Комплекс дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью
Комплекс дегидрогеназы α-кетокислот с разветвленной цепью ( BCKDC или комплекс BCKDH ) представляет собой многосубъединичный комплекс ферментов , который находится на внутренней мембране митохондрий . [ 1 ] Этот ферментный комплекс катализирует окислительное декарбоксилирование разветвленных короткоцепочечных альфа-кетокислот . BCKDC является членом семейства митохондриальных комплексов дегидрогеназ α-кетокислот, в которое также входят пируватдегидрогеназа и альфа-кетоглутаратдегидрогеназа , ключевые ферменты, которые функционируют в цикле Кребса .
Биологическая функция
[ редактировать ]В тканях животных BCKDC катализирует необратимый этап. [ 2 ] в катаболизме 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 конвертируем их [ 3 ] на 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 .
Структура
[ редактировать ]Механизм ферментативного катализа BCKDC во многом основан на сложной структуре этого большого ферментного комплекса. Этот ферментный комплекс состоит из трех каталитических компонентов:
Единица | Номер ЕС | Имя | Ген | Кофактор |
---|---|---|---|---|
И 1 | ЭК 1.2.4.4 | дегидрогеназа альфа-кетокислоты | БКДГА | тиаминпирофосфат (TPP) |
EЕ2 | ЭК 2.3.1.168 | дигидролипоилтрансацилаза | ДБТ | липоевая кислота , коэнзим А |
Е 3 | ЭК 1.8.1.4 | дигидролипоамиддегидрогеназа | междугородная связь | ФАД , НАД |
У человека 24 копии E2 , расположенные в октаэдрической симметрии, образуют ядро BCKDC. [ 8 ] нековалентно связаны С этим полимером 24 субъединицы E 2 , E 1 α2β2 12 тетрамеров и 6 E 3 гомодимеров . Помимо E1 / E3 - имеются еще два важных структурных домена связывающего домена, в субъединице E2 : (i) липоилсодержащий домен в аминоконцевой части белка и (ii) внутренний основной домен в карбокси-концевой части. Внутренний домен связан с двумя другими доменами субъединицы Е 2 двумя междоменными сегментами (линкерами). [ 9 ] Домен внутреннего ядра необходим для формирования олигомерного ядра ферментного комплекса и катализирует реакцию ацилтрансферазы (показана в разделе «Механизм» ниже). [ 10 ] Липоильный домен E2 может свободно перемещаться между активными центрами субъединиц E1 фигуру , E2 и E3 собранного BCKDC благодаря конформационной гибкости вышеупомянутых линкеров (см. 2 ). [ 11 ] [ 12 ] Таким образом, с точки зрения функции и структуры компонент E 2 играет центральную роль в общей реакции, катализируемой BCKDC.
Роль каждой субъединицы следующая:
Е 1 субъединица
[ редактировать ]E 1 использует тиаминпирофосфат (TPP) в качестве каталитического кофактора. E1 с катализирует как декарбоксилирование α-кетокислоты, так и последующее восстановительное ацилирование липоильного фрагмента (еще одного каталитического кофактора), который ковалентно связан E2 .
Е 2 субъединица
[ редактировать ]Е 2 катализирует перенос ацильной группы от липоильного фрагмента к коферменту А (стехиометрическому кофактору). [ 14 ]
Е 3 субъединица
[ редактировать ]Компонент E 3 представляет собой флавопротеин и повторно окисляет восстановленные липоилсернистые остатки E 2 с использованием FAD (каталитического кофактора) в качестве окислителя. Затем ФАД передает эти протоны и электроны НАД+ (стехиометрический кофактор), чтобы завершить цикл реакции.
Механизм
[ редактировать ]Как упоминалось ранее, основная функция BCKDC у млекопитающих заключается в катализе необратимого этапа катаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Однако BCKDC обладает относительно широкой специфичностью: он также окисляет 4-метилтио-2-оксобутират и 2-оксобутират с сопоставимыми скоростями и с аналогичными значениями Km, что и его аминокислотные субстраты с разветвленной цепью. [ 15 ] BCKDC также окисляет пируват, но при такой медленной скорости эта побочная реакция имеет очень мало физиологического значения. [ 16 ] [ 17 ]
Механизм реакции следующий. [ 18 ] Обратите внимание, что в качестве исходного материала можно было использовать любую из нескольких α-кетокислот с разветвленной цепью; в этом примере в качестве субстрата BCKDC произвольно был выбран α-кетоизовалерат.
- ПРИМЕЧАНИЕ. Шаги 1 и 2 происходят в E 1. домене
ШАГ 1: α-кетоизовалерат соединяется с ТПП и затем декарбоксилируется. Правильный механизм толкания стрелы показан на рисунке 3 .
