Haaroittuneiden α-ketohappojen dehydrogenaasikompleksi

Haaraketjuinen α - ketohappodehydrogenaasikompleksi ( lyhennetty BCKDC  tai BCKDH- kompleksi ) on monientsyymikompleksi , joka sijaitsee mitokondrioiden sisäkalvolla [1] . Tämä kompleksi katalysoi haarautuneiden a-ketohappojen oksidatiivisen dekarboksylaation reaktiota lyhyen hiiliketjun kanssa. Dehydrogenaasikompleksi on rakenteellisesti samanlainen kuin pyruvaattidehydrogenaasi- ja α-ketoglutaraattidehydrogenaasikompleksit muodostaen yhdessä niiden kanssa mitokondrioiden entsyymien perheen, jotka osallistuvat α-ketohappojen oksidatiiviseen dekarboksylaatioon.

Toiminnot

Eläinten ja ihmisten kudoksissa tämä kompleksi katalysoi haaraketjuisten aminohappojen (BCAA) – L - isoleusiinin , L - valiinin ja L - leusiinin – hajoamisen peruuttamatonta vaihetta [2] , mikä vaikuttaa niiden deaminoituihin johdannaisiin (L-2-keto- 3-metyylivaleraatti, 2-ketoisovaleraatti ja 2-ketoisokaproaatti) ja muuntaa ne CoA-estereiksi: α-metyylibutyryyli-CoA, isobutyryyli-CoA ja isovaleryyli-CoA, vastaavasti [3] [4] [5] [6] . Bakteereissa tämä entsyymikompleksi osallistuu haarautuneiden pitkäketjuisten rasvahappojen synteesiin [7] . Kasveissa se osallistuu haarautuneiden pitkäketjuisten hiilivetyjen synteesiin.

Rakenne

Tämä kompleksi koostuu kolmesta entsymaattisesta alayksiköstä (E1 , E2 ja E3 ) . He käyttävät seuraavia koentsyymejä katalyysissä: tiamiinipyrofosfaatti, lipoaatti, koentsyymi A, FAD (proteesiryhmä) ja NAD + .

Alayksikkö E 1

Alayksikkö E 1 - 3-metyyli-2-oksobutanoaattidehydrogenaasi tai haarautuneiden α-ketohappojen dehydrogenaasi (EC 1.2.4.4) käyttää tiamiinipyrofosfaattia (TPP) koentsyyminä. E1 katalysoi sekä a-ketohapon dekarboksylaatiota että sitä seuraavaa E2 : een kovalenttisesti sitoutuneen lipoyyliosan (toinen katalyyttinen kofaktori) pelkistävää asylaatiota .

Alayksikkö E 2

E2- alayksikkö (EC 2.3.1.168) on dehydrolipoyylitransasylaasi, joka katalysoi asyyliryhmän siirtymistä lipoyyliryhmästä koentsyymi A -molekyyliin (stoikiometrinen kofaktori) [8] .

Alayksikkö E 3

E 3 -alayksikkö eli dehydrolipoyylidehydrogenaasi (EC 1.8.1.4) on flavoproteiini ja se hapettaa uudelleen pelkistetyt E 2 -lipoyylirikkijäännökset käyttämällä FAD:ta (katalyyttinen kofaktori) hapettavana aineena. Sitten FAD luovuttaa protoneja ja elektroneja NAD + : lle (stoikiometrinen kofaktori) reaktiosyklin loppuunsaattamiseksi.

Katalyysimekanismi

Kuten aiemmin mainittiin, dehydrogenaasikompleksin päätehtävä nisäkkäissä on katalysoida peruuttamatonta vaihetta BCAA-katabolismissa. BCKDC:llä on kuitenkin suhteellisen laaja spesifisyys, ja se hapettaa myös 4-metyylitio-2-oksobutyraattia ja 2-oksobutyraattia vastaavilla nopeuksilla ja samoilla Km-arvoilla kuin haaraketjuisilla aminohapposubstraateilla [9] . BCKDC hapettaa myös pyruvaattia, mutta näin hitaalla nopeudella tällä sivureaktiolla on hyvin vähän fysiologista merkitystä [10] [11] .

Reaktiomekanismi on seuraava [12] . Huomaa, että mitä tahansa useista haaraketjuisista a-ketohapoista voidaan käyttää lähtöaineena; tässä esimerkissä a-ketoisovaleraatti valittiin mielivaltaisesti dehydrogenaasikompleksin substraatiksi.

MERKINTÄ. Vaiheet 1 ja 2 tapahtuvat E 1 - alueella .

