Альдозоредуктаза — Aldose reductase
В энзимологии, альдозоредуктаза (или альдегидредуктаза ) (EC 1.1.1.21 ) является цитозольным НАДФН -зависимая оксидоредуктаза, которая катализирует восстановление различных альдегидов и карбонилов, включая моносахариды. Он известен прежде всего тем, что катализирует восстановление глюкозы до сорбита, первой стадии полиольного пути метаболизма глюкозы.
- 1 Реакции
- 2 Функция
- 3 Структура фермента
- 4 Механизм фермента
- 5 Роль в диабете
- 6 См. Также
- 7 Ссылки
- 8 Дополнительная литература
Реакции
Альдозоредуктаза катализирует НАДФН-зависимое превращение глюкозы в сорбит, первую стадию полиольного пути метаболизма глюкозы. Второй и последний этап этого пути катализируется сорбитолдегидрогеназой, которая катализирует NAD-связанное окисление сорбита до фруктозы. Таким образом, путь полиола приводит к превращению глюкозы во фруктозу со стехиометрическим использованием НАДФН и выработкой НАДН.
Галактоза также является субстратом для пути полиола, но соответствующий кетосахар не вырабатывается, поскольку сорбитолдегидрогеназа неспособна окислять галактит. Тем не менее, альдозоредуктаза может катализировать восстановление галактозы до галактита
галактозы + NADPH + H ⇌ галактитол + NADP Схема путей полиола, изображающая оба стадия НАДФН-зависимого восстановления, катализируемая альдозоредуктазой, и НАД-индуцированное окисление, катализируемое сорбитолдегидрогеназой
Функция
Альдозоредуктазная реакция, в частности продуцируемый сорбит, важна для функции различных органов тело. Например, его обычно используют в качестве первой стадии синтеза фруктозы из глюкозы; второй этап — окисление сорбита до фруктозы, катализируемое сорбитолдегидрогеназой. Основной путь от глюкозы до фруктозы (гликолиз ) включает фосфорилирование глюкозы с помощью гексокиназы с образованием глюкозо-6-фосфата с последующей изомеризацией в фруктозо-6-фосфат и гидролиз фосфата, но путь сорбита полезен, потому что он не требует ввода энергии в форме АТФ :
- Семенные пузырьки : Фруктоза, продуцируемая из сорбита, используется сперматозоидами.
- Печень : Фруктоза, продуцируемая из сорбита, может использоваться в качестве источника энергии для гликолиза и гликонеогенеза.
Альдозоредуктаза также присутствует в хрусталике, сетчатке, шванновских клетках периферических нервов, плаценте и красном клетки крови.
У дрозофилы CG6084 кодировал высококонсервативный белок человеческой альдокеторедуктазы 1B. dAKR1B в гемоцитах необходим и достаточен для увеличения содержания сахарных спиртов в плазме после кишечной инфекции. Повышенный уровень сорбита впоследствии активировал металлопротеиназу 2, которая расщепляет PGRP-LC, чтобы активировать системный иммунный ответ в жировых телах. Таким образом, альдозоредуктаза обеспечивает критическую метаболическую контрольную точку в общем воспалительном ответе.
Структура фермента
Альдозоредуктаза может рассматриваться как прототип фермента суперсемейства ферментов альдокеторедуктазы. Фермент состоит из 315 аминокислотных остатков и складывается в структурный мотив β / α-цилиндра, состоящий из восьми параллельных β-цепей. Соседние нити соединены восемью периферийными α-спиральными сегментами, идущими антипараллельно β-листу. Каталитический активный центр расположен в ядре цилиндра. Кофактор НАДФН расположен наверху β / α цилиндра, при этом никотинамидное кольцо выступает вниз в центре цилиндра, а пирофосфат охватывает край ствола.
Ферментный механизм
Реакционный механизм альдозоредуктазы в направлении восстановления альдегида следует последовательному упорядоченному пути, по которому связывается НАДФН, за которым следует субстрат. Связывание НАДФН вызывает конформационное изменение (Фермент • НАДФН → Фермент * • НАДФН), которое включает шарнирное движение поверхностной петли (остатки 213-217), чтобы покрыть часть НАДФН аналогично тому, как это происходит у ремень безопасности. Спиртовой продукт образуется в результате переноса про-R гидрида НАДФН на поверхность карбонильного углерода субстрата. После высвобождения спиртового продукта происходит еще одно конформационное изменение (E * • NADP → E • NADP) для высвобождения NADP. Кинетические исследования показали, что переориентация этой петли для высвобождения НАДФ, по-видимому, представляет собой лимитирующую стадию в направлении восстановления альдегида. Поскольку скорость высвобождения кофермента ограничивает каталитическую скорость, можно видеть, что нарушение взаимодействий, стабилизирующих связывание кофермента, может иметь драматические последствия для максимальной скорости (Vmax).
Гидрид, который переносится от НАДФ к глюкозе. происходит от C-4 кольца никотинамида в основании гидрофобной полости. Таким образом, положение этого углерода определяет активный центр фермента. В ферменте существуют три остатка на подходящем расстоянии от C-4, которые могут быть потенциальными донорами протонов: Tyr-48, His-110 и Cys-298. Данные эволюционного, термодинамического и молекулярного моделирования предсказывают, что Tyr-48 является донором протонов. Это предсказание подтвердили результаты исследований мутагенеза. Таким образом, считается, что [водородное связывание] взаимодействие между фенольной гидроксильной группой Tyr-48 и боковой цепью аммония Lys-77 способствует облегчению переноса гидрида.
Роль при диабете
Сахарный диабет признан ведущей причиной новых случаев слепоты и связан с повышенным риском болезненной невропатии, сердечных заболеваний и почечной недостаточности. Было выдвинуто множество теорий, объясняющих механизмы, приводящие к диабетическим осложнениям, включая стимуляцию метаболизма глюкозы полиольным путем. Кроме того, фермент находится в глазу (роговица, сетчатка, линза ), почка и миелиновая оболочка. — ткани, которые часто вызывают диабетические осложнения. В нормальных гликемических условиях только малая часть глюкозы метаболизируется через полиоловый путь, поскольку большая часть фосфорилируется гексокиназой, и полученный продукт, глюкозо-6-фосфат, используется в качестве субстрата для гликолиза или метаболизма пентозофосфата. Однако в ответ на хроническую гипергликемию, обнаруживаемую у диабетиков, поток глюкозы через полиоловый путь значительно увеличивается. До 33% общего использования глюкозы в некоторых тканях может происходить через полиоловый путь. Концентрация глюкозы часто повышается у диабетиков, и долгое время считалось, что альдозоредуктаза ответственна за диабетические осложнения, затрагивающие ряд органов. Многие ингибиторы альдозоредуктазы были разработаны в качестве кандидатов в лекарственные средства, но практически все они оказались безуспешными, хотя некоторые, такие как эпалрестат, коммерчески доступны в нескольких странах. Дополнительные ингибиторы редуктазы, такие как ранирестат, сорбинил и берберин, в настоящее время проходят клинические испытания.
Источник