헴 산소화효소

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헴 산소화효소
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헴 산소화효소
Crystal structures of ferrous and ferrous-no forms of verdoheme in a complex with human heme oxygenase-1: catalytic implications for heme cleavage
식별자
상징?

헴 산소화효소(영어: heme oxygenase)는 헴의 분해를 촉매하여 빌리베르딘, 제일철, 일산화 탄소를 생성하는 효소이다.[1][2] 헴 산소화효소는 인체에서 일산화 탄소 생성을 위한 주 촉매제이다.[3]

헴 산소화효소[편집]

헴 산소화효소는 HSP32로 확인된 열충격단백질(Heat Shock Protein, HSP) 계열의 헴 함유 구성원이다. 헴 산소화효소 1은 288개의 아미노산 잔기를 포함하는 32kDa 효소이다.[4] 헴 산소화효소는 주로 소포체에 위치하지만 미토콘드리아, 세포핵, 세포막에서도 발견된다.[5]

헴 산소화효소는 헴이 빌리베르딘/빌리루빈, 제일철, 일산화탄소로의 분해를 촉매한다. 헴 산소화효소는 몸 전체에 존재하지만 적혈구의 재활용 동안 헤모글로빈 분해의 상당한 활동을 비장에서 진행하며, 이는 헴 유래 내인성 일산화 탄소 생산의 80%를 차지한다. 헴 유래 일산화 탄소 생산의 나머지 20%는 주로 헴단백질(미오글로빈, 시토크롬, 카탈레이스, 과산화효소, 가용성 구아닐산 고리화효소, 산화질소 합성효소)의 간에서의 이화 작용과 골수에서 비효율적인 적혈구 생성에 기인한다.[6] 헴 산소화효소는 유비퀴틴화를 통해 분해된다.[7] 인간에게는 헴 산소화효소의 세 가지 동형(isoform)이 알려져 있다.

헴 산소화효소 1[편집]

헴 산소화효소 1(HO-1)은 비장, 간, 신장에서 가장 높은 농도로 몸 전체에 존재하는 스트레스 유발 동형이다.[8] HO-1은 HMOX1 유전자에 의해 암호화되는, 288개의 아미노산 잔기를 포함하는 효소이다. 한 연구에 따르면 폐 조직의 HO-1 수준은 결핵 또는 감염이 없는 부위의 감염과 직접적으로 관련이 있으며 녹아웃 마우스는 이 효소의 필수적인 역할을 보여주기 때문에 감염이 되기 쉽다.[9] HO-1은 초과산화물 및 기타 활성산소 종을 감소시켜 세포를 보호한다.[10]

헴 산소화효소 2[편집]

헴 산소화효소 2(HO-2)는 고환, 내피 세포, 뇌의 항상성 조건 하에서 발현되는 동형이다.[11] HO-2는 HMOX2 유전자에 의해 암호화된다. HO-2는 HO-1의 아미노산 서열과 47% 정도의 유사성을 띤다.

헴 산소화효소 3[편집]

헴 산소화효소 3(HO-3)은 촉매적으로 비활성인 것으로 간주되며 헴 감지 또는 헴 결합에서 작동하는 것으로 생각된다. 간, 전립선, 신장에서 가장 많이 존재한다.[8]

미생물의 헴 산소화효소[편집]

헴 산소화효소는 계통 발생 계 전반에 걸쳐 보존된다.[12] EBI의 InterPro 분류 데이터베이스에 따르면, 4,347종의 세균, 552종의 곰팡이, 6개의 고균이 HO-1 유사 효소를 발현한다. 미생물 헴 산소화효소의 상동체는 사카로마이세스 세레비지애(Saccharomyces cerevisiae)의 HMX1[13], Corynebacterium diphtheriae의 HmuO[14], 대장균(Escherichia coli)의 ChuS[15]가 있다. 원핵생물 헴 산소화효소 시스템의 중요한 역할은 진핵생물로부터 철분의 획득을 촉진하는 것다.[16] 일부 헴 산소화효소 유사 원핵생물 효소는 비활성 상태이거나 일산화 탄소를 방출하지 않는다. 대장균의 특정 균주는 일산화 탄소를 생성하지 않는 ChuW 동형을 발현하는 반면, 다른 미생물의 헴 산소화효소 유사 효소는 폼알데하이드를 생성하는 것으로 알려져있다.[17][18]