Vaihe 1 : a-ketoisovaleraatti yhdistyy tiamiinipyrofosfaatin (TPP) kanssa ja dekarboksyloidaan sitten.

Vaihe 2 : 2-metyylityylipropanoli-TPF hapetetaan muodostaen asyyliryhmää samalla kun se siirtyy E2- alayksikön lipoyylikofaktoriin . Huomaa, että TPF regeneroidaan.

HUOMAA: Asyloitu lipoyylivarsi poistuu nyt kohdasta E 1 ja siirtyy aktiiviseen kohtaan E 2 , jossa tapahtuu vaihe 3.

Vaihe 3 : E2- alayksikössä asyyliryhmä siirretään koentsyymi A -molekyyliin.

HUOMAA: Pelkistetty lipoyylihaara siirtyy nyt E3- alayksikköön , jossa vaiheet 4 ja 5 tapahtuvat.

Vaihe 4 : Lipoyyliosan hapetus koentsyymi FAD:lla, kuten kuvassa esitetään.

Vaihe 5 : FADH 2 -molekyylien uudelleenhapetus FAD:ksi NADH:n muodostamiseksi:

FADH 2 + NAD + = FAD + NADH•H

Monimutkaisiin vaurioihin liittyvät sairaudet

Minkä tahansa tämän kompleksin entsyymien puutos sekä kompleksin estyminen kokonaisuudessaan johtaa haaraketjuisten aminohappojen ja niiden johdannaisten, erityisesti ketohappojen, kerääntymiseen kehossa, mikä johtaa vaahterona tunnettuun patologiaan. siirappisairaus tai leukinoosi . Ketohapot antavat kehon eritteille (kuten korvavahalle ja virtsalle) erityisen makean tuoksun (kuten karamelli tai poltettu sokeri), mistä johtuu taudin nimi [13] . Sairaus periytyy autosomaalisesti resessiivisesti ja kuuluu ns. orvotautiin (harvinaisiin) sairauksiin.

Tämä entsyymikompleksi on autoantigeeni (oma antigeeni, joka on saanut vieraan spesifisyyden), joka tunnistetaan primaarisessa sappikirroosissa, maksan vajaatoiminnan akuutissa muodossa. Vasta-aineet näyttävät tunnistavan hapettuneen proteiinin, joka johtuu tulehduksellisista immuunivasteista. Joidenkin näistä tulehdusreaktioista on katsottu johtuvan gluteeniherkkyydestä [14] . Muita mitokondrioiden autoantigeenejä ovat pyruvaattidehydrogenaasi ja haaraketjuinen oksoglutaraattidehydrogenaasi, jotka ovat antigeenejä, jotka antimitokondriaaliset vasta-aineet (AMA) tunnistavat.

BCKDK -geenin, jonka tuote normaalisti säätelee kompleksin toimintaa, mutaatiot voivat lisätä sen aktiivisuutta, mikä johtaa haaraketjuisten aminohappojen puutteeseen. Sairaus kuvattiin ensimmäisen kerran vuonna 2012 nimellä " Haaraketjuisen ketodehydrogenaasikinaasin puutos ". [15] Potilailla on kehitysviiveitä , autistisia oireita ja epileptisiä kohtauksia .

