Thioredoxin reductase

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة

Thioredoxin reductases (TR, TrxR) (EC1.8.1.9) are enzymes that reduce thioredoxin (Trx).[1] Two classes of thioredoxin reductase have been identified: one class in bacteria and some eukaryotes and one in animals. Bacterial TrxR also catalyzes the reduction of glutaredoxin like proteins known as NrdH.[2][3][4] Both classes are flavoproteins which function as homodimers. Each monomer contains a FAD prosthetic group, a NADPH binding domain, and an active site containing a redox-active disulfide bond.[5]

Cellular role

Thioredoxin reductases are enzymes that catalyze the reduction of thioredoxin[1] and hence they are a central component in the thioredoxin system. Together with thioredoxin (Trx) and NADPH this system's most general description is as a system for reducing disulfide bonds in cells. Electrons are taken from NADPH via TrxR and are transferred to the active site of Trx, which goes on to reduce protein disulfides or other substrates.[6] The Trx system exists in all living cells and has an evolutionary history tied to DNA as a genetic material, defense against oxidative damage due to oxygen metabolism, and redox signaling using molecules like hydrogen peroxide and nitric oxide.[7][8]

Schematic diagram of TrxR's cellular role Adapted from Holmgren et al.[6]

Diversity

Two classes of thioredoxin reductase have evolved independently from a shared ancestor of the FAD/NAD(P)-binding domain superfamily (IPR036188):

  • A high molecular weight (MW = ~55,000) type containing a selenocysteine residue in its active site has been identified in higher eukaryotes including humans. This TxR is related to glutathione reductase, trypanothione reductase, mercuric reductase and lipoamide dehydrogenase. In the following text we use the example of the mammalian version.[5]
  • A low molecular weight (MW = ~ 35,000) type has been identified in archaea, bacteria and other eukarya. It is related to AhpF, a alkyl hydroperoxide reductase. In the following text we use the example of the E. coli version.[5]

لا تتجاوز نسبة تطابق تسلسل هذين النوعين من إنزيمات اختزال الثيوريدوكسين (TrxR) 20% في الجزء من التسلسل الأولي الذي يمكن فيه محاذاتهما بدقة. [ 5 ] ويكون التفاعل الكلي لكلا النوعين من إنزيمات اختزال الثيوريدوكسين متطابقًا، لكن آلية عمل كل منهما مختلفة. [ 9 ]

يُنتج البشر ثلاثة نظائر إنزيمية من مختزلة الثيوريدوكسين: مختزلة الثيوريدوكسين 1 (TrxR1، سيتوبلازمي)، مختزلة الثيوريدوكسين 2 (TrxR2، ميتوكوندري)، مختزلة الثيوريدوكسين 3 (TrxR3، خاص بالخصية). [ 10 ] يُشفّر كل نظير إنزيمي بواسطة جين منفصل.

بناء

الإشريكية القولونية

يحتوي إنزيم ThxR في بكتيريا الإشريكية القولونية على نطاقين للارتباط، أحدهما لـ FAD والآخر لـ NADPH . ويرتبط هذان النطاقان بصفيحة بيتا مضادة التوازي ثنائية السلاسل . [ 11 ] يشبه كل نطاق على حدة النطاقات المماثلة في مختزلة الجلوتاثيون ونازعة هيدروجين الليبواميد ، إلا أن التوجه النسبي لهذه النطاقات في ThxR يدور بزاوية 66 درجة. [ 11 ] ويكتسب هذا الأمر أهمية في آلية العمل الموضحة أدناه. يتحد ThxR على شكل ثنائي متجانس، وتتكون الواجهة بين الوحدتين الفرعيتين من ثلاثة حلزونات ألفا وحلقتين. [ 11 ] ويمكن لكل وحدة فرعية أن ترتبط بجزيء ثيوريدوكسين بشكل منفصل .

