3.1. 结构与能量学
3.1.1. 通用条款91凤凰(phox)(β-亚基,NOX2,CYBB基因)
黄细胞色素b条558是一种膜结合的异二聚体蛋白,由p22的一个分子组成凤凰(phox)(α-亚单位赛巴基因)和gp91的一个分子凤凰(phox)(β-亚基,CYBB公司基因)[85,86,148,257,307] ().
表1
| 通用条款91凤凰(phox) | 第22页凤凰(phox) | 第47页凤凰(phox) | 第67页凤凰(phox) | 第40页凤凰(phox) | 种族2 |
---|
基因和位点 | CYBB公司; Xp21.1解决方案 | CYBA公司;24年第16季度 | NCF-1型; 2013年第7季度11 | NCF-2型; 第1季度25 | 新冠肺炎4型;22季度13.1 | 种族2; 22季度13.1 |
氨基酸 | 570 | 195 | 390 | 526 | 339 | 192 |
分子量: | | | | | | |
| 预测 | 65338达 | 20959达 | 44684达 | 59735达 | 39039千帕 | 21429达 |
| 通过SDS-PAGE | ~90千Da | 22千帕 | 47千道尔顿 | 67千帕 | 40千帕 | 22千帕 |
糖基化 | 是的 | 不 | 不 | 不 | 不 | 不 |
对我 | 9.26 | 10.1 | 9.58 | 6.12 | 7.28 | 7.87 |
磷酸化 | 不 | 次要 | 是的 | 次要 | 是的 | ? |
PMN中的位置 | | | | | | |
| 休息 | 特定颗粒和 质膜 | | 细胞质溶胶 | 细胞质溶胶 | 细胞质溶胶 | 主要是胞浆 |
| 受刺激的 | 质膜 和吞噬体 | | 膜 | 膜 | 膜 | 膜 |
丰度pmol/106 细胞(胞浆浓缩物) | 1.0–2.0 | 1.0–2.0 | 6.0(2750毫微米) | 1.0(460毫微米) | 1.0(460毫微米) | 2.6(1200毫微米) |
功能域 (参见) | C末端结合 细胞溶质成分。 哈姆、FAD和NADPH 结合区域 | C端子 富含脯氨酸 区域 | 磷酸化位点。 PX域,2 SH3 结构域,富含脯氨酸 区域 | 四三肽 重复,2 SH3 结构域,富含脯氨酸 域 | PX和SH3 域, 八肽 重复 | GDP/GTP约束; 插入和效应器 区域, 异戊二烯化位点 |
黄细胞色素b条558包含细胞溶质NADPH氧化和O还原的所有催化机制2形成这种酶过程需要三种氧化还原辅因子的参与:一种FAD分子和两种铁原卟啉IX分子(血红素b条) [51,53,219]. 血红素基团是不等价的[219]具有不同的氧化还原电位[60](第3.1.5节)。所有这些氧化还原中心以及NADPH结合位点都位于gp91上凤凰(phox)[88,240,272,293,326].
通用条款91凤凰(phox)是一种高度糖基化(~85–100 kDa)的N-连接糖蛋白[132]具有65-kDa蛋白核心().
gp91型号凤凰(phox)模型。六个跨膜螺旋和NH2-和COOH-端子尾部布置如图所示。如图所示,两个不相同的血红素位于膜内。血红素E类7米=−265 mV朝向His115和His222之间协调的膜的外表面。内部血红素,E类7米=−225 mV由His101和His209协调。Arg54与外血红素的丙酸侧链氢键结合。细胞溶质NADPH和FAD结合区域朝向蛋白质的C末端。膜中,gp91凤凰(phox)与p22紧密相关凤凰(phox)亚单位(未显示)。
3.1.2. 通用条款91凤凰(phox)C末端:NADPH和FAD结合
gp91的亲水性C末端(282-570)部分凤凰(phox)包含FAD和NADPH结合位点,与铁氧还蛋白-NADP还原酶(FNR)大家族蛋白具有遥远但可识别的同源性,其中包括细胞色素P450还原酶、一氧化氮合酶[272,293]和酵母铁还原酶[276]是成员。FAD与Kd日20–70 nM,该值可能部分取决于脂质环境[177,179,181,222,230,326]. 与这些观察结果一致的是,在FAD和NADPH结合基序中存在一些天然发生的CGD突变,这些突变破坏了适当核苷酸的结合。正如预期的那样,这些基序在NADPH氧化酶(NOX)家族的其他成员中也得到了很好的保护(和第10节)。细胞溶质结构域与FNR家族的整体同源性允许进行建模研究,表明存在可能作为调节结构域发挥作用的大插入[293]. 为了与这个概念保持一致,从文献中有大量证据表明,p47和p47之间存在多重直接相互作用凤凰(phox)和第67页凤凰(phox)和gp91凤凰(phox)尤其是在被认为覆盖NADPH结合位点的插入区域(450–504)[293]和p47之间凤凰(phox)和gp91的极端N端部分荧光粉[79,191,192,251].
