Forscher schlägt Paradigmenwechsel in der Enzymbiochemie vor

Obwohl Sie vielleicht noch nie von der Cytochrom-P450-Enzym-Superfamilie gehört haben, spielen diese Proteine ​​beim Menschen vielfältige und entscheidende Rollen bei der Stoffwechselverarbeitung von Arzneimitteln, Pestiziden, Fettsäuren, fettlöslichen Vitaminen und chemischen Karzinogenen sowie der Biosynthese essentieller Steroide. einschließlich Sterole.

Sterole sind eine Familie chemischer Verbindungen, die eine zentrale Ringstruktur aufweisen und für das Leben einer Vielzahl von Organismen von entscheidender Bedeutung sind. Das bekannteste Sterin beim Menschen ist Cholesterin, ein Schlüsselbestandteil unserer Zellmembran und ein allgegenwärtiger Gegenstand für Ärzte, da ein erhöhter Cholesterinspiegel im Blut unser Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen erhöhen kann.

Das Labor von Fred Guengerich, dem Tadashi Inagami, Ph.D. Professor für Biochemie an der Vanderbilt University, erforscht seit 50 Jahren Cytochrome P450. In einem neuen Papier veröffentlicht In Angewandte ChemieDas Guengerich-Labor untersuchte den Mechanismus, den Cytochrom P450 51 – ein P450-Enzym, das in allen Lebensfamilien vorkommt – verwendet, um eine entscheidende dreistufige Reaktion in der Sterolbiosynthese zu katalysieren: den Metabolismus von Lanosterin.

„Dies war ein herausforderndes, aber lohnendes Projekt, das die erste eindeutige Antwort auf eine seit langem bestehende und kontroverse mechanistische Frage in der eukaryotischen Sterolbiosynthese liefert“, sagte Hauptautor und Biochemie-Doktorand Kevin McCarty.

Der Katalysezyklus aller P450-Enzyme umfasst die Bildung zweier aktiver Häm-Eisenspezies – Verbindung 0 und Verbindung I, wobei letztere auf natürliche Weise aus Verbindung 0 gebildet wird –, die für P450-katalysierte Reaktionen, einschließlich des Lanosterinstoffwechsels, notwendig sind. Obwohl die Rolle von Verbindung I in den ersten beiden Schritten des Lanosterinstoffwechsels gut belegt ist, haben widersprüchliche Daten aus verschiedenen Labors dazu geführt, dass Wissenschaftler unklar sind, ob P450 51 Verbindung 0 oder Verbindung I verwendet, um den entscheidenden letzten Schritt zu erreichen.

Mithilfe einer fortschrittlichen Analysetechnik, die ursprünglich vom ehemaligen Guengerich-Postdoktoranden Francis Yoshimoto verfeinert wurde und den Einbau eines Sauerstoffisotops namens 18O in die Produkte der P450-Reaktion verfolgt, haben McCarty und Kollegen als erste vorgeschlagen, dass sowohl Verbindung 0 als auch Verbindung I eine Rolle spielen können aktive chemische Rollen im letzten Schritt des Lanosterinstoffwechsels.

Tatsächlich sind die in der Angewandte Chemie Untersuchungen zeigen, dass Verbindung 0 zwar die Haupthämspezies ist, die für den letzten Schritt der katalytischen Wirkung von menschlichem P450 51 verantwortlich ist (ca. 85 % der Reaktion), Verbindung I jedoch immer noch eine untergeordnete, quantifizierbare Rolle spielt (ca. 14 % der Reaktion).

In Zusammenarbeit mit Galina Lepesheva, Forschungsprofessorin für Biochemie, verglichen die Forscher die relativen Beiträge jeder Hämspezies in vier P450 51-Enzymen aus pathogenen Hefen, Amöben und Trypanosomen, einer Art Parasiten, mit dem menschlichen Orthologen. Während die Hefe- und Amöbenenzyme ähnliche Ergebnisse wie das menschliche Protein zeigten, offenbarten die Ergebnisse der trypanosomalen Enzyme einen interessanten mechanistischen Unterschied: Verbindung 0 und Verbindung I trugen ungefähr gleich viel zur Reaktion bei.

Diese Ergebnisse vertiefen unser kollektives und mechanistisches Verständnis der P450-Enzyme, insbesondere derjenigen, die an der Sterolbiosynthese beteiligt sind.

„Dies war ein langes Projekt, das eine 17-stufige chemische Synthese, fünf verschiedene gereinigte P450 51-Enzyme von unserer Mitarbeiterin Prof. Galina Lepesheva, sehr sorgfältige Beachtung der Verwendung einer 18-Sauerstoff-Atmosphäre bei den Reaktionen, anspruchsvolle hochauflösende Massenspektrometrie, und die sorgfältige Arbeit aller Autoren in unserem Labor“, sagte Guengerich. Seiner Meinung nach war es seinem Team dank der Liebe zum Detail gelungen, „dieses System zu knacken“ und eine klare Analyse eines verzweigten Enzymmechanismus zu liefern.

„Unsere Ergebnisse stellen einen wichtigen Fortschritt beim Verständnis der Funktion von P450 51 beim Menschen und bei verschiedenen Krankheitserregern dar, von dem wir hoffen, dass er bei der weiteren Suche nach auf P450 51 ausgerichteten Arzneimitteln nützlich sein wird“, sagte McCarty.

Derzeit hemmen eine Reihe vorhandener Antimykotika die Enzyme P450 51 von Pilzen und beeinträchtigen so die Fähigkeit des Organismus, essentielle Sterole herzustellen und sich zu vermehren. Dennoch unterstreicht die Resistenz gegen Antimykotika in Verbindung mit der Existenz lebensbedrohlicher Pilzinfektionen, für die es keine Behandlung gibt, den anhaltenden Bedarf an neuartigen, auf P450 51 gerichteten Medikamenten.

Zukünftig werden die Labore von Guengerich und Lepesheva ein P450 51-Enzym aus Amöben weiter analysieren, um nach mechanistischen Besonderheiten zu suchen, die als potenzielle Angriffspunkte für Arzneimittel genutzt werden könnten.