stringtranslate.com

Комплекс дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью

Комплекс дегидрогеназы α-кетокислот с разветвленной цепью ( комплекс BCKDC или BCKDH ) представляет собой многосубъединичный комплекс ферментов , который находится на внутренней мембране митохондрий . [1] Этот комплекс ферментов катализирует окислительное декарбоксилирование разветвленных короткоцепочечных альфа-кетокислот . BCKDC является членом семейства комплексов дегидрогеназы α-кетокислот митохондриальной цепи, которое также включает пируватдегидрогеназу и альфа-кетоглутаратдегидрогеназу , ключевые ферменты, которые функционируют в цикле Кребса .

Биологическая функция

В тканях животных BCKDC катализирует необратимый этап [2] катаболизма аминокислот с разветвленной цепью L-изолейцина , L-валина и L-лейцина , действуя на их дезаминированные производные (L-альфа-кето-бета-метилвалерат, альфа-кетоизовалерат и альфа -кетоизокапроат соответственно) и превращая их [3] в α-метилбутирил-КоА, изобутирил-КоА и изовалерил-КоА соответственно. [4] [5] [6] У бактерий этот фермент участвует в синтезе разветвленных длинноцепочечных жирных кислот . [7] У растений этот фермент участвует в синтезе разветвленных длинноцепочечных углеводородов .

Общая катаболическая реакция, катализируемая BCKDC, показана на рисунке 1 .

Рисунок 1: Это общая реакция, катализируемая комплексом дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью.

Структура

Механизм ферментативного катализа BCKDC во многом опирается на сложную структуру этого большого ферментного комплекса. Этот ферментный комплекс состоит из трех каталитических компонентов:

У людей 24 копии E 2, расположенные в октаэдрической симметрии, образуют ядро ​​BCKDC. [8] Нековалентно связанные с этим полимером из 24 субъединиц E 2 , представляют собой 12 тетрамеров E 1 α2β2 и 6 гомодимеров E 3. В дополнение к домену связывания E 1 /E 3 в субъединице E 2 есть 2 других важных структурных домена : (i) домен, несущий липоил, в аминоконцевой части белка и (ii) домен внутреннего ядра в карбоксиконцевой части. Домен внутреннего ядра связан с двумя другими доменами субъединицы E 2 двумя междоменными сегментами (линкерами). [9] Домен внутреннего ядра необходим для формирования олигомерного ядра ферментного комплекса и катализирует реакцию ацилтрансферазы (показано в разделе «Механизм» ниже). [10] Липоильный домен E 2 может свободно перемещаться между активными сайтами субъединиц E 1 , E 2 и E 3 на собранном BCKDC благодаря конформационной гибкости вышеупомянутых линкеров (см. Рисунок 2 ). [11] [12] Таким образом, с точки зрения функции и структуры компонент E 2 играет центральную роль в общей реакции, катализируемой BCKDC.

Рисунок 2: Это схема «качающегося» липоильного домена. Обратите внимание, что этот липоильный домен ковалентно присоединен к субъединице E 2 BCKDC, но может свободно качаться между субъединицами E 1 , E 2 и E 3 . Как описано в разделе «Механизм», способность липоильной группы свободно качаться между активными сайтами на каждой из трех субъединиц BCKDC играет большую и важную роль в каталитической активности этого ферментного комплекса. [13]

Роль каждой субъединицы следующая:

Э1субъединица

E 1 использует тиаминпирофосфат (TPP) в качестве каталитического кофактора. E 1 катализирует как декарбоксилирование α-кетокислоты, так и последующее восстановительное ацилирование липоильного фрагмента (еще один каталитический кофактор), который ковалентно связан с E 2 .

Э2субъединица

E 2 катализирует перенос ацильной группы из липоильной части на кофермент А (стехиометрический кофактор). [14]

Э3субъединица

Компонент E 3 представляет собой флавопротеин, который повторно окисляет восстановленные липоильные остатки серы E 2, используя FAD (каталитический кофактор) в качестве окислителя. Затем FAD переносит эти протоны и электроны в NAD+ (стехиометрический кофактор), чтобы завершить цикл реакции.

Механизм

Как упоминалось ранее, основная функция BCKDC у млекопитающих — катализировать необратимый этап катаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Однако BCKDC имеет относительно широкую специфичность, также окисляя 4-метилтио-2-оксобутират и 2-оксобутират с сопоставимыми скоростями и с аналогичными значениями Km, как и для его субстратов аминокислот с разветвленной цепью. [15] BCKDC также окисляет пируват, но при такой низкой скорости эта побочная реакция имеет очень малое физиологическое значение. [16] [17]

Механизм реакции следующий. [18] Обратите внимание, что в качестве исходного материала можно было использовать любую из нескольких α-кетокислот с разветвленной цепью; для этого примера в качестве субстрата BCKDC был произвольно выбран α-кетоизовалерат.

