Lipides
Acides gras
Oxylipines : prostanoïdes
Cyclooxygénases (COX)

Les COX font partie des trois voies enzymatiques principales sont impliquées dans la formation des eicosanoïdes, les deux autres étant (The Biosynthesis of Enzymatically Oxidized Lipids 2020) :

• les lipoxygénases (LOX),
• les époxygénases de la famille du cytochrome P-450 (CYP).

Vue d'ensemble des hème peroxydases

Les cyclooxygénases (COX) transforment l'acide arachidonique en prostaglandines (Cyclooxygénases: Structural, Cellular, and Molecular Biology 2000).

1. Les deux cyclooxygénases (EC 1.14.99.1), ou prostaglandine-endoperoxyde synthase (PTGS), sont des enzymes possédant à la fois des activités oxygénase et peroxydase.

Elles catalysent les deux premières étapes engagées dans la synthèse des prostanoïdes à partir de précurseurs de l'acide arachidonique, 20:4(Δ^5,8,11,14) ou 20:4(n-6) pour produire la prostaglandine H2 (PGH₂).

2. Les COX font partie d'une superfamille appelée hème peroxydases qui comprend quatre superfamilles :

• les peroxidase-cyclooxygénases, appelées anciennement animal heme-dependent peroxidases, dont les COX font partie,
• les peroxidase-chlorite dismutases (Mechanism of reaction of chlorite with mammalian heme peroxidases 2014),

$\ce{Cl- + H+ + H2O2}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{ClOH + H2O}$

• 

  les peroxidase-peroxygénases (Specific oxyfunctionalisations catalysed by peroxygenases: opportunities, challenges and solutions 2015)

$\ce{RH + H2O2}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{ROH- + H2O}$

• les peroxidase-catalases (Mutual synergy between catalase and peroxidase activities of the bifunctional enzyme KatG is facilitated by electron hole-hopping within the enzyme 2017)

$\ce{Donneur (AH2) + H2O2}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{Donneur oxydé (AH) + 2H2O}$

$\ce{H2O2}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{O2 + H2O}$

Les hème peroxydases utilisent l'hème b ou hème modifié post-traductionnellement comme cofacteur rédox pour catalyser l'oxydation à un et deux électrons, pilotée par le peroxyde d'hydrogène $\ce{H2O2}$ de très nombreuses molécules :

• molécules aromatiques, i.e. tyrosine par exemple,
• cations, i.e. Mn⁺⁺,
• anions, i.e. ascorbate ou halogénures (halide en anglais) comme le chlore,
• ou même protéines, i.e. cytochrome c.

Structures des COX

1. Les deux cyclooxygénases, sous forme homodimérique, 576 résidus pour COX-1 et 581 pour COX-2, se composent de trois domaines (Three-dimensional structure of human cyclooxygenase (hCOX)-1 2021).

• un domaine de type facteur de croissance épidermique (EGF), situé à l'interface du dimère qui peut faciliter la dimérisation, et peut-être une liaison membranaire,
• un domaine de liaison membranaire à quatre hélices α amphipathiques qui s'insèrent dans une face de la bicouche,
• un domaine catalytique qui contient les sites oxygénase et peroxydase séparés sur les côtés opposés de l'hème (groupe prosthétique).

2. Il semble qu'un monomère est catalytique tandis que l'autre est un régulateur allostérique, i.e. structure quaternaire nécessaire à l'activité enzymatique.

3. Les monomères sont N-glycosylés par trois oligosaccharides à mannose sur l'asparagine (Asn ou N), facilitant leur bon repliement.

Un quatrième est présent sur COX-2 pour contrôler son trafic entre le réticulum endoplasmique (RE) et l'appareil de Golgi et réguler sa dégradation.

Réactions catalytiques des COX

Dans le cas des deux cyclooxygénases (EC 1.14.99.1), la réaction globale permet le transfert de 2 électrons (Cyclooxygenases: structural and functional insight 2009) :

$\ce{Arachidonate + AH2+ 2O2}$ $\leftrightharpoons$ $\ce{Prostaglandine H2+ A + H20}$

Les deux réactions se produisent sur des sites distincts, mais fonctionnellement interconnectés (Computational Structure-Based De Novo Design of Hypothetical Inhibitors against the Anti- Inflammatory Target COX-2 2015).

1. L'activité cyclooxygénase forme un endoperoxide, la prostaglandine G₂ ou PGG₂ (Prostaglandin H Synthase-2-catalyzed Oxygenation of 2-Arachidonoylglycerol Is More Sensitive to Peroxide Tone than Oxygenation of Arachidonic Acid 2021).

a. COX-1 extrait l'hydrogène 13 de l'acide arachidonique et initie la réaction de cyclooxygénase par formation d'un radical centré sur le carbone en C-11.

