organizmalardan bu bileşiklerin boşaltımını kolaylaştırmak için. Bu enzimler çok çeşitli heteroatomları , özellikle aminler , sülfitler ve fosfitler gibi yumuşak nükleofilleri oksitleyebilir . Bu reaksiyon bir oksijen, bir NADPH kofaktörü ve bir FAD prostetik grubu gerektirir . FMO'lar, bir NADPH bağlanma alanı, FAD bağlanma alanı ve aktif bölgede bulunan korunmuş bir arginin kalıntısı gibi çeşitli yapısal özellikleri paylaşır . Son zamanlarda, FMO enzimleri, hem çeşitli hastalıklar için bir ilaç hedefi olarak hem de ön ilaç bileşiklerini aktif farmasötiklere metabolize etmenin bir yolu olarak farmasötik endüstrisinden büyük ilgi görmüştür . Bu monooksijenazlar , oksidatif ksenobiyotik metabolizmasına en büyük katkıyı yapan sitokrom P450'nin (CYP450) aktivite profillerine benzer aktivite profillerini paylaştıklarından sıklıkla yanlış sınıflandırılırlar . Bununla birlikte, iki enzim arasındaki temel fark, ilgili substratlarını oksitlemeye nasıl devam ettiklerinde yatmaktadır; FMO ailesi, substratlarını oksitlemek için FAD'yi kullanırken, CYP enzimleri oksijenli bir hem prostetik grubunu kullanır.

Tarih

1960'lardan önce , ksenotoksik materyallerin oksidasyonunun tamamen CYP450 tarafından gerçekleştirildiği düşünülüyordu . Bununla birlikte, 1970'lerin başında, Austin'deki Texas Üniversitesi'nden Dr. Daniel Ziegler, domuz karaciğerinden izole edilen ve çok çeşitli çeşitli aminleri karşılık gelen nitro durumlarına oksitlediği bulunan bir hepatik flavoprotein keşfetti . "Ziegler enzimi" olarak adlandırılan bu flavoprotein, olağandışı kimyasal ve spektrometrik özellikler sergiledi. Bu enzimin substrat havuzunun daha fazla spektroskopik karakterizasyonu ve araştırılması üzerine, Dr. Ziegler, bu enzimin yalnızca bir C4a-hidroksiperoksiflavin ara maddesi oluşturabilen FAD molekülüne bağlandığını ve bu enzimin ortak yapısal özellikleri olmayan çok çeşitli substratları oksitleyebileceğini keşfetti. diğerleri arasında fosfinler , sülfitler , selenyum bileşikleri dahil . Bu fark edildiğinde, Dr. Ziegler'in enzimi, geniş bantlı bir flavin monooksijenaz olarak yeniden sınıflandırıldı .

1984 yılında, birden fazla FMO formu için ilk kanıt, iki farklı FMO'nun tavşan akciğerlerinden izole edilmesiyle iki farklı laboratuvar tarafından aydınlatıldı. O zamandan beri, 150'den fazla farklı FMO enzimi, çok çeşitli organizmalardan başarıyla izole edilmiştir. 2002 yılına kadar, memelilerden sadece 5 FMO enzimi başarıyla izole edildi. Bununla birlikte, bir grup araştırmacı, insan kromozomu 1 üzerinde bulunan altıncı bir FMO geni buldu . 2002 itibariyle keşfedilen altıncı FMO'ya ek olarak, Dr. Ian Philips ve Elizabeth Sheppard'ın laboratuvarları insanlarda, insan kromozomu 1 üzerinde FMO için 5 ek psödogenden oluşan ikinci bir gen kümesi keşfetti.