ПРИМЕЧАНИЕ: Шаги 1 и 2 происходят в домене E 1.

ШАГ 1: α-кетоизовалерат соединяется с TPP и затем декарбоксилируется. Правильный механизм проталкивания стрелки показан на рисунке 3 .

Рисунок 3: α-кетоизовалерат соединяется с ТФП и затем декарбоксилируется.

ШАГ 2: 2-метилпропанол-TPP окисляется с образованием ацильной группы, одновременно переносясь в липоильный кофактор на E2. Обратите внимание, что TPP регенерируется. Правильный механизм проталкивания стрелки показан на рисунке 4 .

Рисунок 4: 2-метилпропанол-TPP окисляется с образованием ацильной группы, одновременно переносясь в липоильный кофактор на E2. Обратите внимание, что TPP регенерируется.
ПРИМЕЧАНИЕ: Ацилированная липоильная группа теперь покидает E1 и перемещается в активный центр E2 , где происходит Шаг 3.

ШАГ 3: Перенос ацильной группы в CoA. Правильный механизм перемещения стрелки показан на рисунке 5 .

Рисунок 5: Перенос ацильной группы на КоА
*ПРИМЕЧАНИЕ: восстановленная липоильная группа теперь перемещается в активный центр E3 , где происходят шаги 4 и 5.

ШАГ 4: Окисление липоильной части коферментом ФАД, как показано на рисунке 6 .

Рисунок 6: Окисление липоильной части коферментом ФАД.

ЭТАП 5: Повторное окисление ФАДН 2 до ФАД с образованием НАДН:

ФАДН 2 + НАД + → ФАД + НАДН + Н +

Актуальность заболевания

Дефицит любого из ферментов этого комплекса, а также ингибирование комплекса в целом приводит к накоплению аминокислот с разветвленной цепью и их вредных производных в организме. Эти накопления придают выделениям организма (таким как ушная сера и моча) сладкий запах, что приводит к патологии, известной как болезнь кленового сиропа мочи . [19]

Этот фермент является аутоантигеном, распознаваемым при первичном билиарном циррозе , форме острой печеночной недостаточности. Эти антитела , по-видимому, распознают окисленный белок , который является результатом воспалительных иммунных реакций. Некоторые из этих воспалительных реакций объясняются чувствительностью к глютену . [20] Другие митохондриальные аутоантигены включают пируватдегидрогеназу и оксоглутаратдегидрогеназу с разветвленной цепью , которые являются антигенами, распознаваемыми антимитохондриальными антителами .

Мутации гена BCKDK , чей белковый продукт контролирует активность комплекса, могут привести к чрезмерной активации комплекса и чрезмерному катаболизму трех аминокислот. Это приводит к дефициту киназы дегидрогеназы кетокислот с разветвленной цепью , редкому заболеванию, впервые описанному у людей в 2012 году. [21]

