Homodimer 4-hidroksifenilpiruvat dioksigenaze. Crvena traka predstavlja katalitski domen koji sadrži gvožđe (s Fe 2+ predstavljeno kao crveno-narandžaste sfere); plava predstavlja oligomerni domen. Slika generirana iz objavljenih strukturnih podataka[1]}
Reakcija pretvorbe 4-hidroksifenilpiruvata u homogentisat pomoću HPPD-a.
Enzimski mehanizam
HPPD je kategoriziran unutar klase enzima oksigenaze koji za oksigeniranje ili oksidaciju ciljne molekule obično koriste α-ketoglutarat i dvoatomski kisik.[5] Međutim, HPPD se razlikuje od većine molekula u ovoj klasi zbog činjenice da ne koristi α-ketoglutarat, a koristi samo dvije podloge dodajući oba atoma dvoatomskog kisika u proizvod, homogeniziran.[6] Reakcija HPPD odvija se putem NIH pomaka i uključuje oksidativnu dekarboksilaciju α-okso kiseline kao i hidroksilacijuaromatskog prstena. NIH-pomak, koji je dokazan studijama označavanja izotopa, uključuje migraciju alkilne grupe u stabilniju karbokaciju. Pomak objašnjava zapažanje da je C3 vezan za C4 u 4-hidroksifenilpiruvatu, ali za C5 u homogentisatu. Predviđeni mehanizam HPPD -a može se vidjeti na sljedećoj slici:
Predloženi mehanizam reakcije HPPD
Struktura
HPPD je enzim koji se obično veže za stvaranje tetramera u bakterijama i dimera u eukariotima i ima masu podjedinice od 40-50 kDa.[7][8][9] Podjelom enzima na N– i C-kraj primijeti se da N-kraj varira u sastavu, dok C-kraj ostaje relativno konstantan [10] (C-kraj u biljkama se neznatno razlikuje od C-kraja u drugim bićima). Godine 1999. stvorena je prva X-zračna krisrtalografska struktura HPPD-a [11] i od tada je otkriveno da je aktivno mjesto HPPD-a u potpunosti sastavljeno od aminokiselinskih ostaka u blizini C-kraja enzima. Aktivno mjesto HPPD-a nije u potpunosti mapirano, ali poznato je da se mjesto sastoji od gvožđevogiona okruženog aminokiselinama, koje se protežu prema unutra iz beta listova (s izuzetkom C-terminalne spirale) ). Iako se o funkciji N-kraja enzima zna još manje, otkriveno je da jedna promjena aminokiselina u N-terminalnoj regiji može uzrokovati bolest poznatu kao havkinsinurija.[12]
Funkcija
U gotovo svim aerobnim bićima, 4-hidroksifenilpiruvat dioksigenaza odgovorna je za pretvaranje 4-hidroksifenilpiruvata u homogentizat.[13] Ova konverzija je jedan od mnogih koraka u razbijanju L-tirozina u acetoacetat i fumarat.[14] Dok se ukupni proizvodi ovog ciklusa koriste za stvaranje energije, biljke i eukarioti višeg reda koriste HPPD iz mnogo važnijih razloga. U eukariota, HPPD se koristi za regulaciju razine tirozina u krvi, a biljke koriste ovaj enzim za proizvodnju kofaktora plastokinona i tokoferol koji su neophodni za opstanak biljke.[15]
Klinički značaj
HPPD se može povezati s jednim od najstarijih poznatih nasljednih metaboličkih poremećaja poznatom kao alkaptonurija, koja je uzrokovana visokim razinama homogenzizata u krvotoku.[16] HPPD je također diraktno vezan za tirozinemiju tip III[17] Kada je koncentracija aktivnog HPPD enzima niska u ljudskom tijelu, to rezultira visokim razinama koncentracije tirozina u krvi, što može uzrokovati blagu mentalnu retardaciju pri rođenju i degradaciju vida kako pacijent stari.[18]
Tirozinemija tip I, posljedica je mutacije različitog enzima, fumarilacetoacetat-hidrolaza; mutirao i ne djeluje, što dovodi do stvaranja vrlo štetnih proizvoda u tijelu.[19] Fumarilacetoacetat-hidrolaza djeluje na tirozin nakon HPPD-a, pa oni koji rade na stvaranju herbicida u klasi inhibitori HPPD pretpostavili da bi inhibicija HPPD-a i kontrola tirozina u prehrani mogli liječiti ovu bolest. Pokušano je niz malih kliničkih ispitivanja s jednim od njihovih spojeva, nitisinonom koja su bila uspješna, što je dovelo do toga da je nitisinon plasirsan na tržište kao lijek za siročad.[20][21]
Industrijski značaj
Zbog uloge HPPD-a u proizvodnji potrebnih kofaktora u biljkama, na tržištu se nalazi nekoliko inhibitora HPPD, herbicidi koji blokiraju aktivnost ovog enzima, a u toku su istraživanja kako bi se pronašli novi.[22]
^Gunsior M, Ravel J, Challis GL, Townsend CA (Jan 2004). "Engineering p-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase to a p-hydroxymandelate synthase and evidence for the proposed benzene oxide intermediate in homogentisate formation". Biochemistry. 43 (3): 663–74. doi:10.1021/bi035762w. PMID14730970.
