Oksygenaser er oksidative reaksjoner hvor ett eller begge oksygenatomene i oksygen blir inkorporert i produktet i reaksjonen.
Dioksygenaser
I nedbrytning av femringen i aminosyren tryptofan er det en tryptofan-2,3-dioksygenase som overfører de to atomene i oksygen, og det dannes N-formylkunurenin.
Syklooksygenaser
Syklooksygenaser er dioksygenaser som deltar i omsetning av umettetede fettsyrer. Hos planter i biosyntesen av signalstoffet jasmonat fra den umettede fettsyren linolensyre (C18:3).
Hos dyr deltar sykooksygenase (COX) i omsetning av arakidonsyre, en C20 polyummet fettsyre med fire karbon-karbon dobbeltbindinger (C20:4(Δ5,8,11,14), og som deltar i biosyntesen av eikosanoider fra C20 og C22 polyumettede fettsyrer (prostaglandiner, thromoxaner og leukotriener). Eikosanoider er viktige signaler og kommunikasjonsmolekyler i metabolismen hos pattedyr.
Prostaglandiner og syklooksygenase
Enzymet fosfolipase A2 frigir arakidonsyre (arakidonat, eikosatetraenoat) fra fosfolipider i cellemembranen. Syklooksygenase (prostaglandin H2 syntase) omdanner arakidonsyre til prostaglandin G2 hvor det dannes en sysklisk femkarbonring i molekylet ("syklisk" biosyntesevei)
arakidonsyre + O2 ⇒ prostaglandin G2
Pattedyr har to isoenzymer av prostaglandin H2 syntase, COX1 som lager prostaglandiner som deltar i utskillelse av mucin i magetarmsystemet og COX2 som lager prostaglandiner som regulerer betennelse, feber og smerte. Mucin er etstort glykoprotein som beskytter magetarmsystemet mot syre, proteaser, patogene mikroorganismer og mekaniske skader.
Neste trinn er en peroksidase som danner prostaglandin-H2 som er forkomponent til to biosynteseveier som leder til henholdsvis prostaglandiner og tromboksaner.
Legemidlene aspirin (acetyl-salicylsyre), ibuprofen og naproxen er COX-hemmere. som hemmer enzymaktiviteten til syklooksygaser. Acetylsalicylsyre inaktiverer både aktiviteten COX 1 og COX2 ved å acetylere aminosyren serin i proteinet. Serin inneholder en hydroksylgruppe og det er denne som blir påhektet en acetylgruppe, og som blokkerer enzymaktiviteten. Siden både COX1 og COX2 blir hemmet påvirker acetyl-salicylsyre også magen ved å redusere mengden mucin. Salicylsyre ble først isolert fra planten mjødurt (Filipendula ulmaria syn. Spiraea ulmaria), og ble kalt spirsaüre. Siden dette er stoffer som hemmer betennelse uten å være steroider blir de kalt ikkesterioid antinflammatoriske (NSAID - non-steroid antiinflammatory drug). Den farmasøytiske industrien forsøkte å utvikle mer spesifikke COX2-hommere med navn som Vioxx, Bextra og Celebrex, men disse hadde flere uheldige bivikrninger.
Thromoksaner og syklooksygenase
Thromboksaner (tromboksaner) deltar i levring av blod. I blodplatene blir prostaglandinH2 omsatt til thromboksan A2 katalysert av enzymet thromboksan syntase. Thromboksaner gir aggregering av blodplater og sammentrekning av blodårer, og siden thromboksaner har syntesevei felles med prostaglandiner så vil acetyl-salicylsyre også redusere mengden thromboksaner. Kan således redusere sannsynligheten for blodpropp og slag.
Leukotriener og lipoksygenase
Lipoksygenaser er en gruppe enzymer som katalyserer dioksygenering av umettede fettsyrer, og er således dioksygenaser. Lipoksygenaser inneholder jern, men ikke i form av hem. Lipoksygenaser blir også kalt mikset funksjon oksygenase (MFO)
Polyumettet fettsyre + O2 ⇒ fettsyrehydroperoksid
I planter finnes lipoksygenaser i cytoplasma og kloroplaster. Lipoksydering av den umettede fettsyren linolensyre (C18:3) danner et hydroperoksid som videre blir spaltet i to molekyler katalysert av hydroperoksid lyase. Dette er starten på en reaksjonskaskade som gir opphav til en rekke stoffer inkludert oksylipiner og "grønn lukt" når plantevev skades. Et av endeproduktene er gassen etan.
