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1 Enzimi di Fase II Prof. Giorgio Sartor Copyright © 2001-2018 by Giorgio Sartor. All rights reserved. F06 - Versione 3.6.3 – May-18 gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II -2- Enzimi di Fase II Lipofilo Idrofilo Xenobiotico Metabolita | OH Metabolita | OR Fase I (ossidazione) Fase II (sintesi) Variazione di polarità Variazione di funzionalità Variazione di dimensioni Variazione di carica Variazione di solubilità Diminuzione dell’attività biologica Aumentata escrezione Escrezione

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1

Enzimi di Fase II

Prof. Giorgio Sartor

Copyright © 2001-2018 by Giorgio Sartor.

All rights reserved. F06 - Versione 3.6.3 – May-18

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 2 -

Enzimi di Fase II

Lipofilo Idrofilo

Xen

obio

tico Metabolita

|OH

Metabolita|

ORFase I

(ossidazione)

Fase II(sintesi)

• Variazione di polarità• Variazione di funzionalità

• Variazione di dimensioni• Variazione di carica• Variazione di solubilità

• Diminuzione dell’attività biologica• Aumentata escrezione

Escrezione

2

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 3 -

Enzimi di fase II

• Catalizzano reazioni di:–Coniugazione con

• Acido glucuronico• Glutatione • Solfato• Acetile• Aminoacidi

–Metilazione

Metallotioneine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 4 -

Coniugazione con Acido Glucuronico

• Glucuronazione:– Coniugazione di xenobiotici con un H labile con acido

glucuronico da acido uridindifosfoglicerico (UDPGA)

UDPGA

NH

OO–

OH

OH OH

OO P

O

O–

O PO

O–

O

O

OH

O

OH

O

N

3

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 5 -

Formazione di UDPGA

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 6 -

Formazione di UDPGA

4

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 7 -

Glucosio-1-fosfato

fosfoglucomutasiEC 5.4.2.2

G6P

G1P

G16BP

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 8 -

FosfoglucomutasiEC 5.4.2.2 (1C47)

G16BP

5

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 9 -

FosfoglucomutasiEC 5.4.2.2 (1C47)

G16BP

SER-19

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 10 -

Formazione di UDPG

UTP-glucoso-1-fosfato uridililtransferasiEC 2.7.7.9

UTP

UDP

6

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 11 -

Formazione di UDPGA

H2O

UDP-glucoso 6-deidrogenasiEC 1.1.1.22

UDPGNAD+

UDPGA NADH

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 12 -

UDP-glucoso-6-deidrogenasi

NAD+

7

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 13 -

UDP-glucoso-6-deidrogenasi

NAD+

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 14 -

β-UDP-glucuroniltransferasi

• L’enzima β-UDP-glucuroniltransferasi forma O-, N-, S-, C- glucuronati; – Sei forme nel fegato umano– Il cofattore è UDP-glucuronato– Induttori: fenobarbital, indoli, 3-metilcolantrene,

(fumo di sigarette).– Substrati: destrofano, metadone, morfine, p-

nitrofenolo, acido valproico, ormoni steroidei,bilirubina.

8

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 15 -

Coniugazione con acido glucuronico

ROH

UDPglucuronato β-D-glucuronosiltransferasiEC 2.4.1.17

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Metabolismo degli androgeni ed estrogeni

9

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Metabolismo delle porfirine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 18 -

• Sindrome di Crigler-Nijar (grave): enzima inattivato; grave iperbilirubinemia; gli induttori non hanno effetto.

• Sindrome di Gilbert (lieve): ridotta attività enzimatica; lieve iperbilirubinemia; il fenobarbital porta la glucuronazione della bilirubina alla normalità

• I pazienti possono glucuronidare p-nitrofenolo, morfine, cloroamfenicolo.

Patologie e polimorfismo genetico

10

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 19 -

Glucuronazione e glucuronidasi

• I coniugati vengono escreti con la bile o con le urine.

• La glucuronidasi della microflora intestinale taglia il legame con l’acido glucuronico.

• La parte agliconica può essere riassorbita ed andare incontro ad un riciclo enteroepatico.