인간 미생물 군집은 인간의 내인성 일산화 탄소 생성에 기여한다.[19]

반응[편집]

헴 산소화효소는 알파-메테인 다리에서 헴 고리를 절단하여 빌리베르딘을 형성하거나 헴이 여전히 글로빈에 부착되어 있는 경우, 베르도글로빈을 형성한다. 이후 빌리베르딘은 빌리버딘 환원 효소에 의해 빌리루빈으로 전환된다. 반응은 다음과 같은 세 단계로 구성된다.[20]

Heme b3+ + O
2 + NADPH + H+
→ α-meso-hydroxyheme3+ + NADP+
+ H
2O
α-meso-hydroxyheme3+ + H+
+ O
2 → verdoheme4+ + CO + H2O
verdoheme4+ + 7/2 NADPH + O
2+ 3/2 H+
 → biliverdin + Fe2+ + 7/2 NADP+
+ H
2O

이러한 반응의 전체 반응식은 다음과 같다.

Heme b3+ + 3O
2 + 9/2 NADPH + 7/2 H+
 → biliverdin + Fe2+ + CO + 9/2 NADP+
+ 3H
2O

헴이 처음에 2가 이온 상태인 경우, 반응은 다음과 같을 수 있다.

Heme b2+ + 3O2 + 4 NADPH + 4 H+ → biliverdin + Fe2+ + CO + 4 NADP+ + 3H2O
헴의 분해는 타박상의 치유 주기에서 볼 수 있는 세 가지 뚜렷한 크로모젠을 형성한다.

이 반응은 거의 모든 세포에서 발생한다. 이것에 대한 예는 멍의 형성으로, 점차적으로 치유됨에 따라 다른 크로모젠을 형성한다.[21]

유도체[편집]

헴 산소화효소 1은 중금속, 스타틴, 파클리탁셀, 시롤리무스, 프로부콜, 일산화 질소, 실데나필, 일산화 탄소, 일산화탄소 방출 분자, 포르피린을 포함한 수많은 분자에 의해 유도된다.[22]

헴 산소화효소의 식물 화학적 유도체는 커큐민, 레스베라트롤, 피케아탄올, 카페인산페네틸에스테르, 디메틸푸마르산, 푸마르산 에스테르, 플라보노이드, 칼코노이드, 빌로바, 안토시아닌, 플로로탄닌, 카르노솔, 오린 등을 포함한다.[22][23]

내인성 유도제는 리포신 및 에폭시에이코사트리엔산과 같은 지질, 아드레노메둘린 및 아폴리포 단백질과 같은 펩타이드, 헤민이 존재한다.[22]

같이 보기[편집]

각주[편집]

