Óxido nítrico sintasa - Nitric oxide synthase

Sintasa de óxido nítrico
1nsi.png
Óxido nítrico sintasa inducible por humanos. PDB 1nsi
Identificadores
CE no. 1.14.13.39
No CAS. 125978-95-2
Bases de datos
IntEnz Vista IntEnz
BRENDA Entrada BRENDA
FÁCIL NiceZyme vista
KEGG Entrada KEGG
MetaCyc camino metabólico
PRIAM perfil
Estructuras PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Ontología de genes AmiGO / QuickGO
Óxido nítrico sintasa, dominio oxigenasa
Óxido nítrico sintasa.png
Estructura del dominio hemo de la óxido nítrico sintasa endotelial.
Identificadores
Símbolo NO_synthase
Pfam PF02898
InterPro IPR004030
SCOP2 1nos / SCOPe / SUPFAM

Las sintasas de óxido nítrico ( 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 neural. 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). La isoforma inducible, iNOS, involucrada 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 próxima del shock séptico y puede funcionar en enfermedades autoinmunes .

NOS cataliza la reacción:

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.

Los NOS son inusuales porque requieren cinco cofactores . Las isoenzimas eucariotas NOS son catalíticamente autosuficientes. El flujo de electrones en la reacción de NO sintasa es: NADPHFADFMNhemoO 2 . La tetrahidrobiopterina proporciona un electrón adicional durante el ciclo catalítico que se reemplaza durante el recambio. NOS es la única enzima conocida que se une al dinucleótido de flavina adenina (FAD), mononucleótido de flavina (FMN), hemo , tetrahidrobiopterina (BH 4 ) y calmodulina .

Distribución de especies

Se ha identificado la síntesis de NO derivado de la arginina en mamíferos, peces, aves, invertebrados y bacterias. Los mejor estudiados son los mamíferos, donde tres genes distintos codifican isoenzimas NOS : neuronal (nNOS o NOS-1), inducible por citocinas (iNOS o NOS-2) y endotelial (eNOS o NOS-3). La iNOS y la nNOS son solubles y se encuentran predominantemente en el citosol , mientras que la eNOS está asociada a la membrana. Se ha encontrado evidencia de la señalización de NO en plantas, pero los genomas de las plantas carecen de homólogos de la superfamilia que genera NO en otros reinos.

Función

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 la eNOS es un vasodilatador idéntico al factor relajante derivado del endotelio producido en respuesta al cizallamiento del aumento del flujo sanguíneo en las arterias. Esto dilata los vasos sanguíneos al relajar el músculo liso de sus revestimientos. eNOS es el controlador principal del tono del músculo liso. El NO activa la guanilato ciclasa , que induce la relajación del músculo liso mediante:

  • Aumento de cGMP intracelular, que inhibe la entrada de calcio en la célula y disminuye las concentraciones de calcio intracelular.
  • Activación de los canales de K + , que conduce a la hiperpolarización y la relajación.
  • Estimula una proteína quinasa dependiente de cGMP que activa la fosfatasa de cadena ligera de miosina , la enzima que desfosforila las cadenas ligeras de miosina , lo que conduce a la relajación del músculo liso.

La eNOS desempeña un papel fundamental en el desarrollo cardíaco embrionario y la morfogénesis de las arterias coronarias y las válvulas cardíacas.

La isoforma neuronal participa en el desarrollo del sistema nervioso. Funciona como un neurotransmisor retrógrado importante en la potenciación a largo plazo y, por lo 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 y la peristalsis y la excitación sexual en hombres y mujeres. Una forma de empalme alternativo de nNOS es una proteína muscular importante que produce señales en respuesta a la liberación de calcio de la SR. La nNOS en el corazón protege contra la arritmia cardíaca inducida por infarto de miocardio.

El receptor principal de 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 las citocinas y es un factor importante en la respuesta del cuerpo al ataque de parásitos, infecciones bacterianas y crecimiento tumoral. También es la causa del shock séptico y puede desempeñar un papel en muchas enfermedades de etiología autoinmune.

La señalización NOS está involucrada en el desarrollo y en la fertilización en 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 limosos. El NO producido por la NOS bacteriana protege contra el daño oxidativo.

Clasificación

Los diferentes miembros de la familia NOS están codificados por genes separados. Hay tres isoformas conocidas en mamíferos, dos son constitutivas (cNOS) y la tercera es inducible (iNOS). La clonación de enzimas NOS indica que las cNOS incluyen tanto constitutivas del cerebro ( NOS1 ) como constitutivas del endotelio ( NOS3 ); el tercero es el gen inducible ( NOS2 ). Recientemente, se ha demostrado la actividad de la NOS en varias especies bacterianas, incluidos los patógenos notorios Bacillus anthracis y Staphylococcus aureus.

Las diferentes formas de NO sintasa se han clasificado de la siguiente manera:

Nombre Gen (s) Localización Función
NOS neuronal (nNOS o NOS1) NOS1 (cromosoma 12)
  • múltiples funciones (ver más abajo)
NOS inducible (iNOS o NOS2)

Insensible al calcio

NOS2 (cromosoma 17)
  • defensa inmune contra patógenos
NOS endotelial (eNOS o NOS3 o cNOS) NOS3 (cromosoma 7)
NOS bacteriana (bNOS) múltiple

nNOS

La NOS neuronal (nNOS) produce NO en el tejido nervioso tanto del sistema nervioso central como del periférico . Sus funciones incluyen:

  • Plasticidad sináptica en el sistema nervioso central (SNC)
  • Relajación del músculo liso
  • Regulación central de la presión arterial
  • Vasodilatación a través de nervios nitrérgicos periféricos.