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 20 -

Glucuronazione e glucuronidasi

• Attivazione metabolica di 2,6-dinitrotoluene da parte della glucuronidasi.– La glucuronidasi rimuove l’acido glucuronico da N-

glucuronide;– Il nitro gruppo viene ridotto da N-reduttasi

microbiche;– Il risultante metabolita epatocarcinogeno è

riassorbito.

11

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 21 -

Gli enzimi di fase II catalizzano reazioni di:

• Coniugazione con– Acido glucuronico– Solfato– Glutatione– Acetile– Aminoacidi

• Metilazione Metallotioneine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 22 -

Coniugazione con il gruppo solfato

• Coniugazione di:– xenobiotici con un OH libero con solfato da

fosfoadeninafosfosolfonato (PAPS)

N N

SO

OO–

O PO

O–O

PO O–

O–

O

NH2

NO

OH

N

12

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 23 -

Formazione di PAPS

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 24 -

Formazione di PAPS

ATPADP

adenilil-solfato kinasiEC 2.7.1.25

13

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 25 -

• Le solfotransferasi sono enzimi ubiquitari• Cofattore è 3’-fosfoadenosina-5’-fosfosolfato

(PAPS)• Produce esteri solfati altamente idrosolubili• Eliminati con urine e bile• Xenobiotici e composti endogeni sono solfonati

(fenoli, catecoli, amine, idrossilamine)

Formazione di solfati

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 26 -

Meccanismo della formazione di solfati

PAPS

PAP

steroide solfotransferasiEC 2.8.2.15

H

H

HSOO

O–

O

OCH3

OCH3N N

PO

O–O– O

PO

O–O– O

NH2

NO

OH

N

CH3

H

H

H

OCH3

OH

O

OP

NH2

N

NO

OH

N

N

SO

OO–

O PO

O–O

O O–

O–

+

+

14

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 27 -

Metabolismo degli androgeni ed estrogeni

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 28 -

• La formazione di solfati è una via metabolica ad alta affinità e bassa capacità.– La glucuronazione ha bassa affinità ed alta capacità.– La capacità è limitata dai bassi livelli di PAPS.– A bassi dosaggi prevale la formazione di solfati.– Ad alti dosaggi prevale la glucuronazione.

Formazione di solfati

15

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 29 -

Formazione di solfati

• Esistono quattro solfotransferasi nel citosol degli epatociti umani

• Le arilsolfatasi nella flora intestinale rimuovono il solfato promuovendo il riciclo enteroepatico

• Possono attivare xenobiotici a carcinogenici se il composto coniugato è chimicamente instabile– I solfonati delle idrossilammine sono instabili.

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 30 -

Gli enzimi di fase II catalizzano reazioni di:

• Coniugazione con– Acido glucuronico– Solfato– Glutatione – Acetile– Aminoacidi

• Metilazione Metallotioneine

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gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 31 -

Coniugazione con glutatione

• Coniugazione di xenobiotici (numerosissimi substrati) con una regione elettrofila (epossido) con glutatione ridotto (GSH) – glutatione-S-transferasi

GSH

GSSG

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 32 -

• Il glutatione è un tripeptide formato da glicina, cisteina, acido glutamico– Formato da γ-glutamilcisteina sintetasi (EC 6.3.2.3)

GSH

GLU CYS GLY

17

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 33 -

Sintesi del GSH

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 34 -

Sintesi del GSH

18

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 35 -

Sintesi del GSH

ATPADP

ATPADP

glutamato-cisteina ligasiEC 6.3.2.2

CYS

GLY

GLU

glutatione sintasiEC 6.3.2.3

1M0W 2HGS

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 36 -

Glutatione sintasi (1M0W)

γ-glutamil cisteina

omologo di ATP

Mg++

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gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 37 -

Glutatione sintasi (1M0W)

γ-glutamil cisteina

omologo di ATP

Mg++

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 38 -

Glutatione sintasi (1M0W)

γ-glutamil cisteina

Mg++

omologo di ATP

In rosso: aminoacidi basici

In verde: la superficie della proteina

20

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 39 -

Glutatione sintasi (2HGS)

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 40 -

Vie metaboliche e radicali dell’ossigeno

XENOBIOTICI

METABOLITIREATTIVI

COMPOSTIREDOX

METABOLITIRADICALICI

H2O2

O2

HO.

