Комплекс дегидрогеназы α-кетокислоты с разветвленной цепью ( BCKDC или BCKDH комплекс ) представляет собой мультисубъединичный комплекс ферментов, который находится на внутренней мембране митохондрий . [1] Этот ферментный комплекс катализирует окислительное декарбоксилирование разветвленных короткоцепочечных альфа-кетокислот . BCKDC является членом семейства митохондриальных α-кетокислот дегидрогеназных комплексов, включающих пируватдегидрогеназу и альфа-кетоглутаратдегидрогеназу , ключевые ферменты, которые функционируют в цикле Кребса .
Коферменты
Для этого комплекса необходимы следующие 5 коферментов:
Биологическая функция
В животной ткани, BCKDC катализирует необратимый шаг [2] в катаболизме разветвленной цепи аминокислот L-изолейцин , L-валин и L-лейцин , действуя на их дезаминируются 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 .
Состав
Механизм ферментативного катализа BCKDC во многом основан на сложной структуре этого большого ферментного комплекса. Этот ферментный комплекс состоит из трех каталитических компонентов: альфа-кетокислот дегидрогеназы (также называемой компонентом E 1 ), дигидролипоил трансацилазы ( компонент E 2 ) и дигидролипоамиддегидрогеназы ( компонент E 3 ). У людей 24 копии E 2, расположенные с октаэдрической симметрией, образуют ядро BCKDC. [8] Нековалентно связаны с этим полимером из 24 субъединиц E 2 12 тетрамеров E 1 α 2 β 2 и 6 гомодимеров E 3 . Помимо E 1 / E 3- связывающего домена, в субъединице E 2 есть 2 других важных структурных домена : (i) липоил-несущий домен в аминоконцевой части белка и (ii) внутренний - основной домен в карбокси-концевой части. Внутренний сердцевинный домен связан с двумя другими доменами субъединицы E 2 двумя междоменными сегментами (линкерами). [9] Внутренний сердцевинный домен необходим для образования 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, а также структуры, компонент E 2 играет центральную роль в общей реакции, катализируемой BCKDC.
Роль каждой субъединицы следующая:
Е 1 субъединица
E 1 ( EC 1.2.4.4 ) использует пирофосфат тиамина (TPP) в качестве каталитического кофактора. E 1 катализирует как декарбоксилирование α-кетокислоты, так и последующее восстановительное ацилирование липоильного фрагмента (другого каталитического кофактора), ковалентно связанного с E 2 .
Е 2 субъединица
E 2 ( EC 2.3.1.168 ) катализирует перенос ацильной группы от липоильной части к коферменту A (стехиометрическому кофактору). [14]
Е 3 субъединица
Компонент E 3 ( EC 1.8.1.4 ) представляет собой флавопротеин и повторно окисляет остатки восстановленной липоильной серы E 2, используя FAD (каталитический кофактор) в качестве окислителя. Затем FAD передает эти протоны и электроны на NAD + (стехиометрический кофактор) для завершения цикла реакции.
Механизм
Как упоминалось ранее, основная функция BCKDC у млекопитающих - катализировать необратимую стадию катаболизма аминокислот с разветвленной цепью. Однако BCKDC имеет относительно широкую специфичность, также окисляя 4-метилтио-2-оксобутират и 2-оксобутират со сравнимыми скоростями и с аналогичными значениями Km, что и для его аминокислотных субстратов с разветвленной цепью. [15] BCKDC также окисляет пируват, но при такой медленной скорости эта побочная реакция имеет очень небольшое физиологическое значение. [16] [17]
Механизм реакции следующий. [18] Обратите внимание, что любая из нескольких α-кетокислот с разветвленной цепью могла быть использована в качестве исходного материала; в этом примере α-кетоизовалерат был произвольно выбран в качестве субстрата BCKDC.
- ПРИМЕЧАНИЕ. Шаги 1 и 2 выполняются в домене E 1.
ШАГ 1: α-кетоизовалерат соединяется с TPP, а затем декарбоксилируется. Правильный механизм подачи стрелок показан на рисунке 3 .
ШАГ 2: 2-метилпропанол-ТФП окисляется с образованием ацильной группы при одновременном переносе на липоильный кофактор на E2. Обратите внимание, что TPP регенерируется. Правильный механизм подачи стрелы показан на рисунке 4 .
- ПРИМЕЧАНИЕ. Ацилированное липоильное плечо теперь покидает E 1 и поворачивается в активный сайт E 2 , где происходит этап 3.
ШАГ 3: Перенос ацильной группы в КоА. Правильный механизм подачи стрелы показан на рисунке 5 .
- * ПРИМЕЧАНИЕ: уменьшенное липоильное плечо теперь переходит в активный сайт E 3 , где выполняются шаги 4 и 5.
ШАГ 4: Окисление липоильной части коферментом FAD, как показано на рисунке 6 .
ШАГ 5: Повторное окисление FADH 2 до FAD с образованием NADH:
- ФАДН 2 + НАД + -> ФАД + НАДН + Н +
Актуальность болезни
Дефицит любого из ферментов этого комплекса, а также ингибирование 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 , форме острой печеночной недостаточности. Эти антитела распознают окисленный белок , возникший в результате 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 .
Рекомендации
- ^ Индо I, Китано А, Эндо Ф, Акабоши I, Мацуда I (1987). «Измененные кинетические свойства комплекса альфа-кетокислоты дегидрогеназы с разветвленной цепью из-за мутации бета-субъединицы компонента декарбоксилазы (E 1 ) разветвленной цепи в лимфобластоидных клетках, полученных от пациентов с болезнью мочи кленового сиропа» . J Clin Invest . 80 (1): 63–70. DOI : 10.1172 / JCI113064 . PMC 442202 . PMID 3597778 .