ШАГ 2: 2-метилпропанол-ТФП окисляется с образованием ацильной группы и одновременно переносится на липоильный кофактор на E2. Обратите внимание, что TPP регенерируется. Правильный механизм толкания стрелы показан на рисунке 4 .
- ПРИМЕЧАНИЕ. Ацилированное липоиловое плечо теперь покидает E 1 и переходит в активный сайт E 2 , где происходит этап 3.
ЭТАП 3: Перенос ацильной группы в КоА. Правильный механизм толкания стрелы показан на рисунке 5 .
- *ПРИМЕЧАНИЕ. Восстановленное липоиловое плечо теперь перемещается в активный сайт E3 , где происходят этапы 4 и 5.
ЭТАП 4: Окисление липоильного фрагмента коферментом FAD, как показано на фигуре 6 .
ЭТАП 5: Повторное окисление ФАДН 2 до ФАД с образованием НАДН:
- ФАДГ 2 + НАД + → ДЛИНА + НАДН + H +
Актуальность заболевания
[ редактировать ]Дефицит любого из ферментов этого комплекса, а также угнетение комплекса в целом приводит к накоплению в организме аминокислот с разветвленной цепью и их вредных производных. Эти скопления придают сладкий запах выделениям организма (таким как ушная сера и моча), что приводит к патологии, известной как болезнь мочи кленового сиропа . [ 19 ]
Этот фермент является аутоантигеном, распознаваемым при первичном билиарном циррозе печени , форме острой печеночной недостаточности. Эти антитела , по-видимому, распознают окисленный белок , возникший в результате воспалительных иммунных реакций. Некоторые из этих воспалительных реакций объясняются чувствительностью к глютену . [ 20 ] Другие митохондриальные аутоантигены включают пируватдегидрогеназу с разветвленной цепью и оксоглутаратдегидрогеназу , которые представляют собой антигены, распознаваемые антимитохондриальными антителами .
Мутации гена BCKDK , белковый продукт которого 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
[ редактировать ]- ^ Индо I, Китано А, Эндо Ф, Акабоши I, Мацуда I (1987). «Измененные кинетические свойства комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью вследствие мутации бета-субъединицы компонента декарбоксилазы альфа-кетокислот с разветвленной цепью (E 1 ) в лимфобластоидных клетках, полученных от пациентов с заболеванием мочи, вызванным кленовым сиропом» . Джей Клин Инвест . 80 (1): 63–70. дои : 10.1172/JCI113064 . ПМЦ 442202 . ПМИД 3597778 .
- ^ Йеман С.Дж. (1989). «Комплексы дегидрогеназы 2-оксокислот: последние достижения» . Биохим. Дж . 257 (3): 625–632. дои : 10.1042/bj2570625 . ПМЦ 1135633 . ПМИД 2649080 .
- ^ Родвелл, Вектор (2015). «29». Иллюстрированная биохимия Харпера . США: МакГроу Хилл. п. 310. ИСБН 978-0-07-182537-5 .
- ^ Броквист Х.П., Трупин Дж.С. (1966). «Метаболизм аминокислот». Ежегодный обзор биохимии . 35 : 231–247. дои : 10.1146/annurev.bi.35.070166.001311 .
- ^ Харрис Р.А., Пакстон Р., Пауэлл С.М., Гудвин Г.В., Кунц М.Дж., Хан А.С. (1986). «Регуляция комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью путем ковалентной модификации». Адв Фермент Регул . 25 : 219–237. дои : 10.1016/0065-2571(86)90016-6 . ПМИД 3028049 .
- ^ Намба Й., Ёсидзава К., Эдзима А., Хаяши Т., Канеда Т. (1969). «Коэнзим А- и никотинамидадениндинуклеотид-зависимая дегидрогеназа альфа-кетокислот с разветвленной цепью. I. Очистка и свойства фермента из Bacillus subtilis» . J Биол Хим . 244 (16): 4437–4447. дои : 10.1016/S0021-9258(18)94337-1 . ПМИД 4308861 .
- ^ Леннарц В.Дж.; и др. (1961). «Роль изолейцина в биосинтезе жирных кислот с разветвленной цепью микрококком lysodeikticus». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 6 (2): 1112–116. дои : 10.1016/0006-291X(61)90395-3 . ПМИД 14463994 .
- ^ Эварссон А., Чуанг Дж.Л., Винн Р.М., Терли С., Чуанг Д.Т., Хол WGJ (2000). «Кристаллическая структура дегидрогеназы α-кетокислот с разветвленной цепью человека и молекулярная основа дефицита мультиферментного комплекса при болезни мочи кленового сиропа» . Структура . 8 (3): 277–291. дои : 10.1016/S0969-2126(00)00105-2 . ПМИД 10745006 .