O2-

O2

H2O + O2

H2O

GSH

GSSG

FAD

FADH2

NADPH + H+

NADP+

O2

NADPH + H+

NADP+

Rotturadel DNA

Inattivazionedi enzimi

Perossidazionelipidica

Addottial DNA

Addottidi proteine Prodotti di

coniugazione

Addottial DNA

Addottidi proteine

Metabolismo

FASE I

FASE II

1

2

3

4

5

Fe++, Cu++

7

6

8

9GR GPX

Ciclo RedoxEnzimi

a Flavina

FASE I

21

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 41 -

Vie metaboliche e radicali dell’ossigeno

XENOBIOTICI

METABOLITIREATTIVI

COMPOSTIREDOX

METABOLITIRADICALICI

H2O2

O2

HO.

O2-

O2

H2O + O2

H2O

GSH

GSSG

FAD

FADH2

NADPH + H+

NADP+

O2

NADPH + H+

NADP+

Rotturadel DNA

Inattivazionedi enzimi

Perossidazionelipidica

Addottial DNA

Addottidi proteine Prodotti di

coniugazione

Addottial DNA

Addottidi proteine

Metabolismo

FASE I

FASE II

1

2

3

4

5

Fe++, Cu++

7

6

8

9GR GPX

Ciclo RedoxEnzimi

a Flavina

FASE I

5. In presenza di ferro l’anione superossido forma il radicale idrossido (Haber-Weiss).

6. L’anione superossido può dismutare a H2O2 ad opera della superossidodismutasi (SOD, EC 1.15.1.1).

7. In presenza di ferro l’ H2O2 forma il radicale idrossido e ossigeno (Fenton).

8. L’ H2O2 può essere degradata ad acqua ad opera della catalasi (CAT, EC 1.11.1.6) o della glutatione perossidasi (GPX, EC 1.11.1.9).

9. La glutatione reduttasi (GR, EC 1.8.1.7) rigenera il glutatione ridotto (GSH) da quello ossidato (GSSG).

GPX GR

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 42 -

• O-demetilazione di organofosfati• Attivazione della trinitroglicerina

– I prodotti sono glutatione ossidato (GSSG), dinitroglicerina, NO (vasodilatore)

• Riduzione di idroperossidi– Metabolismo delle prostaglandine

Coniugazione con GSH

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gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 43 -

Metabolismo delle prostaglandine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 44 -

Metabolismo delle prostaglandine

H2O

leucotriene-C4 sintasiEC 2.5.1.37

23

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 45 -

• Due tipi di reazione con il GSH– Spiazzamento di alogeni, solfati, solfonati, fosfati,

nitrogruppi– Il glutatione viene addizionato a doppi legami attivati

(epossidi) come nella sintesi delle prostaglandine.

• Substrati:– Idrofobici che contengono un elettrofilo– Possono reagire non enzimaticamente

Coniugazione con il GSH

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 46 -

Coniugazione

RX

HX

glutatione S-transferasiEC 2.5.1.18

24

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 47 -

Glutatione S-transferasi – EC 2.5.1.18

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 48 -

Glutatione S-transferasi EC 2.5.1.18 (1A0F)

25

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• Glutatione-S-transferasi microsomiale e citosolica

• Almeno quattro classi di glutatione-S-transferasi (α, β, γ, δ), diversi isoenzimi inducibili.– Induttori (3-metilcolantrene, fenobarbital,

corticosteroidi, anti-ossidanti)– La sovraespressione porta a resistenza (insetti

DDT resistenti, piante resistenti all’atrazina, cellule tumorali resistenti alla chemioterapia)