FMO gen ailesinin evrimi

Ait FMO aile genlerinin olduğu korunmuş tamamında şubelerinin FMO gen ailesinin dolayısıyla çeşit hepsi okudu bulunabilir, şu ana kadar çalışılmıştır ökaryotlar . FMO genleri, çeşitli işlevleri yerine getirmek için farklı FMO türlerinin evrimine yol açan belirli yapısal ve işlevsel kısıtlamalarla karakterize edilir. FMO'ların fonksiyonel tipleri (FMO 1-5) arasındaki farklılık , amfibiler ve memeliler ayrı sınıflara ayrılmadan önce meydana geldi . FMO5 bulunan omurgalılar FMO5 FMO ailesinin ilk işlevsel olarak ayrı üyesi yapan, FMO en diğer türlerine göre evrimsel yaşlı görünüyor. Filogenetik çalışmalar, FMO1 ve FMO3'ün, farklı işlevlere sahip enzimlere dönüşen en yeni FMO'lar olduğunu göstermektedir. FMO5, ilk farklı FMO olmasına rağmen, ilk geçiş metabolizmasında yer alan tipik FMO substratlarını oksijenlendirmediğinden hangi işlevi yerine getirdiği açık değildir .

Birkaç türdeki FMO genlerinin analizleri , mevcut FMO gen ailesinin nükleotid seviyesinden ziyade protein seviyesindeki seçici basınç nedeniyle var olduğunu gösteren kapsamlı sessiz DNA mutasyonlarını göstermiştir . İçinde FMO'nun buluyoruz omurgasızlar kaynaklandığı tespit edilirse polyphyletically ; yani fenotipik olarak benzer bir gen, ortak bir atadan miras alınmayan omurgasızlarda evrimleşmiştir.

Sınıflandırma ve karakterizasyon

FMO'lar , diğer Baeyer-Villiger monooksijenazları ve mikrobiyal N-hidroksilasyon monooksijenazları ile birlikte monooksijenaz oksidoredüktaz ailesine ait olan B sınıfı harici flavoprotein monooksijenazların (EC 1.14.13) bir alt ailesidir . FMO'lar mantarlarda, mayalarda, bitkilerde, memelilerde ve bakterilerde bulunur.

memeliler

Gelişimsel ve dokuya özgü ekspresyon , insanlar, fareler, sıçanlar ve tavşanlar dahil olmak üzere birçok memeli türünde incelenmiştir. Bununla birlikte, FMO ekspresyonu her hayvan türüne özgü olduğundan, diğer memeli çalışmalarına dayanarak insan FMO düzenlemesi ve aktivitesi hakkında sonuçlar çıkarmak zordur. FMO'ların türe özgü ekspresyonunun, farklı memeliler arasında toksinlere ve ksenobiyotiklere duyarlılıktaki farklılıklara ve ayrıca salgılama etkinliğine katkıda bulunması muhtemeldir .

İnsan FMO genlerinin altı fonksiyonel formu rapor edilmiştir. Bununla birlikte, FMO6 bir psödojen olarak kabul edilir . FMO'lar 1-5, farklı türler arasında %50-58 amino asit özdeşliği paylaşır. Son zamanlarda, psödojen kategorisine girmelerine rağmen beş insan FMO geni daha keşfedildi.

• FMO1 , FMO2 , FMO3 , FMO4 , FMO5 , FMO6

Maya

Memelilerden farklı olarak, maya ( Saccharomyces cerevisiae ) birkaç FMO izoformuna sahip değildir , bunun yerine sadece yFMO adı verilen bir izoforma sahiptir. Bu enzim ksenobiyotik bileşikleri kabul etmez . Bunun yerine, yFMO içeren proteinlerin katlanmasına yardımcı disülfid bağları O katalize ederek, ₂ ve NADPH-bağımlı oksidasyonunu biyolojik tioller , sadece memeli FMO'nun gibi. Bir örnek oksitlenmesidir glutation için glutatyon disülfid bir formu, her ikisi de, redoks tamponlama arasında hücre sistemi , endoplazmik retikulum ve sitoplazma . yFMO, disülfid bağları içeren proteinlerin uygun şekilde katlanması için gerekli olan optimum redoks tampon oranını korumak için sitoplazmada lokalizedir. yFMO'nun bu ksenobiyotik olmayan rolü, memelilerde bulunan modern FMO enzim ailesinin yükselişinden önce FMO'ların orijinal rolünü temsil edebilir.

Bitkiler

Bitki FMO'ları patojenlere karşı savunmada rol oynar ve bir bitki hormonu olan oksinin biyosentezindeki spesifik adımları katalize eder . Bitki FMO'ları ayrıca glukozinolatların metabolizmasında rol oynar . Bitki FMO'larının bu ksenobiyotik olmayan rolleri, bitki olmayan organizmalarda diğer FMO fonksiyonlarının tanımlanabileceğini düşündürmektedir.