Via peroksideringen av fettsyrer blir det laget signalmolekyler som virker innad i cellen (autokrint), i nærliggende celler (parakrint) eller til resten av kroppen (endokrint, endokrinologi).
Leukotriener er signalstoffer som blir laget fra fra den polyumettede C:4-fettsyren arakidonsyre, men til forskjell fra syklooksygenase deltar lipoksgenase, en dioksygenase, i omsetningen av arakidonsyre. Leukotriener er eikosanoider som deltar i betennelsesprosesser og blir laget i hvite blodlegemer (leukocytter). Første enzymtrinn er arakidonat-5-lipoksygenase (ALOX5) gir hydroperoksider av type.
ALOX5: arakidonat ⇒ 5-hydroperoksyeikosatetraenoat
Det finnes også arakidonat-12-lipoksygenase.
ALOX12: arakidonat ⇒ 12-hydroperoksyeikosatetraenoat
Hvorav begge fettsyreperoksidene kan via fler enzymatiske trinn bli omdannet til forskjellige typer leukotriener.
Lipoksygenaser kan bruke både omega-3 og omega-6-fettsyrer som substrat, med varierende substratspesifisitet. Lipoksygenaser inneholder konserverte sekvenser med 6 histidin, en aminosyre som deltar bl.a. i binding av jern og zink som er viktig for enzymaktiviteten.
Umettede fettsyrer som substrat for syklooksygenase og lipoksygenase
Linoleat (linolsyre) er en C18 umettet fettsyre med to dobbeltbindinger (C18:2 (Δ9,12)) og er en omega-6-fettsyre (ω-6), og sammen med alfa-linolensyre (α-linolensyre (C18:3 (Δ9,12,15)) (Δ angir ved hvilke karbonatomer man finner karbon-karbon dobbeltbindinger, -C=C-)) som er en omega-3-fettsyre (ω-3) , er dette essensielle fettsyrer som man må få tilført direkte eller indirekte via planter. I omega-6-fettsyrer er det 6 karbonatomer fra enden av fettsyren til første karbon-karbon-dobbeltbinding, mens i omega-3-fettsyrer er det 3 karbonatomer fra enden ( ω-enden) før man kommer fram til første karbon-karbon dobbeltbinding. Den andre enden av fettsyren , alfaenden (α) med en syregruppe danner vanligvis en esterbinding med en av de tre hydroksylgruppene i glycerol og danner fett.
Fettsyre acyl-CoA desaturase katalyserer en reaksjon koblet til elektrontransport via cytokrom b5, cytokrom b5- reduktase, FAD og NADPH, og er oksidaser (ikke oksygenaser):
Mettet fettsyre acyl-CoA (-CH2-CH2-) (cytokrom b5 (Fe2+-Fe3+), -FAD-FADH2, NADPH + H+-NADP+) ⇒ monoumettet fettsyre-Co (-CH=CH-)
I planter benyttes ferredoksin som elektronkilde når den mettede fettsyren stearat (stearinsyre C18:0) blir omdannet til den enumettede oleat (oljesyre, C18:1 (Δ9) katalysert av stearoyl-ACP desaturase i fettsyresyntese. Hos dyr har man funnet koblinger mellom stearoyl-ACP desaturase, fedme og insulinresistens. Imidler tid er det bare planter som kan avmette bindinger ved Δ12 og Δ15, hvor de er lokalisert på endoplasmatisk retikulum og kloroplaster. Derfor kan ikke pattedyr lage fettsyrene omega-6-fettsyren linoleat (C18:2 (Δ9,12)) og omega-3-fettsyren α-linoleat (C18:3 (Δ9,12,15)).