Glutatione S-transferasi

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 50 -

• Escrezione dei glutatione-coniugati:– Intatti nella bile– Convertiti in acido mercapturico nei reni ed escreti

nelle urine • γ-glutamiltransferasi, aminopeptidasi M

Eliminazione dei composti coniugati con il GSH

26

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 51 -

Metabolismo del naftalene

naftalenenaftalene

monoossigenasi

GSH

S-(1,2-diidro-2-idrossi-1-naftil)-

S-(1,2-diidro-2-idrossi-1-naftil)-

S-(1,2-diidro-2-idrossi-1-naftil)-S-(1,2-diidro-2-idrossi-1-naftil)-N-Acido 1-

FASE IFASE II

OH

O

O

OH

CH3

ONH

OH

O

S

CH3

ONH

OHH

H

O

SOH

OHH

H

NH2

O

SOH

H

H

NH

NH2

O

SOH

H

H

NH

NH2

ONH

O

SOHO

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 52 -

γ-glutamiltransferasi

H2O

-glutamiltransferasiEC 2.3.2.2

γ

R-S-alanilglicina Glutamato

27

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 53 -

Gli enzimi di fase II catalizzano reazioni di:

• Coniugazione con– Acido glucuronico– Solfato– Glutatione– Acetile– Aminoacidi

• Metilazione Metallotioneine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 54 -

Coniugazione con il gruppo acetile

• Coniugazione di:– xenobiotici con un OH libero con gruppo acetile da

acetil-CoA

28

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 55 -

Acetilazione

• Maggiore via di biotrasformazione di amine aromatiche e idrazine

• Diminuisce la solubilità• N-acetiltransferasi (NAT)

– Il cofattore è acetil-CoA

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 56 -

Meccanismo della acetilazioneAcetilCoA

CoA

arilamina N-acetiltransferasiEC 2.3.1.5

O

C H3NH

NN

SHNH

O

NH

O

OHC H3

C H3

OPO

O–

O

PO

O–

P

O

OH

O–O

O

NH2

N

OH

O

N

NH2

NN

O

CH3SNH

O

NH

O

OHCH3

CH3

OPO

O–

O

PO

O–

P

O

O–

OH

O

O

NH2

N

OH

O N

+

+

29

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 57 -

Gli enzimi di fase II catalizzano reazioni di:

• Coniugazione con– Acido glucuronico– Glutatione – Solfato– Acetile– Aminoacidi

• Metilazione Metallotioneine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 58 -

Coniugazione con aminoacidi

• Alternativa alla glucuronazione• Due vie principali

– Gruppo -COOH del substrato coniugato con -NH2 di glicine, serina, glutamina, richiede attivazione con CoA

• Coniugazione dell’acido benzoico con glicina per dare l’acido ippurico

– Gruppi -NH2 o -NHOH aromatici coniugati con gruppi COOH di serina, prolina, richiedono attivazione con ATP

30

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 59 -

• Specie specificità nell’aminoacido accettore– mammiferi: glicina– uccelli: ornitina– cani e gatti: taurina– primati non umani: glutamina

• Attivazione metabolica– Gli N-esteri di serina o prolina delle idrossilamine sono

instabili e degradano a specie elettrofile reattive.

Coniugazione con aminoacidi

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 60 -

Meccanismo della coniugazione con aminoacidi

glicina N-benzoiltransferasiEC 2.3.1.71

O

HH

O

O–NH

N

N

NH2

N

N

P

O

OHO

O OH

PO

O–

PO

O–

C H3

C H3

OH

O O

SHNH

NH

O

O

O

O

O

O–

HH

NH2

N

N

NH2

N

N

P

O

OH

O–

O OH

PO

O–

PO

O–

C H3

C H3

OH

O O

O

SNH

NH

O

O

OO

+

+

31

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 61 -

Gli enzimi di fase II catalizzano reazioni di:

• Coniugazione con– Acido glucuronico– Glutatione– Solfato– Acetile– Aminoacidi

• Metilazione Metallotioneine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 62 -

• Via metabolica che diminuisce la solubilità• Metiltransferasi

– Trasferisce un gruppo -CH3 a O, N, S, C– Cofattore: S-adenosilmetionina (SAM)

• Substrati sono: fenoli, catecoli, amine, metalli (Hg, As, Se)