Ссылки

  1. ^ Индо И, Китано А, Эндо Ф, Акабоши И, Мацуда И (1987). «Измененные кинетические свойства комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью из-за мутации бета-субъединицы компонента декарбоксилазы альфа-кетокислот с разветвленной цепью (E1) в лимфобластоидных клетках, полученных от пациентов с болезнью мочи с запахом кленового сиропа». J Clin Invest . 80 (1): 63–70. doi :10.1172/JCI113064. PMC  442202. PMID  3597778 .
  2. ^ Yeaman SJ (1989). «Комплексы дегидрогеназы 2-оксокислот: последние достижения». Biochem. J . 257 (3): 625–632. doi :10.1042/bj2570625. PMC 1135633 . PMID  2649080. 
  3. ^ Rodwell, Vector (2015). "29". Иллюстрированная биохимия Харпера . США: McGraw Hill. стр. 310. ISBN 978-0-07-182537-5.
  4. ^ Broquist HP, Trupin JS (1966). «Метаболизм аминокислот». Annual Review of Biochemistry . 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). «Регулирование комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью путем ковалентной модификации». Adv Enzyme Regul . 25 : 219–237. doi :10.1016/0065-2571(86)90016-6. PMID  3028049.
  6. ^ Намба Y, Ёсидзава K, Эджима A, Хаяши T, Канеда T (1969). «Кофермент А- и никотинамидадениндинуклеотид-зависимая дегидрогеназа альфа-кетокислот с разветвленной цепью. I. Очистка и свойства фермента из Bacillus subtilis». J Biol Chem . 244 (16): 4437–4447. doi : 10.1016/S0021-9258(18)94337-1 . PMID  4308861.
  7. ^ Lennarz WJ; et al. (1961). «Роль изолейцина в биосинтезе жирных кислот с разветвленной цепью с помощью micrococcus lysodeikticus». Biochemical and Biophysical Research Communications . 6 (2): 1112–116. doi :10.1016/0006-291X(61)90395-3. PMID  14463994.
  8. ^ Aevarsson A, Chuang JL, Wynn RM, Turley S, Chuang DT, Hol WGJ (2000). «Кристаллическая структура дегидрогеназы α-кетокислот с разветвленной цепью человека и молекулярная основа дефицита мультиферментного комплекса при болезни мочи с кленовым сиропом». Структура . 8 (3): 277–291. doi : 10.1016/S0969-2126(00)00105-2 . PMID  10745006.
  9. ^ Chuang DT. (1989). «Молекулярные исследования комплексов дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью млекопитающих: структуры доменов, экспрессия и врожденные ошибки». Annals of the New York Academy of Sciences . 573 : 137–154. doi :10.1111/j.1749-6632.1989.tb14992.x. PMID  2699394. S2CID  33210101.
  10. ^ Chuang DT, Hu CW, Ku LS, Markovitz PJ, Cox RP (1985). «Структура субъединицы компонента дигидролипоилтрансацилазы комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью из печени быка. Характеристика внутреннего ядра трансацилазы». J Biol Chem . 260 (25): 13779–86. doi : 10.1016/S0021-9258(17)38793-8 . PMID  4055756.
  11. ^ Рид Л. Дж., Хаккерт М. Л. (1990). «Структурно-функциональные связи в дигидролипоамидацилтрансферазах». J Biol Chem . 265 (16): 8971–8974. doi : 10.1016/S0021-9258(19)38795-2 . PMID  2188967.
  12. ^ Perham RN. (1991). «Домены, мотивы и линкеры в мультиферментных комплексах дегидрогеназы 2-оксокислот: парадигма в разработке многофункционального белка». Биохимия . 30 (35): 8501–8512. doi :10.1021/bi00099a001. PMID  1888719.
  13. ^ Берг, Джереми М., Джон Л. Тимочко, Любер Страйер и Любер Страйер. Биохимия. 6-е изд. Нью-Йорк: WH Freeman, 2007. 481. Печать.
  14. ^ Хеффелфингер SC, Сьюэлл ET, Даннер DJ (1983). «Идентификация специфических субъединиц высокоочищенной дегидрогеназы кетокислот с разветвленной цепью из бычьей печени». Биохимия . 22 (24): 5519–5522. doi :10.1021/bi00293a011. PMID  6652074.
  15. ^ Джонс SM, Йеман SJ (1986). «Окислительное декарбоксилирование 4-метилтио-2-оксобутирата комплексом дегидрогеназы 2-оксокислот с разветвленной цепью». Biochemical Journal . 237 (2): 621–623. doi :10.1042/bj2370621. PMC 1147032. PMID  3800905 . 
  16. ^ Pettit FH, Yeaman SJ, Reed LJ (1978). «Очистка и характеристика комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью почек быка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 75 (10): 4881–4885. doi : 10.1073/pnas.75.10.4881 . PMC 336225. PMID  283398 . 
  17. ^ Damuni Z, Merryfield ML, Humphreys JS, Reed LJ (1984). «Очистка и свойства фосфатазы дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью из почек быка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (14): 4335–4338. doi : 10.1073/pnas.81.14.4335 . PMC 345583. PMID 6589597  . 
  18. ^ Берг, Джереми М., Джон Л. Тимочко, Любер Страйер и Любер Страйер. Биохимия. 6-е изд. Нью-Йорк: WH Freeman, 2007. 478-79. Печать.
  19. ^ Podebrad F, Heil M, Reichert S, Mosandl A, Sewell AC, Böhles H (апрель 1999 г.). "4,5-диметил-3-гидрокси-25H-фуранон (сотолон) — болезнь с запахом кленового сиропа при мочеиспускании". Журнал наследственных метаболических заболеваний . 22 (2): 107–114. doi : 10.1023/A:1005433516026 . PMID  10234605. S2CID  6426166.
  20. ^ Leung PS, Rossaro L, Davis PA, et al. (2007). «Антимитохондриальные антитела при острой печеночной недостаточности: последствия для первичного билиарного цирроза». Гепатология . 46 (5): 1436–42. doi :10.1002/hep.21828. PMC 3731127. PMID  17657817 . 
  21. ^ 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 (октябрь 2012 г.). «Мутации в BCKD-киназе приводят к потенциально излечимой форме аутизма с эпилепсией». Science . 338 (6105): 394–7. doi :10.1126/science.1224631. PMC 3704165 . PMID  22956686. 

Внешние ссылки