NOX/DUOX家族的结构图案。家族成员的结构图案如图所示。有关详细信息,请参阅文本。
3.1.3. 通用条款91凤凰(phox)N末端:血红素协调
gp91的疏水性N末端一半凤凰(phox)包含六个跨膜α螺旋。螺旋III和V各含有两个组氨酸残基,其位置适当(101:209和115:222),以协调垂直于膜平面的两个血红素修复基团(). 这些组氨酸残基在所有NOX家族成员中都是完全保守的。定点诱变研究支持这些组氨酸残基形成血红素基团的轴向配体的提议[21,102]. 共振拉曼[149],可见,CD[322]和EPR[107,108,206,301]光谱都与两个haem基团的低自旋(六配位)构型一致,这意味着电子通过haem边缘转移到氧,而不是通过直接配位到haem铁。这与已知的氧化酶对氰化物、叠氮化物和一氧化碳(经典的血红素“毒物”)不敏感一致。有趣的是,这一外层过程正是和细胞色素c(c),这是最常用的检测方法生产。尽管有充分的证据证明这一事实,但许多研究人员认为O2“必须”直接绑定到哈姆铁。有人建议,在氧化酶激活期间,一个(或可能两个)血红素(s)可能经历低自旋到高自旋的转变,这可能允许氧直接结合血红素-铁和/或通过gp91促进质子电导凤凰(phox)(第8.1节)[90,199]. 然而,这似乎与Fujii等人的仔细研究相反[107,108]和Isogai等人[150,151]他提出了大量证据,证明NADPH氧化酶的活性形式要求血红素处于低自旋(六配位)状态。血红素基团的预测位置(一个朝向内表面,另一个朝向外表面)与它们从NADPH(通过FAD)内部(胞浆)通过膜将电子传输到吞噬泡内部的功能相一致,其中分子O2简化为形式在生物学中,跨膜电子传递通常(但不限于)通过双链膜蛋白进行。需要两个哈姆来跨越膜的宽度,以允许电子以显著的动力学速率转移。在蛋白质中,电子转移速率随着供体和受体之间的距离呈指数下降,每分离1.7个原子序数,电子转移率下降约10倍[225]. 生物膜厚约25?,因此至少需要两个氧化还原中心。gp91中建议的haems间距和方向凤凰(phox)与其他已知的具有跨膜传输电子功能的细胞色素一致,与线粒体的细胞色素非常相似公元前1组氨酸轴向配体对的成员也相隔约100个氨基酸,轴向对相隔14个氨基酸的复合物[321]. 第22页凤凰(phox)含有一个不变的组氨酸残基(H94),该残基已被提议作为其中一个血红素基团的轴向配体之一。最近的定点突变研究已经明确表明情况并非如此[22].
gp91的第二个(120–167)和第三个(224–257)外环凤凰(phox)包含N-连接的糖基化位点(天冬酰胺132、149和240)[308]; 这些在哺乳动物中仅部分保存。黄细胞色素合成过程中b条558,血红素插入gp91凤凰(phox)在异二聚体形成之前是必需的,而异二聚体形成又先于糖基化[77,324]. 虽然人类中性粒细胞黄细胞色素b条558高度糖基化,这似乎在吞噬细胞和物种之间有所不同[172]. gp91不要求糖基化凤凰(phox)催化作用[223].