Metilazione

32

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 63 -

Sintesi di S-adenosilmetionina

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Sintesi di S-adenosilmetionina

33

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Sintesi S-adenosilmetionina

H2O

metionina adenosiltransferasiEC 2.5.1.6

trifosfatasiEC 3.6.1.25

ATP MET

SAM

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 66 -

Metionina adenosiltransferasiEC 2.5.1.6 (1O9T)

34

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 67 -

Metiltransferasi

• Varie metiltransferasi– fenolo O-metiltransferasi, – catecolo O-metiltransferasi, – N-metiltransferasi, – S-metiltransferasi

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 68 -

Meccanismo della metilazione

amino N-metiltransferasiEC 2.1.1.49

35

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 69 -

Meccanismo della metilazione

catecolo O-metiltransferasiEC 2.1.1.6

OC H3

OHNN

OO–

NH2 S

OH

NH2

OH

ON

N

OH

OH

N

N

O

O–NH2

S+

CH3OH

NH2

OH

O

N

N+

+

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 70 -

Catecolo O-metiltransferasiEC 2.2.1.6 (1VID)

36

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 71 -

Catecolo O-metiltransferasiEC 2.2.1.6 (1VID)

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 72 -

Mercurio

mercurio(II) reduttasiEC 1.16.1.1 RH H+

alchilmercurio liasiEC 4.99.1.2

NO

O

N

N

OH

PO–

O–O

O

N

NH2

POO–

OPOO–

OO

OH

N+

OH

NH2

O

RHg+

H HN N

O

NH2

N

OH OH

O O PO

O–O P

O

O–O

NH2

PO O–

O–

N

OOH

ON

Hg2+

Hg2+

H+Hg + +

+

++

AND Enantiomer

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gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 73 -

Gli enzimi di fase II catalizzano reazioni di:

• Coniugazione con– Acido glucuronico– Solfato– Glutatione– Acetile– Aminoacidi

• Metilazione Metallotioneine

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 74 -

Metallotioneine

• Le metallotioneine (MT) sono peptidi eproteine ubiquitarie a basso peso molecolaread alto contenuto in aminoacidi solforati emetalli.

• Si ipotizza che giochino un ruolo:– nella fissazione dei metalli in tracce (Zn++, Cu++),– nel controllare la concentrazione di questi ioni,– nella regolazione dei flussi degli ioni ai distretti

cellulari,– nella neutralizzazione dei metalli tossici (Cd++, Hg++)

e nella protezione dallo stress indotto dai metalli.

38

gs © 2001-2018 ver 3.6.3 Enzimi di Fase II - 75 -

Distribuzione

• Le metallotioneine sono presenti in tutti gli organismi:animali, vegetali e microrganismi.

• Negli animali queste proteine posseggono polimorfismogenetico e sono abbondanti nei tessuti parenchimali(fegato, rene, pancreas e intestino).

• La loro concentrazione dipende da specie, tessuto, età,sesso ed altri fattori non ancora completamenteidentificati

• Nonostante che le metallotioneine siano proteinecitoplasmatiche si sono trovate accumulate nei lisosomie nel nucleo.

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Trasporto di metallotioneine

• Schema ipotetico del trasporto di metalli pesanti attraverso l’epitelio branchiale di molluschi bivalvi.– M: metalli in traccia;– MT: metallotioneine.

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Turnover delle metallotioneine

• Schema del turnover di MT in cellule di molluschi bivalvi (Isani et al., 2000).

– M: Metalli; – MTF: Fattori di

Trascrizione; – MTI: Inibitori di

Trascrizione.

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Classificazione

• Il nome deriva dal fatto che hannoun alto contenuto di zolfo e metalli.Tale contenuto varia a secondo delmetallo (fino ad oltre il 20% in peso)

• Nei mammiferi sono caratterizzateda un peso molecolare di 6000-7000Da, contengono da 60 ad 68 aminoacidi di cui 20 Cys che legano 7equivalenti di ione metallicobivalente. Mancano di aminoacidiaromatici. Tutte le Cys sono in formaridotta e sono coordinate con ionimetallici.