Yapı

Maya ( Schizosaccharomyces pombe ) FMO ( PDB: 1VQW ) ve bakteriyel ( Methylophaga aminisulfidivorans ) FMO ( PDB: 2XVH ) için kristal yapıları belirlenmiştir . Kristal yapılar birbirine benzer ve %27 sekans özdeşliğini paylaşırlar. Bu enzimler , insan FMO'ları ile sırasıyla %22 ve %31 sekans özdeşliğini paylaşır.

NADPH ve FAD'ye bağlı bakteriyel FMO'nun kanalı ve aktif bölgesi ( PDB: 2XVH ).

FMO'lar sıkıca bağlı bir FAD prostetik grubuna ve bağlayıcı bir NADPH kofaktörüne sahiptir. Her iki dinükleotid bağlama motifi Rossmann kıvrımlarını oluşturur . Maya FMO'su ve bakteriyel FMO, dimerlerdir ve her monomer iki yapısal alandan oluşur : daha küçük NADPH bağlama alanı ve daha büyük FAD bağlama alanı. İki alan bir çift bağlayıcı ile bağlanır. İki alan arasındaki bir kanal, NADPH'nin her iki alanı da bağladığı ve bir su molekülü ile birlikte kanal boyunca büyük alana bağlanan FAD'nin flavin grubuna erişimi engelleyen bir yarık işgal ettiği aktif bölgeye yol açar . Nikotinamid FAD flavin grubu ile NADPH etkileşime girer grubu, ve alt tabaka ile yer örtüşmeler bağlanma NADPH bağlanma bölgesi flavin grubuna.

FMO'lar, tüm etki alanlarında korunan birkaç dizi motifi içerir :

• FAD bağlama motifi (GXGXXG)
• FMO tanımlayıcı motif (FXGXXXHXXXF/Y)
• NADPH bağlayıcı motif (GXSXXA)
• F/LATGY motifi
• aktif bölgede arginin kalıntısı

FMO tanımlayıcı motif, FAD'ın flaviniyle etkileşime girer. F/LATGY motifi, N- hidroksile edici enzimlerde yaygın olan bir dizi motifidir . Arginin kalıntısı , NADPH'nin fosfat grubu ile etkileşime girer .

İşlev

FMO'lar tarafından katalize edilen reaksiyonlar.

Bu enzimlerin genel işlevi ksenobiyotikleri metabolize etmektir . Bu nedenle, ksenobiyotik detoksikasyon katalizörleri olarak kabul edilirler . Bu proteinler , diyetimizde bulunan amin -, sülfür -, fosfor gibi çoklu heteroatom içeren bileşiklerin ve diğer nükleofilik heteroatom içeren bileşiklerin oksijenlenmesini katalize eder . FMO'lar, lipofilik ksenobiyotikleri polar , oksijenli ve kolayca atılan metabolitlere dönüştürerek bir dizi farmasötik, pestisit ve toksik maddenin metabolizmasına dahil edilmiştir.

Yüzey çeşitliliği

FMO substratları yapısal olarak çeşitli bileşiklerdir. Ancak, hepsi benzer özelliklere sahiptir:

• Yumuşak nükleofiller (baz aminler, sülfürler, Se veya P içeren bileşikler)
• Nötr veya tek pozitif yüklü

Zwitteryonlar , anyonlar ve dikasyonlar , elverişsiz substratlar olarak kabul edilir. FMO'lar için tipik substratlar olduğu bildirilen birkaç ilaç vardır.

İlaçların çoğu, FMO'lara alternatif substrat rekabetçi inhibitörleri olarak işlev görür (yani, FMO oksijenasyonu için ilaçla rekabet eden iyi nükleofiller ), çünkü FMO substratları olarak hizmet etme olasılıkları yoktur. Sadece birkaç gerçek FMO rekabetçi inhibitörü rapor edilmiştir. Bunlara indol-3-karbinol ve N , N- dimetilamino stilben karboksilatlar dahildir. İyi bilinen bir FMO inhibitörü metimazoldür (MMI).

mekanizma

FAD protez grubunun redoks durumu ile birlikte FMO'ların katalitik döngüsü.

