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Colesterol 24-hidroxilasa

La colesterol 24-hidroxilasa ( EC 1.14.14.25 ), también conocida comúnmente como colesterol 24S-hidroxilasa , colesterol 24-monooxigenasa , CYP46 o CYP46A1 , es una enzima que c...

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La colesterol 24-hidroxilasa ( EC 1.14.14.25 ), también conocida comúnmente como colesterol 24S-hidroxilasa , colesterol 24-monooxigenasa , CYP46 o CYP46A1 , es una enzima que cataliza la conversión de colesterol a 24S-hidroxicolesterol . Es responsable de la mayor parte del recambio de colesterol en el sistema nervioso central humano . [ 1 ] El nombre sistemático de esta clase de enzimas es colesterol,NADPH:oxígeno oxidorreductasa (24-hidroxilante) .

Esta enzima pertenece a la superfamilia de enzimas citocromo P450 (CYP). Al igual que muchas otras enzimas CYP que actúan sobre el colesterol, la colesterol-24 hidroxilasa es una monooxigenasa que hidroxila la cadena lateral del colesterol. [ 2 ]

Debido a que el 24S-hidroxicolesterol es más polar que el colesterol, puede atravesar más fácilmente la barrera hematoencefálica para salir del cerebro y pasar al torrente sanguíneo, donde puede viajar al hígado para ser degradado posteriormente. [ 3 ] [ 4 ] Esta enzima también se ha encontrado en bajas cantidades en la retina , donde realiza la misma función en menor grado. [ 5 ]

La clonación genética del gen codificante ( CYP46A1 ) se logró por primera vez en 1999 y posteriormente se desarrolló un extenso sistema de expresión y purificación de E. coli en 2003. [ 2 ] [ 6 ]

Estructura molecular

La estructura enzimática de la colesterol-24 hidroxilasa humana se determinó mediante cristalografía en la fuente de luz de radiación sincrotrón de Stanford , y se demostró que es una proteína monomérica de 57 kDa (500 residuos) que contiene hemo y está unida al retículo endoplasmático en las neuronas.

Sitio activo de la colesterol-24 hidroxilasa y molécula de hemo con colesterol 3-sulfato unido. Los residuos hidrofóbicos que interactúan con la cola alifática del colesterol están marcados en blanco. Creado en pyMOL a partir de PDB 2Q9F.

La colesterol-24 hidroxilasa es similar en estructura a muchos otros citocromos P450, poseyendo, por ejemplo, el segmento conservado de 23 residuos hidrofóbicos en el extremo N-terminal que conforman un dominio de anclaje transmembrana (residuos 3-27). [ 7 ]

Colesterol-24 hidroxilasa (CYP46A1) con la ubicación del sitio activo mostrada en rojo. Creado en pyMOL a partir de PDB 2Q9F.

Aun así, el extremo C-terminal de la colesterol-24 hidroxilasa posee una región única rica en prolina , con cinco residuos de prolina repetidos, un motivo estructural ausente en todas las demás enzimas citocromo p450 relacionadas. Si bien la función exacta de estos residuos de prolina sigue siendo altamente especulativa, se ha demostrado que la eliminación de esta región produce una disminución del doble en la eficiencia catalítica de la enzima. [ 8 ]

La unión del colesterol produce un cambio conformacional enzimático y un ajuste inducido posterior del sitio activo alrededor de la molécula de colesterol, anclando el sitio de hidroxilación (C-24, C-25) cerca del centro catalítico de la enzima (5,7 Å del núcleo de hierro de la molécula de hemo para permitir que los intermediarios oxiferrilo realicen la hidroxilación del colesterol). Una región de bucle, conocida como bucle B'-C, tiene una serie de 5 residuos (residuos 116-120) únicos de la colesterol-24 hidroxilasa que contribuyen al posicionamiento de la molécula de colesterol dentro del sitio activo. Una sola molécula de colesterol ocupa la totalidad del sitio activo, con la cola alifática del colesterol mantenida en su lugar por interacciones con los siguientes residuos hidrofóbicos: Phe-121, Val-126, Ile-301, Ala-302, Ala-367, Thr-475. Se accede al sitio activo a través de una única entrada creada por dos hélices (B' y F) y la lámina β1. [ 8 ]

No se conocen sitios de regulación alostérica .

Mecanismo enzimático

La colesterol-24 hidroxilasa cataliza la siguiente reacción:

Representación en 2D de la estructura química del colesterol.
colesterol
+ NADPH
 
 
O 2 + H +
H 2 O
Flecha de reacción hacia la derecha con sustrato(s) menor(es) desde la parte superior izquierda y producto(s) menor(es) hacia la parte superior derecha.
 
 
 
Representación bidimensional de la estructura química del 24S-hidroxicolesterol.
24 S -hidroxicolesterol
+ NADP +
 
Mecanismo de la colesterol-24 hidroxilasa. La molécula de hemo forma un intermedio oxiferrilo que abstrae un hidrógeno del colesterol. El intermedio alquilo resultante reacciona con el oxígeno activado para formar el producto final. [ 9 ] [ 10 ]

Los cuatro sustratos de esta enzima son el colesterol, el fosfato de nicotinamida adenina dinucleótido (NADPH) unido a una hemoproteína , el oxígeno y un protón . Sus productos son el 24S - hidroxicolesterol, el NADP + oxidado y el agua. [ 11 ] [ 12 ]

Al igual que todos los demás citocromos P450, la colesterol-24 hidroxilasa utiliza un intermediario oxiferrilo para hidroxilar el colesterol. El radical oxiferrilo toma el hidrógeno del carbono-24 para crear un intermediario radical alquilo . El radical alquilo del colesterol se combina luego con el oxígeno activado del grupo hemo para crear 24S-hidroxicolesterol. [ 9 ] [ 10 ]

