Ossido nitrico sintasi

L’ossido nitrico sintasi (NOS) sono un gruppo di enzimi appartenenti alla classe delle ossidoreduttasi responsabili dell’ossidazione catalitica della L-arginina in presenza di nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH) e ossigeno molecolare a L-citrullina e monossido di azoto noto come ossido nitrico.

L’ossido nitrico sintasi esiste in tre forme dette NOS1, NOS2, NOS3, ciascuna codificata da un gene diverso che differiscono sia nella loro struttura che nella loro funzione. Le tre isoforme di ossido nitrico sintasi sono caratterizzate da regioni di elevata omologia, vale a dire i domini ossigenasi e reduttasi, ma allo stesso tempo ogni isoforma esibisce caratteristiche distintive che riflettono le loro specifiche funzioni in vivo.

La NOS endoteliale o NOS3 e la NOS neuronale o NOS1 sono generalmente definite enzimi costitutivamente espressi, dipendenti da Ca ²⁺, sebbene la NOS3 possa anche essere attivata in modo indipendente dallo ione calcio. L’ossido nitrico sintasi inducibile o NOS2  è espressa ad alti livelli solo dopo induzione da parte di citochine o altri agenti infiammatori e la sua attività è indipendente da un aumento dello ione calcio.

Struttura dell’ossido nitrico sintasi

Le tre isoforme hanno una struttura simile tra loro e si presentano sotto forma dimerica e costituite da due subunità identiche. Le ossido nitrico sintasi contengono flavina mononucleotide (FMN), flavina adenina dinucleotide (FAD), eme e tetraidrobiopterina.

Il sito di legame della tetraidrobiopterina è posizionato vicino all’eme per facilitare la loro interazione. Il sito di legame della tetraidrobiopterina è formato da residui in entrambe le subunità all’interfaccia in cui le subunità si associano; l’anello di pterina è inserito tra un residuo di triptofano da una subunità e una fenilalanina dall’altra. Nel sito dell’eme, gli elettroni vengono utilizzati per ridurre e attivare l’ossigeno molecolare e per ossidare la L-arginina a L -citrullina e ossido nitrico

Ciascuno dei monomeri ha tre domini: il dominio reduttasi, il dominio ossigenasi e il dominio legante la calmodulina, piccola proteina composta di due domini globulari collegati da un connettore flessibile modulata dal calcio.

Dominio reduttasi

Il dominio reduttasi è costituito da siti di legame per flavin mononucleotide, flavina adenina dinucleotide  e  nicotinammide adenina dinucleotide, mentre il dominio ossigenasi è responsabile del legame con la tetraidrobiopterina che ha un ruolo essenziale nella sintesi di amminoacidi aromatici, neurotrasmettitori e ossido nitrico.

Il compito del dominio reduttasi, all’interno del quale FMN e FAD svolgono il ruolo di gruppi funzionali, è quello di trasportare elettroni dal NADPH al dominio ossigenasi della subunità opposta. A sua volta, il legame con la calmodulina è necessario per mantenere l’attività di ciascuna delle isoforme dell’ossido nitrico sintasi.

I domini della reduttasi C -terminale e dell’ossigenasi N -terminale sono collegati tra loro al centro della proteina tramite un dominio legante la calmodulina. Il legame della calmodulina agisce come un interruttore molecolare che consente il flusso di elettroni dai gruppi prostetici flavinici nel dominio dell’ossigenasi all’eme nel dominio della reduttasi. Ciò facilita la conversione dell’ossigeno molecolare e L -arginina in ossido nitrico e L -citrullina.

Reazione

Tutte le isoforme dell’ ossido nitrico sintasi utilizzano la  L-arginina e l’ossigeno per generare L-citrullina e ossido nitrico. Tetraidrobiopterina, nicotinammide adenina dinucleotide, flavina adenina dinucleotide , flavina mononucleotide, ione calcio, calmodulina ed eme sono tutti cofattori dell’ ossido nitrico sintasi.

La sintesi di NO avviene in due fasi. Nella prima fase l’enzima catalizza l’ossidazione dell’ L -arginina a N ^ω -idrossi- L-arginina che rimane legata all’enzima. Nella seconda fase si verifica l’ossidazione di tale intermedio a L -citrullina e ossido nitrico.

L’ossido nitrico è un gas e un composto altamente tossico. A causa della sua tossicità, della sua breve emivita e della sua diffusibilità, esso serve al sistema immunitario dei mammiferi come killer di intrusi estranei e cellule tumorali oltre a costituire un segnale cellulare attraverso la sua stimolazione della sintesi di cGMP.

Le rapide reazioni dell’ossido nitrico con i radicali liberi hanno dimostrato di essere percorsi significativi per la formazione di specie reattive dell’azoto e la più nota di queste è la reazione con perossido  per produrre il perossinitrito.

Quest’ultimo è chimicamente instabile in condizioni fisiologiche con conseguente formazione di nitrato tramite isomerizzazione. Poiché il nitrato è essenzialmente biochimicamente inerte nelle cellule dei mammiferi, questa reazione ha dimostrato di essere un metodo eccellente per eliminare e neutralizzare le specie reattive dell’ossigeno.

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