- ^ Йеман SJ (1989). «Комплексы 2-оксокислоты дегидрогеназы: последние достижения» . Biochem. Дж . 257 (3): 625–632. DOI : 10.1042 / bj2570625 . PMC 1135633 . PMID 2649080 .
- ^ Родвелл, Вектор (2015). «29». Иллюстрированная биохимия Харпера . США: Макгроу Хилл. п. 310. ISBN 978-0-07-182537-5.
- ^ Broquist HP, Trupin JS (1966). «Аминокислотный обмен». Ежегодный обзор биохимии . 35 : 231–247. DOI : 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). «Регулирование комплекса альфа-кетокислоты дегидрогеназы с разветвленной цепью путем ковалентной модификации». Adv Enzyme Regul . 25 : 219–237. DOI : 10.1016 / 0065-2571 (86) 90016-6 . PMID 3028049 .
- ^ Намба Й, Йошизава К., Эдзима А., Хаяси Т., Канеда Т. (1969). «Коэнзим A- и никотинамидадениндинуклеотид-зависимая дегидрогеназа альфа-кетокислот с разветвленной цепью. I. Очистка и свойства фермента из Bacillus subtilis». J Biol Chem . 244 (16): 4437–4447. PMID 4308861 .
- ^ Леннарц WJ; и другие. (1961). «Роль изолейцина в биосинтезе жирных кислот с разветвленной цепью микрококком lysodeikticus». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 6 (2): 1112–116. DOI : 10.1016 / 0006-291X (61) 90395-3 . PMID 14463994 .
- ^ Аэварссон А., Чуанг Дж. Л., Винн Р. М., Терли С., Чуанг Д. Т., Хол WGJ (2000). «Кристаллическая структура человеческой дегидрогеназы α-кетокислоты с разветвленной цепью и молекулярная основа дефицита мультиферментного комплекса при болезни мочи кленового сиропа». Структура . 8 (3): 277–291. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (00) 00105-2 . PMID 10745006 .
- ^ Chuang DT. (1989). «Молекулярные исследования комплексов дегидрогеназы альфа-кетокислоты с разветвленной цепью млекопитающих: доменные структуры, экспрессия и врожденные ошибки». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 573 : 137–154. DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1989.tb14992.x . PMID 2699394 .
- ^ Чуанг Д.Т., Ху К.В., Ку Л.С., Марковиц П.Дж., Кокс Р.П. (1985). «Субъединичная структура компонента дигидролипоилтрансацилазы разветвленного комплекса альфа-кетокислоты дегидрогеназы из бычьей печени. Характеристика внутреннего ядра трансацилазы». J Biol Chem . 260 (25): 13779–86. PMID 4055756 .
- ^ Рид Л.Дж., Хакерт М.Л. (1990). «Структурно-функциональные отношения в дигидролипоамид ацилтрансферазах». J Biol Chem . 265 (16): 8971–8974. PMID 2188967 .
- ^ Perham RN. (1991). «Домены, мотивы и линкеры в мультиферментных комплексах 2-оксокислот дегидрогеназы: парадигма в разработке многофункционального белка». Биохимия . 30 (35): 8501–8512. DOI : 10.1021 / bi00099a001 . PMID 1888719 .
- ^ Берг, Джереми М., Джон Л. Tymoczko, Луберт Страйер и Луберт Страйер. Биохимия. 6-е изд. Нью-Йорк: WH Freeman, 2007. 481. Печать.
- ^ Heffelfinger SC, Sewell ET, Danner DJ (1983). «Идентификация специфических субъединиц высокоочищенной бычьей печени с разветвленной цепью кетокислот дегидрогеназы». Биохимия . 22 (24): 5519–5522. DOI : 10.1021 / bi00293a011 . PMID 6652074 .
- ^ Джонс С.М., Йеман С.Дж. (1986). «Окислительное декарбоксилирование 4-метилтио-2-оксобутирата комплексом дегидрогеназы 2-оксокислоты с разветвленной цепью» . Биохимический журнал . 237 (2): 621–623. PMC 1147032 . PMID 3800905 .
- ^ Петтит Ф.Х., Йеман С.Дж., Рид Л.Дж. (1978). «Очистка и характеристика комплекса дегидрогеназы альфа-кетокислоты с разветвленной цепью бычьей почек» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 75 (10): 4881–4885. DOI : 10.1073 / pnas.75.10.4881 . PMC 336225 . PMID 283398 .
- ^ Дамуни З., Меррифилд М.Л., Хамфрис Дж. С., Рид Л. Дж. (1984). «Очистка и свойства фосфатазы дегидрогеназы альфа-кетокислот с разветвленной цепью из почек крупного рогатого скота» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 81 (14): 4335–4338. DOI : 10.1073 / pnas.81.14.4335 . PMC 345583 . PMID 6589597 .
- ^ Берг, Джереми М., Джон Л. Tymoczko, Луберт Страйер и Луберт Страйер. Биохимия. 6-е изд. Нью-Йорк: WH Freeman, 2007. 478-79. Распечатать.
- ^ Подебрад Ф., Хайль М., Райхерт С., Мосандл А., Сьюэлл А.С., Бёлес Х. (апрель 1999 г.). «4,5-диметил-3-гидрокси-25Н-фуранон (сотолон) - запах мочи кленового сиропа». Журнал наследственных метаболических заболеваний . 22 (2): 107–114. DOI : 10,1023 / A: 1005433516026 . PMID 10234605 .
- ^ Леунг П.С., Россаро Л., Дэвис П.А. и др. (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 .
Внешние ссылки
- GeneReviews / NCBI / NIH / UW запись о заболевании мочи кленовым сиропом
- Разветвленная + цепь + кетокислота + дегидрогеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
- EC 1.2.4.4
- [1]