Etter å ha spist med linoleat (C18:2) kan den bli videre omsatt i vår kropp via desaturase, kjedeforlengelse og ny desaturase til arakidonsyre.
Lineoleat (C18:2 (Δ9,12)) omdannes av en dsaturase til gamma-linoleat (γ-lineoleat C18:3 (Δ6,9,12)) som kjedeforlenges til eikosatrienoat (C20:3 (Δ8,11,14)), etterfulgt av en desaturase som gir arakidonsyre (arakidonat (C20:4 (Δ5,8,11,14))., og som er en omega-6 fettsyre.
Planteplankton i havet kan foreta ytterliger kjedeforlengelse og avmetning av fettsyrer. Planteplankton blir i den videre næringskjeden spist av zooplankton, som som igjen blir spist av fisk. Plantelplankton kan omdanne essiensielle alfa-linolensyre (C18:3 (Δ9,12,15) (det er bare planter som kan avmette linoelat til alfalinoleat) gjennom flere enzymatiske trinn med kjedeforlengelse og avmetning i en biosyntesevei som leder fram til omega-3-fettsyrene eikosapentaenoat (EPA , C20:5 (Δ5,8,11,14,17), og videre til dokosaheksaenoat (DHA, C22:6 (Δ4,7,10,13,16,19). Noen fiskearter som lakefisk, sild og makrell lagrer fettet i musklene, mens torsk lagrer det meste av fettet i leveren. Fet fisk er en viktig kilde til umettede fettsyrer i kostholdet hos mennesker. Fisk lever i kaldt vann og det er behov for å ha fett som holder seg flytende ved lav temperatur. Til forskjell fra sjøpattedyr som bruker fett (spekk) til isolasjon. Det er også planteplankton via krepsdyr e.g. rauåte som overfører karotenoider til laksefisk med rødfartet astaxanthin. DHA kan via 12-lipoksygenase omdannes til maresiner som deltar i betennelsesreaksjoner koblet til makrofager i immunsystemet. Både EPA og DHA kan bli omdannet til resolviner. Avmetning av fettsyrer er katalysert mikset funksjon oksidaser, en type monooksygenaser kalt fettsyre acyl-CoA desaturase.
Det er et meget komplekst samspill mellom signalstoffer produsert fra umettede fettsyrer hos pattedyr, noen virker betennelseshemmende, mens noen øker betennelsesreaksjonen, og omfatter interaksjoner mellom prostaglandiner, tromboksaner, leukotriener, samt spresialiserte proresolverende mediatorer (SPM) som maresiner, protektiner og resolviner.
Monooksygenaser
Monooksygenaser trenger to substrater og overfører det ene av de to oksygenatomene til et substrat og det andre oksygenatomet blir redusert til vann. For de to substratet AH og og kosbustratet BH2 katalyserer monooksygenase fødlgende reaksjoner:
AH + BH2 + O2 ⇒ A-OH + B + H2O
Monooksygenaser kalles også mikset funksjon oksidaser (MFO) siden de bruker to substrater.
En vanlig og viktig type monooksygenaser er cytokrom P450 monooksygenaser. , mer eller mindre substratspesifikke.
Det er forskjellige typer monooksygenaser avhengig av substrat. Eksempler på kosubstrater er nikotimanid adenin dinukleotid i redusert form (NADH) , nikotimanid adenin dinukleotidforsfat (NADPH), flaviner som redusert flavin mononukleotid (FMNH2) og redusert FAD (FADH2) eller 2-oksoglutarat.
Enzymet fenylalanin hydroksylase er en monooksygenase som hydroksylerer den aromatiske aminosyren fenylalanin og danner aminosyren tyrosin:
fenylalanin + O2 + NADH + tetrahydrobiopterin ⇒ tyrosin + NAD+ + H2O
Ved feil i dette enzymet kan ikke kroppen omsette aminosyren fenylalanin (Föllings sykdom).
Lyttisk polysakkarid monooksygenase (LPMO) er en type kobber-enzymer som skilles ut fra sopp og noen bakterier, og som deltar i nedbrytning av biopolymerer som cellulose eller kitin. Slike enzymer har stor betydning i nedbrytning av biomasse.