الثدييات

يتشابه تركيب إنزيم TrxR في الثدييات مع نظيره في بكتيريا الإشريكية القولونية . فهو يحتوي على نطاق ارتباط بـ FAD و NADPH ، ومنطقة فاصلة بين وحدتين فرعيتين أحاديتين. يحتوي إنزيم TrxR في الثدييات على إدخال في نطاق ارتباط FAD بين حلزونين ألفا، مما يُشكل زوجًا صغيرًا من خيوط بيتا. [ 12 ] يقع الرابط ثنائي الكبريتيد النشط في الإنزيم على أحد هذين الحلزونين، وبالتالي يقع هذا الرابط في نطاق FAD وليس في نطاق NADPH كما هو الحال في الإشريكية القولونية وغيرها من بدائيات النوى . [ 12 ]

الآلية

Proposed mechanism in mammals and presumably humans: Starting from the completely oxidized form, the reaction begins with the reduction of the selenenylsulfide to the selenolate anion (Se(-1)) with electrons received from NADPH via FAD (Step A). Due to the low pKa value of the selenol the selenolate anion is the predominant form under physiological conditions. A second electron transfer from a second molecule of NADPH reduces the active site tihiol bonds with one Cys residue stabilized by an interaction with FAD (Step B). The selenolate anion then attacks the disulfide bonds of Trx and the resulting enzyme-Trx mixed selenenylsulfide (Step C), which is then subsequently attacked by the neighboring Cys residue to regenerate the selenenylsulfide (Step D). This selenenylsulfide is then reduced by the active-site thiolate from the other subunit (Step E). Adapted from Zhong et al.[13] Consistent with findings that (2,2‘:6‘,2‘‘-terpyridine)platinum(II) complexes inhibit human TrxR.[14]

E. coli

In E. coli ThxR the spatial orientation of the FAD and NADPH domains are such that the redox-active rings of FAD and NADPH are not in close proximity to each other.[1] When the FAD domain of E. coli is rotated 66 degrees with the NADPH domain remaining fixed, the two prosthetic groups move into close contact allowing electrons to pass from NADPH to FAD and then to the active site disulfide bond.[1][15] The conserved active site residues in E. coli are -Cys-Ala-Thr-Cys-.[1]

Mammalian

Mammalian TrxRs have a much higher sequence homology with glutathione reductase than E. coli.[1] The active-site Cys residues in the FAD domain and bound NADPH domain are in close proximity removing the necessity for a 66 degree rotation for electron transfer found in E. coli. An additional feature of the mammalian mechanism is the presence of a selenocysteine residue at the C-terminal end of the protein which is required for catalytic activity. The conserved residues in mammalian active site are -Cys-Val-Asn-Val-Gly-Cys-.[1]

Detection methods

يمكن قياس إنزيم ثيوريدوكسين ريدوكتاز باستخدام طرق متنوعة، مثل اختبار DTNB باستخدام كاشف إلمان . وقد أظهرت سلسلة مجسات TRFS الفلورية القائمة على ثنائي الكبريتيد قدرةً على الكشف الانتقائي عن هذا الإنزيم. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] قام مافيري بتصنيع أول مجس ثنائي السيلينيد استُخدم في الكشف عن ثيوريدوكسين ريدوكتاز. [ 20 ] [ 21 ] تشمل طرق الكشف الأخرى التقنيات المناعية واختبار سيلينوسيستين-ثيوريدوكسين ريدوكتاز (اختبار SC-TR).

الأهمية السريرية

علاج السرطان

نظرًا لأن نشاط هذا الإنزيم ضروري لنمو الخلايا وبقائها، فإنه يُعد هدفًا جيدًا للعلاج المضاد للأورام. علاوة على ذلك، يزداد نشاط هذا الإنزيم في أنواع عديدة من السرطان، بما في ذلك ورم الظهارة المتوسطة الخبيث . [ 22 ] [ 23 ] على سبيل المثال، يُعد موتيكسافين غادولينيوم (MGd) عاملًا كيميائيًا علاجيًا جديدًا يستهدف خلايا الورم بشكل انتقائي، مما يؤدي إلى موت الخلايا المبرمج (الاستماتة) عن طريق تثبيط إنزيم ثيوريدوكسين ريدوكتاز وإنزيم ريبونوكليوتيد ريدوكتاز .