  1. ↑ “Heme oxygenase and heme degradation”. 《Biochem. Biophys. Res. Commun.》 338 (1): 558–567. 2005. doi:10.1016/j.bbrc.2005.08.020. PMID 16115609. 
  2. ↑ “Heme oxygenase-1/carbon monoxide: from basic science to therapeutic applications”. 《Physiological Reviews》 86 (2): 583–650. 2006. doi:10.1152/physrev.00011.2005. PMID 16601269. 
  3. ↑ “The therapeutic potential of carbon monoxide”. 《Nature Reviews. Drug Discovery》 9 (9): 728–743. 2010. doi:10.1038/nrd3228. PMID 20811383. 
  4. ↑ “Expression of heat shock protein 32 (hemoxygenase-1) in the normal and inflamed human stomach and colon: an immunohistochemical study”. 《Cell Stress & Chaperones》 8 (4): 329–334. 2003. doi:10.1379/1466-1268(2003)008<0329:eohsph>2.0.co;2. PMC 514904. PMID 15115285. 
  5. ↑ “Where is the Clinical Breakthrough of Heme Oxygenase-1 / Carbon Monoxide Therapeutics?”. 《Current Pharmaceutical Design》 24 (20): 2264–2282. 2018. doi:10.2174/1381612824666180723161811. PMID 30039755. 
  6. ↑ 〈Chapter 15: Sources, Sinks, and Measurement of Carbon Monoxide〉. 《Carbon Monoxide and Cardiovascular Functions》 2판. CRC Press. 2001. ISBN 978-0-8493-1041-6. 
  7. ↑ “Ubiquitin–proteasome system mediates heme oxygenase-1 degradation through endoplasmic reticulum-associated degradation pathway”. 《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research》 1783 (10): 1826–1834. 2008. doi:10.1016/j.bbamcr.2008.05.008. PMID 18544348. 
  8. ↑ 가 나 “Heme Oxygenase: Recent Advances in Understanding Its Regulation and Role”. 《Proceedings of the Association of American Physicians》 111 (5): 438–447. 1999. doi:10.1111/paa.1999.111.5.438. 
  9. ↑ https://medicalxpress.com/news/2018-11-enzyme-immune-cells-essential-role.html
  10. ↑ “Emerging promise of sulforaphane-mediated Nrf2 signaling cascade against neurological disorders”. 《Science of the Total Environment》 707: 135624. 2020. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.135624. PMID 31784171. 
  11. ↑ “A review on hemeoxygenase-2: focus on cellular protection and oxygen response”. 《Oxidative Medicine and Cellular Longevity》 2014 (1): 604981. 2014. doi:10.1155/2014/604981. PMC 4127239. PMID 25136403. 
  12. ↑ “Heme oxygenase and iron: from bacteria to humans”. 《Redox Report》 14 (3): 95–101. 2013. doi:10.1179/135100009X392584. PMID 19490750. 
  13. ↑ “Role of PUG1 in inducible porphyrin and heme transport in Saccharomyces cerevisiae”. 《Eukaryotic Cell》 7 (5): 859–871. 2008. doi:10.1128/EC.00414-07. PMC 2394968. PMID 18326586. 
  14. ↑ “Expression and characterization of a heme oxygenase (Hmu O) from Corynebacterium diphtheriae. Iron acquisition requires oxidative cleavage of the heme macrocycle”. 《The Journal of Biological Chemistry》 273 (2): 837–841. 1998. doi:10.1074/jbc.273.2.837. PMID 9422739. 
  15. ↑ “Escherichia coli heme oxygenase modulates host innate immune responses”. 《Microbiology and Immunology》 59 (8): 452–465. 2015. doi:10.1111/1348-0421.12282. PMC 4582649. PMID 26146866. 
  16. ↑ “Bacterial Heme Oxygenases”. 《Antioxidants & Redox Signaling》 6 (5): 825–834. 2004. doi:10.1089/ars.2004.6.825. PMID 15345142. 
  17. ↑ “Radical new paradigm for heme degradation in Escherichia coli O157:H7”. 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》 113 (43): 12138–12143. 2016. doi:10.1073/pnas.1603209113. PMC 5087033. PMID 27791000. 
  18. ↑ “Heme degradation by Staphylococcus aureus IsdG and IsdI liberates formaldehyde rather than carbon monoxide”. 《Biochemistry》 52 (18): 3025–3027. 2013. doi:10.1021/bi400382p. PMC 3672231. PMID 23600533. 
  19. ↑ “Role of Carbon Monoxide in Host-Gut Microbiome Communication”. 《Chemical Reviews》 120 (24): 13273–13311. December 2020. doi:10.1021/acs.chemrev.0c00586. PMID 33089988. 
  20. ↑ “Isoporphyrin intermediate in heme oxygenase catalysis. Oxidation of alpha-meso-phenylheme”. 《J. Biol. Chem.》 283 (28): 19530–19539. 2008. doi:10.1074/jbc.M709685200. PMC 2443647. PMID 18487208.  The reference does not give the exact stoichiometry of each reaction.
  21. ↑ Yoshida, Tadashi; Taiko Migita, Catharina (2000). “Focused Review Mechanism of heme degradation by heme oxygenase”. 《Journal of Inorganic Biochemistry》 82 (1–4): 33–41. doi:10.1016/S0162-0134(00)00156-2. PMID 11132636. 
  22. ↑ 가 나 다 “Inducers of heme oxygenase-1”. 《Current Pharmaceutical Design》 14 (5): 473–86. 2008. doi:10.2174/138161208783597399. PMID 18289074. 
  23. ↑ 〈Eat to Heal: Natural Inducers of the Heme Oxygenase-1 System.〉. 《Pharma-Nutrition》. AAPS Advances in the Pharmaceutical Sciences Series 12. Springer, Cham. 2014. 243–256쪽. doi:10.1007/978-3-319-06151-1_12. ISBN 978-3-319-06150-4. 
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