- ^ Чуанг Д.Т. (1989). «Молекулярные исследования комплексов дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью млекопитающих: доменные структуры, экспрессия и врожденные ошибки». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 573 : 137–154. дои : 10.1111/j.1749-6632.1989.tb14992.x . ПМИД 2699394 . S2CID 33210101 .
- ^ Чуанг Д.Т., Ху К.В., Ку Л.С., Марковиц П.Дж., Кокс Р.П. (1985). «Субъединичная структура дигидролипоилтрансацилазного компонента комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью из бычьей печени. Характеристика внутреннего ядра трансацилазы» . J Биол Хим . 260 (25): 13779–86. дои : 10.1016/S0021-9258(17)38793-8 . ПМИД 4055756 .
- ^ Рид Л.Дж., Хакерт М.Л. (1990). «Структурно-функциональные взаимоотношения в дигидролипоамидацилтрансферазах» . J Биол Хим . 265 (16): 8971–8974. дои : 10.1016/S0021-9258(19)38795-2 . ПМИД 2188967 .
- ^ Перхам РН. (1991). «Домены, мотивы и линкеры в мультиферментных комплексах дегидрогеназы 2-оксокислот: парадигма в создании многофункционального белка». Биохимия . 30 (35): 8501–8512. дои : 10.1021/bi00099a001 . ПМИД 1888719 .
- ^ Берг, Джереми М., Джон Л. Тимочко, Люберт Страйер и Люберт Страйер. Биохимия. 6-е изд. Нью-Йорк: WH Freeman, 2007. 481. Печать.
- ^ Хеффельфингер СК, Сьюэлл ЕТ, Дэннер DJ (1983). «Идентификация специфических субъединиц высокоочищенной кетокислотдегидрогеназы с разветвленной цепью бычьей печени». Биохимия . 22 (24): 5519–5522. дои : 10.1021/bi00293a011 . ПМИД 6652074 .
- ^ Джонс С.М., Йеман С.Дж. (1986). «Окислительное декарбоксилирование 4-метилтио-2-оксобутирата с помощью дегидрогеназного комплекса 2-оксокислот с разветвленной цепью» . Биохимический журнал . 237 (2): 621–623. дои : 10.1042/bj2370621 . ПМК 1147032 . ПМИД 3800905 .
- ^ Петтит Ф.Х., Йеман С.Дж., Рид Л.Дж. (1978). «Очистка и характеристика комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью бычьих почек» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 75 (10): 4881–4885. дои : 10.1073/pnas.75.10.4881 . ПМК 336225 . ПМИД 283398 .
- ^ Дамуни З., Меррифилд М.Л., Хамфрис Дж.С., Рид Л.Дж. (1984). «Очистка и свойства фосфатазы альфа-кетокислотной дегидрогеназы с разветвленной цепью из бычьих почек» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (14): 4335–4338. дои : 10.1073/pnas.81.14.4335 . ПМЦ 345583 . ПМИД 6589597 .
- ^ Берг, Джереми М., Джон Л. Тимочко, Люберт Страйер и Люберт Страйер. Биохимия. 6-е изд. Нью-Йорк: WH Freeman, 2007. 478–79. Распечатать.
- ^ Подебрад Ф., Хайль М., Райхерт С., Мосандл А., Сьюэлл А.С., Бёльс Х. (апрель 1999 г.). «4,5-диметил-3-гидрокси-25H-фуранон (сотолон) — запах мочи кленового сиропа» . Журнал наследственных метаболических заболеваний . 22 (2): 107–114. дои : 10.1023/A:1005433516026 . ПМИД 10234605 . S2CID 6426166 .
- ^ Люнг П.С., Россаро Л., Дэвис П.А. и др. (2007). «Антимитохондриальные антитела при острой печеночной недостаточности: последствия первичного билиарного цирроза» . Гепатология . 46 (5): 1436–42. дои : 10.1002/hep.21828 . ПМЦ 3731127 . ПМИД 17657817 .
- ^ Новарино Дж., Эль-Фишави П., Кайсерили Х., Мегид Н.А., Скотт Э.М., Шрот Дж., Силхави Дж.Л., Кара М., Халил Р.О., Бен-Омран Т., Эркан-Сенчичек А.Г., Хашиш А.Ф., Сандерс С.Дж., Гупта А.Р., Хашем Х.С. , Матерн Д., Габриэль С., Свитман Л., Рахими Ю., Харрис Р.А., Стэйт М.В., Глисон JG (октябрь 2012 г.). «Мутации BCKD-киназы приводят к потенциально излечимой форме аутизма с эпилепсией» . Наука . 338 (6105): 394–7. дои : 10.1126/science.1224631 . ПМК 3704165 . ПМИД 22956686 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Запись GeneReviews/NCBI/NIH/UW о болезни мочи, вызванной кленовым сиропом
- Разветвленная + цепь + кетокислота + дегидрогеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- ЭК 1.2.4.4
- [1]