Tsüklooksügenaas

Tsüklooksügenaas (ensüümiklass EC 1.14.99.1) on süntaaside klassi kuuluva ensüümiperekonna liige, mis katalüüsib rakkudes prostaglandiinide teket arahhidoonhappest. Erialases kirjanduses kasutatakse tsüklooksügenaaside lühendina sageli COX, kuid seda tuleks eristada identsest lühendist, mis tähistab hingamisahela viimast staadiumit katalüüsivat mitokondriaalset ensüümi tsütokroom C oksüdaasi. Inimestes sisaldab tsüklooksügenaaside perekond kaks liiget (isosüümi), mida kodeerivad geenid PTGS1 ja PTGS2. Tsüklooksügenaase on leitud ka teistes loomades (lisaks keelikloomadele ka ainuõõssetes, molluskites ja kõhtjalgsetes), kuid selles artiklis keskendutakse allpool inimese ensüümidele.
Tsüklooksügenaaside ülesanded organismis on seotud nii konkreetse isosüümi kui koe kontekstiga, kus isosüüm toimib; olulist rolli mängib ka organismi tervislik seisund. Nii on PTGS2 ehk COX-2 tuntum oma rolli poolest põletikulise vastuse (sh valu ja palaviku) vahendamisel ning selle ekspressioon sageli käivitubki vastusena teatud stiimulitele põletiku kontekstis (tsütokiinidele). COX-2 taseme tõusu on tähendaltud ka mitmete vähkkasvajate korral, kus see on seotud vähi ravimiresistentsuse kujunemise ja metastaseerumisega. Samas on PTGS1 ehk COX-1 pigem püsivalt ekspresseeruv valk, mida leidub mitmes organis (sh ajus, hingamisteedes, seedeelundkonnas). Arvukad uuringud on näidanud PTGS1 olulisust näiteks vereliistakute agregeerumise ja veresoonte ahenemise käivitamisel ning ka mao limaskesta kaitsmisel maohappe toime eest (kuna PTGS1 vahendusel toodetud prostaglandiinid põhjustavad vesinikkarbonaadi eraldumist limaskesta rakkudest, mis toimib tugevalt happelises keskkonnas puhversüsteemina).
Ülesehitus ja katalüüsifunktsioon.
Rakkudes paiknevad tsüklooksügenaasid endoplasmaatilises retiikulumis ning tuumaümbrises. Inimese PTGS1 ja PTGS2 aminohappeline järjestus on identne veidi enam kui 60% ulatuses. Mõlemad isosüümid talitlevad homodimeerina, kusjuures iga alaühik sisaldab epidermaalse kasvufaktori sarnast domeeni, membraaniga seonduvat domeeni ning katalüütilist domeeni. Katalüütiline domeen sisaldab omakorda heemi ning kaks funktsionaalset tsentrit: üks toimib peroksüdaasina ning teine vahetult tsüklooksügenaasina.
Tsüklooksügenaasid katalüüsivad prostaglandiinide ja tromboksaanide tootmisahelas esimest etappi, mis ühtlasi limiteerib kogu sünteesiprotsessi kiirust. Reaktsiooni substraadina kasutatakse arahhidoonhapet, mille Michaelis-Menteni konstandi väärtus tsüklooksügenaaside suhtes on 5 μM suurusjärgus. Sellest tekib PTGS1 või PTGS2 tsüklooksügenaasse tsentri vahendusel kõigepealt keemiliselt ebastabiilne prostaglandiin G2, millest seejärel ensüümi peroksüdaasne tsenter valmistab prostaglandiini H2. Mõlemas reaktsioonis mängib keskset rolli ensüümi türosiinijääk, mis esineb radikaali vormis; täpne reaktsioonimehhanism on üsna keeruline, kuna mittekiraalsest substraadist tekib viie kiraalse tsentriga saadus, milles on neli uut keemilist sidet.