Muistiinpanot

1. ↑ Indo I, Kitano A, Endo F, Akaboshi I, Matsuda I (1987). "Haaraketjuisen alfa-ketohappodehydrogenaasikompleksin muuttuneet kineettiset ominaisuudet, jotka johtuvat haaroittuneen ketjun alfa-ketohappodekarboksylaasikomponentin (E 1 ) beeta-alayksikön mutaatiosta lymfoblastoidisoluissa, jotka on johdettu vaahterasiirappia sisältävistä potilaista" . J Clin Invest . 80 (1): 63-70. DOI : 10.1172/JCI113064 . PMC  442202 . PMID  3597778 .
2. ↑ Yeaman SJ (1989). "2-oksohappodehydrogenaasikompleksit: viimeaikainen kehitys" . Biochem. J. _ 257 (3): 625-632. DOI : 10.1042/bj2570625 . PMC  1135633 . PMID  2649080 .
3. ↑ Rodwell, vektori. 29 // Harperin kuvitettu biokemia. — USA : McGraw Hill, 2015. — s. 310. — ISBN 978-0-07-182537-5 .
4. ↑ Broquist HP, Trupin JS (1966). Aminohappoaineenvaihdunta . Biokemian vuosikatsaus . 35 : 231-247. DOI : 10.1146/annurev.bi.35.070166.001311 .
5. ↑ Harris RA, Paxton R, Powell SM, Goodwin GW, Kuntz MJ, Han AC (1986). "Haaraketjuisen alfa-ketohappodehydrogenaasikompleksin säätely kovalenttisella modifikaatiolla". Adv Enzyme Regul . 25 : 219-237. DOI : 10.1016/0065-2571(86)90016-6 . PMID  3028049 .
6. ↑ Namba Y, Yoshizawa K, Ejima A, Hayashi T, Kaneda T (1969). "Koentsyymi A- ja nikotiiniamidiadeniinidinukleotidiriippuvainen haaraketjuinen alfa-ketohappodehydrogenaasi. I. Bacillus subtilis -bakteerin entsyymin puhdistus ja ominaisuudet". J Biol Chem . 244 (16): 4437-4447. DOI : 10.1016/S0021-9258(18)94337-1 . PMID  4308861 .
7. ↑ Lennarz WJ; et ai. (1961). "Isoleusiinin rooli haaraketjuisten rasvahappojen biosynteesissä Micrococcus lysodeikticus -bakteerin toimesta". Biokemiallinen ja biofysikaalinen tutkimusviestintä . 6 (2): 1112-116. DOI : 10.1016/0006-291X(61)90395-3 . PMID  14463994 .
8. ↑ Heffelfinger SC, Sewell ET, Danner DJ (1983). "Erittäin eliminoituneen naudan maksan haaraketjuisen ketohappodehydrogenaasin spesifisten alayksiköiden tunnistaminen". biokemia . 22 (24): 5519-5522. DOI : 10.1021/bi00293a011 . PMID  6652074 .
9. ↑ Jones SM, Yeaman SJ (1986). "4-metyylitio-2-oksobutyraatin oksidatiivinen dekarboksylaatio haaraketjuisella 2-oksohappodehydrogenaasikompleksilla" . Biokemiallinen lehti . 237 (2): 621-623. DOI : 10.1042/bj2370621 . PMC  1147032 . PMID  3800905 .
10. ↑ Pettit FH, Yeaman SJ, Reed LJ (1978). "Naudan munuaisten haaraketjuisen alfa-ketohappodehydrogenaasikompleksin puhdistus ja karakterisointi" . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America . 75 (10): 4881-4885. DOI : 10.1073/pnas.75.10.4881 . PMC  336225 . PMID  283398 .
11. ↑ Damuni Z, Merryfield ML, Humphreys JS, Reed LJ (1984). "Haaraketjuisen alfa-ketohappodehydrogenaasifosfataasin puhdistus ja ominaisuudet naudan munuaisista " Proceedings of the National Academy of Sciences of the United of America . 81 (14): 4335-4338. DOI : 10.1073/pnas.81.14.4335 . PMC  345583 . PMID  6589597 .
12. ↑ Berg, Jeremy M., John L. Tymoczko, Lubert Stryer ja Lubert Stryer. biokemia. 6. painos New York: W.H. Freeman, 2007. 478-79. Tulosta.
13. ↑ Podebrad F, Heil M, Reichert S, Mosandl A, Sewell AC, Böhles H (huhtikuu 1999). "4,5-dimetyyli-3-hydroksi-25H-furanoni (sololoni) - vaahterasiirappivirtsataudin haju". Journal of Herited Metabolic Disease . 22 (2): 107-114. DOI : 10.1023/A:1005433516026 . PMID  10234605 . S2CID  6426166 .
14. ↑ Leung PS, Rossaro L, Davis PA, et ai. (2007). "Antimitokondriaaliset vasta-aineet akuutissa maksan vajaatoiminnassa: vaikutukset primaariseen sappikirroosiin" . Hepatologia . 46 (5): 1436-42. DOI : 10.1002/hep.21828 . PMC  3731127 . PMID  17657817 .
15. ↑ Novarino G, El-Fishawy P, Kayserili H, Meguid NA, Scott EM, Schroth J, Silhavy JL, Kara M, Khalil RO, Ben-Omran T, Ercan-Sencicek AG, Hashish AF, Sanders SJ, Gupta AR, Hashem HS, Matern D, Gabriel S, Sweetman L, Rahimi Y, Harris RA, State MW, Gleeson JG (lokakuu 2012). BCKD-kinaasin mutaatiot johtavat mahdollisesti hoidettavissa olevaan autismin muotoon epilepsialla . Tiede (New York, NY) . 338 (6105): 394-7. DOI : 10.1126/tiede.1224631 . PMC  3704165 . PMID  22956686 .