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Classificazione – Le metallotioneine

• La superfamiglia delle the metallotioneine è definitacome quella che comprende i peptidi che assomiglianoalla metallotioneina renale equina che ha le seguenticaratteristiche:– Basso peso molecolare– Composizione:

• Alto contenuto in Cys, basso contenuto in aromatici.• Sequenza caratteristica.

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Classificazione – Le famiglie

• Una famiglia di metallotioneine è caratterizzata da unaparticolare sequenza ed è legata ad una o più specie.– I membri di una determinata famiglia appartengono solo a

quella e si pensa siano correlati da un punto di vistaevoluzionistico

– Ogni famiglia è identificata da un numero e dalla specie.– Per esempio: Famiglia 1: vertebrati.

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Classificazione

• Le sottofamiglie– Si definiscono sottofamiglie di metallotioneine quegli

insiemi di proteine che oltre i caratteri propri delle famigliecondividono un insieme di caratteri più stringenti.

– Per esempio: m1, m2…

• I sottogruppi– Un sottogruppo rappresenta un insieme di sequenza

correlate filogeneticamente. In un albero filogeneticorappresentano un ramo.

– Per esempio: m2U2 = MT-2 di ungulati, sottogruppo dellasottofamiglia m2.

• Le isoforme– Sono i membri di sottogruppi, sottofamiglie e famiglie.– Per esempio MT-1E umana.

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Classificazione – I clan

• Un clan è un insieme di proteine che dividono dellecaratteristiche non già definite:– Struttura,– Proprietà termodinamiche,– Affinità per i metalli– Proprietà funzionali– …

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Sequenza Famiglia Caratteristiche Sottofamiglie

K-x(1,2)-C-C-x-C-C-P-x(2)-C1

vertebrati

Da 60 a 68 AA; 20 Cys (21 in un caso), 19 totalmenteconservate; due domini strutturali, contenenti 9 e 11 Cysche legano 3 e 4 ioni bivalenti rispettivamente. Il gene ècomposto di 3 esoni, 2 introni

m1, m2, m3, m4, m, a, a1, a2, b, ba, t

C-x-C-x(3)-C-T-G-x(3)-C-x-C-x(3)-C-x-C-K

2molluschi

Da 64 a 75 AA; da 18 a 23 Cys, minimo 13 totalmenteconservate; due domini

mo1, mo2, mog, mo

P-[GD]-P-C-C-x(3,4)-C-x-C3

crostacei

da 58 a 60 AA; esistono varianti con e senza Met N-terminale; 18 Cys totalmente conservate; due domini,ognuno con 9 Cys che legano 3 ioni bivalenti

c1, c2, c

P-D-x-K-C-[V,F]-C-C-x(5)-C-x-C-x(4)-C-C-x(4)-C-C-x(4,6)-C-C

4echinodermi

Da 64 a 67 AA; 20 Cys ; due domini strutturali,contenenti 9 e 11 Cys che legano 3 e 4 ioni bivalentirispettivamente

e1, e2

C-G-x(2)-C-x-C-x(2)-Q-x(5)-C-x-C-x(2)D-C-x-C

5ditteri

Da 40 a 43 AA; 10 Cys conservate d1, d2

K-C-C-x(3)-C-C6

nematodi 62 e 74 AAs; 18 Cys, contiene una Tyr n1, n2

una sequenza7

ciliati105 AA, 31 Cys, multiplo pattern CCC, una Tyr ci

C-G-C-S-x(4)-C-x-C-x(3,4)-C-x-C-S-x-C

8funghi I Da 25 a 33 AA; 7 Cys f1

C-X-K-C-x-C-x(2)-C-K-C 11funghi IV

Da 55 a 56 AA; 9 Cys; un pattern CCC; contiene His ePhe f4

K-C-A-C-x(2)-C-L-C 14procarioti

Da 53 a 56 AAs; 9 Cys; una Tyr, una His; contine residuinon comuni

p

[YFH]-x(5,25)-C-[SKD]-C-[GA]-[SDPAT]-x(0,1)-C-x-[CYF]

15piante

Da 45 a 84 AAs; due regioni ric he di Cys (dominio 1 edominio 3) separate da una regione con poche Cys(dominio 2)

p1, p2, p2v, p3, pec, p21

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Struttura

• Nonostante che le sequenze aminoacidichesiano diverse hanno caratteristiche strutturalisimili:– Forma a manubrio,– Due domini,– Diverse unità tetraedriche Me(II)-Cys,– Tutte le Cys coinvolte nel legame con lo ione

metallico– Pressoché assente la struttura secondaria.