FMO katalitik döngüsü aşağıdaki gibi ilerler:

1. Kofaktör NADPH bağlandığı şekilde oksidize edilmiş durumda bir FAD protez grubu FADH indirgeyerek, ₂ .
2. Moleküler oksijen meydana NADP bağlanan ⁺ -FADH ₂ -enzim karmaşık ve 4a-hydroperoxyflavin (4a-HPF veya FADH-OOH) 'de elde edilen, azaltılır. Bu tür NADP ile stabilize edilir ⁺ içinde katalitik sitenin enzim. Döngüdeki bu ilk iki adım hızlıdır.
3. Bir substratın (S) varlığında , prostetik grubun distal O-atomunda bir nükleofilik saldırı meydana gelir. Substrat, 4a-hidroksiflavin (FADH-OH) oluşturarak SO2'ye oksijenlenir. Sadece flavin hidroperoksi formunda olduğunda, ksenobiyotik substrat reaksiyona girecektir.
4. Flavin ürünü daha sonra FAD'ı yeniden oluşturmak için suyun serbest bırakılmasıyla parçalanır.
5. NADP ⁺ -enzim kompleksinin düşük ayrışma sabiti nedeniyle , döngü sonunda NADP ⁺ salınır ve enzim orijinal durumuna geri döner. Oran-sınırlayıcı aşama suya FADH-OH parçalanmasını veya NADP salınmasını birini içerir ⁺ .
6. Kuantum mekaniği simülasyonları , C4a-hidroperoksiflavin ara maddesindeki OO bağının homolizi tarafından başlatılan flavin içeren monooksijenazlar tarafından katalize edilen N-hidroksilasyonu , dahili bir hidrojen bağlı hidroksil radikalinin oluşumuyla sonuçlandığını gösterdi.

İnsanlarda hücresel ifade

Yetişkin insan dokularında farklı Flavin içeren Monooksijenazların (FMO) ana dağılımları.

Her bir FMO tipinin ifadesi , kofaktör temini, fizyolojik ve çevresel faktörlerin yanı sıra diyet dahil olmak üzere çeşitli faktörlere dayanır . Bu faktörler nedeniyle, her bir FMO türü, türe ve dokuya bağlı olarak farklı şekilde ifade edilir. İnsanlarda, FMO'ların ekspresyonu esas olarak ksenobiyotiklerin metabolizmasının çoğunun meydana geldiği insan karaciğeri, akciğerleri ve böbreklerinde yoğunlaşmıştır . Ancak FMO'lar insan beyninde ve ince bağırsakta da bulunabilir. FMO1-5 beyinde, karaciğerde, böbreklerde, akciğerlerde ve ince bağırsakta bulunabilirken, her bir FMO tipinin dağılımı kişinin dokusuna ve gelişim evresine göre farklılık gösterir.

Yetişkin dokularda ekspresyon

Bir yetişkinde, FMO1 ağırlıklı olarak böbreklerde ve daha az ölçüde akciğerlerde ve ince bağırsakta eksprese edilir . FMO2, FMO'ların en bol olanıdır ve çoğunlukla akciğerlerde ve böbreklerde eksprese edilir, karaciğer ve ince bağırsakta daha düşük ekspresyon ile . FMO3 karaciğerde yüksek oranda konsantredir, ancak akciğerlerde de eksprese edilir. FMO4 çoğunlukla karaciğer ve böbreklerde eksprese edilir. FMO5 karaciğerde yüksek oranda eksprese edilir, fakat aynı zamanda akciğerlerde ve ince bağırsakta da önemli ekspresyonu vardır. FMO2 beyinde en çok ifade edilen FMO olmasına rağmen, akciğerlerde bulunanın sadece % 1'ini oluşturur ve beyindeki FMO ifadesini oldukça düşük hale getirir.

Fetal Dokularda İfade

FMO'ların çeşitli doku tiplerindeki dağılımı, bir kişi gelişmeye devam ettikçe değişir ve FMO'ların fetal dağılımını FMO'ların yetişkin dağılımından oldukça farklı hale getirir. Yetişkin karaciğerinde FMO3 ve FMO5 ekspresyonu baskınken, fetal karaciğerde FMO1 ve FMO5 ekspresyonu baskındır. Diğer bir fark, yetişkinlerin çoğunlukla FMO2'yi ve fetüslerin de çoğunlukla FMO1'i ifade ettiği beyindedir.

