Understanding the factors governing the reaction specificity of lipoxygenases. A theoretical approach

Abstract

Las lipoxigenasas (LOXs) constituyen una familia de enzimas dioxigenasas con hierro no hémico, que catalizan la oxidación de ácidos grasos poliinsaturados generando derivados hidroperóxidos conjugados. En mamíferos el sustrato principal de las LOXs es el ácido araquidónico (AA), compuesto cuya hidroperoxidación da lugar al inicio de la ruta biosintética de compuestos de señalización lipídicos que son cruciales para la salud humana y están implicados en un número de patologías. Entre ellos se encuentran los leucotrienos (mediadores lipídicos proinflamatorios) y las lipoxinas (mediadores lipídicos antiinflamatorios), que están implicados en procesos de inflamación e inmunológicos considerados el origen de muchas enfermedades. Las diferentes LOXs de mamífero catalizan la oxidación regio- y estereoespecífica del AA, de tal forma que se clasifican como 5-, 8-, 12-, y 15-LOX de acuerdo con la posición específica de oxidación en el AA. La sutil similitud entre las estructuras de las diferentes isoenzimas y entre sus productos de oxidación dificulta el diseño de inhibidores específicos. Esta especificidad sería necesaria debido a la gran disparidad (a veces incluso produciendo efectos opuestos) que presentan en sus funciones biológicas. En la presente Tesis se ha investigado el mecanismo de reacción de tres isoformas diferentes de LOX (15-LOX-1, 5-LOX y 8R-LOX) para obtener información a nivel molecular de los sutiles factores que controlan la catálisis regio- y estereoespecífica de las LOXs. Esto se ha llevado a cabo combinando diferentes técnicas que constituyen el estado del arte del estudio teórico de sistemas biomoleculares, entre ellos el modelado por homología, simulaciones de docking y dinámica molecular, y cálculos de mecánica cuántica/mecánica molecular.

Lipoxygenases (LOXs) are a family of non-heme iron dioxygenases that catalyze the oxidation of polyunsaturated fatty acids producing conjugated hydroperoxy derivatives. In mammalians the main substrate of LOXs is arachidonic acid (AA), the hydroperoxidation of which initiates the biosynthesis of lipid signaling compounds that are crucial for human health and are implicated in a number of diseases. For instance, AA metabolites as leukotrienes (pro-inflammatory lipid mediators) and lipoxins (anti-inflammatory lipid mediators), are involved in the inflammatory and immunity processes which are supposed to be at the root of most illnesses. The different mammalian LOXs catalyze the regio- and stereospecific oxygenation of AA, in such a way that they are named as 5-, 8-, 12- and 15-LOX according to the specific oxidation position on AA. The subtle similarity among the structures of these isoenzymes and among their oxidized AA products makes difficult the design of specific inhibitors. This specificity would be required due to the huge disparity (sometimes producing opposite effects) of the biological functions they have. In the present Thesis the reaction mechanism of three different LOX isoforms (15-LOX-1, 5-LOX, and 8R-LOX) has been investigated to gain molecular insights into the subtle factors that control the regio- and stereospecific catalysis of LOXs. This has been carried out combining different techniques that constitute the-state-of-the-art of the theoretical study of biomolecular systems, among them homology modeling, docking and molecular dynamics simulations, and quantum mechanics/molecular mechanics calculations.