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Cu-Metallotioneina da Saccharomyces Cerevisiae (1AQR)

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Cu-Metallotioneina da Saccharomyces Cerevisiae (1AQR)

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Cd-Metallotioneina da Riccio di mareSubunità α (1QJH)

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Cd-Metallotioneina da Riccio di mareSubunità α (1QJH)

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Cd-Metallotioneina da Riccio di mareSubunità β (1QJL)

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Cd-Metallotioneina da Riccio di mareSubunità β (1QJL)

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Cd-Metallotioneina umana (1MHU)

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Cd-Metallotioneina umana (1MHU)

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Cd-Metallotioneina di Callinectes sapidus (1DMF)

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Cd-Metallotioneina di Callinectes sapidus (1DMF)

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Cd-Metallotioneina di Callinectes sapidus (1DMF)

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Struttura genica

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Aspetti funzionali

• La più importante delle funzionalità delle metallotioneine è la loro inducibilità da una serie di agenti e condizioni:– Ioni metallici d10 (Cu++, Zn++, Cd++, Tl+, Pb++…)– Ormoni– Citochine– Fattori di crescita– Promotori tumorali– Stress

• È dimostrato il loro aumento fisiologico durante la proliferazione cellulare:

MT-Zn++ + Apo-Zinc-fingers → MT + Zn++- Zinc-fingers

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Determinazione

• Le MT sono proteine ricche in cisteina con affinità elevata per i metalli pesanti

• La concentrazione di MT è quantificata valutando il contenuto in Cys

• Reazione di ELLMAN (standard GSH)

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• Il glutatione è un tripeptide formato da glicina, cisteina, acido glutamico.

GSH

NH

NH

O

SHO

O

O

NH2

O

O

GLU CYS GLY

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SS

NN

OO

OO

OO

S N

OO

OSR

SHN

OO

O

+RS +

ditiobisnitrobenzoato, DTNB

Reazione di ELLMAN

Assorbimento a 412 nm

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Referenze sul WEB

• Vie metaboliche – KEGG: http://www.genome.ad.jp/kegg/

• Degradazione degli xenobiotici: http://www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map01196.html

• Struttura delle proteine: – Protein data bank (Brookhaven): http://www.rcsb.org/pdb/– Hexpasy

• Expert Protein Analysis System: http://us.expasy.org/sprot/• Prosite (protein families and domains): http://www.expasy.org/prosite/• Enzyme (Enzyme nomenclature database): http://www.expasy.org/enzyme/

– Scop (famiglie strutturali): http://scop.berkeley.edu/• Enzimi:

– Nomenclatura - IUBMB: http://www.chem.qmw.ac.uk/iubmb/– Proprietà - Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Expasy (Enzyme nomenclature database): http://www.expasy.org/enzyme/

• Database di biocatalisi e biodegradazione: http://umbbd.ahc.umn.edu/• Citocromo P450: http://www.icgeb.org/~p450srv/• Metallotioneine: http://www.unizh.ch/~mtpage/MT.html• Tossicità degli xenobiotici: Agency for Toxic Substances and Disease Registry

http://www.atsdr.cdc.gov

Crediti e autorizzazioni all’utilizzo• Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica:

– CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-17030-9] – Zanichelli

– NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli – GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia

cellulare - Zanichelli– VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 978-

8808-06879-8] - Zanichelli

• E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali:– Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/– Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/– Rensselaer Polytechnic Institute:

http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html

• Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla Orlandini dell’Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento.

Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www. gsartor.org/pro

• Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor

Università di Bologna

Giorgio SartorUfficiale: [email protected]: [email protected]

Aggiornato il 12/05/2018 00:43:46