La NOS neuronal también desempeña un papel en la comunicación celular y está asociada con las membranas plasmáticas. La acción de nNOS puede ser inhibida por NPA ( N-propil-L-arginina ). Esta forma de la enzima es inhibida específicamente por el 7-nitroindazol .

La localización subcelular de la nNOS en el músculo esquelético está mediada por el anclaje de la nNOS a la distrofina . nNOS contiene un dominio N-terminal adicional, el dominio PDZ .

El gen que codifica la nNOS se encuentra en el cromosoma 12.

iNOS

A diferencia de la regulación crítica dependiente del calcio de las enzimas constitutivas NOS (nNOS y eNOS), iNOS se ha descrito como insensible al calcio, probablemente debido a su estrecha interacción no covalente con calmodulina (CaM) y Ca 2+ . El gen que codifica iNOS se encuentra en el cromosoma 17. Si bien la evidencia de la expresión de iNOS "inicial" ha sido esquiva, la activación dependiente de IRF1 y NF-κB del promotor inducible de NOS respalda una estimulación mediada por inflamación de esta transcripción. La iNOS produce grandes cantidades de NO tras la estimulación, como por ejemplo por citocinas proinflamatorias (p. ej., interleucina-1 , factor de necrosis tumoral alfa e interferón gamma ).

La inducción de la 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 conduce a la formación de peroxinitrito y a la toxicidad celular. Estas propiedades pueden definir las funciones de iNOS en la inmunidad del huésped, lo que permite su participación en actividades antimicrobianas y antitumorales como parte de la explosión oxidativa de los macrófagos.

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 de embriones, lo que en consecuencia puede resultar en un embarazo ectópico .

eNOS

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 la eNOS se encuentra en el cromosoma 7. Una NOS constitutiva dependiente de Ca 2+ proporciona una liberación basal de NO. La eNOS está asociada con las "caveolas", un componente de las membranas plasmáticas que rodean las células y las membranas de los cuerpos de Golgi dentro de las células. La localización de eNOS en las membranas endoteliales está mediada por miristoilación N-terminal cotraduccional y palmitoilación postraduccional .

bNOS

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 superóxido dismutasa (SodA). Las bacterias tardías en la fase logarítmica que no poseen bNOS no pueden regular al alza la SodA, lo que desactiva las defensas contra el estrés oxidativo dañino. Inicialmente, 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.

Reacción química

NOSreaction.svg

Las sintasas de óxido nítrico producen NO catalizando una oxidación de cinco electrones de un nitrógeno guanidino 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 intermedio. Se consumen 2 mol de O 2 y 1,5 mol de NADPH por mol de NO formado.

Estructura

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 hemetiolato, 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 de FMN es homólogo a las flavodoxinas, y el fragmento de dos dominios que contiene los sitios de unión de FAD y NADPH es homólogo a las reductasas de flavodoxina-NADPH. El enlazador interdominio entre los dominios oxigenasa y reductasa contiene una secuencia de unión a calmodulina . El dominio de oxigenasa es una jaula de lámina beta extendida única con sitios de unión para hemo y pterina.

Los NOS pueden ser diméricos , dependientes de calmodulina o que contienen citocromo p450, como hemoproteína que combina dominios catalíticos de reductasa y oxigenasa en un dímero, portan tanto flavin adenina dinucleótido (FAD) como flavin mononucleótido (FMN), y llevan a cabo un 5`- oxidación electrónica del aminoácido arginina no aromático con la ayuda de tetrahidrobiopterina.

Las tres isoformas (cada una de las cuales se presume que funciona como un homodímero durante la activación) comparten un dominio de reductasa carboxilo terminal homólogo a la reductasa del citocromo P450 . También comparten un dominio de oxigenasa amino-terminal que contiene un grupo prostético 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 de oxigenasa de cada isoforma NOS también contiene un grupo protésico BH 4 , que es necesario para la generación eficiente de NO. A diferencia de otras enzimas en las que BH 4 se utiliza como fuente de equivalentes reductores y se recicla mediante dihidrobiopterina reductasa ( EC 1.5.1.33 ), BH 4 activa el O 2 unido al hemo mediante la donación de un solo electrón, que luego se recupera para permitir la liberación de óxido nítrico. .

La primera sintasa de óxido nítrico que se identificó 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 al Ca 2+ ", pero ahora se sabe que están presentes en muchos tipos de células diferentes y que la expresión está regulada en condiciones fisiológicas específicas.

En NOS1 y NOS3, las concentraciones fisiológicas de Ca 2+ en las células regulan la unión de calmodulina a los "dominios de bloqueo", 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 regular por sí mismo la expresión y la actividad de la NOS. Específicamente, se ha demostrado que el NO juega un importante papel regulador de retroalimentación negativa en NOS3 y, por lo tanto, en la función de las células endoteliales vasculares. Se ha demostrado que este proceso, conocido formalmente como S- nitrosilación (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 lo tanto, puede proporcionar un mecanismo para la asociación entre "estrés oxidativo" y disfunción endotelial. Además de NOS3, se ha encontrado que tanto NOS1 como NOS2 son nitrosados ​​en S , pero la evidencia de la regulación dinámica de esas isoformas de NOS por este proceso es menos completa. Además, se ha demostrado que tanto NOS1 como NOS2 forman complejos ferroso-nitrosilo en sus grupos prostéticos hemo que pueden actuar parcialmente para autoactivar estas enzimas en determinadas condiciones. El paso que limita la velocidad para la 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.

Inhibidores

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 la NOS que se han investigado o se están investigando para su posible uso clínico incluyen cindunistat , A-84643 , ONO-1714 , L-NOARG , NCX-456 , VAS-2381 , GW-273629 , NXN -462 , CKD- 712 , KD-7040 y guanidinoetildisulfuro , entre otros.

Ver también

Referencias

enlaces externos