^Hausinger RP (2004). "FeII/alpha-ketoglutarate-dependent hydroxylases and related enzymes". Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology. 39 (1): 21–68. doi:10.1080/10409230490440541. PMID15121720. S2CID85784668.
^Tomoeda K, Awata H, Matsuura T, Matsuda I, Ploechl E, Milovac T, Boneh A, Scott CR, Danks DM, Endo F (Nov 2000). "Mutations in the 4-hydroxyphenylpyruvic acid dioxygenase gene are responsible for tyrosinemia type III and hawkinsinuria". Molecular Genetics and Metabolism. 71 (3): 506–10. doi:10.1006/mgme.2000.3085. PMID11073718.
^Tomoeda K, Awata H, Matsuura T, Matsuda I, Ploechl E, Milovac T, Boneh A, Scott CR, Danks DM, Endo F (Nov 2000). "Mutations in the 4-hydroxyphenylpyruvic acid dioxygenase gene are responsible for tyrosinemia type III and hawkinsinuria". Molecular Genetics and Metabolism. 71 (3): 506–10. doi:10.1006/mgme.2000.3085. PMID11073718.
^Hühn R, Stoermer H, Klingele B, Bausch E, Fois A, Farnetani M, Di Rocco M, Boué J, Kirk JM, Coleman R, Scherer G (Mar 1998). "Novel and recurrent tyrosine aminotransferase gene mutations in tyrosinemia type II". Human Genetics. 102 (3): 305–13. doi:10.1007/s004390050696. PMID9544843. S2CID19425434.
^Lock EA, Ellis MK, Gaskin P, Robinson M, Auton TR, Provan WM, Smith LL, Prisbylla MP, Mutter LC, Lee DL (Aug 1998). "From toxicological problem to therapeutic use: the discovery of the mode of action of 2-(2-nitro-4-trifluoromethylbenzoyl)-1,3-cyclohexanedione (NTBC), its toxicology and development as a drug". Journal of Inherited Metabolic Disease. 21 (5): 498–506. doi:10.1023/A:1005458703363. PMID9728330. S2CID6717818.
^van Almsick A (2009). "New HPPD-Inhibitors - A Proven Mode of Action as a New Hope to Solve Current Weed Problems". Outlooks on Pest Management. 20 (1): 27–30. doi:10.1564/20feb09.
Dopunska literatura
Saito I, Chujo Y, Shimazu H, Yamane M, Matsuura T (Sep 1975). "Nonenzymic oxidation of p-hydroxyphenylpyruvic acid with singlet oxygen to homogentisic acid. A model for the action of p-hydroxyphenylpyruvate hydroxylase". Journal of the American Chemical Society. 97 (18): 5272–7. doi:10.1021/ja00851a042. PMID1165361.
Wada GH, Fellman JH, Fujita TS, Roth ES (Sep 1975). "Purification and properties of avian liver p-hydroxyphenylpyruvate hydroxylase". The Journal of Biological Chemistry. 250 (17): 6720–6. PMID1158879.
Johnson-Winters K, Purpero VM, Kavana M, Nelson T, Moran GR (Feb 2003). "(4-Hydroxyphenyl)pyruvate dioxygenase from Streptomyces avermitilis: the basis for ordered substrate addition". Biochemistry. 42 (7): 2072–80. doi:10.1021/bi026499m. PMID12590595.