Klinik önemi

İlaç geliştirme

İlaç metabolizması , terapötik uygulamalar için yeni ilaçlar geliştirirken dikkate alınması gereken en önemli faktörlerden biridir . Bir organizmanın sistemindeki bu yeni ilaçların bozunma hızı, farmakolojik etkilerinin süresini ve yoğunluğunu belirler . Geçtiğimiz birkaç yıl boyunca, FMO'lar, bu enzimler, çevrelerini çevreleyen kimyasallar veya ilaçlar tarafından kolayca indüklenmediğinden veya inhibe edilmediğinden , ilaç geliştirmede çok dikkat çekmiştir . CYP'ler , ilaç metabolizmasında yer alan birincil enzimlerdir. Bununla birlikte, son zamanlardaki çabalar, FMO'lar tarafından metabolize edilebilen fonksiyonel grupları içeren ilaç adaylarının geliştirilmesine yönelik olmuştur . Bunu yaparak, olası olumsuz ilaç-ilaç etkileşimlerinin sayısı en aza indirilir ve CYP450 metabolizmasına olan bağımlılık azaltılır. Potansiyel ilaç etkileşimlerini taramak için çeşitli yaklaşımlar yapılmıştır. Bunlardan biri, ilaç etkileşimleri açısından en hayati FMO olarak tanımlanan insan FMO3'ünü (hFMO3) içerir. hFMO3'ü yüksek verimli bir şekilde başarılı bir şekilde taramak için hFMO3, enzimle etkileşime girdiğinde ilacın oksitlenmesinin bir sonucu olarak üretilen elektriksel potansiyeldeki değişikliği ölçmek için grafen oksit yongalarına başarılı bir şekilde sabitlendi .

Hipertansiyon

FMOs için ilişkili olduğuna dair kanıtlar vardır düzenlemenin içinde tansiyon . FMO3, TMA N-oksitlerin (TMAO) oluşumunda rol oynar. Bazı araştırmalar , ozmotik basınçtaki ve periferik dirençteki bir artışı önleyebilecek organik ozmolitler (yani TMAO) olmadığında hipertansiyonun gelişebileceğini göstermektedir . Eksik FMO3 aktivitesine sahip bireyler, daha yüksek ozmotik basınç ve periferik direncin etkilerini dengelemek için TMA N-oksit oluşumunda bir azalma olduğundan, hipertansiyon ve diğer kardiyovasküler hastalıkların prevalansı daha yüksektir.

Balık kokusu sendromu

Trimethylaminuria bozukluğu da balık kokusu sendromu olarak da bilinir, anormal FMO3 aracılı metabolizmasını veya bir kişide bu enzimin bir eksikliğine neden olur. Bu bozukluğu olan bir kişi , diyetlerinden gelen trimetilamin'i (TMA) kokusuz metaboliti TMAO'ya oksitleme kapasitesi düşüktür. Bu olduğunda, kişinin idrarı, teri ve nefesi yoluyla büyük miktarlarda TMA, güçlü bir balık benzeri kokuyla atılır. Bugün itibariyle, bu bozukluğun bilinen bir tedavisi veya tedavisi yoktur. Ancak doktorlar hastalara kolin , karnitin , nitrojen , kükürt ve lesitin içeren gıdalardan uzak durmalarını önermektedir .

Diğer hastalıklar

FMO'lar ayrıca kanser ve diyabet gibi diğer hastalıklarla da ilişkilendirilmiştir . Yine de, FMO işlevi ile bu hastalıklar arasındaki ilişkinin ne olduğunu aydınlatmak ve bu enzimlerin klinik ilişkisini tanımlamak için ek çalışmalar zorunludur.

Referanslar

Dış bağlantılar

• ABD Ulusal Tıp Kütüphanesi Tıbbi Konu Başlıklarında (MeSH) flavin içeren+monooksijenaz
• AT 1.14.13.8
• FMO1 (WikiGenes) hakkında araştırma bilgileri