3.1.4. 第22页凤凰(phox)
第22页凤凰(phox)是一种194-氨基酸(~21kDa)蛋白质,具有疏水性、跨膜N末端(1-132),至少跨越膜两次(可能四次)。细胞质亲水性C末端(133–194)包含一个富含脯氨酸的结构域(151–160),已知该结构域对p47的结合很重要凤凰(phox)到黄细胞色素b条558[189,288]. 该结构域中自然发生的突变(156Pro→Gln),在提供正常数量的蛋白质的同时,消除了p47的易位凤凰(phox)和第67页凤凰(phox)中性粒细胞活化后粘附到膜上,导致CGD[193]. p22的其他区域凤凰(phox)也被认为是p22相互作用的位点凤凰(phox)和两个p47凤凰(phox)和p67凤凰(phox)[67]. 因此,p22的唯一功能似乎是凤凰(phox)是为胞质NADPH氧化酶亚基提供高亲和力结合位点。然而值得注意的是,对于完全加工和成熟,gp91的关联凤凰(phox)和第22页凤凰(phox)至少在中性粒细胞中是必需的[77].
在中性粒细胞中,每个亚单位的稳定表达相互依赖于另一个亚单位的表达。因此,突变导致p22的丢失凤凰(phox)CGD中的表达导致p22的表达缺失凤凰(phox)和gp91凤凰(phox)亚单位,反之亦然。然而,这并不适用于所有细胞类型和低水平p22凤凰(phox)在没有gp91的情况下,可以在许多细胞类型和组织中检测到表达凤凰(phox)[232,233]. 类似地,在细胞系中,gp91凤凰(phox)在缺少p22的情况下表达凤凰(phox)通过使用此类模型系统,可以确认所有氧化还原中心都包含在gp91中凤凰(phox)亚单位[325].
3.1.5. 黄细胞色素的能量学b条558氧化还原中心
Kakinuma利用EPR光谱测量了黄素氧化还原对的氧化还原电位[160]作为E类平方米=−256毫伏(FAD/FAD•)和E类平方米=−304毫伏(FAD•/FADH2)随着中性半醌的形成,尽管这种半醌在酶的转换过程中不会大量积累[95,179]. 因此,FAD中心的整体中点电位为280 mV(相比之下E类米NADPH/NADP对的电压为~−317 mV)。
gp91中血红素的氧化还原电位荧光粉pH值7.0时为−225和−265 mV。首次测定时,这些电位太接近,无法区分[56]但意外发现一名X染色体连锁的CGD患者gp91中存在Arg54→Ser突变荧光粉允许将氧化还原滴定曲线分割为两个独立的组分。在突变体中,哈姆中心E类7米=−265变为−300 mV,使滴定反褶积成为可能[56,60]. 与其他膜细胞色素的结构比较表明,膜表面附近的不变精氨酸残基与膜包埋血红素带负电荷的丙酰基侧链形成氢键。据预测,Arg54位于外膜表面,可以执行此功能。将带正电的精氨酸替换为不带电荷的丝氨酸会降低该基团的吸电子性质,从而降低血红素的氧化还原电位(在本例中为35 mV)。在酵母中也证明了类似的效果国际标准化组织-1-细胞色素c(c)当谷氨酰胺(−30 mV)或天冬酰胺(–34 mV)被等效精氨酸取代时,该精氨酸与血红素丙酸侧链之一形成氢键[66]. 结合起来,这些观察结果允许将氧化还原电位分配给野生型酶中的单个血红素基团;内心的血脉E类7米=−225 mV和外部haemE类7米=-265毫伏。
虽然没有正式证明,但现在普遍认为NADPH氧化酶不包含任何其他氧化还原中心或氧化还原活性金属离子,尽管p67凤凰(phox)据报道,在高NADPH浓度下,NADPH氧化酶的活性能够(逐渐消失)降低[69].1早期报道表明泛醌参与[41,42,111]或吡咯喹啉醌(PQQ)[23]在氧化酶功能方面,但这些似乎是人为的[55,196].