اعتلال عضلة القلب

اعتلال عضلة القلب التوسعي ( DCM ) هو تشخيص شائع في حالات قصور القلب الاحتقاني . تُعدّ مختزلات الثيوريدوكسين بروتينات أساسية لتنظيم توازن الأكسدة والاختزال الخلوي وتخفيف الضرر الناجم عن أنواع الأكسجين التفاعلية المتولدة عبر الفسفرة التأكسدية في الميتوكوندريا . يؤدي تعطيل جين TrxR2 الميتوكوندري في الفئران إلى ترقق جدران البطين القلبي ووفاة حديثي الولادة. [ 10 ] علاوة على ذلك، وُجدت طفرتان في جين TrxR2 لدى المرضى الذين تم تشخيصهم باعتلال عضلة القلب التوسعي، ولم تُلاحظا في مجموعة الضبط. يُفترض أن التأثير المرضي لهاتين الطفرتين هو ضعف القدرة على التحكم في الضرر التأكسدي في خلايا عضلة القلب . [ 24 ]

مضاد حيوي

أظهرت بعض الأبحاث الحديثة أن مختزلة الثيوريدوكسين ذات الوزن الجزيئي المنخفض قد تكون هدفًا لمضادات حيوية جديدة (مثل الأورانوفين أو الإيبسيلين. [ 25 ] ). وينطبق هذا بشكل خاص على بكتيريا المتفطرة المحبة للدم ، ويمكن استخدامه ضد البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية. [ 26 ]