Prostaglandiinist H2 sünteesitakse teiste ensüümide poolt katalüüsitud reaktsioonide käigus nii teisi prostaglandiine kui tromboksaani A2. Need reaktsioonid ja tekkinud saaduste vahekord on eriti oluline vereliistakute talitluse seisukohalt. Näiteks prostaglandiin I2 põhjustab liistakutes adenülaadi tsüklaasi aktiivsuse kasvu ja seeläbi pidurdab liistakute agregeerumist, samas tromboksaan A2 põhjustab liistakutes sekundaarse virgatsainena käituva kaltsiumiiooni sisalduse tõusu ja seeläbi stimuleerib liistakute agregeerumist.
Roll ravimisihtmärgina.
Tsüklooksügenaase on enim kasutatud ravimite sihtmärkidena, lähtudes nende ensüümide rollist põletiku ja valu kontekstis. Nii PTGS1 kui PTGS2 inhibiitorid on kasutatavad kui mittesteroidsed põletikuvastased ravimid (erialakirjanduses kasutatakse sageli lühendit NSAID, inglise keeles "non-steroidal anti-inflammatory drugs"), vastandudes sünteetilistele glükokortikoididele (viimased mõjuvad geeniekspressiooni tasemel, pidurdades põletikuga seotud valkude tootmist ning stimuleerides põletikuvastaste interleukiinide tootmist). Kuna põletiku kontekstis käivitub just PTGS2 ekspresseerumine ning PTGS1 on samas oluline organismis vereliistakute ja mao limaskesta normaalseks toimimiseks, siis on pööratud tähelepanu just PTGS2-selektiivsete inhibiitorite arendamisele. Viimaste hulka kuuluvad näiteks rofekoksiib või meloksikaam; seevastu tuntumad ravimid nagu diklofenak, ibuprofeen või ketoprofeen inhibeerivad nii PTGS1 kui PTGS2. Samas on mõningad uuringud näidanud, et närvisüsteemi põletike kontekstis võib esmast põletikulist vastust vahendada siiski PTGS1, mistõttu on kaheldud, kui ratsionaalne on vaid PTGS2 inhibiitorite eelistamine ravimiarenduse poolt. Lisaks ei ole suudetud leida ühest korrelatsiooni NSAID-tüüpi ravimite kõrvaltoimete ja selektiivsuse määra vahel just PTGS2 ja mitte PTGS1 inhibeerimise kontekstis.
Aspiriini kohta on aga teada, et see eelistab sihtmärgina PTGS1, inhibeerides seejuures ensüümi pöördumatult: aspiriini atsetüülrühm liitub PTGS1 seriinijäägi (Ser530) külgahela hüdroksüülrühmaga ning takistab sel viisil arahhidoonhappe seondumist ensüümiga. Kuigi analoogse seriinijäägi atsetüülimine võib toimuda ka PTGS2 kontekstis, jääb viimane siiski katalüütiliselt aktiivseks, kuigi arahhidoonhappest moodustub aspiriini juuresolekul siis eelistatult teine saadus (mitte prostaglandiin G2).
Seoses NSAID-tüüpi ravimite üsna laia tarbimisega ühiskonnas ning PTGS2 kõrgenenud tasemega mitmetes vähkkasvajates on tehtud populatsiooniuuringuid, kas ibuprofeeni või aspiriini pikaajalisem tarbimine on seotud vähipatsiendi seisukohalt parema prognoosiga või mitte. Uuringute tulemused on olnud vastakad, näidates soodsat prognoosi mõningate paikmete puhul (sh maovähk), kuid pigem ebasoodsat prognoosi teiste paikmete puhul. Samas on "in vitro" uuringud näidanud, et NSAID-tüüpi ühendite pidurdav toime vähirakkudele ei pruugi tuleneda (ainult) tsüklooksügenaaside inhibeerimisest, mis raskendab veelgi populatsiooniuuringute tõlgendamist.