3.1.6. 电子传递机制
NADPH氧化酶单次翻转过程中有七个独立的电子转移步骤,如初始步骤是将两个电子从NADPH转移到氧化FAD。与许多生物过程一样,在酶反应只需要一个(或奇数个)电子的情况下,FAD(或其他黄素)用于将双电子转移过程转换为单电子转移步骤[309]. 氢化物转移的立体化学已确定为来自4-pro对NADPH的位置,与FNR家族其他成员一样,通过测量动力学氘同位素效应[218]. 这个K米据报道,中性粒细胞质膜中NADPH的浓度通常在25–35μM之间,而纯化的黄细胞色素的浓度略低b条558. TheK米因为NADH至少高出10-20倍,因此氧化酶对NADPH表现出明显的偏好。在NADH和NADPH的主要细胞内浓度(均为~70μM)下,它无疑几乎完全利用了后者。这个最初的电子转移过程似乎是氧化酶转换的主要限速步骤。尽管经常有人认为氧化酶受核苷酸结合变化的调节(即通过改变K米NADPH),几乎没有实验证据表明这与标记研究一致,其中NADPH类似物似乎标记了静止或激活的黄细胞色素b条558效率大致相等[88,240,272].
黄细胞色素内的电子传递途径b条558。对七个电子转移步骤进行了编号。电子从细胞溶质中的NADPH通过膜传递到吞噬细胞液泡。详见正文。
第二个电子转移步骤来自减少的FAD(FADH2,E类米=−304 mV)至内部血液(E类米=−225毫伏)(),生成FAD半醌(FAD•). 在第三步和第四步中,电子从内部血红素传递到外部血红素(E类米=−265 mV),然后生成超氧物(E类米=−160毫伏)。所报告的K米因为氧气在文献中变化很大,但大多数值在5-10μM范围内。第五步、第六步和第七步概括了第三步、第四步和第五步,但第五步例外,它是黄素半醌(E类米=−256 mV),这是内部血红素的供体,因此电子转移的驱动力较小。
黄细胞色素内电子流的能量学b条558注意,NADPH的总电子转移(E类米=−317 mV)至氧气()从能量上来说是有利的,但从内部血红素向外部血红素的转移则不是。此外,在反应循环期间,从FAD到血红素的两个电子转移步骤()不是等效的。
值得注意的两点是:首先,在酶的稳态酶转换过程中观察到少量黄素半醌,尽管有可测量的FAD降低量[95,181]. 这与涉及血红素的反应比涉及FAD的反应更快一致。文献中报道的黄素减少的程度也有很大的差异(<5–40%),可能是由于酶制剂、固有酶活性和反应条件(两亲性和细胞溶质因子)的差异,而这些差异又决定了黄素减少是速率限制步骤的程度[46,51,59,177,179,218]. 其次,这个电子转移方案中的第三和第六步在能量上不利,因为内部haem的中点氧化还原电位高于外部haem(). 目前尚不清楚这种意外的排列是否具有功能意义,但它可以部分解释氧的存在是电子快速流入和穿过NADPH氧化酶所必需的,因为缺少终端电子受体将导致电子在内部血液中积聚。在厌氧条件下,黄素和血红素的还原速度大约比好氧酶中已知的电子传递速度慢1000倍[51,177]. 厌氧血红素减少的缓慢速度被用作“证明”gp91的血红素凤凰(phox)不参与催化,NADPH氧化酶是一种简单的黄素蛋白(例如[12]). 这个论点很容易忽略了厌氧黄素还原的同样缓慢的动力学![43,53]. 具有内部黄素结构域(没有其他活性氧化还原中心)的黄素蛋白如何将电子从细胞溶质表面转移到膜的外表面,这一点一直不清楚。通过对还原组分的再氧化速率的测量,结合稳态实验,证实了在有氧条件下,NADPH氧化酶内的血红素和黄素在动力学上都能产生以观察到的速率[59,95]. 因此,氧气是快速电子流动所必需的。血红素与氧气快速反应的能力、血红素和黄素还原的适当稳态水平以及氧气加速电子流的能力已经被几个实验室证实[150,177,179,218,222]. 在最佳体外条件下,黄细胞色素b条55822°C时的周转数约为300/s,假一级血红素再氧化速率为4.7ms[48,56,59].