مراجع

  1. ١ ٢ ٣ ٤ ٥ ٦ ٧ موستاشيتش د، باويس ج (فبراير ٢٠٠٠). " مختزلة الثيوريدوكسين" . المجلة البيوكيميائية . ٣٤٦ الجزء ١ (١): ١-٨ . doi : 10.1042/0264-6021:3460001 . PMC 1220815. PMID 10657232 .  
  2. ↑ جوردان أ، أسلوند ف، بونتيس إ، رايشارد ب، هولمغرين أ (يوليو 1997). "توصيف بروتين NrdH في الإشريكية القولونية: بروتين شبيه بالغلوتاريدوكسين ذو نشاط مشابه للثيوريدوكسين" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 272 ​​(29): 18044-18050 . doi : 10.1074/jbc.272.29.18044 . PMID 9218434 . 
  3. ↑ فوليرا إس، ماندي إس سي (يونيو 2013). "يشير التركيب البلوري لإنزيم NrdH في بكتيريا السل المتفطرة عند 0.87 أنغستروم إلى آلية محتملة لنشاطه". الكيمياء الحيوية . 52 (23): 4056-65 . doi : 10.1021/bi400191z . PMID 23675692 . 
  4. ↑ فوليرا إس، أكيف إم، سارديساي إيه إيه، ماندي إس سي (2014-01-01). "بروتينات الأكسدة والاختزال في المتفطرة السلية" . مجلة المعهد الهندي للعلوم . 94 (1): 127-138 . ISSN 0970-4140 . 
  5. ١ ٢ ٣ ٤ هيرت آر بي، مولر إس، إمبلي تي إم، كومبس جي إتش (يوليو ٢٠٠٢). "تنوع وتطور مختزلة الثيوريدوكسين: منظورات جديدة". اتجاهات في علم الطفيليات . ١٨ (٧): ٣٠٢-٣٠٨ . doi : 10.1016/S1471-4922(02)02293-6 . PMID ١٢٣٧٩٩٥٠ . 
  6. 1 2 هولمغرين أ، لو ج (مايو 2010). "الثيوريدوكسين ومختزلة الثيوريدوكسين: البحوث الحالية مع إشارة خاصة إلى الأمراض البشرية" . مجلة الاتصالات في البحوث البيوكيميائية والبيوفيزيائية . 396 (1): 120-124 . Bibcode : 2010BBRC..396..120H . doi : 10.1016/j.bbrc.2010.03.083 . PMID 20494123 . 
  7. ↑ ماير واي، بوكانان بي بي، فيغنولز إف، رايشيلد جيه بي (2009). "الثيوريدوكسينات والغلوتاريدوكسينات: عناصر موحدة في بيولوجيا الأكسدة والاختزال". المراجعة السنوية لعلم الوراثة . 43 : 335-367 . doi : 10.1146/annurev-genet-102108-134201 . PMID 19691428 . 
  8. ↑ ليليج سي إتش، هولمغرين إيه (يناير 2007). "الثيوريدوكسين والجزيئات ذات الصلة - من علم الأحياء إلى الصحة والمرض". مضادات الأكسدة وإشارات الأكسدة والاختزال . 9 (1): 25-47 . doi : 10.1089/ars.2007.9.25 . PMID 17115886 . 
  9. ↑ أرسكوت إل دي، جرومر إس، شيرمر آر إتش، بيكر كيه، ويليامز سي إتش (أبريل 1997). "آلية عمل مختزلة الثيوريدوكسين من المشيمة البشرية مشابهة لآليات عمل نازعة هيدروجين الليبواميد ومختزلة الجلوتاثيون، وتختلف عن آلية عمل مختزلة الثيوريدوكسين من الإشريكية القولونية" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 94 (8): 3621-3626 . Bibcode : 1997PNAS...94.3621A . doi : 10.1073/pnas.94.8.3621 . PMC 20490. PMID 9108027 .  
  10. 1 2 كونراد م، جاكوبوغلو ج، مورينو س ج، ليبيل س، بانجاك أ، شنايدر م، بيك ه، هاتزوبولوس أ ك، جست يو، سينواتز ف، شمال و، تشين ك ر، فورست و، بورنكام ج و، بريلماير م (نوفمبر 2004). " دور أساسي لإنزيم ثيوريدوكسين ريدوكتاز الميتوكوندري في تكوين الدم، ونمو القلب، ووظيفة القلب" . علم الأحياء الجزيئي والخلوي . 24 (21): 9414-23 . doi : 10.1128/MCB.24.21.9414-9423.2004 . PMC 522221. PMID 15485910 .  
  11. 1 2 3 ويليامز ، سي إتش (أكتوبر 1995). "آلية وبنية مختزلة الثيوريدوكسين من الإشريكية القولونية" . مجلة FASEB . 9 (13): 1267-1276 . doi : 10.1096/fasebj.9.13.7557016 . hdl : 2027.42/154540 . PMID 7557016. S2CID 26055087 .  
  12. 1 2 ساندالوفا ت، تشونغ ل، ليندكفيست ي، هولمغرين أ، شنايدر ج (أغسطس 2001). "البنية ثلاثية الأبعاد لإنزيم مختزل الثيوريدوكسين في الثدييات: دلالات على آلية وتطور إنزيم يعتمد على السيلينوسيستين" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 98 (17): 9533-9538 . Bibcode : 2001PNAS...98.9533S . doi : 10.1073 / pnas.171178698 . PMC 55487. PMID 11481439 .  
  13. ↑ تشونغ إل، أرنر إي إس، هولمغرين إيه (مايو 2000). "بنية وآلية عمل مختزلة الثيوريدوكسين لدى الثدييات: الموقع النشط هو سيلينولثيول/سيلينيل سلفيد نشط أكسدة-اختزال، يتكون من تسلسل السيستين-سيلينوسيستين المحفوظ" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 97 (11 ) : 5854-5859 . Bibcode : 2000PNAS...97.5854Z . doi : 10.1073/pnas.100114897 . PMC 18523. PMID 10801974 .  