Función

La colesterol-24 hidroxilasa contribuye a la homeostasis del colesterol cerebral hidroxilando el colesterol en el carbono 24 a 24S-hidroxicolesterol para permitir su eliminación del cerebro hacia el hígado. [ 12 ] Sin embargo, esta enzima solo hidroxila alrededor de 6-7  mg de colesterol diariamente, lo que sugiere la existencia de funciones alternativas, actualmente desconocidas. Experimentos in vitro han demostrado que también es capaz de metabolizar aún más el 24S-hidroxicolesterol en 24,25- y 24,27-dihidroxicolesteroles. [ 1 ]

La colesterol-24 hidroxilasa tiene una variedad de posibles sustratos, incluyendo: cadenas de esteroides elongadas, derivados del colesterol y una variedad de candidatos a fármacos. [ 13 ] [ 14 ] Por lo tanto, es probable que también desempeñe un papel en el metabolismo de los lípidos en el cerebro más allá de la degradación del colesterol. Dado que el 24S-hidroxicolesterol (producto principal de esta enzima) es un activador importante de los receptores X hepáticos de oxiesteroles (LXR), es posible que la colesterol-24 hidroxilasa pueda desempeñar un papel regulador indirecto en el metabolismo de los lípidos en el hígado. [ 2 ] [ 15 ] El 24S-hidroxicolesterol también regula la tasa de síntesis de colesterol en el cerebro, y se ha demostrado que los niveles altos de 24S-hidroxicolesterol reducen los niveles de ARNm de las siguientes enzimas de síntesis de colesterol: HMG CoA reductasa , escualeno sintasa y FPP sintasa. [ 16 ]

Importancia clínica

La expresión variable de la colesterol-24 hidroxilasa se ha relacionado con la aparición de la enfermedad de Alzheimer (EA) en humanos. Los estudios han demostrado que en pacientes con EA, existe una disminución significativa en la expresión de la colesterol-24 hidroxilasa en las neuronas . [ 17 ] Como resultado, se produce un marcado aumento del colesterol en el tejido cerebral, [ 18 ] lo cual coincide con la tendencia observada en pacientes con EA.

Sustratos metabolizados por la colesterol-24 hidroxilasa. El recuadro rojo contiene una lista de xenobióticos que la enzima puede metabolizar. Las reacciones en azul se observan comúnmente en el cerebro como parte del mantenimiento de la homeostasis del colesterol.

La degradación neuronal en la enfermedad de Alzheimer se ha atribuido con frecuencia al desequilibrio en la homeostasis del colesterol, y muchos científicos plantean la hipótesis de que la menor expresión de la colesterol-24 hidroxilasa puede ser la causa principal de este desequilibrio.

Por otro lado, mientras que hay una expresión disminuida en las neuronas, hay un aumento contrastante de la expresión en los astrocitos de los pacientes con EA , donde se produce una acumulación consecuente del producto, 24S-hidroxicolesterol. [ 19 ] Estudios recientes han demostrado que los niveles elevados de 24S-hidroxicolesterol en los astrocitos pueden conducir a una pérdida de los transportadores de glutamato gliales (EAAT2) y la consiguiente pérdida de la función de recaptación de glutamato en el cerebro, otro síntoma común observado en pacientes con EA. [ 20 ]

Sin embargo, la relación entre los niveles de expresión de la colesterol-24 hidroxilasa y la enfermedad de Alzheimer sigue siendo objeto de debate. Si bien algunos estudios han demostrado que los polimorfismos en el gen que codifica la colesterol-24 hidroxilasa tienen una correlación positiva establecida con el inicio de la EA, otras publicaciones no encontraron dicha asociación. [ 21 ] [ 22 ] También se ha observado una mayor expresión de la colesterol-24 hidroxilasa en pacientes con traumatismo craneoencefálico, lo que conlleva una disminución de los niveles de colesterol en la membrana plasmática. Se hipotetiza que esta es la respuesta típica del cerebro a la lesión. [ 16 ]

La colesterol-24 hidroxilasa se inhibe fácilmente por muchos fármacos debido a su amplia especificidad de sustrato. Se ha demostrado que metaboliza bufuralol , progesterona , dextrometorfano , metoxiresorufina , cortisol , diclofenaco , fenacetina y testosterona . [ 14 ] La capacidad de inhibición por diversos xenobióticos convierte a esta enzima en una candidata ideal para la terapia farmacológica de la enfermedad de Alzheimer u otras lesiones cerebrales.

Referencias

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  2. 1 2 3 Pikuleva IA (abril de 2006). "Citocromos P450 metabolizadores del colesterol". Metabolismo y disposición de fármacos . 34 ( 4): 513– 520. doi : 10.1124/dmd.105.008789 . PMID 16434543. S2CID 304953 .  
  3. ↑ Pikuleva IA (diciembre de 2006). "Citocromo P450 y homeostasis del colesterol". Farmacología y terapéutica . 112 (3): 761– 773. doi : 10.1016/j.pharmthera.2006.05.014 . PMID 16872679 . 
  4. ↑ Russell DW (2003). "Las enzimas, la regulación y la genética de la síntesis de ácidos biliares". Annu. Rev. Biochem . 72 : 137–74 . doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161712 . PMID 12543708 . 
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  • Entrada de la base de datos HMDB
  • Entrada del Banco de Datos de Proteínas RCSB archivada el 28/02/2014 en Wayback Machine.
  • Revisión sobre la colesterol-24 hidroxilasa
  • Mecanismo de hidroxilación del hemo