• L'attaque de l'oxygène moléculaire en C-11 conduit forme un endoperoxyde bicyclique et un autre radical centré sur le carbone en C-15.
• Le radical en C-15 réagit avec une autre molécule d'oxygène pour former un hydroperoxyde, qui est réduit pour former PGG₂.

b. Cette réaction cyclooxygénase se produit dans un canal hydrophobe dans le cœur de l'enzyme et est dépendante de la réaction peroxydase pour subir l'oxydation à deux électrons.

• En effet, l’hème contenu dans le site peroxydase permet d’activer la tyrosine 385 pour la COX-1 ou la tyrosine 371 pour la COX-2 afin de produire un radical tyrosyle.
• Le radical est alors bien placé pour capturer l'hydrogène de C-13.

2. L'activité peroxydase est obtenue par la diffusion de PGG₂ qui est réduite, sur ce site, en prostaglandine H₂ (PGH₂).

Le site actif contenant l'hème est situé près de la surface des protéines et peut fonctionner indépendamment de la cyclooxygénase, par exemple lorsque le site de la cyclooxygénase est occupé par un AINS (Anti-Inflammatoire Non Stéroïdien), comme l'aspirine, l'ibuprofène… (Molecular Basis of Binding Interactions of NSAIDs and Computer-Aided Drug Design Approaches in the Pursuit of the Development of Cyclooxygenase-2 (COX-2) Selective Inhibitors 2017).

3. L’étape finale est la régénération du radical tyrosyle dans chaque site catalytique, i.e. l’étape d’activation de l’enzyme ne se répète pas à chaque tour.

Différences entre les COX

1. Toutefois, les deux COX présentent des différences et ont des rôles fonctionnels distincts encore mal compris aujourd'hui.

a. Elles sont produites par des gènes distincts, sur le chromosome 9 pour COX-1 et sur le chromosome 1 pour COX-2.

b. Au niveau de leur structure à homologie élevée, COX-2 possède une poche plus grande au niveau du site actif en raison d'une substitution isoleucine-valine, ce qui lui permet d'utiliser, outre l'acide arachidonique, d'autres acides gras comme les acides dihomo-γ-linolénique et eicosapentaénoïque.

c. Si les deux COX sont localisées sur le côté luminal de la bicouche du réticulum endoplasmique (RE) et sur les membranes nucléaires interne et externe, COX-2 se retrouve aussi sur l'appareil de Golgi et dans les lignées cellulaires cancéreuses.

d. Leur couplage aux enzymes en amont et en aval est aussi différent.

2. La cyclooxygénase-1 (COX-1) ou PGHS-1 (ProstaGlandin endoperoxide H Synthases-1) est toujours présente dans tous les tissus pour produire les prostaglandines (PG) qui maintiennent l'homéostasie.

Dans les reins, l'estomac, l'endothélium vasculaire et surtout les plaquettes sanguines, la COX-1 est exprimée à des concentrations plus élevées pour fournir des précurseurs à la synthèse des thromboxanes.

3. La cyclooxygénase-2 (COX-2) ou PGHS-2 (ProstaGlandin endoperoxide H Synthases-2) est une enzyme inductible, mais présente constitutivement dans les poumons, les reins et le cerveau, i.e. neurones et glie radiale, i.e. cellules souches des neurones uniquement.

a. Elle s'exprime sous le contrôle du facteur de transcription pro-inflammatoire NF-κB en réponse à un large éventail de stimuli extracellulaires et intracellulaires, i.e. lipopolysaccharides bactériens, hormones, cytokines, facteurs de croissance et promoteurs tumoraux… qui sont des molécules de signalisation via les récepteurs liés aux protéines G à la surface des cellules

• COX-2 est la forme de l'enzyme impliquée dans les états inflammatoires les plus graves, notamment le cancer, la polyarthrite rhumatoïde, la maladie d'Alzheimer et les troubles respiratoires
• La COX-2 fournit le substrat de synthèse de la prostacycline, qui s'oppose aux actions des thromboxanes.

b. L'induction de l'expression de la COX-2 est régulée par la sphingosine-1-phosphate, un sphingolipide clé.

Remarque : la cyclooxygénase-3 (COX-3) est une enzyme codée par le gène PTGS1 (COX1), mais qui conserve un intron et qui ne serait pas fonctionnelle chez l'homme.

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