  14. ↑ بيكر ك، هيرولد-ميندي س، بارك جيه جيه، لوي جي، شيرمر آر إتش (أغسطس 2001). "يُثبَّط إنزيم ثيوريدوكسين ريدوكتاز البشري بكفاءة بواسطة معقدات (2,2':6',2''-تيربيريدين)بلاتين(II). الآثار المحتملة لاستراتيجية جديدة مضادة للأورام". مجلة الكيمياء الطبية . 44 (17): 2784-92 . doi : 10.1021/jm001014i . PMID 11495589 . 
  15. ↑ لينون، ب. و.، وويليامز، س. هـ. (أغسطس 1997). "نصف التفاعل الاختزالي لإنزيم ثيوريدوكسين ريدوكتاز من الإشريكية القولونية". الكيمياء الحيوية . 36 (31): 9464-77 . doi : 10.1021/bi970307j . PMID 9235991 . 
  16. ↑ لي إكس، تشانغ بي، يان سي، لي جيه، وانغ إس، وي إكس، وآخرون (يونيو 2019). "مسبار فلوري سريع ومحدد لإنزيم ثيوريدوكسين ريدوكتاز يعمل عن طريق كسر الرابطة ثنائية الكبريتيد" . نيتشر كوميونيكيشنز . 10 (1) 2745. Bibcode : 2019NatCo..10.2745L . doi : 10.1038/ s41467-019-10807-8 . PMC 6588570. PMID 31227705 .   
  17. ↑Ma H, Zhang J, Zhang Z, Liu Y, Fang J (October 2016). "A fast response and red emission probe for mammalian thioredoxin reductase". Chemical Communications. 52 (81): 12060–12063. doi:10.1039/C6CC04984B. PMID 27709154.
  18. ↑Zhao J, Qu Y, Gao H, Zhong M, Li X, Zhang F, et al. (November 2020). "Loss of thioredoxin reductase function in a mouse stroke model disclosed by a two-photon fluorescent probe". Chemical Communications. 56 (90): 14075–14078. doi:10.1039/D0CC05900E. PMID 33107534. S2CID 225082279.
  19. ↑Liu Y, Ma H, Zhang L, Cui Y, Liu X, Fang J (February 2016). "A small molecule probe reveals declined mitochondrial thioredoxin reductase activity in a Parkinson's disease model". Chemical Communications. 52 (11): 2296–9. doi:10.1039/c5cc09998f. PMID 26725656.
  20. ↑Mafireyi TJ, Laws M, Bassett JW, Cassidy PB, Escobedo JO, Strongin RM (August 2020). "A Diselenide Turn-On Fluorescent Probe for the Detection of Thioredoxin Reductase". Angewandte Chemie. 59 (35): 15147–15151. Bibcode:2020AngCh.13215259M. doi:10.1002/ange.202004094. PMC 9438933. PMID 32449244. S2CID 229142596.
  21. ↑Mafireyi TJ, Escobedo JO, Strongin RM (2021-03-29). "Fluorogenic probes for thioredoxin reductase activity". Results in Chemistry. 3 100127. doi:10.1016/j.rechem.2021.100127. ISSN 2211-7156.
  22. ↑Nilsonne G, Sun X, Nyström C, Rundlöf AK, Potamitou Fernandes A, Björnstedt M, Dobra K (Sep 2006). "Selenite induces apoptosis in sarcomatoid malignant mesothelioma cells through oxidative stress". Free Radical Biology & Medicine. 41 (6): 874–85. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2006.04.031. hdl:10616/47514. PMID 16934670.
  23. ^ Kahlos K، Soini Y، Säily M، Koistinen P، Kakko S، Pääkkö P، Holmgren A، Kinnula VL (مايو 2001). "التنظيم الأعلى للثيوريدوكسين والثيوريدوكسين المختزل في ورم الظهارة المتوسطة الجنبي الخبيث في الإنسان" . المجلة الدولية للسرطان . 95 (3): 198– 204. دوى : 10.1002/1097-0215(20010520)95:3 < 198::AID-IJC1034 > 3.0.CO ; 2-ف . بميد 11307155 . 
  24. ^ Sibbing D، Pfeufer A، Perisic T، Mannes AM، Fritz-Wolf K، Unwin S، Sinner MF، Gieger C، Gloeckner CJ، Wichmann HE، Kremmer E، Schäfer Z، Walch A، Hinterseer M، Näbauer M، Kääb S، Kastrati A، Schömig A، Meitinger T، Bornkamm GW، Conrad M، فون بيكراث إن (مايو 2011). "الطفرات في جين إنزيم اختزال ثيوريدوكسين الميتوكوندريا TXNRD2 تسبب اعتلال عضلة القلب المتوسع" . مجلة القلب الأوروبية . 32 (9): 1121-33 . دوى : 10.1093/eurheartj/ehq507 . hdl : 11858/00-001M-0000-0024-1F10-3 . PMID 21247928 . 
  25. ↑ مارشال إيه سي، كيد إس إي، لامونت-فريدريش إس جيه، أرينتز جي، هوفمان بي، كواد بي آر، برونينغ جيه بي (مارس 2019). "مختزلة ثيوريدوكسين من فطر الرشاشية الدخانية" . العوامل المضادة للميكروبات والعلاج الكيميائي . 63 (3). doi : 10.1128/AAC.02281-18 . PMC 6395915. PMID 30642940 .  
  26. ↑ هاربوت إم بي، فيلتشيز سي، لو إكس، هينسلر إم إي، غو إتش، يانغ بي، وآخرون . (أبريل 2015). "يُظهر الأورانوفين نشاطًا واسع النطاق في قتل البكتيريا من خلال استهداف توازن الثيول-الأكسدة والاختزال" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 112 (14): 4453-4458 . Bibcode : 2015PNAS..112.4453H . doi : 10.1073 / pnas.1504022112 . PMC 4394260. PMID 25831516 .